李秋明 劉志剛

基金項目：教育部2019年第二批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201902136018）；河北省研究生課程思政示范課程項目（YKCSZ2022143）；東北大學秦皇島分校教學改革研究與實踐項目（2019JG-B04）

第一作者簡介：李秋明（1979-），男，博士，高級實驗師。研究方向為智能制造現(xiàn)代工程設計、數(shù)字孿生技術在制造業(yè)中的應用等。

*通信作者：劉志剛（1975-），男，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為傳感器網(wǎng)絡、認知信號處理、視覺跟蹤以及行為識別與預測等。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.014

摘? 要：針對PLC實訓平臺的特點及受場地、成本限制等諸多問題，該文設計一種以虛擬仿真模型為控制對象的PLC實訓平臺。該實訓平臺主要包括PLC和虛擬控制對象2部分，其中，虛擬控制對象由西門子NX MCD應用模塊構建，而兩者的數(shù)據(jù)連接則采用OPC通信方式。結果表明，該實訓平臺的設計能為實踐教學提供豐富的工業(yè)控制領域典型的虛擬控制對象，并能實現(xiàn)對控制程序的調(diào)試與仿真運行，有效地鍛煉學生的PLC工程實踐能力，也是對傳統(tǒng)線下PLC實踐教學的有益補充。

關鍵詞： PLC實訓；虛擬仿真技術；MCD；OPC；實踐教學

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0062-04

Abstract： Aiming at the characteristics of PLC training platform and the limitation of venue and cost， a PLC training platform based on virtual simulation model is designed in this paper. The training platform mainly includes two parts： PLC and virtual control object， in which the virtual control object is constructed by Siemens NX MCD application module， and the data connection between them adopts OPC communication mode. The results show that the design of the training platform can provide a wealth of typical virtual control objects in the industrial control field for practical teaching， and can realize the debugging and simulation operation of the control program， effectively exercise the students' practical ability of PLC engineering， and is also a useful supplement to the traditional offline PLC practical teaching.

Keywords： PLC training; virtual simulation technology; MCD; OPC; practice teaching

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為工業(yè)自動化核心控制器件是集計算機技術、通信技術、自動控制技術三者結合的產(chǎn)物，目前被廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，已經(jīng)成為當今工業(yè)自動化主要支柱之一[1-2]。鑒于PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性和廣泛性，各高校一直重視PLC課程的實踐教學。然而由于實踐教學過程中缺乏合適的實訓平臺，導致出現(xiàn)實踐教學過程枯燥無味、學生缺乏學習興趣等問題，嚴重阻礙了PLC技術在我國的推廣和普及[3-6]。

針對上述情況，本文設計了一種基于虛擬仿真技術的PLC實訓平臺。該實訓平臺利用西門子NX軟件的MCD應用模塊搭建虛擬仿真模型，極大可能地還原真實工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，可以實時直觀地觀測控制過程。作為對傳統(tǒng)PLC實踐教學的有效補充，該實訓平臺可以豐富實踐教學中的應用案例和增強實踐教學效果，同時也為PLC實踐教學采用線上教學方式提供了一種解決方案。

1? PLC實訓平臺建設的必要性

實踐教學貫穿于整個PLC課程教學過程中，而實訓平臺建設是影響實踐教學質量的關鍵因素[7-9]。目前絕大多數(shù)高校實訓平臺的控制對象都是基于硬件的，這些硬件設備在使用過程中往往存在以下問題：第一，PLC實訓平臺一般價格昂貴且設備占地面積大，建設PLC實驗室需要投入大量資金及占用大量的場地資源；第二，由于PLC實訓平臺的價格昂貴導致設備更新周期往往比較長，不變的實訓平臺和不變的實驗項目會誘發(fā)學生隔屆抄襲程序，實踐教學質量較差； 第三，多數(shù)PLC實訓平臺控制對象功能簡單，往往是一些按鈕、開關、指示燈等器件，很難反映真實的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，學生難以獲得真正的工程實踐鍛煉。從以上問題不難看出，實訓平臺建設已經(jīng)成為PLC實踐教學的瓶頸，影響了PLC教學質量的提高。

近年來，隨著虛擬仿真技術和通信技術的成熟及其在工業(yè)產(chǎn)線上的應用，以虛擬仿真模型為控制對象的PLC實訓平臺成為了現(xiàn)實。建設基于虛擬仿真技術的實訓平臺首先可以降低硬件成本及節(jié)省占地資源，其次定期更換虛擬仿真控制對象也增加了實訓平臺靈活性，更重要的是虛擬控制對象更接近真實的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，學生可以獲得真正的工程實踐鍛煉。因此，基于虛擬仿真的PLC實訓平臺的建設可以對相關專業(yè)學生的PLC工程應用能力的培養(yǎng)和實踐操作的提高起到重要作用[10]。

