基于西门子HMI 组态技术的PLC 实训教学改革＊

张玉广，高金宇，金宁宁，杨溢帆

（河南职业技术学院，河南 郑州450046）

“PLC 技术”是高职机电一体化技术专业的核心课程之一，深化、加强对PLC 实训教学的改革显得尤为重要。

人机交互界面（Human Machine Interface，HMI），因其具有良好的信息交互显示功能，可以显示PLC 程序中的相关变量，使得PLC 的控制过程直观化。故本文借助西门子HMI 组态技术以一个自动售货机控制为载体，探索针对PLC 实训教学的改革。

1 PLC 实训教学中存在的不足

PLC 是一种以微处理器为基础的通用工业自动控制装置，它综合了现代计算机技术、自动控制技术、通信技术，具有显著优点，被称为现代工业自动化的支柱之一[1]。

“PLC 技术”是一门实践性强的课程，如何借助教学现状，一切从实际出发，使高职院校的学生乐于学习、可视化学习是该课程实训教学中有待解决的问题。为了让高职学生更好地学习“PLC 技术”这门课程，在实训教学中要求教师设计的实训项目要不断丰富且实训设备要不断更新。而现有的实训设备平台因输入输出点位基本固定，可供给学生仿真、练习的实训内容较为单一，所以利用学校具备的条件最大限度地开发、拓展PLC 实训项目就显得必要[2-3]。

2 将西门子HMI 组态技术用于PLC 实训教学

西门子的HMI画面可以仿真PLC控制系统的输入设备、输出设备。在进行PLC 实训教学过程中，教师和学生可以利用博途软件中HMI 界面强大的编辑功能，实现文本信息的录入、动画设计、图形界面绘制、可视化仿真效果验证、PLC 程序设计等功能。

利用西门子HMI组态画面仿真模拟PLC的控制过程，能有效解决无硬件控制对象或增购新的教学实训设备困难的问题。借助HMI 组态技术，利用学校现有条件丰富实训教学内容，可以有效提高学生的学习积极性，开拓学生的PLC 编程技巧，提高PLC 实训课程的教学效果，对学生后续使用触摸屏也有一定帮助（设备硬件可以根据现有实训条件选择，如果没有硬件条件，可以在博途软件中仅组态PLC 程序、HMI 画面，在计算机上实现PLC 程序的可视化人机界面仿真）[4]。

2.1 自动售货机控制要求

自动售货机面板示意图如图1 所示。工作流程如下：①此售货机可以投入1 元、5 元、10 元硬币。②没有投币时，全部指示灯熄灭。当投币或者余额超过（或者等于）8 元时，饮料A 指示灯常亮黄色，表示可以购买饮料A；饮料A 指示灯亮时，如果按下饮料A 按钮，则饮料A 排出6 s 后停止，这6 s 时间内，饮料A 指示灯以0.5 Hz 频率闪烁，模拟售卖饮料A 的过程。饮料B 类似。投币不为0 时，找零指示灯以0.5 Hz的频率闪烁粉色。③购买结束若余额不为0，则可以按下找零按钮，找零指示灯由原来的0.5 Hz 闪烁变为熄灭，余额变0。

图1 自动售货机的仿真界面

2.2 自动售货机控制实施步骤[5-7]

2.2.1 根据控制要求，设计分配I/O 表

需要说明，因此处是HMI 画面仿真，程序中按钮用M 替代了，且触摸屏面板上的按钮可优先考虑M，因为I 是和PLC 硬件设备输入端相连的。如果有实际硬件结构，按钮需要分配为I，这时要使硬件按钮和触摸屏按钮都可以控制PLC 程序，还需适当修改程序。自动售货机I/O 分配表如图2 所示。

图2 自动售货机I/O 分配表

2.2.2 PLC 程序设计

在博途软件中添加一个1 214C DC/DC/DC 型号的CPU，订货号为6ES7 214-1AG40-0XB0，版本为V4.2，系统要求有0.5 Hz 的闪烁，在CPU 属性中勾选时钟存储器，字节可以选择为10，然后在主程序Main 中设计编写程序，如图3 所示。因不同学习者的编程习惯有所不同，所以实现控制效果的程序也不是唯一的。

图3 自动售货机PLC 程序

2.2.3 HMI 画面的组态及画面控件属性的设置

在博途软件中添加一个HMI 设备（此处是软件仿真，具体型号不限制，如果有实物设备，型号要对应一致），如图4 所示。然后在HMI 设备向导界面的右下方选择PLC处点击浏览，选中刚才添加的CPU型号，如图5 所示。

图4 添加的HMI 设备型号

图5 HMI 设备向导中点击浏览选中对应型号的PLC

在HMI 的根画面中，组态各控件，也就是让PLC程序中的变量和组态画面的各控件建立逻辑联系。完成后的画面效果参考图1。图6 为HMI 画面中各控制组态设置完成后的变量连接关系。

图6 PLC 程序中变量与HMI 画面中控件建立的联系

2.2.4 系统的调试、仿真

在博途软件中先把PLC 程序编译，再点击仿真按钮，在PLCSIM 中仿真程序；然后把HMI 整体编译，同样点击仿真按钮，即可以激活自动售货机的仿真界面。这时可以通过点击对应按钮，模拟投币和饮料的购买、模拟找零过程，也可以多次点击观察程序的控制效果是否符合实际。如发现仿真效果需要修改，可以关闭PLC 仿真和HMI 仿真，在离线下修改PLC 程序、HMI 画面，修改后再次编译仿真即可。

如教学条件允许，此处调试、仿真还可以把PLC程序下载到实物PLC 中，把HMI 画面下载到对应型号的HMI 设备中，PLC 实物外围还可以连接相应的输入、输出设备。这样的仿真可以实现虚实一体，效果更好。此处的实现需结合学校实际情况，不再赘述。

3 教改效果

3.1 解决PLC 实训课程仿真效果不直观的问题

有些高职的PLC 实训课程开展借助于计算机、博途软件，PLC 程序的仿真主要是借助于PLCSIM 仿真器，仅能看到I/O 等点位的基本变化。

借助于HMI 组态技术，可以在HMI 画面中组态按钮开关、指示灯、IO 域、图形界面等丰富多样的控件，通过硬件、编辑HMI 画面、软件程序设计等工作，可以开发、扩展针对PLC 实训教学的新项目[8]。

3.2 在节约资源的基础上，满足教学需求和任务

工业自动化企业的产线设备、工艺过程都在更新，学校也不可能一味地花钱购买设备，利用西门子HMI组态技术开发人机信息交互界面取代价格较高的平台设备，可节约资源、减小成本，且设计、调试也更方便[9-10]。

3.3 提升学生学习兴趣，提高教学效果

利用博途软件中的HMI组态技术，结合PLC程序，模拟某一自动化系统的工艺过程，使学生深刻领会控制现场的各种要求，提高了PLC 实训课程教学效果，学生的创造力可以被点燃，为培养高质量的技术技能人才提供了保证。

4 结束语

基于西门子HMI 组态技术的PLC 实训教学，充分展示了HMI 组态的画面与PLC 程序二者间的信息交互，既可缓解高职院校PLC实践教学中设备购买不足方面的困难，又可以锻炼学生的综合应用能力，也可以方便教师开发设计更多生动有趣的教学项目，为教师进行相关科研提供了便利条件，是PLC 实训教学过程中的有益探索。