基于Visual Components的PLC工业生产线虚拟仿真实验的设计与实践

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2024年7月2日发(作者：)

|

TECHNOLOGY

OUTLOOK

|

技术瞭望

基于

Visual

Components

的

PLC

工业生产线虚拟仿

真实验的设计与实践

Design

and

Practice

of

Virtual

Simulation

Experiment

of

PLC

Industrial

Production

Line

Based

on

Visual

Components

•

北京联合大学艺术学院昊帆

Wu

Fan

•北京联合大学机器人学院任俊杰

Renjunjie

口北京触角科技有限公司唐万羽Tang

Wanyu

摘

要

：

本文基于

Visual

Components

软件设计了一系列适用于髙校自动化专业

PLC

课程的工业生产线虚拟仿真实验项目

。

本虚拟仿真

实验项目可以与真实工业生产线贴合

，

设备建模逼真

，

界面交互自然

，

学生可以通过此平台实时地编写并调试

PLC

程序

，

在三维场景

中动态分析各种被控对象的执行效果

，

具有较好的工业现场体验感

。

本文对整个虚拟仿真实验平台的软硬件构成

、

设计的实验项目进

行了描述

，

并对实验效果进行了分析

，

证明了该实验项目对提高学生

PLC

实验编程能力具有较好的促进作用

。

关键词

：

PLC

Visual

Components

虚拟仿真实验工业生产线

Abstract:

A

series

of

virtual

simulation

experime

nts

about

in

dustrial

production

lines

are

desig

ned

based on

the

software

of

Visual

Comp

on

ents.

They

can

be

used

in

the

PLC

experimental

courses

for

un

iversity

students

majored

in

automation.

This

experiment

project

can

simulate

real

industrial

production

line

with

realistic

modeling

and

natural

interaction. Students

can

program

and

debug

the

PLC

codes

in

real

time,

and

dynamically

analyze

the

operation

of

various

controlled

objects

in

the

three-dimensional

seene,

which

has

a

good

industrial

field

experience.

The

software

and

hardware

composition

of

the

virtual

simulation

experiment

platform

and

the

projects

of

experiment

are

described.

Tine

teaching

results

prove

that

the

experiment

project

has

a

good

promoting

effect

on

improving

students'

PLC

experiment

programming

ability,

Key

words:

PLC

visual

Components

virtual

reality

experiment

industrial

production

line

【

中图分类号】

TP273【

文献标识码

】

B

文章编号

1606-5123

(2020)

