VR技術(shù)在PLC實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

劉雁 李杏彩 王天佐

摘 ?要：VR虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)提升了人的感官能力，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式革新。為提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，滿足企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，結(jié)合VR技術(shù)對PLC實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐工具以及教學(xué)方法進(jìn)行了研究，并將硬件成果應(yīng)用到PLC的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，橫向?qū)Ρ攘瞬煌虒W(xué)工具下的案例完成效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，VR技術(shù)的引入能夠從客觀上提升教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)確率，同時(shí)在主觀上調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手實(shí)踐能力。理論探討和教學(xué)實(shí)踐為一線的教學(xué)提供橫向參考。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);虛擬仿真;PLC;實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0144-04

Application of VR Technology in PLC Laboratory

LIU Yan，LI Xingcai，WANG Tianzuo

（Guangzhou College of Applied Science and Technology，Guangzhou ?511370，China）

Abstract：VR virtual reality simulation technology improves peoples sensory ability and leads the innovation of experimental teaching mode. In order to improve studentsengineering practice ability and meet the actual production needs of enterprises. Combined with VR technology，the teaching content，teaching practice tools and teaching methods of PLC experiment course are studied，and the hardware results are applied to PLC practice teaching，and the case completion effect under different teaching tools is compared horizontally. The experimental results show that the introduction of VR technology can objectively improve the accuracy of teaching content，while subjectively mobilize studentslearning enthusiasm，and improve the studentsinterest in learning and practical ability. Theoretical discussion and teaching practice provide horizontal reference for front-line teaching.

Keywords：VR technology;virtual simulation;PLC;laboratory construction

0 ?引 ?言

普通高等院校的實(shí)驗(yàn)課程一直以來都是以使學(xué)生掌握一線實(shí)際生產(chǎn)、建設(shè)流程以及使學(xué)生獲得管理技能為基本培訓(xùn)目標(biāo)的核心課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有效地為學(xué)生拓展了課本以外的知識，同時(shí)還有效提升了學(xué)生的動手實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)課程是高等院校人才培養(yǎng)的基本載體，優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件是保證一線教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)。PLC控制技術(shù)課程是機(jī)電類專業(yè)以及自動控制專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，從培養(yǎng)方案的目標(biāo)來看，本門課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，無論對學(xué)生目前的理論知識學(xué)習(xí)還是面向未來的工作實(shí)踐，其均在人才培養(yǎng)的進(jìn)程中起著重要的支撐作用。實(shí)驗(yàn)工具是學(xué)生完成理論學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)動手實(shí)踐的關(guān)鍵所在，不同的實(shí)驗(yàn)工具和方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有決定性的影響。隨著高精尖軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，越來越豐富的實(shí)驗(yàn)硬件擴(kuò)充了原有實(shí)驗(yàn)室的基本功能，對此本文以培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力為目的，創(chuàng)新性地將VR技術(shù)引入PLC實(shí)驗(yàn)室的日常課程中，豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)工具手段，提升了研究內(nèi)容的深度，降低了解決問題的難度。同時(shí)本文也結(jié)合實(shí)際教研過程，反思課程的目標(biāo)設(shè)置和內(nèi)容設(shè)置，從PLC課程的教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)與教學(xué)資料完善的角度提出了課程改革的相關(guān)探索。同時(shí)通過教學(xué)工具和教學(xué)方法的綜合運(yùn)用，將硬件應(yīng)用成果應(yīng)用到PLC的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，橫向?qū)Ρ攘瞬煌虒W(xué)工具背景下的案例完成效果。

1 ?師資隊(duì)伍和教材建設(shè)

1.1 ?師資隊(duì)伍建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室課程建設(shè)和課程改革的基礎(chǔ)是師資隊(duì)伍的建設(shè)。在將VR技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)課程中以后，已有的師資結(jié)構(gòu)需要一定的調(diào)整。在復(fù)合型人才培養(yǎng)的背景之下，復(fù)合型的師資力量也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要組成部分。因此實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y隊(duì)伍中需要引入VR技術(shù)硬件應(yīng)用方向的技術(shù)骨干來壯大師資隊(duì)伍，要求其不僅具有將PLC技術(shù)轉(zhuǎn)變成理論的知識背景，同時(shí)還要具有VR硬件設(shè)備的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技能[1]。在授課過程中需要以工程應(yīng)用理念為指導(dǎo)，對原有的課程體系進(jìn)行解構(gòu)，更新原有的知識體系。

