VR技術在PLC實驗室的應用

劉雁 李杏彩 王天佐

摘 ?要：VR虛擬現實仿真技術提升了人的感官能力，引領實驗教學模式革新。為提升學生的工程實踐能力，滿足企業的實際生產需求，結合VR技術對PLC實驗課程的教學內容、教學實踐工具以及教學方法進行了研究，并將硬件成果應用到PLC的實踐教學當中，橫向對比了不同教學工具下的案例完成效果。實驗結果表明，VR技術的引入能夠從客觀上提升教學內容的準確率，同時在主觀上調動學生的學習積極性，提升學生的學習興趣和動手實踐能力。理論探討和教學實踐為一線的教學提供橫向參考。

關鍵詞：VR技術;虛擬仿真;PLC;實驗室建設

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：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

普通高等院校的實驗課程一直以來都是以使學生掌握一線實際生產、建設流程以及使學生獲得管理技能為基本培訓目標的核心課程。實驗教學內容有效地為學生拓展了課本以外的知識，同時還有效提升了學生的動手實踐能力。實驗課程是高等院校人才培養的基本載體，優越的實驗室軟硬件條件是保證一線教學質量的重要指標。PLC控制技術課程是機電類專業以及自動控制專業學生的基礎課程，從培養方案的目標來看，本門課程的實踐性很強，無論對學生目前的理論知識學習還是面向未來的工作實踐，其均在人才培養的進程中起著重要的支撐作用。實驗工具是學生完成理論學習，實現動手實踐的關鍵所在，不同的實驗工具和方法對實驗結果具有決定性的影響。隨著高精尖軟硬件技術的快速發展，越來越豐富的實驗硬件擴充了原有實驗室的基本功能，對此本文以培養學生工程能力和創新能力為目的，創新性地將VR技術引入PLC實驗室的日常課程中，豐富了學生的實驗工具手段，提升了研究內容的深度，降低了解決問題的難度。同時本文也結合實際教研過程，反思課程的目標設置和內容設置，從PLC課程的教學內涵建設與教學資料完善的角度提出了課程改革的相關探索。同時通過教學工具和教學方法的綜合運用，將硬件應用成果應用到PLC的實踐教學當中，橫向對比了不同教學工具背景下的案例完成效果。

1 ?師資隊伍和教材建設

1.1 ?師資隊伍建設

實驗室課程建設和課程改革的基礎是師資隊伍的建設。在將VR技術引入實驗課程中以后，已有的師資結構需要一定的調整。在復合型人才培養的背景之下，復合型的師資力量也是實驗室建設的重要組成部分。因此實驗室師資隊伍中需要引入VR技術硬件應用方向的技術骨干來壯大師資隊伍，要求其不僅具有將PLC技術轉變成理論的知識背景，同時還要具有VR硬件設備的工程應用經驗和技能[1]。在授課過程中需要以工程應用理念為指導，對原有的課程體系進行解構，更新原有的知識體系。

1.2 ?教學體系建設

硬件技術引入之后，還需要對課程教材的理論知識進行及時的更新。VR技術本身屬于硬件應用的范疇，其基礎理論可以作為“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，例如在實驗課程進行當中，其三維可視化界面完全是由VR技術承擔的[2]。傳統的實驗室PLC課程內容往往側重于指令和理論內容的介紹。因此在實踐環節中必將受硬件成本及實驗場地的限制，實踐效果并不好。但是VR技術借助于低成本的虛擬現實可視化條件，能夠有效地彌補場地和硬件展示的不足。因此在課程設計和教學內容的編排上，需要參照硬件產品的技術要求和產品性能進行整體項目的聯合設計，此外，VR技術的應用也豐富了教學體系[3]。

2 ?VR虛擬現實仿真技術在PLC教學中的整合運用

2.1 ?在PLC理論講解中的運用

實驗室課程面向基礎年級和高年級的學生，對基礎年級的學生來說，通過虛擬現實仿真技術能夠有效地提升學生對所學專業的基本認知。在實驗教學開始之前，教師可通過VR技術詳細講解PLC的關鍵技術和相關理論，讓學生對實驗課程有一個基本的了解和認知。在這個節點上可以結合VR虛擬仿真設備展示PLC基本原理等課程內容，尤其是在進行理論知識的講解時，借助虛擬仿真平臺可以使學生更加清晰地認識PLC輸入/輸出端子以及二者之間的基本關系[4]。以虛擬仿真平臺作為學生演示的實驗設備，可讓學生清楚了解PLC的實體內涵，以及信號燈和信號線的功能及組成意義。結合系統的基本原理，學生也可以通過VR硬件設備進行可視化操作，強化學生對基礎知識和理論的理解。