05-0044-04

1

引言

《

可编程控制器

（

PLC

）

原理及应用

》

是高等学校自动化

真调试

，

但控制场景较为简单和单一

，

与实际工业生产场景

脱节

，

不利于学生今后工作实践

。

如果让学生到真实工业场

景中进行现场实操

，

时间成本和硬件成本较高

，

且具有一定

专业高年级专业课程

。

PLC

专业课教研水平与

PLC

应用工程研发能力

，

是工业

自动化工程专业学生获取工程能力从而兑现人力资源价值的

终极技术

。

的危险性

，

不方便开展

。

针对目前

PLC

教学存在的问题

，本文基于一款强大的

工业生产三维虚拟仿真平台

---

Visual

Components

设计了

一系列

PLC

半实物虚拟仿真实验项目

，为学生提供了一个直

通过

PLC

专业课程不但应该理解可编程控制器的硬件结

构

、

工作原理

，

掌握可编程控制器的指令系统

，

而且还应具

观

、

经济

、

安全

、

高效的

PLC

学习环境

，

成本低

、

易维护

、

可扩展性强

。

通过该平台学生可以实时地编写并调试

PLC

程

备可编程控制器应用系统的设计能力

，

初步具备系统实现

、

调试和运行的实际动手能力

。

序

，

动态分析各种被控对象的执行效果。

该软件三维建模场

目前

，

大多数高校

PLC

课程的实验教学会采用实物或虚

拟仿真专用实验平台进行

。

实物实验设备会受到实验室空间

的限制

，

并且设备器件容易损坏

，

需要日常维护

。

通过虚拟

仿真专用实验平台

，

学生虽然可以在PLC

编程软件中进行仿

景和设备接近真实工厂环境

，

增强了学生的现场体验感

，

激

发学生学习兴趣

，

提高学习效率

。

同时本实验系统降低了实

验教学成本

，

避免了设备损坏

，

保障学生人身安全

，

具有较

高的经济性和安全性

。

2

基于

Visual

Components

软件的

PLC

虚拟仿真实

验平台架构

Visual

Components

软件是由芬兰

VisuaL

Components

公司开发的

3D

工业生产线仿真软件

，

可以灵活搭建出任意

复杂度的工业生产三维模型场景'设置设备模型的动作

’

并

显示被控对象各种运行状态

。

Visual

Components

软件所建

立的虚拟生产线场景中三维模型自然逼真

’

可以结合真实生

产线的设备

。

界面交互自然

，

响应速度快

’

可以多角度观察

三维场景

，

如图

1

所示

。

图

1

Visual

Components

搭建的生产线虚拟场景

整个

PLC

实验仿真平台可分为

PLC

硬件模块

、

PLC

编程模

块

、

通信模块和虚拟仿真模块

，

各个模块连接如图

2

所示

。

PC

图

2

PLC

虚拟仿真实验平台架构

PLC

硬件模块选用的是西门子

S7-200

SMART

PLC

控制

器

。

PLC

编程模块为

STEP7-Micro

/WIN

SMART

软件

，

学生可

通过此软件编写

PLC

程序并下载到

PLC

硬件模块中

。

虚拟仿

真模块即为

Visual

Components

软件'教师事先在

PC

机中

通

HVisual

Components

软件搭建虚拟生产线场景和虚拟设

备

，

虚拟场景中将设置相应的传感器和执行器

。

通信模块

是是虚拟场景与PLC

的数据接口

，

实现

PLC

与虚拟场景的通

信

。

选用采用

OPC

UA

协议的软件服务器

—

—

KepServer

完成

PLC

硬件与计算机之间数据的转换与传输

。

OPC

UA

(

Unified

Architectu

re

)

是工业自动化领域机器之间通信的一种协议

,

由

OPC

基金会主导制定

”

此协议广泛用于制造

、

制药

，

工业

机器人'建筑自动化和能源领域o

Visual

Components

中提

供了与KepServer的接口

，

用户通过设置可以将虚拟场景与

OPC

UA

服务器建立联系

。

OPC

UAft

件服务器

、

Visual

Components

虚拟仿真软件

和

PLC

编程软件均安装在

PC

机中

。

PLC

硬件和

PC

之间通过网

《

智慧工厂

》

Smart

Factory

May

2020

线连接完成OPC

UA

服务器的通信以及

PLC

编程软件与

PLC

硬

件模块之间的通信

。

虚拟场景中的现场传感器信号通过

OPC

UA服务器传至

PLC,

经过

PLC

逻辑运算发出控制信号

”

再经服

务器传输给

Visual

Components

虚拟设备

，

从而控制其执行

器动作

，

使虚拟设备按照要求的工艺运行。

3

实验项目设计

本实验可根据需求设计多种工业应用场景

，

包含多种设

备的实验项目

，

项目难度任意设定

。

本文以物料堆叠生产线

场景为例

，

举例

4种不同难度的PLC编程实验项目

。

其中前

M

个项目均为

PLC

基本指令练习

”