1.2 ?教學(xué)體系建設(shè)

硬件技術(shù)引入之后，還需要對課程教材的理論知識進(jìn)行及時(shí)的更新。VR技術(shù)本身屬于硬件應(yīng)用的范疇，其基礎(chǔ)理論可以作為“黑箱”模型來理解，但是在PLC理論的講授過程中，還需要有理論上的交叉點(diǎn)，例如在實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行當(dāng)中，其三維可視化界面完全是由VR技術(shù)承擔(dān)的[2]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室PLC課程內(nèi)容往往側(cè)重于指令和理論內(nèi)容的介紹。因此在實(shí)踐環(huán)節(jié)中必將受硬件成本及實(shí)驗(yàn)場地的限制，實(shí)踐效果并不好。但是VR技術(shù)借助于低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化條件，能夠有效地彌補(bǔ)場地和硬件展示的不足。因此在課程設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容的編排上，需要參照硬件產(chǎn)品的技術(shù)要求和產(chǎn)品性能進(jìn)行整體項(xiàng)目的聯(lián)合設(shè)計(jì)，此外，VR技術(shù)的應(yīng)用也豐富了教學(xué)體系[3]。

2 ?VR虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的整合運(yùn)用

2.1 ?在PLC理論講解中的運(yùn)用

實(shí)驗(yàn)室課程面向基礎(chǔ)年級和高年級的學(xué)生，對基礎(chǔ)年級的學(xué)生來說，通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)能夠有效地提升學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的基本認(rèn)知。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開始之前，教師可通過VR技術(shù)詳細(xì)講解PLC的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)理論，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程有一個基本的了解和認(rèn)知。在這個節(jié)點(diǎn)上可以結(jié)合VR虛擬仿真設(shè)備展示PLC基本原理等課程內(nèi)容，尤其是在進(jìn)行理論知識的講解時(shí)，借助虛擬仿真平臺可以使學(xué)生更加清晰地認(rèn)識PLC輸入/輸出端子以及二者之間的基本關(guān)系[4]。以虛擬仿真平臺作為學(xué)生演示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可讓學(xué)生清楚了解PLC的實(shí)體內(nèi)涵，以及信號燈和信號線的功能及組成意義。結(jié)合系統(tǒng)的基本原理，學(xué)生也可以通過VR硬件設(shè)備進(jìn)行可視化操作，強(qiáng)化學(xué)生對基礎(chǔ)知識和理論的理解。

2.2 ?在軟件入門講解中的運(yùn)用

在實(shí)踐過程中，教師也可以通過虛擬仿真平臺為基礎(chǔ)年級的學(xué)生講解入門基礎(chǔ)理論知識。通過VR軟件能夠以立體可視化的形式闡釋軟件中基本的畫面配置，同時(shí)還能夠有效地針對基本流程和基本方法進(jìn)行降級。參照從簡到繁、從易到難的基本策略來完善軟件的實(shí)際應(yīng)用和操作，強(qiáng)化學(xué)生對編程指令的理解。同時(shí)教師還可以讓同學(xué)結(jié)合VR虛擬仿真的索引窗口對軟件的操作命令和操作方法進(jìn)行模擬式的學(xué)習(xí)[5]。教師能夠在PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，從人物設(shè)定、端口配置以及程序描寫到最終的模擬仿真的全過程進(jìn)行延時(shí)。進(jìn)而增強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的趣味性，同時(shí)還能有效地提升教學(xué)效率。此外，結(jié)合VR展示技術(shù)，能夠使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會PLC的編程方法。

