基于TIA Potal软件的PLCSIM虚拟仿真在PLC线上教学中的设计与实践

移康英

摘 要：PLC技术是一门机电类专业实践性和应用性比较强的课程，而受当下新冠疫情的影响，学校该课程教学过程只能采用线上理论与线下实训相结合的教学模式，但是，在教学过程中，发现线上理论与线下实训教学相脱离，学生也无法很好的将线上理论知识迁移到线下实训课程中。为解决这一问题，本文提出将TIA Portal V15软件与S7-PLCSIM仿真软件引入到PLC线上理论教学过程中，以生动直观地方式展现PLC指令形式、功能及模拟操作，并且教师在授课过程中，合理采用积极教学法，引导学生自主学习。通过线上仿真平台直观展示与教师引导式学习，不仅降低了学生学习PLC理论知识的难度，激发了学生在线学习的兴趣，并为疫情结束后线下实训课程打好了坚实的理论基础。

关键词：线上教学 软件学习 虚拟仿真 积极教学法

1 引言

2015年5月，国家部署全面推进实施制造强国，许多加工制造业加快向智能化方向发展。智能化，其核心控制技术之一就是PLC技术。PLC技术即可编程控制技术，其结合了计算机技术和控制技术的特点，利用控制系统遵循编程指令并执行相应的操作，其控制操作过程简单，能有效地保证控制过程实施的安全性、可靠性以及维护的方便性[1]。因此，PLC技术覆盖了钢铁、石化、汽车生产、电子信息等智能制造领域[2]。为了培养与企业实际岗位相对接高质量技能型人才，增强我国的产业竞争力，高等院校机电类、自动化类专业广泛开设了《PLC技术》这门课程。通过对机电类、自动化类专业学生就业意向问卷调查，大多数学生希望通过学校专业课程的学习，提高自身实践能力和项目开发能力，在毕业后能够从事与自己专业相一致的行业，或是自主创业[2]。那么，疫情当下，线上PLC理论教学过程如何合理设计，使理论和实践融会贯通，学生获得实践创新能力，需要教师进一步探索与实践。

本文提出线上PLC理论教学过程中搭建虚拟仿真平台，把学生作为线上课堂的主体，通过教师引导，与学生同步进行线上学习活动。

2 分析PLC线上理论教学存在的问题

目前甘肃机电职业技术学院（以下简称：学院），面对疫情，采取线上理论和线下实训的教学模式。但是，从近三年线上教学效果看，成果并不理想。本人通过对PLC线上理论教学过程分析，主要存在以下几个原因：

1.从PLC理论知识的特点来看，逻辑思维性较强，学生普遍反映学习PLC难。如果教师在讲解基础知识点的时候，单纯的去讲授理论知识，脱离实际案例，即使学生对基础知识点能准确掌握，但还是不能很好地迁移至实训实践中。

2.从学生层面来看，高职院校学生知识架构比较薄弱，自学能力、自控能力也比较差，线上学习与教师空间分离的环境，PLC理论知识比较枯燥，容易让他们对学习产生厌倦感。

3.从教师层面来看，有些教师对网络平台的易用性感知能力较弱[3]，喜欢沿用以往线下授课方式，PLC理论知识以讲授的方式为主，涉及PLC控制案例，也只是通过观看视频来了解其过程，通过这种方式，教师自身吸引学生吸纳知识的效果很差。

3 PLC线上理论教学内容直观化——虚拟仿真平台的搭建

为了降低PLC线上理论教学难度，让学生直观获取知识，使用西门子TIA Portal编程软件与S7-PLCSIM仿真软件搭建虚拟仿真学习平台，该学习平台，操作界面使用引导性较强，易操作，稳定性高，可对西门子全集成自动化中所涉及的自动化和驱动产品进行组态、编程和调试[4]。再者，对于学生，他们是在信息化环境中成长起来的，他们当中大部分学生已经具备了电脑操作基本素养[5]，他们乐意使用仿真平台，喜欢在教师引导操作的过程中，跟上同步操作演练，在课后也愿意练习，极大地高沉浸式地体验感，让他们对PLC理论知识的学习热情提高。

4 PLC理论课程虚拟仿真教学过程设计

1、项目导入

现以24V指示灯起保停控制为例，研究PLC理论课程虚拟仿真教学过程。项目导入：有一24V指示灯HL，当按下起动按钮SB1时，灯HL点亮；按下停止按钮SB2时，灯HL熄灭，完成24V指示灯起保停PLC程序的编写与调试。项目导入可通过观看虚拟仿真平台中PLC实物工作视频，如图1（a1、b1、c1）所示，分析24V指示灯按要求工作实际的状态，明确输入输出元件工作的前后关系，即当按下按钮开关SB1，灯HL亮；放开按钮开关SB1，灯HL保持亮；按下按钮开关SB2，灯HL灭。并写出学习完此项目后学生所要达到的学习目标：a.描述PLC的扫描工作原理；b.描述PLC控制24V灯起保停控制原理；c.分清楚输入元件，输出元件，并能正确寻址。d.写出编程指令：常开触点、常闭触点、输出线圈指令格式；e.理清常开触点、常闭触点、输出线圈间逻辑关系；f.在编程环境中，独立完成输入梯形图程序，会上传、下载程序，会在线监控。