最后

_个为综合指令的复杂

工业场景练习

。

各实验项目具体描述如下

。

项目

1

：

基本位操作指令练习

—

条传送带上按照固定间隔传输产品

，

在绿线位置设

置传感器

，

每当有产品通过

，

物体后自动停止

。

场景如图

3

所示

。

图

3

基本位操作指令练习场景

项目

2

：

定时器指令练习

控制定时器使输送带启停

，

例如启动

3

秒

，

停止

3

秒,

循环

2

次

。

场景如图

4

所示

。

图

4

定时器操作指令练习场景

项目

3

：

计数器指令练习

利用

4

条传送带运送瓶子装箱

，

瓶子由一根传送带输

入

。

要求先控制输入传送带与传送带1

对接

，

当运送

4

个瓶

子至传送带

1

之上后

，

转向与传送带

2

对接

，

继续传送

4

个瓶

TECHNOLOGY

OUTLOOK

技术瞭望

子

，

然后依次传送直到向传送带

4

也输送

4

个瓶子

，

当

16

个

瓶子全部运至传送带上后，

一起运动到末端装箱

。

场景如图

5

所示

。

图

5

计数器操作指令练习场景

项目

4:

传送带物料叠放场景练习

该场景中一共有

3

条传送带

，

传送带

1

传送空托盘

，

用

于承载盒堆叠装物料

。

传送带

2

传输盒状物料

，

依次按照一

定间隔传送

。

输送带

3

传输放置在托盘上堆叠好的物料

。

传

送带

1

和传送带

2

运行方向相反

，

传送带

3

与输送带

1

方向一

致

。

场景如图

6所示

。

图

6

传送带物料叠放整体场景

物料盒为一共堆叠4

层

，

一层为横向摆放盒子

，

每排

3

个

，

一共

3

排

，

第二层为纵向摆放盒子

，

每排

4

个共两排

。

两

种不同摆放形式交替叠放

，

如图

7

所示

。

图

7物料叠放示意

要实现以上堆叠方式

，

首先需根据传感器计数来控制传

送带2

上的推杆在横向和纵向摆放时处于不同位置

，

如图

8

所示

。

图

8

推杆控制盒子的横向与纵向摆放

物料每层的摆放是通过传送带

2

末端的挡板和推杆的完

成

。

根据传送带

2

末端传感器的检测

，

使用计数指令

，

当计

数器达到指定条件时

，

挡板会自动竖起

，

阻止后续盒子通

过

。

接着推杆将盒子从黑色输送带区域推入托盘中

。当每层

盒子完成摆放之后

，

会自动降入低一层

，

直到4

层盒子均摆

放完成

，

所有盒子和托盘被传送至传送带

3

运走

。

场景如图

9

所示

。

挡板

传感器

图

9

挡板和推杆控制每层盒子的摆放

可见

，

本实验项目流程较为复杂

，

需控制的受控对象较

多

，

难度比较大

。

学生应在熟练掌握前

?

