虛實結合的PLC控制系統實驗教學平臺建設與教學實踐*

（福州大學至誠學院，福建 福州 350002）

目前，隨著信息技術的不斷發展，傳統的實驗教學已經無法滿足實際教學需求，如何改進實驗教學設備、結合互聯網應用創新實踐教學模式是各高校面臨的重要問題之一。隨著虛擬仿真技術應用的普及，福州大學至誠學院電氣工程系在結合原有的實驗設備基礎上，以“PLC控制系統實驗臺”為原型，自主開發“PLC控制系統虛擬仿真實驗平臺”，虛實結合開展實驗教學，創新實踐教學模式，從課程體系、教學內容、教學方法與手段、教學效果等方面入手，進行了教學改革。

1 PLC控制系統實驗教學平臺的設計

PLC控制系統實驗教學平臺由PLC控制系統實驗臺、PLC控制虛擬仿真實驗平臺組成。實驗臺于2013年批量制作，裝備于福州大學至誠學院自動控制系統實驗室，已供學生使用 5年。“PLC虛擬仿真實驗平臺”于2017年9月開發完成，已投入教學使用。

1.1 PLC控制系統實驗臺

PLC控制系統實驗臺是一個臺式綜合實驗系統，模擬了一個典型的工業生產實際，實現了工業生產線上常見的物料供給、機械手搬運、稱重計量、加熱控制、以及物件分選等功能，它以PLC為控制核心，配合變頻器、步進電機控制器和各種傳感器，驅動和控制變頻調速電機，步進電機和小型機械手，可開展多種控制方案的綜合性實驗和設計性實驗。該平臺還設計了稱重計量和溫度閉環控制兩個模擬量實驗單元，使之從傳統的機電開關量控制，擴展到了帶模擬量的閉環控制。采用工業器件，學生通過實踐和實訓，達到熟練使用工業現場常用器件和拓展創新思路的目的，實現與工業現場技術的“無縫對接”，增強了各課程知識的有機融合應用。

實驗臺采用模塊化結構，主要包括實驗臺架、機電一體化設備的機械部件組合、各種控制模塊、按鈕模塊、電源模塊、接線端子排，以及開展擴展實驗所需的各種傳感器模塊。整體結構采用開放式和拆裝式，模塊采用統一結構和尺寸，互換性強。

1.2 PLC控制虛擬仿真實驗平臺

1.2.1 構造仿真模型的主要流程

PLC控制虛擬仿真實驗平臺使用 Unity3D圖像建模技術，構建多種類型的機械硬件，并且可以清晰地模擬受控對象。使用Unity動畫技術再現PLC控制過程，實驗更直觀，學生可以更好地理解整個實驗過程。PLC虛擬仿真實驗的流程設計如圖1所示。

圖1 Unity仿真流程圖

1.2.2 數學模型仿真支撐

采用工業實時仿真平臺TeachingLab對底層數據進行計算管理與仿真任務管理。利用 C語言編寫的實時仿真數學模型算法和數據作為后臺來驅動三維場景中設備的動作，形象、直觀地展示系統運行原理和設備工作原理。數學模型以真實實驗數據、物理原理作為支撐，仿真操作過程與真實設備操作過程相似，仿真結果與真實系統結果接近，能夠滿足日常培訓、常規考核等各種需求。局部機理模型建模環境圖如圖2所示。

圖2 機理模型建模環境

1.2.3 三維虛擬實驗環境

采用三維實驗環境，利用虛擬現實技術再現 PLC實驗臺，其中包括供料盤、機械手、傳送帶、分揀裝置等機械部件，以及電子稱重模塊、變頻器模塊、溫度PID單元、按鈕模塊、接線端子排和各種傳感器，實現裝置運動與數值運算結合。

虛擬仿真實驗平臺提供了PLC控制系統實驗臺的全景和全過程漫游的功能，以現場真實的設備圖片作為教學素材，設備的主要功能、運行工藝等以文字配合智能語音的方式展現。場景漫游中的主要設備都可以通過輪廓線、高亮顯示等手段，配合語音講解，視聽效果好。教師可對平臺內容進行編輯和管理。

如圖3所示，PLC控制系統實驗教學平臺可供電氣類、自動化類、機械類等專業學生使用。可用于PLC控制技術、低壓電器、傳感器技術、檢測與轉換、可編程控制器實訓等課程的實驗和實訓，以及畢業設計和學生課非創新實踐，既可以獨立完成各課程實驗，也可以開設大型綜合實訓項目。

圖3 PLC控制系統實驗教學平臺

目前已開展的實驗和實訓內容包括：①PLC的I/O接口實驗（接線與編程器的使用，實驗臺認識實驗）；②物料傳送與搬運控制實驗（供料盤與機械手實驗）；③物料分揀實驗（根據顏色與材質分揀）；④A/D轉換實驗“稱重實驗”；⑤模擬量控制實驗“溫度控制實驗（PID實驗）”；⑥PLC綜合實訓；⑦低壓電器控制實驗；⑧電機控制實驗；⑨傳感器實驗；⑩PLC控制實驗。

