基于虚拟仿真技术的PLC实验教学研究与实践

0 引言

可编程控制器(PLC)是现代工业控制的重要支柱,融合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术, 具有可靠性高、稳定性好和实时处理能力强的优点, PLC已成为现代工业自动化控制系统的主导产品[1]。作为高校工程训练课程主要实验教学项目内容之一，PLC实训的重点在于培养学生工程应用的能力，对增强学生的实践能力、创新能力和就业竞争力有着极其重要的作用[2]。传统的PLC实验教学主要采用教师口头讲解实验原理和方法、学生动手训练过程中教师辅助指导的模式，这种传统的模式缺乏生动性、直观性和互动性[3]。而PLC具有很强的工程应用性质,往往受到实验设备的缺乏、实验成本高、存在安全风险、调试不方便等因素的限制，使得培养学生的工程实践能力和创新思维能力受到了一定的制约。建立经济灵活又形象直观的虚拟仿真实验系统成为提高PLC实验教学质量、培养学生工程实践能力的重要途径[4-5]。虚拟仿真技术可以逼真地模拟现实世界的事物和环境,有利于培养学生在实验环节的创新实践能力[6] , 激发学生的学习兴趣，提高实验教学的效果。三菱训练软件FX-TRN-BEG-CL 以其专业的仿真坏境，直观的调试效果[7]，非常适用于PLC实验教学。运用三菱FX-TRN-BEG-CL虚拟仿真软件和GX Developer 编程软件编程，提出一种虚实结合的PLC实验教学模式的研究及实践，探讨提高PLC实验教学效果的新举措。

1 虚实结合的教学模式

工业控制实验训练项目学时是一天7学时，面向全校未接触过PLC的理工类专业二年级本科生。因此在讲授PLC实验课程时，根据其具体情况，探讨如何从“零”开始“深入浅出”将知识以一种通俗易懂的方式授予学生,使学生乐于学习易于接受是教学的难点。由于PLC课程的实践性强,因此通过虚拟仿真软件，在教学实践中穿插播放一些实际工程运用例子,生动形象地使学生把所学知识与工程实践联系起来,明确“学以致用”的道理，激发学生学习兴趣，培养学生工程实践能力，提高实验教学效果[8]。以运用三菱FX-TRN-BEG-CL虚拟仿真软件和GX Developer编程软件编程为工具，开展PLC实验教学研究。教学流程如图1所示。

  

图1 教学流程图

1.1 基础理论讲解

作为工程训练实验项目，有别于理论课程，也有别于其他专业实验课程，但对于“零基础”的本科生，需要讲解一些硬件方面的知识点，并结合气压传动技术、传感器技术讲解PLC的结构、工作原理等。介绍PLC是一种以逻辑和顺序方式控制机器动作的控制器，PLC主要可以分为输入输出端子，输入输出的关系见图2。输入输出设备信号分类见表1。同时通过演示运行实验室里的物料分拣设备，让学生能够亲自接触到PLC的实体，了解输入输出接口的编号、各设备信号的接线和指示灯等。演示后，让学生亲自操作设备找出几个输入输出设备信号的编号，加深学生对PLC知识的理解。

  

图2 输入输出的关系

 

表1 输入输出设备信号分类

  

项目设备分类实例输入(X)操作者控制的设备开关、按钮、控制面板等检测机械状态的设备传感器等输出(Y)显示机械状态的设备指示灯、轰鸣器、闪烁灯等执行工作的设备电机、电磁阀等

1.2 软件入门讲解

由于学时有限，为了使学生更加高效地从“零基础”开始学习运用三菱FX-TRN-BEG-CL虚拟仿真软件和GX Developer编程软件编程，适当地讲解软件的入门，解释软件里培训画面的配置，演示基本使用方法，由易到难地讲解编程指令输入等。讲解开始阶段可以按照索引窗口中指导学习的方法和学习步骤，一步一步来做，熟练后可以利用已知的指令对模拟的动作加以扩展。例如通过通俗易懂的方式，从设定任务要求、输入输出端口分配、程序编写思路、调试仿真结果等全过程进行演示讲解，让学生对软件的使用有个全面的了解，提高学生后续学习软件的兴趣和效率。对于初学者来说，通过学习仿真软件可以快速高效地学会编程，达到事半功倍的效果。