2.3 ?在案例講解中的運(yùn)用

除了對理論知識的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)外，在PLC的教學(xué)實(shí)踐中案例講解也是課程學(xué)習(xí)的重要組成部分，教師可以通過對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)和應(yīng)用，提升案例實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。教師可以根據(jù)實(shí)際的教學(xué)氛圍和教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生積極互動。利用VR可視化實(shí)時(shí)展示效果讓學(xué)生自行尋找解決問題的基本辦法。在教學(xué)過程中可以以三維仿真動畫的形式直觀地對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行表達(dá)，為學(xué)生營造輕松愉悅的學(xué)習(xí)氛圍。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行知識和技能的學(xué)習(xí)，能夠深化對問題的理解和思考。教師采用因材施教的方法，借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以結(jié)合教材內(nèi)容挑選一些實(shí)際案例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尤其是在案例的選擇中，應(yīng)盡可能地貼近學(xué)生的實(shí)際生活，例如餐廳的呼叫控制、交通信號燈之間的人流和車流控制等。學(xué)生結(jié)合以往的生活經(jīng)驗(yàn)，能夠有效地在虛擬環(huán)境中深化對傳統(tǒng)知識的理解。同時(shí)VR虛擬環(huán)境也是團(tuán)隊(duì)工作的重要載體，硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)需要以小組合作的方式共同完成。在這個過程中團(tuán)隊(duì)的案例教學(xué)不僅能夠有效地拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，還能夠充分鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，助力學(xué)生綜合能力的提升。

3 ?實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)

3.1 ?課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

PLC實(shí)驗(yàn)室作為一門自動化技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室課程，在現(xiàn)代化工業(yè)中被廣泛地使用，借助PLC技術(shù)能夠構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、自動化實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化的控制，提升數(shù)據(jù)傳播的效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通和共享。PLC網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺的建立能夠有效提升各個控制單元之間的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)VR技術(shù)可以作為硬件條件引入實(shí)驗(yàn)課程，整個實(shí)驗(yàn)課程體系仍舊是以PLC控制課程理論為基礎(chǔ)，以VR技術(shù)作為輔助工具。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)學(xué)生就業(yè)的實(shí)際需求并以個人能力和個人素質(zhì)作為參照。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程仍舊是從真實(shí)的編程任務(wù)中提煉實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)方法。因此需要設(shè)計(jì)出適合學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的典型任務(wù)，因此在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)結(jié)合VR技術(shù)將PLC課程知識點(diǎn)重新分解和重解。最終凝練出相關(guān)內(nèi)容的典型載體，實(shí)踐進(jìn)程如圖1所示。

其中，基礎(chǔ)原理仍然是整個課程的核心所在，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中仍舊是將PLC基本概念和基本的邏輯指令操作作為課程設(shè)計(jì)及實(shí)踐的核心。在此基礎(chǔ)上通過不同的程序設(shè)計(jì)方法（Python與C語言任選其一）進(jìn)行控制系統(tǒng)的搭建，最終在人機(jī)界面的交互上，可以由VR硬件進(jìn)行虛擬交互展示，實(shí)現(xiàn)整個過程的完整應(yīng)用。在這個過程中，基礎(chǔ)理論的授課完成了原有知識的分解，同時(shí)在程序方法搭建的過程中也重新建立了全面的仿真知識體系，VR技術(shù)的引入重組了PLC知識結(jié)構(gòu)，豐富PLC實(shí)驗(yàn)課程的展現(xiàn)形式。

3.2 ?學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)

在引入VR技術(shù)之后，結(jié)合實(shí)際教學(xué)內(nèi)容對4個典型案例進(jìn)行了分析。并且在實(shí)際教學(xué)過程中采取企業(yè)的項(xiàng)目管理模式，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)高度和工作責(zé)任心。熟悉“接受任務(wù)—消化與準(zhǔn)備—制訂方案—繪制電氣圖與列元件清單—安裝與調(diào)試—驗(yàn)收與評審—準(zhǔn)備交工文件—文件交付與總結(jié)”基本工作流程。

