虚拟仿真被控对象在PLC实践教学中的应用研究

李继芳， 许英杰， 鲍 平， 胡天林， 林 春

(厦门大学 航空航天学院， 福建 厦门 361005)

虚拟仿真被控对象在PLC实践教学中的应用研究

李继芳， 许英杰， 鲍 平， 胡天林， 林 春

(厦门大学 航空航天学院， 福建 厦门 361005)

虚拟仿真被控对象基于Web3D、数学建模及通信接口技术实现，可分为全虚拟仿真被控对象和半实物仿真被控对象两类。前者通过S7-ProSim接口与仿真PLC相连，构建控制系统；后者基于硬件通信板卡连接至真实控制系统。两类对象的应用可有效解决PLC实践教学中设备昂贵、场地有限、设备维护成本高等问题，完善控制系统设计环节，促进教学标准化、工程化，同时满足实验室开放及学生创新的需求。

被控对象； 控制系统设计； 可编程逻辑控制器(PLC)； S7-ProSim

1 PLC实践教学存在问题

目前PLC实践教学存在以下问题。

(1) 采用单一的指令式、编程化教学模式，当课程缺少实物PLC及被控对象时，教学容易陷入指令讲解和枯燥的编程中，无法深入展示指令应用、验证编程结果，更缺少硬件设计环节[1]。

(2) 实践教学用的高端控制器及被控对象价格昂贵，生产线占地面积大，导致学校实践资源种类单一、设备台套数不足[2]，一些高危、高耗、体积庞大的对象更是无法在实验室中实现。

(3) 对于复杂自动控制系统，例如柔性生产线、化工反应釜等，因结构复杂，学生在程序调试过程中出现的错误易导致实验设备损坏，且故障设备的维护时间长、费用高。

(4) PLC的应用实为工业自动控制系统设计，其流程涵盖工艺分析、机械设计、器件选型、电气图纸设计及接线、控制程序设计、监控程序设计、系统调试等过程，但目前PLC的实践教学无法建立自动控制系统完整设计流程[3]。

2 解决PLC实践教学问题的途径

虚拟仿真技术是信息化、大数据时代背景下的产物，开辟了一种崭新的实践教学方式。通过虚拟仿真技术，将真实被控对象软件化，研究被控对象与控制系统连接方式，使学生能够搭建完整的自动控制系统，实现工程项目的全过程设计。将虚拟仿真被控对象应用于教学，可以丰富实践资源，完善控制系统设计环节，实现标准化、工程化教学[4]，满足学生创新以及开放实验的需求。

教育部在2013年批准建设了100个国家级虚拟仿真实验教学中心，要求基于虚拟仿真技术，建设一批实验室无法实现、高危、高耗的实验、实践资源，扩大资源共享，提高学生的创新精神和实践能力[5-6]。通过提供种类和内容丰富的虚拟仿真被控对象，建立标准化、工程化的自动控制系统设计平台，可为学生提供开放式、创新性的实践教学环境。

3 虚拟仿真被控对象实现方法

3.1 虚拟仿真被控对象的分类

虚拟仿真被控对象基于计算机技术、建模算法、3D引擎实现，根据对象与控制器信号接口的不同，可分为全虚拟仿真被控对象和半实物虚拟仿真被控对象(见图1)，二者构建控制系统的方式有所不同。

3.2 虚拟仿真被控对象实现方式

虚拟仿真被控对象要求能够逼真地再现真实对象的外观、结构及场景，用户能够进行观察，甚至对设备进行拆装；要求具有原始对象的功能及原理模型，对用户的控制信号能够快速反应并展示响应效果；能够与控制器实现连接。

图1 虚拟仿真被控对象分类

为此，基于Web3D技术开发了具有三维动画效果的虚拟仿真被控对象(见图2)。在虚拟仿真平台下，使用Web3D Editor编辑工具，针对对象各元素的外观、结构进行设计并完成图形建模，针对对象各元素间工艺逻辑关系进行关联[7]，例如传送带移动将导致物料移动、气缸动作、物料消失等。采用ATL技术开发虚拟仿真对象中各元素COM组件的接口，并将其与第三方控制器输入、输出信号接口关联。

