基于博途软件的PLC虚拟仿真实验项目的设计与实现

刘文秀，彭昕昀，韩竺秦，王杏进

（韶关学院智能工程学院，韶关 512005）

0 引言

进入新时代，我国为满足人民美好生活需求，急需推动传统产业优化升级，因此，许多加工制造业面临升级改造。可编程控制器（PLC）控制技术在钢铁、石化、电子信息、汽车生产等智能制造领域发挥着巨大的作用，且随着控制技术的发展，PLC 控制技术慢慢覆盖了更多领域。为向社会培养高质量的技能人才，增强我国的产业竞争力，高等院校开设PLC 教学课程显得更加重要。

在PLC 教学过程中，实践操作是非常重要的环节，通过实践操作可以有效地加深学生对知识点的理解，激发学生的学习积极性。但在传统的PLC 实践教学过程中，学生只是针对学校现有PLC 实验箱、实训台等设备进行硬件接线，完成程序的编写及调试，在此过程中学生对PLC 性能及应用理解得不够透彻。同时，借助硬件条件进行教学，教师的教学灵活性不足。实际的物理模型体积大、价格昂贵，在办学经费有限的情况下，搭建实际的物理模型非常不现实。

另外，当前的大学生大部分是零零后，他们是在信息化环境下成长起来的一代。在成长的过程中，这些学生已经具备了充分利用互联网资源获取知识的能力。传统的实验教学模式采用定时、定内容、定条件的方式，不再适用于当代大学生。为提高实验教学质量，必然要转变实验教学模式，以满足新时代大学生自主学习的需求。

虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容。为解决实验经费不足等问题，在PLC 实验教学过程中，采用虚拟仿真技术，以服务教学为目的，遵循“虚实结合，能实不虚”的要求，将知识点由抽象转为具体、变枯燥为生动，让学生带着兴趣学习，通过虚拟仿真来缓解硬件实验设备台套数不足的问题。学生也可以随时随地开展学习和实验，学习效果直观，有利于提高学生学习的自主性。对教师来说，丰富了教学形式，在理论教学的同时，在平台上做模拟仿真，通过对直观的结果展开分析，活跃了教学气氛，拓宽了教学内容。

1 博途软件介绍

传统的PLC 控制系统设计过程中，编辑PLC 程序、编辑HMI 控制界面，配置现场设备（例如变频器）还需要一款软件，而各部分需要紧密联系才能构成一个控制系统。如果能使用一款软件完成上述所有的工作，将更有益于整个系统的构建工作。西门子公司的TIA 博途软件就能够实现上述的所有功能。

2010 年，西门子公司发布了TIA 博途软件（V10 版本），成为业内首个全集成自动化概念下的自动化软件，其采用统一工程组态和软件项目环境，适用于所有的自动化任务，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。博途软件采用新型、统一的软件框架，可在同一开发环境中组态西门子可编程控制器、人机界面和驱动装置，各种数据的共享也大大降低了连接和组态成本。

2 PLC实验课程虚拟仿真教学过程

PLC 课程组教师充分利用韶关学院软硬件条件，搭建虚拟仿真平台，实现PLC 实验课程虚拟仿真教学项目的建设。通过虚拟仿真实验项目建设实现了在空间和时间上的广泛共享。在教学的过程中，教师根据具体情况，将知识点采用通俗易懂、深入浅出的方式教授给学生，使学生易于接受教学中的重点和难点。在教学过程中利用西门子博途软件，结合实际工程案例，生动形象地把课程知识点与工程应用紧密结合起来，激发了学生的学习积极性，提高了学生的工程实践能力。教学流程如图1所示。

图1 实验教学流程

利用博途软件构建PLC 虚拟仿真实验系统，如图2所示。在此系统中，学生可以实现PLC控制系统的I/O 分配、仿真动画变量的设置、梯形图的编写及虚拟仿真调试、HMI 组态界面的设置及组态动画程序的编写及仿真调试等。学生依据控制系统的控制功能要求，不断地修改及完善控制系统程序和运行调试程序，直到满足控制要求。在此过程中学生的实践动手能力得到了很好的锻炼，分析问题和解决问题的能力也得到了提高。

图2 虚拟仿真实验系统

3 虚拟仿真案例建设

根据课程标准中对课程知识点的要求，课程组教师采用项目教学的方法，针对教学中的重点难点，设计合理的工程案例实施虚拟仿真设计。下面以自动往返小车的运动控制为例，说明实施仿真教学的过程。

3.1 基础理论讲解

依据实际的工程案例，根据具体的控制工艺要求，首先要学生明确系统的控制过程中哪些是PLC 的输入信号，哪些是PLC 的输出信号，并合理地分配PLC 的输入输出点。PLC 常见的输入输出端子信号如图3所示。

图3 常见的PLC输入输出端子信号

自动往返小车的控制仿真案例如图4 所示。控制要求：按下正转启动按钮小车右行，按下反转启动按钮小车左行，要求小车在左、右限位开关之间不停地循环往返，直到按下停车按钮小车停止运行。

图4 自动往返小车的控制示意图

3.2 系统I/O分配及变量的设置

依据自动往返小车的控制要求，分配6个输入点，2个输出点。在博途软件下编辑PLC 变量表如图5所示。为后续电机动画定义一个整形变量“电机动画”。

图5 PLC变量表

3.3 梯形图程序的编写及仿真调试

由于用到HMI 界面仿真调试，在HMI 界面设置正转启动按钮和反转启动按钮，因此编写梯形图时系统的两个启动按钮直接使用辅助继电器M。梯形图程序如图6 所示。在博途软件下，启动PLC仿真实现程序的调试。

图6 梯形图程序

3.4 HMI动画界面的设计及仿真调试

在HMI 动画界面依次绘制按钮、指示灯、限位开关、正转指示灯、反转指示灯、小车等，如图7所示。其中按钮、指示灯、限位开关等与PLC 的变量相关联。正转启动按钮关联变量如图8所示。指示灯参数设置界面如图9所示。

图7 HMI界面的绘制

图8 正转启动按钮关联变量

图9 指示灯参数设置界面

小车在HMI 界面的运行动画设计如图10 所示。在梯形图中采用FC 模块编写正转动画和反转动画梯形图，并在主程序中调用这两个模块，实现仿真过程中小车的动态运行过程。正转动画FC模块如图11所示。系统最终运行界面如图12所示。

图10 小车运行动画设计

图11 正转动画FC模块

图12 系统最终运行界面

4 虚拟仿真技术应用实践效果

在PLC 的教学过程中，采用虚拟仿真技术，教学效果显著提高。通过虚拟仿真技术的推广，解决了PLC 教学中时间空间的限制，通过形象生动的动画显示展示控制效果，有效地提高了学生的学习积极性。在课堂的教学过程中能够切实感受到学生对实验课的满意度。学生对本课程的学习兴趣显著提高，能够更加积极主动地投入到学习中。