基于虛擬仿真技術(shù)的電氣控制與PLC教學改革實踐研究

林雪冬　孫建

摘 ? 要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的不斷發(fā)展與融合，傳統(tǒng)教學手段已無法引起學生的興趣和關(guān)注，難以實現(xiàn)良好的教學效果。教學改革實踐中借助虛擬仿真技術(shù)使抽象的電氣控制原理圖“動起來”，生動具體的展現(xiàn)電氣控制過程與電氣元件的響應情況;同時，探索PLC-電氣控制仿真與傳統(tǒng)實訓相結(jié)合的教學方法，達到激發(fā)學生學習興趣，提高學習效果的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) ?電氣控制與PLC ?教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0236-03

PLC（可編程控制器）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，因其具有高可靠性、強抗干擾能力、高實時性，操作簡單以及系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試方便等特點而被廣泛應用在冶金、化工、交通、電力等多個領(lǐng)域[1]。可以說，現(xiàn)代工業(yè)控制離不開PLC，現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展需要大量具有PLC設(shè)計與調(diào)試經(jīng)驗的高技術(shù)技能人才。

1 ?電氣控制與PLC課程教學現(xiàn)狀

現(xiàn)代高職教育不僅要培養(yǎng)學生具有扎實豐富的專業(yè)知識、較強的實際動手操作，還必須具有一定的創(chuàng)新能力，而這些能力大多需要通過實踐教學環(huán)節(jié)（實驗實訓）來獲得。以電氣控制與PLC課程為例，這是一門實踐性很強的機電類專業(yè)課，提高課程教學效果的有效途徑是采取理實一體化的教學模式。但目前該門課程的教學（尤其實踐教學環(huán)節(jié)）存在著以下問題[1-3]。

（1）教學內(nèi)容抽象。由于教學內(nèi)容大多為電氣電路控制或PLC程序指令，學生難以弄清楚相關(guān)的工作原理和工作過程;（2）實驗實訓條件欠缺。高職院校在實驗室建立真實的被控對象實驗裝置難度較大，而現(xiàn)有實驗設(shè)備維護困難，功能也很難與時俱進，無法滿足多樣化教學需求。且隨著高校擴招，學生人數(shù)增加，學校的實驗實訓條件難以跟上，不少學生得不到真正的動手機會，學習效果較差;（3）學生存在心理障礙。由于害怕?lián)p壞實訓設(shè)備，學生不敢大膽動手操作，勢必影響實訓效果;（4）學生難以接觸到工程實際案例，難以培養(yǎng)其解決工程實際問題的能力。

為此，電氣控制與PLC課程的教學改革重點在于借助虛擬仿真技術(shù)，對電氣控制、PLC程序進行模擬仿真，通過形象、生動、具體的模擬情景、響應過程，動態(tài)地學習并理解電氣電路控制原理與PLC程序控制。并且，在仿真的基礎(chǔ)上完成傳統(tǒng)實訓裝置的接線調(diào)試，實現(xiàn)理虛實一體化教學。這種模式將能夠克服實訓條件不足的瓶頸，也能極大的促進學生的學習興趣。此外，對具體的工程實際案例，也可在仿真平臺上實施電路搭建以及PLC程序功能的實現(xiàn)。

2 ?虛擬仿真技術(shù)的教學應用

2.1 電氣控制電路虛擬仿真

在學習電氣控制與PLC課程時，一般先要了解常用的低壓電器，這里面主要讓學生弄懂繼電器、接觸器的工作原理，然后則是學習基本的電氣控制電路及原理，如自鎖、互鎖的概念以及電動機的正反轉(zhuǎn)控制等。教學過程中，在給學生講解知識點概念，分析電氣控制原理時可借助虛擬仿真軟件，引導學生在仿真平臺上進行接線調(diào)試。以電動機的正反轉(zhuǎn)控制為例，圖1所示是其電氣控制原理圖。圖2則是采用宇龍機電控制仿真軟件平臺搭建的電機正反轉(zhuǎn)控制模擬圖。當按下啟動按鈕SB2時，“正轉(zhuǎn)”電路會接通并顯示“紅色”（代表有電流通過），電機開始“正轉(zhuǎn)”。若學生接線發(fā)生錯誤，則會出現(xiàn)“×”號提示。如果學生選擇的電氣元件型號不匹配或者參數(shù)設(shè)置不恰當，則在模擬電機運行過程中會出現(xiàn)“接觸器燒毀”、“電機燒毀”、“電線燒毀”等情景，以提醒學生更正。當按下啟動按鈕SB3時，“正轉(zhuǎn)”電路會被切斷，直接轉(zhuǎn)換為“反轉(zhuǎn)”電路，電動機發(fā)生“反轉(zhuǎn)”。當按下SB1時，整個控制電路斷開，主電路被切斷，電動機停止運行。