2 基于“互聯網+”的虛實結合實驗教學

2.1 仿真實驗和真實實驗內容相結合

虛實結合的實驗教學由“虛擬仿真實驗”和“真實實驗”兩部分組成，如圖4所示。

圖4 虛實結合的實驗教學結構

虛擬仿真實驗部分體現了完整的實驗過程，通過互聯網信息管理平臺發布實驗信息，學生登錄信息管理平臺網站，可在教室非的任意場所、任意時間自主進行學習的方式進行。PLC控制虛擬仿真實驗的典型實驗過程包括：實驗前的準備工作，即在信息管理平臺下載安裝軟件，等待授權；然后學生選擇實驗項目，通過閱讀實驗指導，觀看實驗視頻等操作進行預習；接著進入“虛擬仿真實驗”，學生可移動鼠標，自主選擇觀察的設備對象，學習設備知識，練習PLC的系統配置，完成實驗預習；隨后學生根據預習中設計的實驗線路、I/O分配進行硬件接線，根據課題要求編輯PLC控制程序，運行PLC程序以驗證自編程序的正確性等操作，然后觀察實驗現象，根據實驗現象修改程序，直至實驗順利通過；最后在系統里完成實驗報告，提交評分。操作過程中會有一些對應的操作提示，指導學生一步步完成實驗[1-3]。最后還有一個“實驗測試”環節，通過測試，評判學生對實驗內容的掌握程度，學生在教師規定的時間內登錄信息管理網站進行測試，若測試通過，則安排真實實驗；若測試不通過，則繼續進行虛擬仿真實驗，直至通過。

虛擬仿真實驗通過后，安排進入實驗室進行真實實驗。真實實驗主要采取教師輔導與學生小組討論、實際操作相結合的教學模式。教師首先對實驗內容、實驗臺進行講解，對學生課前編寫的程序進行輔導、對實驗過程中出現的問題進行解答，指導學生完成實驗。學生需要根據實驗要求完成PLC編程、調試，進行硬件接線等操作，根據實驗現象、實驗結果進行小組討論，完成實驗報告。教師組織學生討論，提出意見，批改實驗報告[4-6]。

虛實結合的教學方式不僅鍛煉了學生的自主學習能力，提高了學生的專業實踐水平，達到更好的實踐效果。

2.2 基于“互聯網+”的網絡信息管理平臺

網絡信息管理平臺（如圖5所示）是開展虛擬仿真實驗教學的一個重要平臺，能夠對學生各項學習活動進行全面流程管理，涵蓋資源管理、班級管理、網絡培訓管理、在線學習管理，協同完成互聯網環境和機房管理模式下、多種模式的仿真實驗教學管理功能。平臺包括實驗資源管理和實驗教學管理，將實驗教學軟件資源利用互聯網形式管理，包括視頻、動畫、PDF以及仿真實驗系統。

圖5 網絡信息管理平臺

學習平臺前端提供課程分類、課程列表、課程介紹等功能，供不同的顯示和使用視頻、動畫、仿真等類型的遠程虛擬教學實驗課程。登錄網站可直接打開教學視頻、Flash課件、小型三維虛擬設備仿真軟件等，大型虛擬現實仿真軟件需要下載安裝后使用[8-10]。

教師課前通過網絡信息管理平臺發布實驗信息，分配班級、發布試卷；課后再在平臺上批改實驗報告、進行實驗評分等；學生登錄平臺下載虛擬仿真實驗資源、進行虛擬仿真實驗、參加實驗測試、提交實驗報告等。通過網絡信息平臺，可實現隨時隨地進行實驗的目標，突破了時間和空間的限制。

3 虛實結合的PLC控制系統實驗教學的特征

3.1 教學性

PLC控制系統實驗臺和PLC控制虛擬仿真實驗平臺虛實結合、互為補充，可以單獨使用，可以虛實結合開展實驗。從2013年至今，在該平臺上開設了PLC原理與應用等4門課程的實驗和實訓，以及進行畢業設計相關課題，累計7萬學時以上，也是學生開展課非創新實踐和參加各類競賽的重要平臺。

3.2 創新性

①邏輯量+模擬量的控制系統貼近企業實際。在邏輯控制的基礎上增加稱重和溫度控制兩個模擬量單元，使設備從傳統的機電開關量控制，擴展到了帶模擬量的閉環控制，采用工業現場的器件模擬工業生產過程現場感強，貼近企業實際，實現與工業現場技術的“無縫對接”，提高學生的就業競爭力[11]。

②實現一機多用，實驗項目涵蓋多門課程，體現分層次教學理念。實驗臺可進行PLC控制系統的實驗與實訓，還設計了多種傳感器和檢測控制模塊，可完成PLC控制技術、低壓電器、檢測與轉換、可編程控制器實訓等多門課程的實踐教學。

③創新實驗教學方法。虛實結合的實驗教學方法突破了傳統的實驗教學時間和空間的限制，有效提高了教學實踐效果，提高了實驗設備的利用率，降低機械設備的維修率。

3.3 啟發性

PLC控制系統實驗臺可以滿足不同層次學生的創新實踐需求。設備模擬工業生產過程的送料、搬運、稱重、傳送、檢測、分揀等單元，還配備各種控制模塊、按鈕模塊、電源模塊、接線端子排，以及開展擴展實驗所需的各種傳感器模塊。工業現場背景項目作為相關課程的主要線索，避免課程實踐環節與具體工程項目銜接的困難。讓學生明白做什么（學習目標），為什么做（工程背景）、怎么做（實踐過程），很好地調動學生學習的積極性。

實踐以項目為導向，激發學生興趣，特別是在傳感器及機械臂項目的實踐基礎上開拓了學生的創新思路，將相關技術應用于競賽機器人的設計與制作，極大提高了自制競賽機器人的技術含量和性能，為機器人項目的參賽和獲獎奠定基礎。

4 教學成效

實驗教學是本專業學生能力培養的重要環節，其教學平臺與教學模式的創新改革非常必要。虛實結合的PLC控制系統實驗教學平臺與教學實踐自應用以來，受到師生的熱烈歡迎，學生學習積極性和主動性得到了提高，培養成效明顯。近三年來，獲得國家級、省級、院級創新大學生創業訓練項目超過20項，學生獲得省級以上專業學科競賽，包括機器人競賽、大學生電子設計大賽、“藍橋杯”信息技術大賽累計超過20項。