2? 基于UG NX的PLC實訓平臺的構建

UG NX軟件是西門子PLM集團為助力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化升級而推出一款用于進行產(chǎn)品設計加工和仿真的解決方案軟件。在工業(yè)產(chǎn)線的虛擬調(diào)試應用中，首先利用軟件中的MCD應用模塊構建與真實產(chǎn)線設備具有相同機械結構和電氣特性的虛擬仿真模型，然后應用OPC協(xié)議建立PLC控制器與虛擬仿真模型之間的數(shù)據(jù)連接，最后可以對整個虛擬仿真控制系統(tǒng)進行PLC編程和調(diào)試。這樣做的目的是在物理產(chǎn)線建設之前，可以根據(jù)仿真結果的性能指標找到產(chǎn)線的潛在問題，同時通過調(diào)整程序參數(shù)達到產(chǎn)線的優(yōu)化[11-15]。

根據(jù)MCD在產(chǎn)線虛擬調(diào)試的應用思路來構建PLC實訓平臺。圖1為本文設計的2種PLC實訓平臺架構。其中，軟件在環(huán)仿真平臺（圖1（a））是純軟件仿真平臺，該平臺主要基于編程軟件（STEP/TIA Portal）、PLC仿真軟件（PLCSIM Advanced）及MCD虛擬仿真模型，利用編程軟件設計PLC調(diào)試程序并將其下載到PLC仿真軟件中，而PLC仿真軟件通過建立好的數(shù)據(jù)連接完成對虛擬仿真模型的控制；硬件在環(huán)仿真平臺（圖1（b））則是一種半實物半仿真平臺，與前者的不同在于利用真實的PLC硬件（S7-1200）代替PLC仿真軟件（PLCSIM Advanced）作為控制器，PLC和MCD虛擬仿真模型之間的數(shù)據(jù)連接是通過OPC服務軟件（KEPserver）來實現(xiàn)的。

2種平臺在使用上還是有差別的：軟件在環(huán)仿真平臺可以應用在線上教學中，尤其應對由于類似新冠感染疫情等特殊狀況時，學生不能到實驗室進行實踐教學的情況；而硬件在環(huán)仿真平臺可以為舊實驗臺的升級改造提供一種解決方案，是傳統(tǒng)實踐教學的一種有效的補充。另外，由于硬件在環(huán)仿真平臺使用真實的PLC硬件設備，這使得程序運行節(jié)拍更接近于真實的控制過程。

（a）? 軟件在環(huán)仿真平臺? ? ? ?（b）? 硬件在環(huán)仿真平臺

圖1? PLC實訓平臺整體架構

3? 仿真PLC實驗平臺實驗案例設計

接下來，基于以上仿真PLC實訓平臺架構并以生活中常見的電梯為例設計相關實驗。主要包括構建虛擬電梯仿真模型、建立數(shù)據(jù)連接及PLC程序設計與調(diào)試等工作。

3.1? 虛擬仿真模型構建

被控設備模型的構建依據(jù)了真實電梯的機械結構，盡可能1∶1地還原實際電梯。將構建的電梯模型所需要的基本元件在建模環(huán)境下進行組裝，并導入MCD應用模塊進行電梯機電概念設計。在機電概念設計功能中為電梯的外門、內(nèi)門、轎廂等設置物理屬性，并設置運動副、執(zhí)行器、傳感器和信號適配器等功能，最后將外面信號適配器的信號與NX內(nèi)部信號進行信號的映射。建立好的三維仿真模型如圖2所示，設計為單部4層電梯結構。

3.2? 建立數(shù)據(jù)連接

對于硬件PLC控制系統(tǒng)，PLC與控制對象的數(shù)據(jù)連接主要通過硬件接線或者現(xiàn)場總線方式來實現(xiàn)，因此，在PLC實驗教學中，學生根據(jù)控制工藝需要對PLC的I/O進行分配，并根據(jù)設計的硬件接線圖進行硬件接線，而對于虛擬仿真控制系統(tǒng)兩者的數(shù)據(jù)連接則是通過軟件來實現(xiàn)。以硬件在仿真電梯實驗平臺為例，這里，仿真電梯的內(nèi)外呼梯信號及樓層顯示通過Portal軟件里面的HMI實現(xiàn)，而虛擬電梯的平層信號，開關門到位信號、電梯門的控制信號及轎廂運行的控制信號等與PLC的數(shù)據(jù)連接則是通過KEPserver軟件來實現(xiàn)。仿真PLC實驗平臺的數(shù)據(jù)連接如圖3所示。

（a）? 正視圖? ? ? ? ? （b）? 后視圖

圖2? 三維電梯模型

圖3? 電梯仿真系統(tǒng)控制回路

3.2.1? HMI與S7-1200的數(shù)據(jù)連接

利用Portal軟件中HMI軟件人機界面功能建立與S7-1200的數(shù)據(jù)連接，HMI型號選擇KTP900 Basic PN，其網(wǎng)絡組態(tài)如圖4所示。

