虚实结合的PLC控制系统实验教学平台建设与教学实践*

（福州大学至诚学院，福建 福州 350002）

目前，随着信息技术的不断发展，传统的实验教学已经无法满足实际教学需求，如何改进实验教学设备、结合互联网应用创新实践教学模式是各高校面临的重要问题之一。随着虚拟仿真技术应用的普及，福州大学至诚学院电气工程系在结合原有的实验设备基础上，以“PLC控制系统实验台”为原型，自主开发“PLC控制系统虚拟仿真实验平台”，虚实结合开展实验教学，创新实践教学模式，从课程体系、教学内容、教学方法与手段、教学效果等方面入手，进行了教学改革。

1 PLC控制系统实验教学平台的设计

PLC控制系统实验教学平台由PLC控制系统实验台、PLC控制虚拟仿真实验平台组成。实验台于2013年批量制作，装备于福州大学至诚学院自动控制系统实验室，已供学生使用 5年。“PLC虚拟仿真实验平台”于2017年9月开发完成，已投入教学使用。

1.1 PLC控制系统实验台

PLC控制系统实验台是一个台式综合实验系统，模拟了一个典型的工业生产实际，实现了工业生产线上常见的物料供给、机械手搬运、称重计量、加热控制、以及物件分选等功能，它以PLC为控制核心，配合变频器、步进电机控制器和各种传感器，驱动和控制变频调速电机，步进电机和小型机械手，可开展多种控制方案的综合性实验和设计性实验。该平台还设计了称重计量和温度闭环控制两个模拟量实验单元，使之从传统的机电开关量控制，扩展到了带模拟量的闭环控制。采用工业器件，学生通过实践和实训，达到熟练使用工业现场常用器件和拓展创新思路的目的，实现与工业现场技术的“无缝对接”，增强了各课程知识的有机融合应用。

实验台采用模块化结构，主要包括实验台架、机电一体化设备的机械部件组合、各种控制模块、按钮模块、电源模块、接线端子排，以及开展扩展实验所需的各种传感器模块。整体结构采用开放式和拆装式，模块采用统一结构和尺寸，互换性强。

1.2 PLC控制虚拟仿真实验平台

1.2.1 构造仿真模型的主要流程

PLC控制虚拟仿真实验平台使用 Unity3D图像建模技术，构建多种类型的机械硬件，并且可以清晰地模拟受控对象。使用Unity动画技术再现PLC控制过程，实验更直观，学生可以更好地理解整个实验过程。PLC虚拟仿真实验的流程设计如图1所示。

图1 Unity仿真流程图

1.2.2 数学模型仿真支撑

采用工业实时仿真平台TeachingLab对底层数据进行计算管理与仿真任务管理。利用 C语言编写的实时仿真数学模型算法和数据作为后台来驱动三维场景中设备的动作，形象、直观地展示系统运行原理和设备工作原理。数学模型以真实实验数据、物理原理作为支撑，仿真操作过程与真实设备操作过程相似，仿真结果与真实系统结果接近，能够满足日常培训、常规考核等各种需求。局部机理模型建模环境图如图2所示。

图2 机理模型建模环境

1.2.3 三维虚拟实验环境

采用三维实验环境，利用虚拟现实技术再现 PLC实验台，其中包括供料盘、机械手、传送带、分拣装置等机械部件，以及电子称重模块、变频器模块、温度PID单元、按钮模块、接线端子排和各种传感器，实现装置运动与数值运算结合。

虚拟仿真实验平台提供了PLC控制系统实验台的全景和全过程漫游的功能，以现场真实的设备图片作为教学素材，设备的主要功能、运行工艺等以文字配合智能语音的方式展现。场景漫游中的主要设备都可以通过轮廓线、高亮显示等手段，配合语音讲解，视听效果好。教师可对平台内容进行编辑和管理。

如图3所示，PLC控制系统实验教学平台可供电气类、自动化类、机械类等专业学生使用。可用于PLC控制技术、低压电器、传感器技术、检测与转换、可编程控制器实训等课程的实验和实训，以及毕业设计和学生课非创新实践，既可以独立完成各课程实验，也可以开设大型综合实训项目。

图3 PLC控制系统实验教学平台

目前已开展的实验和实训内容包括：①PLC的I/O接口实验（接线与编程器的使用，实验台认识实验）；②物料传送与搬运控制实验（供料盘与机械手实验）；③物料分拣实验（根据颜色与材质分拣）；④A/D转换实验“称重实验”；⑤模拟量控制实验“温度控制实验（PID实验）”；⑥PLC综合实训；⑦低压电器控制实验；⑧电机控制实验；⑨传感器实验；⑩PLC控制实验。

