尤向阳
（1.河南科技大学应用工程学院，河南 三门峡 472000；
2.三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）
职业教育中实践操作是非常重要的教学环节，但当前PLC实践教学过程中，缺乏实际的工业控制对象和控制场景，用于教学的仪器设备存在数量不足、种类受限、价格较贵，调试出错易引起机械故障等问题[1]。借用数字孪生思想，开发仿真实训项目，可以解决大型设备建设成本高、维护困难、实训安全不易保障等问题，通过一台电脑即可进行系统搭建、程序设计和可视化调试[2，3]。Factory IO作为一款出色的虚拟仿真软件，可以自由使用其内部的各种元器件、传感器、驱动器等搭建自己理想中的工业现场，并联合PLC进行编程仿真[4]。
2.1 物流分拣模拟场景搭建
在Factory IO中搭建模拟场景，需要了解该软件中的各种元器件，然后构思该设计所需要的场景，并在元件盒窗口中找到所需元器件，点击放置在场景内部[5]，模拟场景如图1所示。在此场景中，包含了以下元器件和设施。
图1 模拟场景
（1）送料发射器：状态是常开，作用是产生不同型号的物料。
（2）上料传感器：状态是常开，作用是确认是否产生了物料。
（3）高度传感器：状态是常开，作用是检测物料存在并确定物料的型号。
（4）滚轴式传送机（含电机）：长度为6米，传送速度为0.45m/s，此元件共使用四组，一组传输物料，三组分三个方向运输物料。
（5）换向传感器：状态是常开，作用是确认有物料要进入换向器进行分拣。
（6）换向器：作用是分拣不同型号的物料，使其驶向不同方向下的接收器。
（7）滑道：无状态，作用是使物料斜滑入接收器。
（8）接收器：状态是常开，作用是当物料进入接收器后，立即使物料消失。
（9）塔式指示灯：状态是常开，有三种颜色（红黄绿）。
（10）金属支架：无状态，作用是安装配电盘。
（12）配电盘：包含急停、启动按钮、停止按钮、三个显示器分别显示三种物料的数量。
（13）防护网：无状态，在此场景中，共使用25个防护网作为隔离栅使用。
2.2 物流分拣工作过程
（1）按下启动按钮，启动指示灯亮，系统开始自动运行，塔式指示灯绿灯亮。
（2）送料启动，发射器送料，入口电机启动，传输物料。物料经上料传感器检测，确定有物料，分拣开始。
（3）物料再经高度传感器识别并确认型号，最后经换向传感器确认的确有物料要进入换向器。
（4）物料开始进入换向器，装载启动，当物料完全进入换向器后，即换向传感器有下降沿时，入口电机关闭。
（5）若物料是小型货物，当物料完全进入换向器且出口信号有上升沿，装载关闭，转向启动，换向器向左旋转90，之后卸载方位信号有上升沿，装载启动，物料开始离开换向器进入左端传输通道。
（6）当左端传感器有上升沿后，左端传输电机启动，输送小型货物，当物料完全离开换向器后，即左端传感器有下降沿，装载关闭，转向关闭，换向器向右旋转90，回到原位，复原状态字置1。
（7）当小型货物离开左端传输通道进入左端接收器后，即左端出口传感器有下降沿，左端传输电机关闭，控制柜上小物件数量显示器显示数字1。
（8）若物料是中型货物，装载保持启动状态。之后物料开始进入中端传输通道，当中端传感器有上升沿时，中端传输电机启动，输送中型货物，当物料完全离开换向器后，即中端传感器有下降沿，装载关闭，复原状态字置1。
（9）当中型货物离开中端传输通道并进入中端接收器后，即中端出口传感器有下降沿时，中端传输电机关闭，控制柜上中等物件数量显示器显示数字1。
（10）若物料是大型货物，当物料完全进入换向器且出口信号有上升沿，装载关闭，转向启动，换向器向左旋转90，之后卸载方位信号有上升沿，卸载启动，物料开始离开换向器进入右端传输通道。
（11）当右端传感器有上升沿后，右端传输电机启动，输送大型货物，当物料完全离开换向器后，即右端传感器有下降沿，卸载关闭，转向关闭，换向器向左旋转90，回到原位，复原状态字置1。
（12）当大型货物离开右端传输通道进入右端接收器后，即右端出口传感器有下降沿时，右端传输电机关闭，控制柜上大物件数量显示器显示数字1。
（13）当不同物料完全离开换向器后，送料启动，发射器送料，物料重复上述分拣过程。
