融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC原理及應(yīng)用課堂教學(xué)實(shí)踐

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)PLC課堂教學(xué)中存在的教師側(cè)重理論講解、學(xué)生參與度低、硬件資源受限等問題，提出融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂教學(xué)方法，課堂中以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用案例為場(chǎng)景，借助CADe_SIMU仿真平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)主回路、控制回路和PLC控制程序進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，融合虛擬現(xiàn)實(shí)的課堂教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，同時(shí)為學(xué)生安全操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 PLC；虛擬現(xiàn)實(shí)；CADe_SIMU仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）16-0025-06

0 引言

作為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、智能制造等專業(yè)的核心課程，PLC原理及應(yīng)用課程主要講解PLC（Programmable Logic Controller）的工作原理、硬件架構(gòu)、指令系統(tǒng)及其在工業(yè)電控領(lǐng)域的典型應(yīng)用。該課程具有涉及知識(shí)面廣、技術(shù)更新快、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)，對(duì)未接觸過實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生而言具有一定的學(xué)習(xí)難度。傳統(tǒng)依靠教師講解理論的課堂教學(xué)模式下，學(xué)生只能被動(dòng)接受，無法真正參與課堂互動(dòng)，學(xué)習(xí)效率低；借助實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行“做中學(xué)”的課堂教學(xué)模式雖具有形象直觀的優(yōu)勢(shì)，但需要足夠的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、設(shè)備及師資力量。因此，在硬件條件受限的情況下，設(shè)計(jì)合理可行的課堂教學(xué)方式成為確保課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種模擬逼真三維世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，能夠創(chuàng)造真實(shí)性、交互性及沉浸性的學(xué)習(xí)環(huán)境[1]。2018年發(fā)布的《教育部關(guān)于實(shí)施卓越教師培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》提出：各類高校應(yīng)深化信息技術(shù)助推教育教學(xué)改革，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)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(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中指出：將建設(shè)1 500門左右國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程[3]?？梢姡瑢⑻摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入課程建設(shè)與課堂教學(xué)中將成為教育信息化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

目前除了各廠家自帶的仿真軟件外，可以對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真軟件主要有Multisim[4]

和CADe_SIMU[5]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院PLC原理及應(yīng)用課程講解西門子公司S7-1200系列PLC技術(shù)，其軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)TIA Portal集成仿真軟件S7-PLCSIM，但該平臺(tái)安裝較煩瑣，且僅支持對(duì)PLC程序進(jìn)行仿真與監(jiān)測(cè)，無法體現(xiàn)系統(tǒng)主回路和控制回路的硬件接線及運(yùn)行效果。Multisim仿真平臺(tái)雖支持對(duì)主回路和控制回路的仿真，但元件庫(kù)中缺少常見的交流接觸器，需要對(duì)主回路進(jìn)行改造。CADe_SIMU仿真平臺(tái)則完全支持主回路、控制回路以及PLC控制程序的仿真與監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有界面簡(jiǎn)潔、操作方便、圖文符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、無須安裝、存儲(chǔ)空間小等優(yōu)勢(shì)。因此，本文借助CADe_SIMU仿真平臺(tái)對(duì)S7-1200 PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)，并融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，以提高PLC原理及應(yīng)用課程教學(xué)質(zhì)量。

1 整體教學(xué)思路設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目化案例教學(xué)

S7-1200 PLC具有豐富的指令系統(tǒng)，若僅對(duì)各種指令進(jìn)行原理分析和理論講解，則課堂教學(xué)過程較為枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低。為此，實(shí)際課堂教學(xué)中結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用案例對(duì)指令系統(tǒng)進(jìn)行介紹：在講解觸點(diǎn)和線圈等基本位指令時(shí)，可結(jié)合電機(jī)點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)、正反轉(zhuǎn)等運(yùn)行工況；在講解定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等功能指令時(shí)，可結(jié)合多臺(tái)電機(jī)順序啟/逆序停、交通燈等控制工藝；在講解移位、循環(huán)等數(shù)據(jù)處理指令時(shí)，可結(jié)合舞臺(tái)燈光、機(jī)械手等控制工藝。

秉承由簡(jiǎn)入難的原則，課程中采用的PLC項(xiàng)目化案例如圖1所示。

項(xiàng)目化案例對(duì)應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)包括主回路硬件設(shè)計(jì)、控制回路硬件設(shè)計(jì)以及控制程序軟件調(diào)試三部分。首先根據(jù)不同的被控對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的主回路。其次分析控制需求以設(shè)計(jì)控制回路，具體步驟為：選擇CPU模塊和I/O模塊的數(shù)量及硬件接口電路類型；選擇外部主令輸入設(shè)備類型（常開/常閉、復(fù)位型/自鎖型）和輸出設(shè)備類型（繼電器/接觸器）；將輸入/輸出設(shè)備與PLC模塊進(jìn)行硬件接線。最后根據(jù)控制工藝編寫相應(yīng)的PLC控制程序，并進(jìn)行綜合調(diào)試。

