基于TIA Portal 和Factory IO 聯合仿真的PLC 教學研究

◎尤向陽 劉志強 嚴 風 郭 琦

(1.三門峽職業技術學院智能制造學院；2.河南科技大學應用工程學院，河南 三門峽 472000)

在PLC 應用技術課程實踐教學中，實訓工位有限，實訓設備建設成本高、使用中容易引起機械故障[1]、維護困難、實訓安全不易保障。充分利用虛擬仿真技術和信息化技術，引進Factory IO 軟件，與西門子博圖軟件聯合，只要擁有一臺電腦就可以進行PLC 控制系統的搭建、程序的設計和可視化運行調試[2]。學生在課內外隨時可以進行學習訓練，拓展實訓教學的時間和空間，能極大的提高教學效率。同時有利于教師豐富教學形式，活躍教學氣氛，拓寬教學內容。

一、Fa ctory IO 場景搭建

（一）典型場景

Factory IO 軟案件中附帶21 個場景[3]，是一款享譽歐洲的PLC 虛擬仿真軟件?？梢栽凇皥鼍啊边x項卡下訪問。PLC 實踐教學中常用的典型控制場景有以下6 個。

（1）從A 到B。目標是運輸箱子，直到到達傳感器。

（2）從A 到B（設置和重置）。目標是將盒子從傳感器a 運送到傳感器B。

（3）灌裝罐（定時器）。目標是使用計時器加注和排空油箱。

（4）項目隊列（計數器）。目標是在輸送機上裝載和卸載三個箱子。

（5）匯編。目標是使用兩軸拾取和放置，組裝由蓋子和底座制成的零件。

（6）自動化倉庫。目標是從貨架上運輸、存儲和取回箱子。

在場景中可以使用相機實現與場景內各部件交互。相機有“環繞”“飛行”和“第一人稱”三種模式，不同相機視角下可以觀察到控制對象的不同細節特征，整個模擬對象形象逼真。如圖1 所示的雙傳送帶控制場景。

圖1 FactoyIO 中的控制場景圖

（二）自我創建控制場景

Factory IO 包括大量最常見工業設備零部件。通過將這些各種元器件、傳感器、驅動器等零件放置并排列在一起，可以創建虛擬工廠。師生可以根據教學需求自行構思和搭建工業控制現場，并且聯合PLC 進行仿真。[3]例如，教學中常用的簡單分揀系統創建步驟如下。

（1）從元件庫中選擇“重載零件”類別，然后單擊鼠標左鍵，將輥道輸送機（2 米）拖動到場景中。創建新零件時，它會自動變為選中狀態，由白色邊界框表示。拖動選定的零件時，它將在水平面上移動；要垂直移動，需按V 鍵并拖動。如圖2 所示。

圖2 將零件拖動到場景圖

（2）選擇“傳感器”類別，然后單擊鼠標左鍵并拖動漫反射傳感器到傳送帶的邊緣。如圖3 所示，并將復制傳感器到傳送帶的另一端。

圖3 放置漫反射傳感器圖

（3）將輸送機與傳感器零件組合在一起，復制并旋轉。得到三組輸送機和傳感器。并添加轉盤放到三條輸送機中間，布局如圖4。需要注意是輸送機上白色箭頭指示的流向。

圖4 簡單分揀系統圖

圖5 手動控制操作步驟圖

（4）將托盤放在第一個輸送機的頂部。就完成了一個簡單分揀裝置的搭建，搭建好的場景可以保存到“我的場景”中，方便以后使用。

二、手動控制場景

在使用外部控制器（PLC）控制場景之前，通常要求學生先手動測試。這樣可以確保場景布局按預期工作。手動測試前，首先引導學生了解標簽是什么，以及如何使用它們來控制部件。傳感器或執行器的任何部件都至少有一個標簽。標簽由名稱和值組成，可以有兩種不同類型：傳感器標簽和執行器標簽。它們可以保存三種不同的數據類型：布爾值表示開/關值，浮點值表示模擬值（實數），整數表示特定數據。標簽的值可以隨時強制，讓學生扮演控制器的角色，手動控制場景，使學生在編寫PLC 控制程序之前通過自身體驗，了解并熟悉控制系統的控制邏輯。

比如，在圖4 的簡單分揀場景中，讓學生嘗試將托盤運輸到左側輸送機的步驟如下：

（1）單擊播放按鈕1 切換到運行模式。

（2）點擊執行器標簽按鈕2，顯示執行器標簽。

（3）左鍵單擊輸送機標簽，強制啟動輸送機，可以看到托盤運動，并能聽到輸送機滾筒轉動的聲音，給學生以身臨其境的感覺。

三、使用P LC 控制

（一）驅動程序配置

使用PLC 控制時需要學生先了解I/O 驅動程序以及如何使用它們。I/O 驅動程序是Factory IO的內置功能，負責與外部控制器“對話”。Factory IO 包括許多I/O 驅動程序，每個驅動程序用于特定的控制器。根據我校電氣自動化技術專業PLC教學用的機型，我們選擇西門子1200PLC 為控制器。配置1200PLC 控制器的驅動程序的步驟如下，該步驟也適用于其他機型的驅動程序配置。