图2 虚拟仿真被控对象实现原理示意图

3.3 全虚拟仿真被控对象与PLC的交互

全虚拟仿真被控对象是指输入、输出信号接口虚拟化的一类被控对象，要求第三方控制器具有仿真功能，并开放信号接口，实现与被控对象的交互。西门子公司的S7-PLCSim仿真控制器能实现S7-300/400基础程序的运行仿真。S7-PLCSim提供有S7ProSim COM组件，能够实现对S7-PLCSim启停操作以及I/O信号访问功能，可实现与虚拟仿真被控对象的信息交互[8]。

如图3所示，仿真对象通过Web3D View组件实现智能互动、拆装及结构展示。对某些具有工艺特性的对象独立提供Compute组件实现数学建模、仿真对象的动态响应。在对象与控制器的接口间，开辟了一个标准化通信接口Adapter组件，实现第三方仿真控制器标准操作，且易于实现控制器变更。西门子S7-PLCSim的S7ProSim中提供有相关标准访问函数，以实现与被控对象的数据交互。

3.4 半实物虚拟仿真被控对象与PLC的交互

半实物虚拟仿真被控对象通过信号通信板卡，将被控对象的输入、输出信号以标准电控信号形式提供给PLC I/O接口实现硬件连接[9]，学生在此环境下可以搭建真实控制系统。

信号通信板卡结构如图4所示。通信板卡以单片机为处理器；FPGA实现外围硬件译码功能，定时刷新DI、DO、AI、AO信号；FIFO是FPGA向单片机主动传送数据的通道[10]。板卡中DI/DO采用并行操作方式，AI/AO采用多路通道片选、单路AD/DA采集及转换的方式；单片机主动操作FPGA间完成数据输出刷新，通过硬件中断获取FIFO通道传入数据，避免反复查询；USB通信基于PDIUSBD12协议芯片实现，设计单片机中USB协议，实现枚举及数据收发功能。针对板卡设计驱动及动态链接库，PC端作为主设备访问板卡从设备，虚拟仿真被控对象底层Adapter组件调用动态链接库，实现数据访问。

图3 全虚拟仿真被控对象与S7-PLCSim连接

图4 半实物虚拟仿真被控对象实现原理

4 虚拟仿真被控对象的教学应用

4.1 全虚拟仿真被控对象的教学应用

全虚拟仿真被控对象可与西门子S7-PLCSim连接，通过西门子官方PLC项目开发软件“博途”实现程序设计。S7-PLCSim支持多种编程语言(LAD、FBD、STL、Graph、SCL)，支持控制器中绝大多数OB、FB、FC、DB的应用，与真实控制器效果一致。如图5所示,在虚拟仿真被控对象中集成了原理图设计功能，学生可以进行硬件原理图接线；在“博途”平台下，也可以将WinCC集成在项目中，通过PLCSim(TCP/IP)通信与仿真PLC连接，使人机界面在RunTime环境下仿真运行，通过人机界面对系统进行监视和操作[11]。

将全虚拟仿真被控对象整合于B/S架构的平台上，将TIA博途中S7-PLCSim和WinCC Professional中WinCC RunTime运行于云端，建立被控对象与S7-PLCSim的数据联系，便可以在有网络环境的电脑上便捷地设计完整的控制系统，且设计平台与工程领域应用保持高度一致。安全的应用环境也使平台能够对学生完全开放，减少软件安装过程。但是，全虚拟仿真被控对象的应用也存在对网络依赖性强、模型数据量大、处理速度慢的问题。

4.2 半实物虚拟仿真被控对象教学应用

采用半实物虚拟仿真被控对象是要实现虚拟被控对象与真实控制系统的连接，满足学生对控制系统侧的真实、完整的设计。设计内容包括：

(1) 提出控制系统解决方案，器件选型；

(2) 采用标准AtuoCAD Electrical、EPLAN软件设计电气图纸，包括配电图、信号接线图、端子图、布局图；

(3) 在电控柜中完成实际安装、接线、通电测试；

(4) 对PLC控制器进行编程、调试，对复杂系统可设置集散控制及通信功能；

(5) 加入合适的人机界面(例如触摸屏)完善系统监控；

(6) 系统调试、参数整定。

应用结构如图6所示。

半实物虚拟仿真被控对象可满足多类控制器要求，使系统的构建具有灵活性。通过完成硬件设计、接线工艺、调试过程，能够引导学生实践真实设备的制作及调试过程。

半实物虚拟仿真被控对象的软件实现方式多样，但需要配置硬件平台，在匹配合适的接口的情况下可兼容多类控制器，但需在实验室单机版安装，而且共享性较差。

4.3 虚拟仿真被控对象教学应用的思考

在PLC的实践教学中，被控对象的建设应具有工程代表性，能体现明确的知识要点，例如多级传送带物流分拣(简单逻辑控制)、装配流水线(顺序流程)、电梯(调度算法)、锅炉(PID控制)等。目前能够通过计算机高度仿真实现的被控对象主要为顺序流程控制及过程控制两类对象，对于运动控制类的对象，由于其对负载特性、响应速度及驱动器功能有复杂要求[12]，建设困难。

