基于虛擬仿真技術的電氣控制與PLC教學改革實踐研究

林雪冬　孫建

摘 ? 要：隨著“互聯網+教育”的不斷發展與融合，傳統教學手段已無法引起學生的興趣和關注，難以實現良好的教學效果。教學改革實踐中借助虛擬仿真技術使抽象的電氣控制原理圖“動起來”，生動具體的展現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實訓相結合的教學方法，達到激發學生學習興趣，提高學習效果的目的。

關鍵詞：虛擬仿真技術 ?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，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術的一種通用的工業自動控制裝置，因其具有高可靠性、強抗干擾能力、高實時性，操作簡單以及系統設計調試方便等特點而被廣泛應用在冶金、化工、交通、電力等多個領域[1]。可以說，現代工業控制離不開PLC，現代化企業發展需要大量具有PLC設計與調試經驗的高技術技能人才。

1 ?電氣控制與PLC課程教學現狀

現代高職教育不僅要培養學生具有扎實豐富的專業知識、較強的實際動手操作，還必須具有一定的創新能力，而這些能力大多需要通過實踐教學環節（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（尤其實踐教學環節）存在著以下問題[1-3]。

（1）教學內容抽象。由于教學內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，而現有實驗設備維護困難，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。由于害怕損壞實訓設備，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，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，在仿真的基礎上完成傳統實訓裝置的接線調試，實現理虛實一體化教學。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。

2 ?虛擬仿真技術的教學應用

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試。以電動機的正反轉控制為例，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控制模擬圖。當按下啟動按鈕SB2時，“正轉”電路會接通并顯示“紅色”（代表有電流通過），電機開始“正轉”。若學生接線發生錯誤，則會出現“×”號提示。如果學生選擇的電氣元件型號不匹配或者參數設置不恰當，則在模擬電機運行過程中會出現“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”電路會被切斷，直接轉換為“反轉”電路，電動機發生“反轉”。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試，不怕出現故障燒壞電氣元件，也不必擔心元件數量不夠，從根本上解決了實訓設備不足的難題。并且，學生可以不限時間、不限次數地實施任意電路的仿真，大大擴寬了實訓內容，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的電氣控制系統也可以進行模擬仿真。仍以電機的正反轉為例。圖3所示為PLC接線圖和電機正反轉的PLC程序（梯形圖）。圖4所示為采用PLC控制的電機正反轉模擬圖。可以看到，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現梯形圖編寫的正確與否。這樣就可以改變傳統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計時便可借助于虛擬仿真技術。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（至少2個）。其次，設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、編程與模擬調試運行。待方案確定無誤后，最后，進行實物接線與調試。圖5所示為PLC仿真效果。圖6則是待用的實物接線調試，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，即為小車的往返動作。

3 ?虛擬仿真技術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，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 ?結語

以上敘述清楚地展現了虛擬仿真技術應用在電氣控制與PLC課程教學中所發揮的巨大作用。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。基于虛擬仿真技術的理虛實一體化教學實踐，以有限的設備、低廉的成本、多樣化的程序豐富了教學內容，提高了學生的興趣和積極性，增強了學生的工程實踐經驗，真正意義上實現了畢業即上崗，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軟件仿真技術在教學中的應用[J].成都航空職業技術學院學報，2006，22（1）：25-27.

[2] 張宏偉，王新環.虛擬仿真技術在現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應用技術仿真教學應用研究[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：58-60.