2 基于“互联网+”的虚实结合实验教学

2.1 仿真实验和真实实验内容相结合

虚实结合的实验教学由“虚拟仿真实验”和“真实实验”两部分组成，如图4所示。

图4 虚实结合的实验教学结构

虚拟仿真实验部分体现了完整的实验过程，通过互联网信息管理平台发布实验信息，学生登录信息管理平台网站，可在教室非的任意场所、任意时间自主进行学习的方式进行。PLC控制虚拟仿真实验的典型实验过程包括：实验前的准备工作，即在信息管理平台下载安装软件，等待授权；然后学生选择实验项目，通过阅读实验指导，观看实验视频等操作进行预习；接着进入“虚拟仿真实验”，学生可移动鼠标，自主选择观察的设备对象，学习设备知识，练习PLC的系统配置，完成实验预习；随后学生根据预习中设计的实验线路、I/O分配进行硬件接线，根据课题要求编辑PLC控制程序，运行PLC程序以验证自编程序的正确性等操作，然后观察实验现象，根据实验现象修改程序，直至实验顺利通过；最后在系统里完成实验报告，提交评分。操作过程中会有一些对应的操作提示，指导学生一步步完成实验[1-3]。最后还有一个“实验测试”环节，通过测试，评判学生对实验内容的掌握程度，学生在教师规定的时间内登录信息管理网站进行测试，若测试通过，则安排真实实验；若测试不通过，则继续进行虚拟仿真实验，直至通过。

虚拟仿真实验通过后，安排进入实验室进行真实实验。真实实验主要采取教师辅导与学生小组讨论、实际操作相结合的教学模式。教师首先对实验内容、实验台进行讲解，对学生课前编写的程序进行辅导、对实验过程中出现的问题进行解答，指导学生完成实验。学生需要根据实验要求完成PLC编程、调试，进行硬件接线等操作，根据实验现象、实验结果进行小组讨论，完成实验报告。教师组织学生讨论，提出意见，批改实验报告[4-6]。

虚实结合的教学方式不仅锻炼了学生的自主学习能力，提高了学生的专业实践水平，达到更好的实践效果。

2.2 基于“互联网+”的网络信息管理平台

网络信息管理平台（如图5所示）是开展虚拟仿真实验教学的一个重要平台，能够对学生各项学习活动进行全面流程管理，涵盖资源管理、班级管理、网络培训管理、在线学习管理，协同完成互联网环境和机房管理模式下、多种模式的仿真实验教学管理功能。平台包括实验资源管理和实验教学管理，将实验教学软件资源利用互联网形式管理，包括视频、动画、PDF以及仿真实验系统。

图5 网络信息管理平台

学习平台前端提供课程分类、课程列表、课程介绍等功能，供不同的显示和使用视频、动画、仿真等类型的远程虚拟教学实验课程。登录网站可直接打开教学视频、Flash课件、小型三维虚拟设备仿真软件等，大型虚拟现实仿真软件需要下载安装后使用[8-10]。

教师课前通过网络信息管理平台发布实验信息，分配班级、发布试卷；课后再在平台上批改实验报告、进行实验评分等；学生登录平台下载虚拟仿真实验资源、进行虚拟仿真实验、参加实验测试、提交实验报告等。通过网络信息平台，可实现随时随地进行实验的目标，突破了时间和空间的限制。

3 虚实结合的PLC控制系统实验教学的特征

3.1 教学性

PLC控制系统实验台和PLC控制虚拟仿真实验平台虚实结合、互为补充，可以单独使用，可以虚实结合开展实验。从2013年至今，在该平台上开设了PLC原理与应用等4门课程的实验和实训，以及进行毕业设计相关课题，累计7万学时以上，也是学生开展课非创新实践和参加各类竞赛的重要平台。

3.2 创新性

①逻辑量+模拟量的控制系统贴近企业实际。在逻辑控制的基础上增加称重和温度控制两个模拟量单元，使设备从传统的机电开关量控制，扩展到了带模拟量的闭环控制，采用工业现场的器件模拟工业生产过程现场感强，贴近企业实际，实现与工业现场技术的“无缝对接”，提高学生的就业竞争力[11]。

②实现一机多用，实验项目涵盖多门课程，体现分层次教学理念。实验台可进行PLC控制系统的实验与实训，还设计了多种传感器和检测控制模块，可完成PLC控制技术、低压电器、检测与转换、可编程控制器实训等多门课程的实践教学。

③创新实验教学方法。虚实结合的实验教学方法突破了传统的实验教学时间和空间的限制，有效提高了教学实践效果，提高了实验设备的利用率，降低机械设备的维修率。

3.3 启发性

PLC控制系统实验台可以满足不同层次学生的创新实践需求。设备模拟工业生产过程的送料、搬运、称重、传送、检测、分拣等单元，还配备各种控制模块、按钮模块、电源模块、接线端子排，以及开展扩展实验所需的各种传感器模块。工业现场背景项目作为相关课程的主要线索，避免课程实践环节与具体工程项目衔接的困难。让学生明白做什么（学习目标），为什么做（工程背景）、怎么做（实践过程），很好地调动学生学习的积极性。

实践以项目为导向，激发学生兴趣，特别是在传感器及机械臂项目的实践基础上开拓了学生的创新思路，将相关技术应用于竞赛机器人的设计与制作，极大提高了自制竞赛机器人的技术含量和性能，为机器人项目的参赛和获奖奠定基础。

4 教学成效

实验教学是本专业学生能力培养的重要环节，其教学平台与教学模式的创新改革非常必要。虚实结合的PLC控制系统实验教学平台与教学实践自应用以来，受到师生的热烈欢迎，学生学习积极性和主动性得到了提高，培养成效明显。近三年来，获得国家级、省级、院级创新大学生创业训练项目超过20项，学生获得省级以上专业学科竞赛，包括机器人竞赛、大学生电子设计大赛、“蓝桥杯”信息技术大赛累计超过20项。