4 ?教學(xué)實(shí)施

由于引入了新的教學(xué)硬件，因此在教學(xué)的課程設(shè)計(jì)上采用以任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，將VR技術(shù)的應(yīng)用作為實(shí)驗(yàn)課程評分的重要標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性，提升新技術(shù)引入后的教學(xué)效果，課程在開始之前由實(shí)驗(yàn)教室特意安排一些實(shí)驗(yàn)案例供學(xué)生自行選擇，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，可以任意選擇傳統(tǒng)的手工實(shí)踐操作法、PLC軟件模擬法和VR模擬法三種方法進(jìn)行案例的實(shí)踐操作。在同學(xué)之間進(jìn)行“小組示范”“故障表單”“頭腦風(fēng)暴”“互設(shè)故障”等交互式操作，讓學(xué)生分組獨(dú)立完成，并且在完成的過程中通過采用不同的解決方案，對比了各種實(shí)踐方法的優(yōu)越性。其中案例的實(shí)踐流程為：

（1）根據(jù)操作案例中被控對象的工藝要求進(jìn)行電氣系統(tǒng)的控制流程設(shè)計(jì)。

（2）對系統(tǒng)的需求方案及系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）設(shè)備選型與設(shè)備型號的匹配。

（4）繪制原理圖、元器件的布置圖和相關(guān)節(jié)點(diǎn)的接線圖。

（5）實(shí)現(xiàn)控制總線的配線及安裝。

（6）實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的配線及開發(fā)。

（7）成果展示。

基于VR虛擬仿真技術(shù)的三維實(shí)驗(yàn)視頻重構(gòu)，首先將三維實(shí)驗(yàn)進(jìn)程演示轉(zhuǎn)變?yōu)榉謮K矩陣：

其中，Q為實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)量，R為二階運(yùn)算矩陣，M為PLC整數(shù)級視差函數(shù)。運(yùn)算VR虛擬仿真技術(shù)的幀重組平滑項(xiàng)，通過求導(dǎo)方法獲取中心距：

其中，d為求導(dǎo)的函數(shù)值，Θ為均衡系數(shù)，Gdα、Gdβ分別為VR掃描的平滑項(xiàng)。

在實(shí)踐過程中，同學(xué)們依據(jù)不同的方案選擇形式對所采用的方法進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，其結(jié)果如表1所示。

依據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案，本文也在學(xué)生們進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)研測試，主要分為完成時(shí)間和程序調(diào)節(jié)準(zhǔn)確率兩項(xiàng)關(guān)鍵的指標(biāo)，最后對程序完成時(shí)間和準(zhǔn)確率進(jìn)行加權(quán)平均，得到不同種類實(shí)現(xiàn)方法的綜合效率，結(jié)果如圖2所示。

在完成時(shí)間的對比結(jié)果中，手工方法是所需時(shí)間最長的方法。其次為采用PLC軟件進(jìn)行模擬，花費(fèi)時(shí)間最少的是VR模擬的方法。但是在結(jié)果表達(dá)和程序?qū)崿F(xiàn)上，手工方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果較為準(zhǔn)確。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，PLC仿真和VR模擬由于采用的是理想模型的運(yùn)行方法，因此在數(shù)據(jù)結(jié)果上存在一定的偏差。同時(shí)VR技術(shù)營造的現(xiàn)場環(huán)境仍舊是虛擬仿真的環(huán)境，因此在現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的過程中，學(xué)生們由于主觀不經(jīng)意而導(dǎo)致的手工錯誤比較明顯。但總體來說，VR模擬法在數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確度上要優(yōu)于PLC仿真的結(jié)果。因此在綜合結(jié)果的表達(dá)中，VR模擬法為最優(yōu)的方法。

5 ?結(jié) ?論

本文基于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本現(xiàn)狀和實(shí)際需求，探究了VR技術(shù)引入PLC實(shí)驗(yàn)室的可行性及應(yīng)用效果。在學(xué)生們能夠熟練掌握虛擬仿真技術(shù)的基本前提下，從平臺框架內(nèi)引入VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的雙重提升。同時(shí)從傳統(tǒng)手工建模、軟件模擬建模和VR技術(shù)模擬結(jié)果來看，VR技術(shù)為PLC實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了良好的數(shù)據(jù)保障，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：劉雁（1979.10—），女，漢族，山東青島人，副教授，碩士，研究方向：控制技術(shù)與應(yīng)用;李杏彩（1978.12—），女，漢族，廣東江門人，講師，碩士，研究方向：電路與系統(tǒng);王天佐（1981.10—），男，滿族，河北秦皇島人，講師，碩士，研究方向：思想政治教育。