3.1 控制系统的组成
物流分拣控制系统主要由西门子S7-1200PLC、HMI和Factory IO的各种执行元件组成。S7-1200PLC为系统控制器，HMI是作为人机交互界面，控制对象为Factory IO的执行元件。
3.2 控制系统I/O分配表
I/O分配表如表1所示。
表1 I/O分配表
3.3 基于TIA Portal的程序设计
由西门子打造的TIA Portal，是一款全集成自动化的编程软件，可使用于仿真操作和PLC编程。该软件作为行业内部首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化编程软件，可以适用于极大部分自动化任务。此外，S7-PLCSIM、WinCC flexible等软件包在此平台上的运行可以让使用者方便、快捷、直观地开发和调试控制系统。S7-1200编程采用模块化编程思路，OB块可直接和系统对接编程，FB块、FC块与DB块为用户主要的编程块，OB块和其他块之间如同主函数和子函数之间的关系。控制程序让每一功能程序模块完成某一明确的任务，结构简单、清晰，易于调试、查错、维护，更便于拓展。本项目控制程序功能图如图2所示。
图2 程序功能图
根据本控制系统的需要，利用选择TIA Portal也可对控制系统进行HMI组态，在触摸屏上进行调试。选择SIMATIC精简系列面板中的7英寸显示屏，组态自动运行模式画面如图3所示。画面包括：按钮（Auto、Running、启动按钮、复位按钮、停止按钮、急停）；
指示灯（Green Light、Yellow Light、Red Light、Start Light、Reset Light、Stop Light）；
显示器（小物件数量、中等物件数量、大物件数量）；
画面切换键（手动运行模式）。
图3 自动模式画面
在TIA Portal与Factory IO连接时，需要提前下载Factory IO官方发布连接TIA Portal的功能模块。该模块包含了TIA Portal与Factory IO通信的串口，提供了两者连接的“桥梁”。在Factory IO中将程序设计用到的IO变量与PLC的输入输出地址进行连接配置，如图4所示。选择文件→驱动，在页面上方选择Siemens S7-PLCSIM，在Factory IO文件→驱动页面右上角选择配置，在配置里把自动连接打上对钩，类别选择为1200PLC。连接成功时，Factory IO场景页面右下角的Siemens S7-PLCSIM前的红色感叹号会变成绿色。就可以进行仿真测试了。调试时，可启用监视查看程序是否正常运行。如果在程序运行时发现错误，需要修改程序时，则需要在TIA Portal中点击使程序进入离线后，可修改程序。修改完成后重新下载，再次运行。
图4 IO配置
基于Factory IO和TIA Portal联合仿真的智能物流分拣控制系统可作为“PLC应用技术”课程的一个综合实训项目进行，也可作“PLC应用技术”的课程设计供学生进行练习。学生们也可按照本设计提供的思路和方法，通过软件中提供的不同模块、不同场景，在虚拟数字化工厂里组建其他工作场景，通过TIA Portal编写控制程序，通过PLCSIM控制Factory IO中各种虚拟元器件，实现各种复杂PLC控制系统的综合训练，学有余力的同学也可以利用WinCC flexible组态触摸屏配合现场控制。师生只要有足够的想象力与创造力，即使没有PLC、没有控制对象，也能设计出各种各样复杂的控制系统。教师采用此方法可丰富教学形式，活跃教学气氛，拓宽教学内容。学生采用此方法可随时随地进行学习、训练、设计与研究，极大拓展了实践教学的时间和空间。
Factory IO和TIA Portal联合仿真的方法不仅能再现逼真的工业场景，而且能对控制程序进行调试，同时实现对虚拟对象的仿真控制。这种虚拟仿真的实践教学方法增强了PLC教学的直观性，激发了学生的学习兴趣，提高了实践教学的效率，能够全面锻炼学生对PLC的综合应用能力，具有良好的教学效果和推广价值。
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