融合虛擬現實技術的PLC原理及應用課堂教學實踐

摘 要 針對傳統PLC課堂教學中存在的教師側重理論講解、學生參與度低、硬件資源受限等問題，提出融合虛擬現實技術的課堂教學方法，課堂中以工業現場實際應用案例為場景，借助CADe_SIMU仿真平臺對系統主回路、控制回路和PLC控制程序進行虛擬實現。實踐表明，融合虛擬現實的課堂教學可以實現理論與實踐相結合，提高課程教學質量和學生學習效率，同時為學生安全操作實驗臺奠定基礎。

關鍵詞 PLC；虛擬現實；CADe_SIMU仿真平臺

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0025-06

0 引言

作為中國礦業大學徐海學院電氣工程及其自動化、自動化、智能制造等專業的核心課程，PLC原理及應用課程主要講解PLC（Programmable Logic Controller）的工作原理、硬件架構、指令系統及其在工業電控領域的典型應用。該課程具有涉及知識面廣、技術更新快、理論與實踐結合緊密等特點，對未接觸過實際工業現場的學生而言具有一定的學習難度。傳統依靠教師講解理論的課堂教學模式下，學生只能被動接受，無法真正參與課堂互動，學習效率低；借助實訓平臺進行“做中學”的課堂教學模式雖具有形象直觀的優勢，但需要足夠的實訓場地、設備及師資力量。因此，在硬件條件受限的情況下，設計合理可行的課堂教學方式成為確保課程教學質量的關鍵。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是一種模擬逼真三維世界的計算機仿真系統，能夠創造真實性、交互性及沉浸性的學習環境[1]。2018年發布的《教育部關于實施卓越教師培養計劃2.0的意見》提出：各類高校應深化信息技術助推教育教學改革，充分利用虛擬現實技術建設一批交互性、情境化的教師教育課程資源[2]。2019年，教育部在《關于一流本科課程建設的實施意見》中指出：將建設1 500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程[3]。可見，將虛擬現實技術融入課程建設與課堂教學中將成為教育信息化領域的發展趨勢。

目前除了各廠家自帶的仿真軟件外，可以對PLC系統進行虛擬現實的仿真軟件主要有Multisim[4]

和CADe_SIMU[5]。中國礦業大學徐海學院PLC原理及應用課程講解西門子公司S7-1200系列PLC技術，其軟件設計平臺TIA Portal集成仿真軟件S7-PLCSIM，但該平臺安裝較煩瑣，且僅支持對PLC程序進行仿真與監測，無法體現系統主回路和控制回路的硬件接線及運行效果。Multisim仿真平臺雖支持對主回路和控制回路的仿真，但元件庫中缺少常見的交流接觸器，需要對主回路進行改造。CADe_SIMU仿真平臺則完全支持主回路、控制回路以及PLC控制程序的仿真與監測，同時具有界面簡潔、操作方便、圖文符號標準、無須安裝、存儲空間小等優勢。因此，本文借助CADe_SIMU仿真平臺對S7-1200 PLC控制系統進行虛擬現實，并融入課堂教學環節，以提高PLC原理及應用課程教學質量。

1 整體教學思路設計

1.1 項目化案例教學

S7-1200 PLC具有豐富的指令系統，若僅對各種指令進行原理分析和理論講解，則課堂教學過程較為枯燥，學生學習興趣較低。為此，實際課堂教學中結合工業現場實際應用案例對指令系統進行介紹：在講解觸點和線圈等基本位指令時，可結合電機點動、連續、正反轉等運行工況；在講解定時器、計數器等功能指令時，可結合多臺電機順序啟/逆序停、交通燈等控制工藝；在講解移位、循環等數據處理指令時，可結合舞臺燈光、機械手等控制工藝。

秉承由簡入難的原則，課程中采用的PLC項目化案例如圖1所示。

項目化案例對應的PLC控制系統包括主回路硬件設計、控制回路硬件設計以及控制程序軟件調試三部分。首先根據不同的被控對象設計相應的主回路。其次分析控制需求以設計控制回路，具體步驟為：選擇CPU模塊和I/O模塊的數量及硬件接口電路類型；選擇外部主令輸入設備類型（常開/常閉、復位型/自鎖型）和輸出設備類型（繼電器/接觸器）；將輸入/輸出設備與PLC模塊進行硬件接線。最后根據控制工藝編寫相應的PLC控制程序，并進行綜合調試。

1.2 CADe_SIMU仿真平臺的融合

CADe_SIMU是由西班牙學者開發的電氣線路設計與仿真平臺，提供了按鈕、開關、繼電器、接觸器、電動機等常見的電氣元件，可以對主回路進行仿真；同時含有西門子S7-1200 PLC的物理模型，可以模擬PLC控制回路的硬件接線；還支持梯形圖的編程、仿真和在線監測，可以驗證PLC控制程序的運行效果。借助該平臺，學生可以形象地對PLC控制系統進行硬件設計、線路搭建和軟件調試，更好地掌握所學理論知識。

在實際課堂教學中，根據PLC控制系統的設計步驟，將教師理論講解和學生利用CADe_SIMU平臺仿真兩部分有機結合起來，以實現融合虛擬現實技術的PLC課堂教學過程，如圖2所示。