通過軟件模擬仿真，能夠非常直觀的觀察到電路、電氣元件的響應情況，幫助學生理解電氣控制原理。教學中學生也能放手進行接線模擬調(diào)試，不怕出現(xiàn)故障燒壞電氣元件，也不必擔心元件數(shù)量不夠，從根本上解決了實訓設(shè)備不足的難題。并且，學生可以不限時間、不限次數(shù)地實施任意電路的仿真，大大擴寬了實訓內(nèi)容，提高了學生動手操作的積極性和學習效果。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的虛擬仿真

除了對電氣控制電路的虛擬仿真外，對加入了PLC的電氣控制系統(tǒng)也可以進行模擬仿真。仍以電機的正反轉(zhuǎn)為例。圖3所示為PLC接線圖和電機正反轉(zhuǎn)的PLC程序（梯形圖）。圖4所示為采用PLC控制的電機正反轉(zhuǎn)模擬圖?？梢钥吹?，在本例中，加入了PLC裝置后，控制電路部分的電路接線大為簡化。通過虛擬仿真，可以幫助學生及時發(fā)現(xiàn)梯形圖編寫的正確與否。這樣就可以改變傳統(tǒng)課堂上只能依賴老師的判斷來進行編寫梯形圖的局面，提高了教學效率。

2.3 典型案例的理虛實一體化教學改革實踐

小車的自動往返運行以及在特定位置的定時停留在工業(yè)上應用較為廣泛，比如：料倉落料與輸送。針對這一實際工程案例，在引導學生進行電氣控制線路的設(shè)計時便可借助于虛擬仿真技術(shù)。首先，確定控制對象運行所需的所有電氣元件。在本例中，主要元件為電動機、接觸器（2個）、行程開關(guān)（至少2個）。其次，設(shè)計控制電路并按要求編寫PLC程序。然后，采用仿真軟件對電氣元件進行接線、編程與模擬調(diào)試運行。待方案確定無誤后，最后，進行實物接線與調(diào)試。圖5所示為PLC仿真效果。圖6則是待用的實物接線調(diào)試，其中，接觸器線圈的吸合與斷開動作代表著電動機的正、反轉(zhuǎn)，即為小車的往返動作。

3 ?虛擬仿真技術(shù)在教學改革實踐中取得的成果

近兩年的教學中，筆者在電氣控制與PLC的課程教學中廣泛地使用了虛擬仿真技術(shù)，取得了良好的教學效果：（1）增強了學生的上課興趣。軟件仿真直觀生動，能將抽象的程序形象化、具體化，讓學生更加容易理解;（2）提高學生的編程能力。軟件的離線仿真功能能夠讓學生在沒有PLC硬件設(shè)備的情況下隨時隨地練習編程，而且能夠及時判斷編制程序的正確與否;（3）學生解決實際案例的能力明顯提高。利用仿真軟件，學生可以不再過度地依賴老師的判斷，完全可以自己編程、自己驗證，大大提高了其練手練腦的機會。

4 ?結(jié)語

以上敘述清楚地展現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)應用在電氣控制與PLC課程教學中所發(fā)揮的巨大作用。用計算機全真模擬被控對象，不僅能直觀地觀察到實際控制情景，而且還能讓學生更加清晰地理解PLC的編程技巧及應用?；谔摂M仿真技術(shù)的理虛實一體化教學實踐，以有限的設(shè)備、低廉的成本、多樣化的程序豐富了教學內(nèi)容，提高了學生的興趣和積極性，增強了學生的工程實踐經(jīng)驗，真正意義上實現(xiàn)了畢業(yè)即上崗，上崗即能勝任工作的高職教育目標。

參考文獻

[1] 李杰臣，劉瓊.PLC軟件仿真技術(shù)在教學中的應用[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學院學報，2006，22（1）：25-27.

[2] 張宏偉，王新環(huán).虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代電氣控制教學中的應用[J].實驗室科學，2018，21（1）：89-92.

[3] 李斌，鄒燦紅.電氣控制與PLC應用技術(shù)仿真教學應用研究[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：58-60.