虛擬仿真技術在電氣專業課程可編程控制器原理教學中的應用研究

鄒歡 張雪萍 楊彥鑫 蘇紅梅 李裕 黃兆波

隨著高校素質教育改革的深入進行，傳統的教學方法越來越不能適應時代發展的要求，可編程控制器原理是電氣專業的一門重要專業課程，如何幫助學生盡快的掌握電氣控制及可編程控制器原理的的相關理論知識，同時提高學生的實踐動手是能力，是該課程建設和改革的重點問題。而虛擬仿真技術是指20世紀40年代伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一類試驗研究的新技術。通過仿真技術模擬實際的物理系統，如工業現場的各種設備和場景。學生能通過計算機顯示器認識形象生動的虛擬環境，熟悉理論過程，并能進行實驗操作，觀察實驗效果。

可編程控制器原理課程這門課程的學習不但需要系統的理論學習做基礎，更加需要充足的實踐操作。在教學過程中，將虛擬仿真技術跟課程教學結合起來，通過建立仿真模型和進行仿真實驗，能讓學生了解一般電氣自動化控制系統的組成和控制方法，將抽象的電氣設備及控制過程用虛擬仿真的形式在計算機上顯示出來，建立系統控制的概念。其次學生能綜合運用所學電氣工程專業相關理論知識，自己動手完成各個部件的動作控制流程，鍛煉學生理論聯系實際、綜合應用知識的能力，更能充分調動學生的學習積極性和主動性。因此，深入研究虛擬仿真技術在課程講授及實驗中的應用優勢，并將其應用在教學中，在教學過程中，具有重要的意義。

一、可編程控制器原理課程教學現狀

（一）以理論設計為主

目前，可編程控制器原理課程仍以傳統的課堂講授為主，側重課堂理論講授，設計結果用仿真軟件在計算機上對部分內容進行仿真。這種教學模式下，課程內容偏理論化，缺乏培養學生實際崗位能力的硬件設施，沒有職場化的實戰環境，學生畢業后難以立馬適應相關工作崗位要求。

（二）利用綜合實訓考核裝備

利用由專業的教學儀器公司開發的綜合實訓平臺，該實訓平臺被控對象能夠利用真實的傳感器來控制被控對象。通過設備的拆解、安裝、試驗和調試，大大提高了學生的動手能力，學生參與積極性高。但是實踐操作時受到設備數量、品種、場地等方面的限制。同時，這種教學模式所需課時長、實驗耗材消耗大，綜合實訓設備的購買、日常維護成本高。

二、可編程控制器原理課程虛擬仿真教學模式構建

（一）虛擬仿真教學資源建設

目前，大部分學校由于設備的臺套數較少，使分組實驗的學生人數較多，每一組實驗控制程序的編寫、調試需要花費大量的時間，不能滿足實踐教學的需要，教學效果也不理想。實現虛擬實驗的仿真技術往往根據實驗對象和技術的不同而不同。引入虛擬仿真技術后，對于可編程控制器原理課程及虛擬實驗系統，我們主要采用了組態技術實現。組態技術是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預先設置、自動執行特定任務，滿足使用者要求的目的。組態軟件能利用系統軟件提供的工具，通過簡單形象的組態工作構成系統。組態軟件具有用戶可訂制的功能，能開發可編程控制器的控制對象;還具有強大的通訊和監控功能;具有實時多任務、接口開放、使用靈活、功能多樣和運行可靠的特點。通過組態技術構建的虛擬實驗平臺不僅能提供形象的被控對象，展示直觀的控制效果，而且具有良好的重用性和拓展性。

（二）教學模式改革

在進行實際操作前，學生根據裝配單元的控制要求，先完成控制程序的編寫。將編寫好的程序下載到PLC中運行，在計算機上觀察虛擬仿真模型的動作以驗證程序的正確性。在虛擬仿真場景中反復調試成功后，進入真實實訓操作，大幅度提高了設備的有效利用率，解決了學校實驗、實訓條件建設投入不足的問題。

三、虛擬仿真教學模式建設的思路

（一）構建虛擬仿真教學系統

為解決現代電氣控制技術實驗裝置成本高、結構復雜、很難滿足學生課外自學需求的問題。我們利用組態軟件模擬可編程控制器控制對象，結合可編程控制器仿真軟件及NetToPLCsim軟件，。將設計的虛擬仿真系統應用于實際教學，虛擬系統無需實際物理控制對象便可實現對可編程控制器控制程序的調試和仿真運行，節約了設備成本，激發學生學習興趣，提高了授課效果與實驗效果。

（二）教師運用現代化教學技術能力

目前虛擬仿真實訓場景的設計、制作多由專業公司完成，與專業課教師在對接上還存在一些問題。教師缺乏設計、修改虛擬仿真場景的能力，項目固定化。因此，不斷提高教師將真實工作任務、場景轉化為教學內容的能力，也是開展虛擬仿真教學的重要保障。

（三）學生自主開發虛擬仿真場景

虛擬仿真技術的應用，可以促進教學方法的現代化和教學手段的多樣化，讓學生自主開發虛擬仿真場景，不但可以提高學生的查閱資料、三維建模、建立人機界面、編程調試的綜合能力，還可以快速的增加實訓項目的數量。

四、結束語

綜上所述，通過引入虛擬仿真技術，操作虛擬的實驗對象，即可進行各種理論教學模擬和實驗，達到與操作真實的實驗被控對象相同的目的，解決學校實驗、實訓條件建設投入不足的問題。同時，虛擬仿真開放性的特點，可隨時擴展工作場景資源庫，解決校內實訓設備落后于企業先進設備、教學過程與生產過程缺乏對接的問題。