1.3 案例讲解应用技巧

案例的讲解过程，要遵循内容循序渐进。通过通俗易懂的表达方式，甚至有时还可用幽默的方式与学生互动，速度要适中，适当“留白”，给予学生思考的时间，可以用启发式提问以及分析解答提问，找出合适的方法解决问题，并通过3D仿真动画形象生动表现出来，激发学生的好奇心，活跃授课氛围, 使学生在宽松愉快的环境中学习和思考。

例如讲解B-2模块中的锁存输出例子，3-D仿真动画见图3，控制面板见图4。

  

图3 3-D仿真图

  

图4 控制面板

生产，设备零部件应尽可能少品种少，使用较少，并尽可能使用的专业制造商的共同部分。在满足指标的前提下，我们应该尽量减少设备的精度等级，简化装配，以方便装配线工作。提高他们的专业技能和操作水平，增强他们的工作责任心和态度，避免他们在操作过程中由于技术水平不高或工作责任心不够等原因造成失误。

6) 重复以上2)起的动作。

基于虚拟仿真技术的PLC实验教学模式突破了空间限制、解决了经费问题，可以形象生动地展现控制效果，提高了学生学习兴趣，提升了教学质量。本实验面向的是全校各专业的本科生，每年实验人数约为2 000人，并承担兄弟院校每年约400人的实验教学任务，其受益面非常广，也起到了示范辐射的作用。本实验项目的相关教学视频已共享在国家级精品资源共享课程(机械制造工程训练)网站上，可供学生自主学习。今后可以根据专业的不同适当调整实验内容和学时，并在教学中不断挖掘人才。对于非常感兴趣的学生，应鼓励其继续深入学习，开放实验室，引导学生重返实验室开展“学生研究计划(SRP)”学习开展科研活动，充分提高学生的工程实践能力和综合素质。

图5 程序1

该程序运行的效果是：按下X20按钮后，Y0运行灯会亮，但是松开X20按钮后，Y0运行灯会灭。此时就可以边操作配合手势边向学生提问：“大家看，一按就亮，一松就灭，难道要找个东西一直压着它？如果在实际应用中，这样可行吗？”此时学生一般会下意识地摇头，接着继续问：“那该怎么办，程序该怎么写才能一按就保存设备持续运行？” 接下来给予学生适当的时间进行思考，同时鼓励他们大胆开动脑筋，提出办法，不怕错误。此时通常学生会认真思考，会提出一些办法，如不可行，也要分析解释清楚，并表扬他们的积极思考，如可行，应验证。经过思考后，给出标准程序2见图6。

图6 程序2

参考文献:

1.4 分层案例教学法

经过适当理论知识和仿真软件的入门案例讲解(约1个学时)后，学生已有一定的基础和兴趣，接着以案例教学法的方式指导学生开展实验，在全程中老师要巡回跟踪指导、启发答疑，做到张弛有度、心中有数。基于建构主义学习理论，遵循学生的认知心理规律[9-11]，根据不同专业，学生在智力、编程能力和兴趣上的差异，采取“因材施教”的分层案例教学法开展实验[12]，而仿真软件提供了一个分层实验的良好平台。在软件中挑选一些符合学生心智水平，贴近现实生活的案例，并由易到难安排学生开展学习。例如在餐厅呼叫控制、交通信号灯控制、自动门操作控制等逐步加深案例。学生也可以根据所学知识，自己设计案例。另外, 对于较复杂的案例，可以采用小组合作的教学形式完成。学生各取所需, 各有所获, 自由发挥，这样既提升了学生的自信心, 拓展了学生的创造思维，又培养了学生的团队合作精神。

