虛實(shí)結(jié)合的PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐*

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002）

目前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)無法滿足實(shí)際教學(xué)需求，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式是各高校面臨的重要問題之一。隨著虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的普及，福州大學(xué)至誠學(xué)院電氣工程系在結(jié)合原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，以“PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺”為原型，自主開發(fā)“PLC控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺”，虛實(shí)結(jié)合開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，從課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)效果等方面入手，進(jìn)行了教學(xué)改革。

1 PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺由PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺、PLC控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺組成。實(shí)驗(yàn)臺于2013年批量制作，裝備于福州大學(xué)至誠學(xué)院自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，已供學(xué)生使用 5年?！癙LC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺”于2017年9月開發(fā)完成，已投入教學(xué)使用。

1.1 PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺

PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺是一個臺式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了一個典型的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)線上常見的物料供給、機(jī)械手搬運(yùn)、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(jìn)電機(jī)控制器和各種傳感器，驅(qū)動和控制變頻調(diào)速電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和小型機(jī)械手，可開展多種控制方案的綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。該平臺還設(shè)計了稱重計量和溫度閉環(huán)控制兩個模擬量實(shí)驗(yàn)單元，使之從傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)量控制，擴(kuò)展到了帶模擬量的閉環(huán)控制。采用工業(yè)器件，學(xué)生通過實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)，達(dá)到熟練使用工業(yè)現(xiàn)場常用器件和拓展創(chuàng)新思路的目的，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場技術(shù)的“無縫對接”，增強(qiáng)了各課程知識的有機(jī)融合應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括實(shí)驗(yàn)臺架、機(jī)電一體化設(shè)備的機(jī)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(kuò)展實(shí)驗(yàn)所需的各種傳感器模塊。整體結(jié)構(gòu)采用開放式和拆裝式，模塊采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)和尺寸，互換性強(qiáng)。

1.2 PLC控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

1.2.1 構(gòu)造仿真模型的主要流程

PLC控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺使用 Unity3D圖像建模技術(shù)，構(gòu)建多種類型的機(jī)械硬件，并且可以清晰地模擬受控對象。使用Unity動畫技術(shù)再現(xiàn)PLC控制過程，實(shí)驗(yàn)更直觀，學(xué)生可以更好地理解整個實(shí)驗(yàn)過程。PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的流程設(shè)計如圖1所示。

圖1 Unity仿真流程圖

1.2.2 數(shù)學(xué)模型仿真支撐

采用工業(yè)實(shí)時仿真平臺TeachingLab對底層數(shù)據(jù)進(jìn)行計算管理與仿真任務(wù)管理。利用 C語言編寫的實(shí)時仿真數(shù)學(xué)模型算法和數(shù)據(jù)作為后臺來驅(qū)動三維場景中設(shè)備的動作，形象、直觀地展示系統(tǒng)運(yùn)行原理和設(shè)備工作原理。數(shù)學(xué)模型以真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、物理原理作為支撐，仿真操作過程與真實(shí)設(shè)備操作過程相似，仿真結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)結(jié)果接近，能夠滿足日常培訓(xùn)、常規(guī)考核等各種需求。局部機(jī)理模型建模環(huán)境圖如圖2所示。

圖2 機(jī)理模型建模環(huán)境

1.2.3 三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

采用三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn) PLC實(shí)驗(yàn)臺，其中包括供料盤、機(jī)械手、傳送帶、分揀裝置等機(jī)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(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)動與數(shù)值運(yùn)算結(jié)合。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺提供了PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的全景和全過程漫游的功能，以現(xiàn)場真實(shí)的設(shè)備圖片作為教學(xué)素材，設(shè)備的主要功能、運(yùn)行工藝等以文字配合智能語音的方式展現(xiàn)。場景漫游中的主要設(shè)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(nèi)容進(jìn)行編輯和管理。