圖4? 設備組態(tài)連接

3.2.2? KEPserver建立S7-1200與虛擬電梯數(shù)據(jù)連接

KEPserver作為OPC服務器，用以建立S7-1200與虛擬電梯之間的數(shù)據(jù)連接。在KEPserver中建立數(shù)據(jù)通道，并創(chuàng)建需要連接的數(shù)據(jù)。最后啟動OPC Quick Client，這時PLC與OPC服務器連接完成。接下來在MCD中找到外部信號適配器，指定KEPserver中建立的連接變量，最后通過信號映射建立虛擬電梯與PLC之間的數(shù)據(jù)連接，如圖5所示。

3.3? 電梯實驗設計

3.3.1? 實驗控制要求

基于構建的虛擬電梯控制對象，其控制要求如下：①電梯分為手動和自動2種控制方式；②電梯在自動模式下，首先完成初始化程序，并將電梯停靠到1樓，樓層指示1樓；③按照順向截梯的原則實現(xiàn)電梯的集選控制；④電梯門會根據(jù)當前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號、選層信號及平層信號狀態(tài)等，合理地進行相應的響應；⑤當電梯平層時，需要依據(jù)時間原則進行三級減速，待平層后，抱閘停車；⑥在運行過程中，需要始終對當前運行方向、當前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）進行實時監(jiān)控與顯示，僅當無呼叫指令時，運行方向指示無指向；⑦針對選層指令中可能存在的人為誤操作進行相應的優(yōu)化。

3.3.2? HMI畫面設計

按照控制要求，應用HMI設計電梯的內(nèi)外呼梯信號登記及樓層的顯示，其自動控制畫面如圖6所示。

圖5? 虛擬仿真電梯與PLC之間的數(shù)據(jù)映射

圖6? 電梯運行監(jiān)控

3.3.3? PLC程序設計與調(diào)試

在PLC與虛擬電梯及HMI之間建立好數(shù)據(jù)連接以后，就要進行PLC程序設計和調(diào)試，這部分工作是自動化類專業(yè)學生實踐教學的重點。引導學生程序設計采用結構化編程。

OB1為主循環(huán)程序塊，屬于循環(huán)掃描的程序塊，用以調(diào)用其他子程序塊。函數(shù)FC１主要實現(xiàn)電梯轎廂的速度控制；函數(shù)塊FB１是電梯初始化子程序，其背景數(shù)據(jù)塊是DB２；函數(shù)塊FB2主要控制電梯的上下行，對應的背景數(shù)據(jù)塊函數(shù)塊是DB4；FB３用來控制電梯的啟停及開關門，對應的背景數(shù)據(jù)塊為DB６；函數(shù)塊FB４實現(xiàn)樓層計數(shù)功能，其背景數(shù)據(jù)塊為DB５；函數(shù)塊FB5用來處理呼梯產(chǎn)生的中斷，背景數(shù)據(jù)塊為DB8；函數(shù)塊FB6用來登記呼梯信號，其背景數(shù)據(jù)塊為DB7。PLC程序結構如圖7所示。

圖7? PLC程序結構

將編寫好的PLC程序下載到S7-1200處理器中，啟動KEPserver OPC服務器并運行MCD虛擬電梯，結合HMI的操作完成PLC程序調(diào)試工作。

4? 實驗教學效果

將基于虛擬仿真技術的PLC實訓平臺應用到PLC實踐教學中，取得了良好的效果。尤其是突如其來的新冠感染疫情造成學生不能返校進行線下學習，應用虛擬仿真PLC實踐平臺不僅圓滿完成了教學任務，而且得到了廣大學生的認可，學生的工程實踐能力得到了鍛煉和提高。另外，基于此虛擬仿真PLC實踐平臺申請了學校的一流實驗項目建設，并成功立項。目前，與校企合作單位聯(lián)合開發(fā)了更多的虛擬被控對象，并將其推廣到更多的職業(yè)教育院校的PLC實踐教學中。表1為開發(fā)的部分虛擬仿真平臺。

表1? 已開發(fā)虛擬仿真平臺（部分）

5? 結束語

本文基于西門子虛擬仿真技術搭建了一種仿真PLC實訓平臺。該平臺利用西門子NX MCD搭建虛擬仿真控制對象，并通過OPC通信方式建立與PLC的數(shù)據(jù)連接。實踐表明，作為對傳統(tǒng)PLC實驗教學的有效補充，建設基于虛擬仿真技術的實驗平臺可以降低硬件成本以及節(jié)省占地資源，同時，虛擬仿真控制對象更接近真實的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，實操過程中學生可以獲得更真實的現(xiàn)場體驗，對相關專業(yè)學生的PLC工程應用能力的培養(yǎng)和實踐操作能力的提高起到重要的促進作用。另外，由于仿真平臺可以采用全軟件仿真的模式，這為PLC實驗教學采用線上教學方式提供了一種有效的解決方案。

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