可以看出，融合虛擬現實技術的PLC課堂具有較強的交互性，學生可以直接參與PLC控制系統的每個設計環節。另外，通過仿真平臺可以形象直觀地觀察指令的實時狀態和系統的運行效果，幫助學生加深對理論知識的理解。

2 課堂教學實踐

課堂教學采用教師講解和學生仿真相結合的方式，具體過程分為主回路設計、控制回路設計、PLC控制程序設計、綜合調試四個部分。

以基于S7-1200 PLC的三臺電機順序啟/逆序停控制系統為例，具體介紹融合CADe_SIMU仿真平臺的課堂教學實踐過程。

系統控制工藝為：按下啟動按鈕，先啟動電機MA1，隔5 s后啟動電機MA2，再隔5 s后啟動電機MA3；按下停止按鈕，先停止MA3，隔3 s后停止MA2，再隔5 s后停止MA1。

2.1 主回路設計

系統需要控制三臺電機的自動啟停，應采用接觸器作為執行元件；考慮到安全性，電機主回路應包含隔離開關、熔斷器、熱繼電器等保護元件。

在教師講解的基礎上，學生自行設計并搭建主回路的仿真模型，如圖3所示。

圖3中，L1、L2、L3為三相進線電源，PE為保護接地線；QB1、QB2、QB3為隔離開關，系統運行前應手動閉合；FA1、FA2、FA3為熔斷器，起到短路保護作用；QA1、QA2、QA3為接觸器，起到電機的啟停控制作用；BB1、BB2、BB3為熱繼電器，起到電機過載保護作用。

2.2 控制回路設計

根據控制工藝，系統需要2路數字量輸入和3路數字量輸出，選擇CPU 1214C作為主控制器即可滿足要求，型號為AC/DC/RLY。

I/O分配表如表1所示。

根據CPU型號及I/O分配表，學生自行搭建控制回路的仿真模型，如圖4所示。

2.3 PLC控制程序設計

系統要求進行四段時間的控制，需要用到定時器指令，可統一采用接通延時定時器TON。另外，三臺電機需要持續運行，應采用“啟保停”基本結構。

PLC程序設計時，首先找到控制系統所有的被控對象（即輸出線圈或定時器線圈），包括Q0.1、Q0.2、Q0.3、MA2啟動定時器T1、MA3啟動定時器T2、MA2停止定時器T3、MA1停止定時器T4；其次找到每個線圈對應的啟動、停止和保持條件，如表2所示；最后利用啟保停結構對各線圈進行控制。

在主回路和控制回路的基礎上，學生根據教師指導自行設計系統PLC控制程序，如圖5所示。

2.4 系統綜合調試

系統綜合調試時，點擊啟動按鈕SF1，從梯形圖中可以觀察到定時器的當前值變化、輸出線圈Q0.1～Q0.3的得電/失電情況（線圈中存在方塊代表得電），如圖5所示；同時可以從控制回路觀察到S7-1200 PLC硬件中輸出指示燈Q0.1～Q0.3點亮（指示燈為黑色方塊）、接觸器QA1～QA3線圈得電（線圈為黑色方塊），如圖4所示；還可以從主回路中觀察到電機接入電源開始正轉（電機中存在順時針箭頭），如圖3所示。

可以看出：利用仿真平臺，學生可以形象地觀察系統運行狀態并進行綜合調試；此外，還可以手動點擊主回路中的熔斷器和熱繼電器，以模擬控制系統在電源短路和電機過載時的保護作用。

3 結束語

在硬件教學資源和師資力量受限的情況下，為了提高PLC課程的教學質量和學生的學習效率，秉承“以教師為主導、以學生為主體、以能力為根本”的原則，將CADe_SIMU仿真平臺融入課堂教學。教學實踐結果表明，該教學模式具有下面一些優點：

1）能夠營造一種沉浸式的課堂學習環境，學生可以獲得比傳統純理論學習更豐富、更深刻的學習體驗；

2）能夠為后續的實驗、實踐教學環節奠定基礎，提高學生在實驗臺上接線的正確率和操作的安全性；

3）結合工業現場實際案例進行仿真和實踐，有助于工程應用型人才的培養。

4 參考文獻

[1] 祝智庭，魏非.教育信息化2.0：智能教育啟程，智慧教育領航[J].電化教育研究，2018（9）：5-16.

[2] 劉振峰，郭為忠.虛擬仿真實驗教學課程資源設計及教學過程的改革與探索[J].教育理論與實踐，2022（9）：51-54.

[3] 孫麗華，甄然，孫會琴，等.新工科背景下電氣類專業虛擬仿真實驗研究與探索[J].中國現代教育裝備，2022（19）：77-80.

[4] 胡松.基于Multisim 11在PLC控制系統應用與仿真分析[J].信息化研究，2015（6）：64-68，74.

[5] 邵力耕，付維勝，付艷萍，等.CADe_SIMU 3.0仿真軟件輔助繼電接觸控制電路教學[J].實驗技術與管理，2023（1）：175-179.

*項目來源：江蘇高校“青藍工程”資助項目；中國礦業大學徐海學院2023年度教育教學改革研究項目“《PLC原理及應用》一流課程建設”（項目編號：YA2306）

作者簡介：程國棟，副教授。