虛擬仿真技術(shù)在電氣專業(yè)課程可編程控制器原理教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄒歡 張雪萍 楊彥鑫 蘇紅梅 李裕 黃兆波

隨著高校素質(zhì)教育改革的深入進(jìn)行，傳統(tǒng)的教學(xué)方法越來越不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，可編程控制器原理是電氣專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，如何幫助學(xué)生盡快的掌握電氣控制及可編程控制器原理的的相關(guān)理論知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手是能力，是該課程建設(shè)和改革的重點(diǎn)問題。而虛擬仿真技術(shù)是指20世紀(jì)40年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新技術(shù)。通過仿真技術(shù)模擬實(shí)際的物理系統(tǒng)，如工業(yè)現(xiàn)場的各種設(shè)備和場景。學(xué)生能通過計(jì)算機(jī)顯示器認(rèn)識(shí)形象生動(dòng)的虛擬環(huán)境，熟悉理論過程，并能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)效果。

可編程控制器原理課程這門課程的學(xué)習(xí)不但需要系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)做基礎(chǔ)，更加需要充足的實(shí)踐操作。在教學(xué)過程中，將虛擬仿真技術(shù)跟課程教學(xué)結(jié)合起來，通過建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生了解一般電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成和控制方法，將抽象的電氣設(shè)備及控制過程用虛擬仿真的形式在計(jì)算機(jī)上顯示出來，建立系統(tǒng)控制的概念。其次學(xué)生能綜合運(yùn)用所學(xué)電氣工程專業(yè)相關(guān)理論知識(shí)，自己動(dòng)手完成各個(gè)部件的動(dòng)作控制流程，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，更能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。因此，深入研究虛擬仿真技術(shù)在課程講授及實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并將其應(yīng)用在教學(xué)中，在教學(xué)過程中，具有重要的意義。

一、可編程控制器原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）以理論設(shè)計(jì)為主

目前，可編程控制器原理課程仍以傳統(tǒng)的課堂講授為主，側(cè)重課堂理論講授，設(shè)計(jì)結(jié)果用仿真軟件在計(jì)算機(jī)上對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行仿真。這種教學(xué)模式下，課程內(nèi)容偏理論化，缺乏培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際崗位能力的硬件設(shè)施，沒有職場化的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，學(xué)生畢業(yè)后難以立馬適應(yīng)相關(guān)工作崗位要求。

（二）利用綜合實(shí)訓(xùn)考核裝備

利用由專業(yè)的教學(xué)儀器公司開發(fā)的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)被控對(duì)象能夠利用真實(shí)的傳感器來控制被控對(duì)象。通過設(shè)備的拆解、安裝、試驗(yàn)和調(diào)試，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生參與積極性高。但是實(shí)踐操作時(shí)受到設(shè)備數(shù)量、品種、場地等方面的限制。同時(shí)，這種教學(xué)模式所需課時(shí)長、實(shí)驗(yàn)耗材消耗大，綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備的購買、日常維護(hù)成本高。

二、可編程控制器原理課程虛擬仿真教學(xué)模式構(gòu)建

（一）虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)

目前，大部分學(xué)校由于設(shè)備的臺(tái)套數(shù)較少，使分組實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)較多，每一組實(shí)驗(yàn)控制程序的編寫、調(diào)試需要花費(fèi)大量的時(shí)間，不能滿足實(shí)踐教學(xué)的需要，教學(xué)效果也不理想。實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真技術(shù)往往根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和技術(shù)的不同而不同。引入虛擬仿真技術(shù)后，對(duì)于可編程控制器原理課程及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們主要采用了組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)技術(shù)是使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到使計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置、自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。組態(tài)軟件能利用系統(tǒng)軟件提供的工具，通過簡單形象的組態(tài)工作構(gòu)成系統(tǒng)。組態(tài)軟件具有用戶可訂制的功能，能開發(fā)可編程控制器的控制對(duì)象;還具有強(qiáng)大的通訊和監(jiān)控功能;具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開放、使用靈活、功能多樣和運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。通過組態(tài)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能提供形象的被控對(duì)象，展示直觀的控制效果，而且具有良好的重用性和拓展性。

（二）教學(xué)模式改革

在進(jìn)行實(shí)際操作前，學(xué)生根據(jù)裝配單元的控制要求，先完成控制程序的編寫。將編寫好的程序下載到PLC中運(yùn)行，在計(jì)算機(jī)上觀察虛擬仿真模型的動(dòng)作以驗(yàn)證程序的正確性。在虛擬仿真場景中反復(fù)調(diào)試成功后，進(jìn)入真實(shí)實(shí)訓(xùn)操作，大幅度提高了設(shè)備的有效利用率，解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)條件建設(shè)投入不足的問題。

三、虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)的思路

（一）構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

為解決現(xiàn)代電氣控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、很難滿足學(xué)生課外自學(xué)需求的問題。我們利用組態(tài)軟件模擬可編程控制器控制對(duì)象，結(jié)合可編程控制器仿真軟件及NetToPLCsim軟件，。將設(shè)計(jì)的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)，虛擬系統(tǒng)無需實(shí)際物理控制對(duì)象便可實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器控制程序的調(diào)試和仿真運(yùn)行，節(jié)約了設(shè)備成本，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了授課效果與實(shí)驗(yàn)效果。

（二）教師運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)能力

目前虛擬仿真實(shí)訓(xùn)場景的設(shè)計(jì)、制作多由專業(yè)公司完成，與專業(yè)課教師在對(duì)接上還存在一些問題。教師缺乏設(shè)計(jì)、修改虛擬仿真場景的能力，項(xiàng)目固定化。因此，不斷提高教師將真實(shí)工作任務(wù)、場景轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容的能力，也是開展虛擬仿真教學(xué)的重要保障。

（三）學(xué)生自主開發(fā)虛擬仿真場景

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以促進(jìn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化和教學(xué)手段的多樣化，讓學(xué)生自主開發(fā)虛擬仿真場景，不但可以提高學(xué)生的查閱資料、三維建模、建立人機(jī)界面、編程調(diào)試的綜合能力，還可以快速的增加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的數(shù)量。

四、結(jié)束語

綜上所述，通過引入虛擬仿真技術(shù)，操作虛擬的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，即可進(jìn)行各種理論教學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象相同的目的，解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)條件建設(shè)投入不足的問題。同時(shí)，虛擬仿真開放性的特點(diǎn)，可隨時(shí)擴(kuò)展工作場景資源庫，解決校內(nèi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備落后于企業(yè)先進(jìn)設(shè)備、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程缺乏對(duì)接的問題。