个项目的基础上再

进行本项目的学习

。

4

实验流程

4.1

实验流程

实验前由教师在

Visual

Component

中搭建好

3D

虚拟

场景

。

上课时首先教师对实践环境进行简单的介绍

，

带领

学生完成

PLC

和

KepServer

之间以及

Visual

Component

和

KepServer

之间的通信连接

。

教师回顾

PLC

理论课上指令的编

程方法

，

布置相应的题目

，由学生独立完成

PLC

编程任务

。

学生完成后将程序下载至

PLC

硬件中

，

在

VC

软件中观察受控

对象是否按照要求进行运动

，

虚拟设备的运行情况

，

边调试

边分析修改

PLC

程序

，

直至虚拟设备按工艺要求运行即可

。

教师根据学生

PLC

程序设计能力

、

调试分析解决问题能力以

及最终实现效果进行评分

。

（

下转

52

页

）

DISCRETE

MANUFACTURING

离散制造

3.3

设备端设置

经过转换模块的转换功能，

设备端是可以读取

PLC

端的输出信号

Q,

修改

PLC

端的输入信号

I

。

设备可以通过

ModbusTCP

功能映射

PLC

端的输入信号

I

和输出信号

Q,

从而

4

结束语

通过本解决方案

，

扩展设备的总线协议支持范围

，

同时

本解决方案所使用技术适用于其他所有支持

ModbusTCP

的工

控产品和设备

，

使他们都可以扩展支持

PROFINET

总线协议

。

达到读取

PLC

端的输出信号

Q,

修改

PLC

端的输入信号

I的效

果

，

但是不能映射

PLC

端的输入字

IW

和输出字

QW

。

设备可

以通过

ModbusTCP

接口函数读取

PLC

端的输入字

IW,

修改

PLC端的输出字

QW

。

作者简介

谈沛(1983

-

)男工学研究生工程师研究方向

：工业机

器人应用工程领域

(上接

46

页

)

4.2

效果分析

本实验项目在本校自动化专业

《

可编程控制器

(PLC)

原理及应用

》

实验中进行了应用实躅

，

取得了良好的教学效

实验室研究与探索

,2010,

29(05):16-1

&

[2]

韩锐.虚拟仿真系统在

PLC

课程教学中的应用

[J].

职业,

2018,

491(29):120-121.

果

。

由于

Visual

Component

呈现的三维虚拟实验场景更好地

[3]

林雪冬,孙建.基于虚拟仿真技术的电气控制与PLC

教学改革实

践研究

[J].

科技创新导报,

2019(17).

塑造贴近真实的智能化工业生产环境

，

学生不但能够细致真

切地观察实验效果

，

学生有更好地情境带入感，

参与实验的

积极性大大提高

，

实验效果也较为理想

。同时

，

本实验项目

[4]

王开,林静,叶石华.虚拟仿真技术在

PLC

应用技术教学中的研

究

[J].

信息技术,2011(07):169-172.

避免了传统

PLC

实验应用场景单一化的缺陷

，

丰富了教学设

[5]

罗康,吕金焕.虚拟仿真技术在

PLC

实验实训教学中的实现[J].

计

算机产品与流通

,2019(03):258-259.

计案例

，

采用项目驱动学生进行自主探索学习

，

有利于学生

更全面掌握

PLC

编程技能

。

此外

，

本实验项目难度可以根据

[6]

李光平

，

唐月夏.自动化生产线装配单元三维仿真平台的构建卩/

0L].

实验技术与管理

,2020(01):141-14

不同学生的能力灵活地安排

，

有利于学生分组训练

，

做到以

学生为中心的分层教学

。

[7]

李继芳

，

许英杰

，

鲍平

，

等.虚拟仿真被控对象在

PLC实践教学中

的应用研究

[J].实验技术与管理

,2017,

34(6):

114

-

11&

5

结束语

本实验的设计根据应用型本科自动化专业

PLC

教学的实

际需求出发

，

以提高学生

PLC

编程能力为目的

，

禾

」

用

Visual

[8]

何俊

，

夏斌.虚实结合的

PLC

实验系统开发

[J].

实验科学与技

术,2018,16(3):

162

-

166.

[9]

周瑜,张文能.电气控制与PLC

技术半实物仿真实训装置构建

[J].

实验室研究与探索

,2017,

36(7):

230

-

234.

Components

逼真虚拟生产线场景

，

设计了多层次的实验教

学方案

，解决了传统

PLC

教学中现场实践困难和仿真实践场

[10]

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(02):21

1-213.

景单一的问题

。

实践证明

，

该实验系统平台操作简便

，

系统

能够提高学生的参与度

，

促进学校教学与真实生产的接轨

，

[11]

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(09):210-213.

增强学生编程解决

PLC

问题的能力

，

教学效果明显

。

后续还

将对实验场景进一步丰富

，

对实验方案和教学设计进行进一

步的优化

，

争取更好地发挥本实验平台的教学作用

。

作者简介

参考文献

[1]

任俊杰

，

李红星

，

李媛.基于PLC

和组态王的过程控制实验系统

[J].

吴帆

(1980-)

女工学博士讲师研究方向:虚拟仿真技

术与人工智能技术

本文标签： 实验虚拟学生