2 教学应用实例

在学生具备一定的仿真编程能力基础上，将仿真编程软件上已通过仿真正确的程序进行验证。通过GX Developer编程软件导出程序到PLC中，进行实际操作验证。以交通信号灯的控制为例，在实验室现有的亚龙YL-337A型可编程序控制系统设计师综合实训考核设备上进行验证，将该设备的控制面板作为交通灯控制面板(图7)，运用该设备原有的PLC。

  

图7 交通灯控制面板

2.1 任务要求

1) 当按下操作面板上的[SB1](X20)时，进程开始。

2) 图8中红信号灯HL3(Y17)点亮10 s。

编译程序1见图5。

3) 红信号灯点亮10 s后熄灭，黄信号灯[HL1](Y15)点亮5 s。

4) 黄信号灯点亮5 s后熄灭，绿信号灯[HL2](Y16)点亮10 s。

5) 绿信号灯点亮10 s后熄灭。

UM Automotive模块中的路面工具包括两部分：Macrogeometry(用于宏观线路设计)和Irregularities(生成路面不平度)。顺着车辆的运行方向，即为道路纵断面的路面不平度，道路外形主要分为三种：宏观(长波)、微观(短波)和粗糙度(粗糙纹理)。本文道路模型的建立主要是运用纬地软件(道路三维动态可视化几何设计软件)，并从运动学角度出发，结合影响平竖曲线组合的主要因素，考虑汽车速度变化的影响，建立相关的3D道路线形设计文件，通过离散平、纵曲线，并将离散点坐标转化为UM软件道路模型。

2.2 编译程序

交通信号灯的控制程序见图8。

  

图8 交通信号灯的控制程序

学生通过GX Developer编程软件导出程序到PLC中，进行实际操作验证，真正实现虚实结合，并真实地完成了整个控制操作过程，提高了学生的学习积极性。

3 教学效果评价

通过采用虚拟仿真技术开展PLC实验教学，教学效果提高显著。在教学实践中，通过与学生现场交流、批阅学生实验报告和学习心得体会，能够真实感受到学生对本实验课的满意度。学生对本课程的兴趣普遍提高，享受到学习的过程紧张且富有挑战性，扩展了知识面，拓宽了眼界，锻炼了逻辑推理和缜密思维能力。学生的实验报告完成质量显著提高。图9为实施了虚拟仿真教学的2015年某专业本科生考核成绩与未实施该教学方法的2014年某专业本科生考核成绩对比。

但是制作所得到的泡菜并非完全可以放心食用，因为泡菜中不仅有乳酸菌，还有其他的微生物区系[9]，如酵母菌[10]、醋酸菌[11]。亚硝酸盐生成菌、霉菌等有害微生物常常引起泡菜的变质，若是误食亚硝酸盐含量高或被霉菌污染的泡菜，容易造成拉肚子或是食物中毒[12]。

  

图9 2015年与2014年某专业本科生成绩对比表

数据表明，基于虚拟仿真技术的PLC实验教学模式效果显著。以该教学法为基础，2016年成功申报了教育部本科深改工程项目、广东省高等教育教学研究和改革项目和校级教改项目(基于提高本科生工程实践能力的工业控制实验教学改革与实践)。

从年龄上看，上榜新人的平均年龄为47．8岁。年龄最小的新人是今年35岁的科技独角兽柔宇科技的创始人刘自鸿。

作为工程训练中的一个实验项目，能够在一天的时间内，使得不同专业的学生从“零基础”开始学习，并有以上的收获，应该说是达到了教学目标。实践教学的教育特征体现在体验性、实践性和训练性。这一特征决定了工程训练不是短时间能够“完成” 的, 而是一个终身的过程。对学生的培养应该靠训练的体系化来保证, 体现过程素质和创新能力培养的基础性责任, 应该以工程认识为基础, 经过基本技能的培训, 最后落实到工程项目的具体实现, 逐步深入, 强调教学内容的多元性、先进性和系统性[13]。本实验项目起到了“师傅领进门，修行靠个人”的作用。