1.2 CADe_SIMU仿真平臺(tái)的融合

CADe_SIMU是由西班牙學(xué)者開發(fā)的電氣線路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，提供了按鈕、開關(guān)、繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等常見的電氣元件，可以對(duì)主回路進(jìn)行仿真；同時(shí)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(jiān)測(cè)，可以驗(yàn)證PLC控制程序的運(yùn)行效果。借助該平臺(tái)，學(xué)生可以形象地對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、線路搭建和軟件調(diào)試，更好地掌握所學(xué)理論知識(shí)。

在實(shí)際課堂教學(xué)中，根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，將教師理論講解和學(xué)生利用CADe_SIMU平臺(tái)仿真兩部分有機(jī)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC課堂教學(xué)過程，如圖2所示。

可以看出，融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC課堂具有較強(qiáng)的交互性，學(xué)生可以直接參與PLC控制系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。另外，通過仿真平臺(tái)可以形象直觀地觀察指令的實(shí)時(shí)狀態(tài)和系統(tǒng)的運(yùn)行效果，幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

2 課堂教學(xué)實(shí)踐

課堂教學(xué)采用教師講解和學(xué)生仿真相結(jié)合的方式，具體過程分為主回路設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì)、PLC控制程序設(shè)計(jì)、綜合調(diào)試四個(gè)部分。

以基于S7-1200 PLC的三臺(tái)電機(jī)順序啟/逆序?？刂葡到y(tǒng)為例，具體介紹融合CADe_SIMU仿真平臺(tái)的課堂教學(xué)實(shí)踐過程。

系統(tǒng)控制工藝為：按下啟動(dòng)按鈕，先啟動(dòng)電機(jī)MA1，隔5 s后啟動(dòng)電機(jī)MA2，再隔5 s后啟動(dòng)電機(jī)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要控制三臺(tái)電機(jī)的自動(dòng)啟停，應(yīng)采用接觸器作為執(zhí)行元件；考慮到安全性，電機(jī)主回路應(yīng)包含隔離開關(guān)、熔斷器、熱繼電器等保護(hù)元件。

在教師講解的基礎(chǔ)上，學(xué)生自行設(shè)計(jì)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(jìn)線電源，PE為保護(hù)接地線；QB1、QB2、QB3為隔離開關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行前應(yīng)手動(dòng)閉合；FA1、FA2、FA3為熔斷器，起到短路保護(hù)作用；QA1、QA2、QA3為接觸器，起到電機(jī)的啟?？刂谱饔?；BB1、BB2、BB3為熱繼電器，起到電機(jī)過載保護(hù)作用。

2.2 控制回路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制工藝，系統(tǒng)需要2路數(shù)字量輸入和3路數(shù)字量輸出，選擇CPU 1214C作為主控制器即可滿足要求，型號(hào)為AC/DC/RLY。

I/O分配表如表1所示。

根據(jù)CPU型號(hào)及I/O分配表，學(xué)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求進(jìn)行四段時(shí)間的控制，需要用到定時(shí)器指令，可統(tǒng)一采用接通延時(shí)定時(shí)器TON。另外，三臺(tái)電機(jī)需要持續(xù)運(yùn)行，應(yīng)采用“啟保?！被窘Y(jié)構(gòu)。

PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先找到控制系統(tǒng)所有的被控對(duì)象（即輸出線圈或定時(shí)器線圈），包括Q0.1、Q0.2、Q0.3、MA2啟動(dòng)定時(shí)器T1、MA3啟動(dòng)定時(shí)器T2、MA2停止定時(shí)器T3、MA1停止定時(shí)器T4；其次找到每個(gè)線圈對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)、停止和保持條件，如表2所示；最后利用啟保停結(jié)構(gòu)對(duì)各線圈進(jìn)行控制。

在主回路和控制回路的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)教師指導(dǎo)自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)PLC控制程序，如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)綜合調(diào)試

系統(tǒng)綜合調(diào)試時(shí)，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕SF1，從梯形圖中可以觀察到定時(shí)器的當(dāng)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(shí)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(diǎn)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(jī)接入電源開始正轉(zhuǎn)（電機(jī)中存在順時(shí)針箭頭），如圖3所示。

可以看出：利用仿真平臺(tái)，學(xué)生可以形象地觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行綜合調(diào)試；此外，還可以手動(dòng)點(diǎn)擊主回路中的熔斷器和熱繼電器，以模擬控制系統(tǒng)在電源短路和電機(jī)過載時(shí)的保護(hù)作用。

3 結(jié)束語

在硬件教學(xué)資源和師資力量受限的情況下，為了提高PLC課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，秉承“以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體、以能力為根本”的原則，將CADe_SIMU仿真平臺(tái)融入課堂教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式具有下面一些優(yōu)點(diǎn)：

1）能夠營(yíng)造一種沉浸式的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以獲得比傳統(tǒng)純理論學(xué)習(xí)更豐富、更深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；

2）能夠?yàn)楹罄m(xù)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上接線的正確率和操作的安全性；

3）結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例進(jìn)行仿真和實(shí)踐，有助于工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

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*項(xiàng)目來源：江蘇高校“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院2023年度教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《PLC原理及應(yīng)用》一流課程建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：YA2306）

作者簡(jiǎn)介：程國(guó)棟，副教授。