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    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

    2024-09-24 00:00:00程國(guó)棟
    中國(guó)教育技術(shù)裝備 2024年16期

    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)。

    4 參考文獻(xiàn)

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    [2] 劉振峰,郭為忠.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程資源設(shè)計(jì)及教學(xué)過程的改革與探索[J].教育理論與實(shí)踐,2022(9):51-54.

    [3] 孫麗華,甄然,孫會(huì)琴,等.新工科背景下電氣類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2022(19):77-80.

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    [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(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2023(1):175-179.

    *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。

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