4 结语

美国国立卫生研究院项目管理程序透明，全流程管理内容集中成文，及时更新《美国国立卫生研究院资助政策声明》。美国国立卫生研究院管理信息是公开的，例如战略规划、顾问委员会会议纪要、绩效报告、项目立项及进展情况等均在网络公布，部分会议向公众开放。而美国国立卫生研究院各研究所不仅公布有关项目管理人员名单、联系方式，而且在指南意向性建议、公布指南、申请、管理等阶段均可直接沟通联系。但是有些信息仅为公开，例如科学评审小组专家名单在网站公开，并重点备注说明申请人及其单位在评审前后均不得联系专家，一旦发现将以违反科研诚信处理。

此程序一出，学生马上就豁然开朗地点点头“哦”，并会意地笑，表情也放松下来。此时也可以借机插入说明Y指令是可以编译在输入的，但X指令不能编译在输出。经过此过程后，学生对该指令的理解会更深刻。

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[2] 游张平. 虚拟仿真技术在PLC实验教学中的应用[J]. 丽水学院学报，2015,37(2)：93-94.

[3] 陈容容，孙益顶，魏东盛，等. 多媒体虚拟仿真教学法在微生物学实验中应用[J]. 实验室研究与探索，2015，34(11):194-196,200.

[5] 张婕，李浙昆，吴涛. 可编程控制器虚拟实验教学的研究[J]. 实验室研究与探索，2009，28(9):77-79.

选择2015年7月～2016年7月在我科接受鼻内镜手术患者58例作为研究对象，其中，男30例，女28例，年龄28～60岁。随机分为填塞组和不填组，其中填塞组29例，不填塞组29例。58例患者依据1997年海口标准对CRS患者进行分型、分期[3]。所有患者术前均行鼻内镜、鼻窦水平位、冠状位CT检查。

[4] 金燕，杨春宏. 三菱PLC模拟仿真软件在可编程控制器教学中的应用[J]. 学园，2015(4)：25-27.

失败之后，李建明没有死心，他先后联系过好几个地方，想再建起展览馆。想法到了2016年终于落地。李建明是个有心人，前年他在新闻上看到大同市委书记短短时间里两次前往大泉山。他于是也到阳高县，联系大泉山第一书记，送上自己精心准备的资料。第一书记深受感动，汇报给了大白登镇领导。“老李，这儿是毛主席亲笔题字的地方，正搞红色旅游。你哪儿也别去了，来这儿吧。”

[6] 罗晓东,尹立孟,王青峡，等. 虚拟仿真技术的实验教学平台设计[J]. 实验室研究与探索，2016，35(4):104-106.

5、生物质发电技术。目前，利用生物质发电主要有：生物质直接燃烧发电、沼气发电和生物质气化发电。据世界自然基金会发表的最新报告称，到2020年工业发达国家15%的电力将来自生物质能发电。

[7] 陈国凡，杨洪涛. 三菱训练软件在PLC课程教学中的应用[J]. 机电技术，2013(5)：36-37.

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本报讯 随着天气逐渐变冷，晋煤金石化工投资集团有限公司园区分公司结合自身实际，及早部署，及时动手，严查隐患，扎实开展“冬季三防”工作，重点针对防滑、防冻、防火、防爆、防泄漏、防中毒等方面进行全面检查，为公司生产系统安全稳定过冬筑牢根基。

[10] 张德军，林春梅. 案例教学法在PLC教学中的应用[J]. 现代交际，2014 (7)：249-50.

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②计算当前帧与keyFrame[i]相似度,如果两帧相似度S小于阈值T,循环变量i=i+1,将当前帧保存到keyFrame[i]中;如果S>T,此时判断i是否小于n,小于则继续,大于转向步骤④;