如圖3所示，PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可供電氣類、自動化類、機(jī)械類等專業(yè)學(xué)生使用?？捎糜赑LC控制技術(shù)、低壓電器、傳感器技術(shù)、檢測與轉(zhuǎn)換、可編程控制器實(shí)訓(xùn)等課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，以及畢業(yè)設(shè)計和學(xué)生課非創(chuàng)新實(shí)踐，既可以獨(dú)立完成各課程實(shí)驗(yàn)，也可以開設(shè)大型綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

圖3 PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

目前已開展的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括：①PLC的I/O接口實(shí)驗(yàn)（接線與編程器的使用，實(shí)驗(yàn)臺認(rèn)識實(shí)驗(yàn)）；②物料傳送與搬運(yùn)控制實(shí)驗(yàn)（供料盤與機(jī)械手實(shí)驗(yàn)）；③物料分揀實(shí)驗(yàn)（根據(jù)顏色與材質(zhì)分揀）；④A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)“稱重實(shí)驗(yàn)”；⑤模擬量控制實(shí)驗(yàn)“溫度控制實(shí)驗(yàn)（PID實(shí)驗(yàn)）”；⑥PLC綜合實(shí)訓(xùn)；⑦低壓電器控制實(shí)驗(yàn)；⑧電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)；⑨傳感器實(shí)驗(yàn)；⑩PLC控制實(shí)驗(yàn)。

2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“真實(shí)實(shí)驗(yàn)”兩部分組成，如圖4所示。

圖4 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分體現(xiàn)了完整的實(shí)驗(yàn)過程，通過互聯(lián)網(wǎng)信息管理平臺發(fā)布實(shí)驗(yàn)信息，學(xué)生登錄信息管理平臺網(wǎng)站，可在教室非的任意場所、任意時間自主進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行。PLC控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)驗(yàn)過程包括：實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，即在信息管理平臺下載安裝軟件，等待授權(quán)；然后學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，觀看實(shí)驗(yàn)視頻等操作進(jìn)行預(yù)習(xí)；接著進(jìn)入“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生可移動鼠標(biāo)，自主選擇觀察的設(shè)備對象，學(xué)習(xí)設(shè)備知識，練習(xí)PLC的系統(tǒng)配置，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；隨后學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)中設(shè)計的實(shí)驗(yàn)線路、I/O分配進(jìn)行硬件接線，根據(jù)課題要求編輯PLC控制程序，運(yùn)行PLC程序以驗(yàn)證自編程序的正確性等操作，然后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象修改程序，直至實(shí)驗(yàn)順利通過；最后在系統(tǒng)里完成實(shí)驗(yàn)報告，提交評分。操作過程中會有一些對應(yīng)的操作提示，指導(dǎo)學(xué)生一步步完成實(shí)驗(yàn)[1-3]。最后還有一個“實(shí)驗(yàn)測試”環(huán)節(jié)，通過測試，評判學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度，學(xué)生在教師規(guī)定的時間內(nèi)登錄信息管理網(wǎng)站進(jìn)行測試，若測試通過，則安排真實(shí)實(shí)驗(yàn)；若測試不通過，則繼續(xù)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，直至通過。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過后，安排進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)主要采取教師輔導(dǎo)與學(xué)生小組討論、實(shí)際操作相結(jié)合的教學(xué)模式。教師首先對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行講解，對學(xué)生課前編寫的程序進(jìn)行輔導(dǎo)、對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行解答，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成PLC編程、調(diào)試，進(jìn)行硬件接線等操作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行小組討論，完成實(shí)驗(yàn)報告。教師組織學(xué)生討論，提出意見，批改實(shí)驗(yàn)報告[4-6]。

虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式不僅鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐水平，達(dá)到更好的實(shí)踐效果。

2.2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺

網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺（如圖5所示）是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個重要平臺，能夠?qū)W(xué)生各項(xiàng)學(xué)習(xí)活動進(jìn)行全面流程管理，涵蓋資源管理、班級管理、網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)管理、在線學(xué)習(xí)管理，協(xié)同完成互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境和機(jī)房管理模式下、多種模式的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能。平臺包括實(shí)驗(yàn)資源管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件資源利用互聯(lián)網(wǎng)形式管理，包括視頻、動畫、PDF以及仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺

學(xué)習(xí)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(yuǎn)程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。登錄網(wǎng)站可直接打開教學(xué)視頻、Flash課件、小型三維虛擬設(shè)備仿真軟件等，大型虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件需要下載安裝后使用[8-10]。

教師課前通過網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺發(fā)布實(shí)驗(yàn)信息，分配班級、發(fā)布試卷；課后再在平臺上批改實(shí)驗(yàn)報告、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評分等；學(xué)生登錄平臺下載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源、進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、參加實(shí)驗(yàn)測試、提交實(shí)驗(yàn)報告等。通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺，可實(shí)現(xiàn)隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，突破了時間和空間的限制。

3 虛實(shí)結(jié)合的PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特征

3.1 教學(xué)性

PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺和PLC控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺虛實(shí)結(jié)合、互為補(bǔ)充，可以單獨(dú)使用，可以虛實(shí)結(jié)合開展實(shí)驗(yàn)。從2013年至今，在該平臺上開設(shè)了PLC原理與應(yīng)用等4門課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，以及進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計相關(guān)課題，累計7萬學(xué)時以上，也是學(xué)生開展課非創(chuàng)新實(shí)踐和參加各類競賽的重要平臺。

3.2 創(chuàng)新性

①邏輯量+模擬量的控制系統(tǒng)貼近企業(yè)實(shí)際。在邏輯控制的基礎(chǔ)上增加稱重和溫度控制兩個模擬量單元，使設(shè)備從傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)量控制，擴(kuò)展到了帶模擬量的閉環(huán)控制，采用工業(yè)現(xiàn)場的器件模擬工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場感強(qiáng)，貼近企業(yè)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場技術(shù)的“無縫對接”，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力[11]。

②實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋多門課程，體現(xiàn)分層次教學(xué)理念。實(shí)驗(yàn)臺可進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)，還設(shè)計了多種傳感器和檢測控制模塊，可完成PLC控制技術(shù)、低壓電器、檢測與轉(zhuǎn)換、可編程控制器實(shí)訓(xùn)等多門課程的實(shí)踐教學(xué)。

③創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法突破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間的限制，有效提高了教學(xué)實(shí)踐效果，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，降低機(jī)械設(shè)備的維修率。

3.3 啟發(fā)性

PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺可以滿足不同層次學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐需求。設(shè)備模擬工業(yè)生產(chǎn)過程的送料、搬運(yùn)、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(kuò)展實(shí)驗(yàn)所需的各種傳感器模塊。工業(yè)現(xiàn)場背景項(xiàng)目作為相關(guān)課程的主要線索，避免課程實(shí)踐環(huán)節(jié)與具體工程項(xiàng)目銜接的困難。讓學(xué)生明白做什么（學(xué)習(xí)目標(biāo)），為什么做（工程背景）、怎么做（實(shí)踐過程），很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

實(shí)踐以項(xiàng)目為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生興趣，特別是在傳感器及機(jī)械臂項(xiàng)目的實(shí)踐基礎(chǔ)上開拓了學(xué)生的創(chuàng)新思路，將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于競賽機(jī)器人的設(shè)計與制作，極大提高了自制競賽機(jī)器人的技術(shù)含量和性能，為機(jī)器人項(xiàng)目的參賽和獲獎奠定基礎(chǔ)。

4 教學(xué)成效

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)平臺與教學(xué)模式的創(chuàng)新改革非常必要。虛實(shí)結(jié)合的PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺與教學(xué)實(shí)踐自應(yīng)用以來，受到師生的熱烈歡迎，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性得到了提高，培養(yǎng)成效明顯。近三年來，獲得國家級、省級、院級創(chuàng)新大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目超過20項(xiàng)，學(xué)生獲得省級以上專業(yè)學(xué)科競賽，包括機(jī)器人競賽、大學(xué)生電子設(shè)計大賽、“藍(lán)橋杯”信息技術(shù)大賽累計超過20項(xiàng)。