（1）打開驅動程序窗口，通過左鍵單擊從列表中選擇Siemens S7-1200/1500 Ethernet driver。

（2）單擊配置按鈕，根據PLC 型號和IP 地址設置驅動程序。打開驅動程序配置，選擇S7-1200型號，并在主機字段中填寫PLC 的IP 地址。單擊后退箭頭（或ESC 鍵）繼續下一步。

（3）按下“連接”按鈕以連接到PLC。驅動程序列表旁邊會顯示一個綠色符號，表示連接成功。

（4）將每個標記拖放到目標端口上就完成了I/O 驅動程序的配置。

（二）基于博圖的程序設計

西門子博圖軟件是一款全集成自動化編程軟件。該軟件采用統一的工程組態和自動化編程環境，能夠方便地開發現代電氣控制系統并進行直觀的調試。博圖采用模塊化編程的方法進行項目開發，在組織塊(OB1)中調用功能（FC）或功能塊（FB）來實現控制程序的執行。實踐教學要注意引導學生充分體驗模塊化編程的優點。

四、博圖與Fa ctory IO 聯合仿真

采用博圖與Factory IO 聯合仿真開展式教學時，需要有一個Factory IO 的工程模板FC9000。在工程模板組態的有一款1214 的CPU，其固件版本為V4.2。同時硬件組態還有一個7 寸的西門子精智觸摸屏作為人機交互的界面，二者通過以太網組態到同一個網段。學生編程用電腦的IP 地址也要和他們設置到同一網段。更重要的是工程模板中在PLC 程序塊中提供了一個叫MHJPLC -Lab -Function -S71200 的功能FC9000，FC9000 提供了Factory IO 與TIA Portal 兩者間連接的“橋梁”。在編寫程序時，必須在主程序Main [OB] 中調用該功能才能實現Factory IO 與TIA Portal 的聯合仿真。

實踐教學中，學生們通過博圖編寫控制程序控制Factory IO 中各種虛擬對象，實現對各種復雜電氣系統的PLC 控制。同時，也可以訓練學生對觸摸屏進行組態及使用Wincc flexible 配合現場控制的能力。只要學生積極思考，主動創造，即可在沒有控制器和控制對象的請路況下，設計出各種各樣復雜的現代電氣控制系統。聯合仿真的實踐教學方法極大拓展了PLC 實踐教學的時間和空間。采用此方法開展PLC 應用技術實踐教學，學生可隨時隨地進行學習與訓練，教師可豐富教學項目內容，活躍教學活動氣氛。

五、效果分析

為了解本仿真教學項目應用于PLC 課程的實訓教學的優缺點，選取三門峽職業技術學院智能制造專業群學生為研究對象，采用教學成績對比和調查問卷兩種方式分析教學實施效果。為使成績更具可比性，選取相同專業不同年級的學生，將采用傳統實訓教學與采用虛擬仿真環境教學兩個學期的PLC 課程成績進行對比。兩個學期使用相同教材，考試范圍和難度相當，成績對比結果如圖6 所示。

圖6 成績對比結果圖

由圖6 可知，采用虛擬仿真平臺的教學方式，學生成績優秀率、良好率和及格率均有提高，相比傳統實訓教學分別提高了5%、1%、4%，不及格人數為0，且學生平均分相比傳統實訓教學提高了6 分。

對學生進行教學效果問卷調查，從圖7 的問卷結果可知，與傳統實訓教學相比，81.3%的學生認為使用仿真教學項目幫助理解課程目的和內容，85%的學生認為使用仿真教學項目更能獨立完成實訓內容，92.4%的學生認為使用仿真教學項目更能提高課程實訓效率，95%的學生認為使用仿真教學項目更能提高課程實訓的安全性。然而，仍有部分學生雖能理解案例，但由于電腦技能不足，獨立完成比較困難。由實踐結果可知，在PLC 課程中引入虛擬仿真，對學生理解實訓目的和內容有較大幫助，學生成績均有一定提高，但學生還需進一步轉變觀念，主動完成課前預習和課后拓展學習。

圖7 學生問卷調查結果圖

六、結語

筆者設計的仿真教學項目較好的實現了電氣自動化技術專業PLC 應用技術課程的綜合訓練目的。提出的基于博圖V15.1 與Factory IO 聯合仿真的實訓教學方式再現了真實的工業場景，可模擬現場調試，能實現仿真控制，不僅控制過程直觀、生動，而且控制成本低，實訓效率高，實訓效果好，顯著提升了電氣自動化技術專業學生的PLC 綜合應用能力。