在帮助学生输理清楚学习目标后，引导学生观看虚拟仿真平台程序监控视频，如图1（a2、b2、c2）所示。并提出问题：a.详细描述PLC虚拟仿真控制过程；b.描述PLC内部CPU执行程序过程；c.描述PLC工作扫描原理。用提出的问题求引导学生观看视频的方法，可提高学生观看视频的有效性，并且设置的问题层层向目标知识点PLC工作掃描原理靠近，大大降低了学生的理解难度。再者，PLC虚拟仿真控制过程相当于PLC内部CPU执行程序过程，该过程是由PLC内部软元件控制，软元件是是PLC内部具有一定功能的器件，是等效概念抽象模拟的器件，并非实际的物理器件，因此对PLC内部软控制元件的控制过程的理解，对学生来说是比较抽象的。通过PLC实体工作过程与虚拟平台仿真工作过程对比展示，将PLC内部CPU执行程序过程的知识直观化，并且带着问题看视频更能够吸引他们的注意力，提起他们的学习兴趣。

接下来的任务通过虚拟仿真平台操作演示，引导学生思考，在实现控制灯亮、保持、灭的三步骤过程中，基本指令的应用。

2、虚拟仿真平台操作演示

启动TIA Portal后，新建项目24V灯起保停控制，接着组态操作，添加PLC和HMI，其中PLC型号为CPU1212C DC/DC/DV，HMI型號可根据实际情况选择，但要注意PC、PLC及HMI的IP地址要处在同一网段并进行HMI连接，以便PLC与HMI数据通信。如图2所示，PLC与HMI组态图。

接下来添加新变量表，命名24V指示灯启保停控制，如图3 24V指示灯启保停控制变量表所示，在该变量表中确定PLC的输入、输出元件，并为各个输入、输出元件分配存储单元，即变量寻址过程，该步骤能帮助学生分清输入元件和输出元件，并核对元件数量。

下一步，编写plc程序，在编写控制24V灯启保停程序之前，设置2个任务点，任务1点动控制24V灯，即按下点动按钮SB3，红灯HL1亮；释放点动按钮SB3，红灯HL1灭。按下点动按钮SB5，蓝灯HL2灭；释放点动按钮SB4，蓝灯HL2亮。提出问题：a.说出常开、常闭触点以及输出线圈指令的功能；b.总结出常开、常闭触点和存储器的位状态关系。c.总结出点动控制原理。任务2长动控制24V灯，即按下长动按钮SB5，黄灯HL3亮；释放长动按钮SB5，黄灯HL3保持亮。提出问题：a.如何使得黄灯HL3灭掉？b.任务1、2要求，总结出长动动控制原理根据。

任务1在虚拟仿真软件操作演示图，如图4所示：

演示任务完成后，通过引导式提问的方式，与学生一起总结出常开、常闭触点以及输出线圈指令的功能及常开、常闭触点和存储器的位状态关系，进而总结点动控制原理。

任务2在虚拟仿真软件操作演示图，如图5所示：

从以上直观演示中引导学生得出结论：长动按钮按下或是释放，黄灯一直保持亮，即在程序中给长动按钮并联一个地址为M10.6（黄灯HL3）的常开触点，可实现在长动按钮按下后又释放的情况下黄灯保持亮的效果。

那接下来解决问题如何使得黄灯HL3灭掉？学生肯定的回答是用停止按钮，那停止按钮在程序中对应的触点指令是常开还是常闭，与长动按钮的逻辑关系，这些都可通过虚拟仿真平台演示来得出结论。停止按钮在程序中对应的触点指令的选择有两种情况，即常开触点或是常闭触点，其与长动按钮的逻辑关系可考虑两种，即“与”关系或者是“或”关系。

最后，再次在虚拟平台中调试、监控，总结出长动控制的原理，即24V灯启保停控制原理。

5 结论

本文在教学的过程中，教师通过TIA Portal V15软件与S7-PLCSIM仿真软件搭建的实验系统，合理采用积极教学法组织管理课堂，与学生一起在线上实现了24V指示灯启保停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。在此过程中，将PLC基础知识点，通过虚拟仿真平台演示，层层递进安排学习内容，让学生在直观演示中，通过教师引导，自主总结学习目标给出的知识点。在此过程中学生的能够正真参与其中，感受自主式学习的乐趣，在空间上与教师实现更深层次的交流。

基金项目：2021年甘肃机电职业技术学院线上教学研究项目“TIA Portal编程软件与S7-PLCSIM仿真软件结合在PLC线上教学中的应用研究”（基金编号：GSJDZXJG22-01）。

参考文献：

[1]吴金栋，任光辉，黄东键，等.基于虚拟仿真技术开展实践教学改革的研究与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：240-244.

[2]刘文秀，彭昕昀，韩竺秦，等.基于博途软件的PLC虚拟仿真实验项目的设计与实现[J].现代计算机，2022，28（07）：

[3]周美兰，张宇，吴晓刚，等.基于西门子PLC虚拟仿真实验系统的设计[J].高师理科学刊，2022（05）

[4]刘莉莉．疫情背景下大学生使用虚拟仿真实验平台的行为意愿研究[J]．赤峰学院学报（自然科学版）.2022，38（06）：

[5]孙君，朱健，戴礼兴．基于虚拟仿真实验教学项目的工程实践[J]．教育教学论坛，2020（14）：219-220.