两类虚拟仿真被控对象各有优缺点，实验室应根据课程要求选取建设。建议复杂、大型被控对象采用半虚拟仿真的形式实现；而简单、小型的被控对象可建成全虚拟仿真的形式，可大规模共享，例如在配套实践类网络课程及MOOC中使用。虚拟仿真被控对象是PLC实践教学的一种补充解决方式，但不应替代真实的被控对象。

图6 半实物虚拟仿真被控对象应用结构图

另外，在PLC的实践教学中，应强调对控制任务进行标准化分析，例如采用SFC、状态图描述任务；应当重视硬件电路设计，包括传感器、执行器选型，配电及保护设计，端子排和线标工艺要求等；还应当强调指令的工程化应用，例如输入信号滤波、FB面向对象编程方式、中断使用等；应当总结标准工程的应用功能，例如手动控制、自动控制，报警处理，权限控制等。

5 结语

虚拟仿真被控对象的应用，能够解决目前实验室面临的一些难题，完善控制系统设计实践环节，改进PLC实践教学的模式，并激发学生的学习兴趣，也为开放、创新实践教学提供了平台。但是虚拟仿真对象不能完全替代真实对象，在教学实践中，两者应互为补充。

References)

[1] 林育兹．可编程序控制器基础与逻辑控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[2] 王惠莉．基于MCGS的仿真教学系统在PLC教学中的应用[J]．实验技术与管理，2010，27(11)：274-275．

[3] 姜建芳．电气控制与S7-300 PLC工程应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2014．

[4] 刘星平．“PLC原理与应用”课程的教学改革探讨[J]．湖南工程学院学报(社会科学版)，2015，25(3)：106-109．

[5] 狄海廷，李耀翔，辛颖．虚拟仿真实验室资源共享模式[J]．实验室研究与探索，2015，34(12)：148-151．

[6] 教育部高等教育司．关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z/OL]．(2013-08-21)[2017-03-01].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html．

[7] 乔丙立，姜建芳，徐慧．PLC控制系统远程实验室的设计与实现[J]．中国现代教育装备，2015(1)：36-38．

[8] 邓明鉴．PLC训练系统软件平台的开发与设计[D]．南京：南京理工大学，2008．

[9] 王啸东．PLC虚拟实验室的研究与建设[J]．实验室研究与探索，2012，31(9)：210-213．

[10] 黄辉．PLC控制系统训练平台设计与实现[D]．南京：南京理工大学，2008．

[11] 贾茜茜．基于软PLC技术的仿真系统设计与应用[J]．自动化与仪器仪表，2016(2)：211-213．

[12] 黄文嘉．工业机器人运动控制系统的研究与设计[D]．杭州：浙江工业大学，2014．

Research on application of virtual controlled object in PLC practical teaching

Li Jifang, Xu Yingjie, Bao Ping, Hu Tianlin, Lin Chun

(School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The virtual simulation controlled object is based on Web3D, mathematical modeling and communication interface technology, which consists of two kinds of full virtual simulation and semi-physical simulation. To build the control system, the full virtual is connected with the simulative PLC(progrmmable logit controller) through the S7-ProSim and the semi-physical simulation is used with the real PLC through communication card. Two kinds of objects can effectively solve the problems of high equipment cost, limited space and high maintenance cost in PLC practical teaching, and can also improve the control system design process, and promote standard and engineering practical teaching, while meeting the demands of laboratory open-principle and students’ innovation.

controlled object; control system design; PLC(progrmmable logit controller); S7-ProSim

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.028

2017-03-09

李继芳(1969—)，女，山东潍坊，博士，高级工程师，国家级机电类虚拟仿真实验教学中心副主任，主要研究方向为虚拟仿真实验技术和电气控制技术.

E-mail：lijf@xmu.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2017)06-0114-05