PLC虚实仿真实训平台的研究与应用

陈新 李子乐 张扬

[摘 要] 针对PLC控制系统在实验和实训课程中与工程实际场景脱节，调试和控制不方便等问题，设计了PLC虚实仿真实训平台。在对比目前PLC实验、实训平台的基础上，给出PLC虚实仿真实训平台的结构和组成、工作和设计原理，并通过电梯控制系统实例说明PLC虚实仿真实训平台的整个实训流程。该实训系统能紧密结合工程实际应用案例，3D场景生动真实，丰富了学生的工程实践经验。

[关键词] 虚实仿真;实训平台;PLC;3D场景

[作者简介] 陈 新（1977—），男（瑶族），湖南娄底人，工学博士，副教授，主要从事电气控制研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）30-0391-02    [收稿日期] 2019-12-17

一、引言

在PLC教学/实验过程中，实践动手环节至关重要，针对不同工业应用场景，学生必须编写不同的程序并反复调试，才能真正掌握可编程控制器的技术原理，所学的理论课程才能结合生产实际，满足工业现场的需要，因此，PLC实验和实训教学环节在整个教学过程中具有非常重要的作用[1]。

针对各高校和职业院校PLC教学实训平台的欠缺，本文设计了PLC虚实仿真实训平台系统。PLC虚实仿真实训平台系统是一款结合实物PLC、实物控制对象和虚拟仿真控制对象为一体的PLC综合实训平台;该实训平台是结合了虚拟技术、PLC硬件在环、PLC与电脑通信技术和计算机控制技术于一体的高科技实训设备。

二、PLC实验/实训平台现状

目前PLC可編程控制器的教学和实验教学平台的实现方法主要包括如下几种：

（1）可编程控制器实验箱

实验箱将实验模块集中在一块板上，通过实验箱上的LED、按键、电机等验证PLC的相关指令和相关简单实验。

（2）PLC可编程控制器实训设备

PLC可编程控制器实训设备可以看成可编程控制器实验箱的升级版本，实训设备配套的配件和元件更多，更加接近实际应用，能实现更多的指令和相对复杂的实验。

（3）PLC可编程控制器单独实训模型

通过模拟实际场景，如交通灯、立体车库甚至是整条生产流水线，给学生更加形象化地展示现场实际情况。但是，单独实训模型造价高，使用率低，仅适用单独实验。

（4）PLC可编程控制器虚拟仿真实验

PLC与组态软件[2-5]、NI虚拟仪器的PLC仿真验证系统，另外还包括虚拟调试与概念设计并行的NX MCD[6，7]系统、工业现场仿真设计软件Factory IO和PLC编程软件TIA Portal[8，9]实现虚拟仿真功能。

传统的PLC实验和实训一直存在以下几个问题：（1）硬件、软件支持及更新不够，造成教材内容和学校PLC实训设备脱节，而PLC实训设备的更新和升级需要大量资金。（2）PLC实训设备与工业自动化PLC控制实际需求与场景等相差太远。（3）PLC是一门综合性课程，其控制包括机、电、液、气等的综合控制，一般高校现有的条件和实验设备难以满足实验课程及实际操作的实际场景和现场调试需求。（4）采用组态、NX MCD、FACTORY I/O和TIA Portal等虚拟仿真软件则不仅需要较长时间熟悉软件，一个实验和实训项目还需要大量课时。

三、平台组成及工作原理

PLC虚实仿真实训平台系统是一款结合实物PLC、实物控制对象和虚拟仿真控制对象为一体的PLC综合实训平台。如图1所示，S7-200 SMART的CPU中带有两个通讯口，一个是以太网口，一个是RS485接口。以太网可以用来下载程序，可同上位机通讯，也可与西门子其他系列PLC进行相互通讯。RS485口为自由通讯口，支持PPI、Modbus协议。PPI（point to point interface）是一种点对点接口通讯协议，PPI通讯协议进行通信时，PLC可以不用编程，而且可读写所有数据区。电脑端通过USB-PPI通信电缆与S7-200 SMART进行数据交换，例如通过PPI通信协议来读取PLC所有储存器及I/O接口的相关状态，电脑读取到PLC储存器及I/O接口的相关状态后进行判断并在3D场景中进行相关的动作。PLC教学实训平台的实现方法类似于组态等软件的实现方法，但是电脑端3D场景采用了Unity 3D软件，实训平台的3D场景更加贴近实际应用，用户体验和交换更加舒服和方便。

四、实验流程

以最常见的交通灯控制虚实仿真项目为例说明实验过程，（1）将S7-200 SMART控制器接好电源、网线、PPI电缆，如果有需求的话可以连接外部LED等、按键和指示灯等实物。打开仿真软件显示相关的实验项目，如图2所示。

（2）打开编程软件STEP 7-MicroWIN SMART，根据硬件进行编程并将编译好的PLC程序通过网线下载到控制器中。

（3）确定PPI线缆与S7-200 SMART控制器通信正常，点击编程软件中的运行按键，如果程序正确通过3D场景看到对应的交通灯状态，同时也能通过S7-200 SMART上的指示灯看到I/O状态，如果该I/O口连接有相关输出硬件也可以看到相关的动作。

通过PLC虚实仿真实训平台显示与利用西门子触摸屏实现的交通灯组态显示比较，PLC虚实仿真平台显示的场景更加真实、生动。

五、结语

虚拟3D动态场景和人机交互模拟真实场景，具有直观和生动的特点。利用虚拟3D技术展示实物场景，让枯燥的工业场景和控制实物展示在学生面前。

参考文献

[1]杨嘉鹏，胡兵，魏成伟，等.基于应用型本科的工厂电气控制及PLC课程重建[J].中国现代教育装备，2019（3）：24-26，37.

[2]王超.基于组态软件的PLC虚实结合实验室的构建[J].电气电子教学学报，2016（1）：138-141.

[3]王成刚，李建海，杨帆.基于组态技术的PLC虚拟控制系统研究[J].自动化技术与应用，2018（7）：82-84.

[4]申庆欢.基于组态软件的电气控制实验平台的设计与实现[D].渤海大学，2016.

[5]李奎.基于组态软件的PLC实训系统设计研究[J].科技信息，2012（3）：181-182.

[6]鄭魁敬，代方园，廉磊.基于NX MCD的机器人磨削系统虚拟调试[J].组合机床与自动化加工技术，2019（12）：57-60，64.

[7]戴春祥，王俊杰，秦荣康.基于NX MCD的对运动物体位姿测量方法的研究[J].计量与测试技术，2018（3）：4-6，9.

[8]练志坚.基于TIA Portal的在线悬浮粒子监控系统设计[J].新型工业化，2018（9）：76-78.

[9]史强.基于TIA Portal平台汽车制造业的自动化标准SiCar[J].电工技术，2018（10）：93-96.

Research and Application of PLC Virtual Reality Simulation Training Platform

CHEN Xin，LI Zi-le，ZHANG Yang

（School of Energy and Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi，Hunan 417009，China）

Abstract：Aiming at the problems that the PLC control system is disconnected from the actual engineering scene in the experiment and training courses，and the debugging and control are inconvenient，a PLC virtual reality training platform is designed.In contrast to the current PLC experiment and training platform，the structure and composition，work and design principles of the PLC virtual reality training platform were given，and an example of the elevator control system is used to illustrate the entire training process of the PLC virtual reality training platform.The training system can be closely combined with practical engineering application cases.The 3D scenes are vivid and real，and can enrich students' engineering practice experience.

Key words：virtual reality simulation;training platform;PLC;3D scene