2.2 ?在軟件入門講解中的運用

在實踐過程中，教師也可以通過虛擬仿真平臺為基礎年級的學生講解入門基礎理論知識。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，同時還能夠有效地針對基本流程和基本方法進行降級。參照從簡到繁、從易到難的基本策略來完善軟件的實際應用和操作，強化學生對編程指令的理解。同時教師還可以讓同學結合VR虛擬仿真的索引窗口對軟件的操作命令和操作方法進行模擬式的學習[5]。教師能夠在PLC的實驗教學過程中通過虛擬實驗平臺，從人物設定、端口配置以及程序描寫到最終的模擬仿真的全過程進行延時。進而增強理論基礎知識學習的趣味性，同時還能有效地提升教學效率。此外，結合VR展示技術，能夠使學生在較短的時間內學會PLC的編程方法。

2.3 ?在案例講解中的運用

除了對理論知識的基礎學習外，在PLC的教學實踐中案例講解也是課程學習的重要組成部分，教師可以通過對虛擬實驗平臺的開發和應用，提升案例實踐環節的教學效果。教師可以根據實際的教學氛圍和教學內容與學生積極互動。利用VR可視化實時展示效果讓學生自行尋找解決問題的基本辦法。在教學過程中可以以三維仿真動畫的形式直觀地對教學內容進行表達，為學生營造輕松愉悅的學習氛圍。在虛擬現實環境中進行知識和技能的學習，能夠深化對問題的理解和思考。教師采用因材施教的方法，借助虛擬實驗平臺開展實驗，同時也可以結合教材內容挑選一些實際案例來激發學生的學習興趣。尤其是在案例的選擇中，應盡可能地貼近學生的實際生活，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。學生結合以往的生活經驗，能夠有效地在虛擬環境中深化對傳統知識的理解。同時VR虛擬環境也是團隊工作的重要載體，硬件設備的設計需要以小組合作的方式共同完成。在這個過程中團隊的案例教學不僅能夠有效地拓展學生的創新思維能力，還能夠充分鍛煉學生的團隊合作意識，助力學生綜合能力的提升。

3 ?實驗課程內容建設

3.1 ?課程內容設計

PLC實驗室作為一門自動化技術應用的實驗室課程，在現代化工業中被廣泛地使用，借助PLC技術能夠構建網絡化、自動化實驗平臺，進而實現智能化的控制，提升數據傳播的效率，實現數據信息的互聯互通和共享。PLC網絡化實驗平臺的建立能夠有效提升各個控制單元之間的關聯性。同時VR技術可以作為硬件條件引入實驗課程，整個實驗課程體系仍舊是以PLC控制課程理論為基礎，以VR技術作為輔助工具。課程內容的設計應依據學生就業的實際需求并以個人能力和個人素質作為參照。實驗教學的過程仍舊是從真實的編程任務中提煉實驗進程和實驗方法。因此需要設計出適合學生學習進程的典型任務，因此在實驗室內結合VR技術將PLC課程知識點重新分解和重解。最終凝練出相關內容的典型載體，實踐進程如圖1所示。

其中，基礎原理仍然是整個課程的核心所在，在實驗教學過程中仍舊是將PLC基本概念和基本的邏輯指令操作作為課程設計及實踐的核心。在此基礎上通過不同的程序設計方法（Python與C語言任選其一）進行控制系統的搭建，最終在人機界面的交互上，可以由VR硬件進行虛擬交互展示，實現整個過程的完整應用。在這個過程中，基礎理論的授課完成了原有知識的分解，同時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技術的引入重組了PLC知識結構，豐富PLC實驗課程的展現形式。

3.2 ?學習情境設計

在引入VR技術之后，結合實際教學內容對4個典型案例進行了分析。并且在實際教學過程中采取企業的項目管理模式，進而培養學生的動手實踐能力，提升學生的學習高度和工作責任心。熟悉“接受任務—消化與準備—制訂方案—繪制電氣圖與列元件清單—安裝與調試—驗收與評審—準備交工文件—文件交付與總結”基本工作流程。

4 ?教學實施

由于引入了新的教學硬件，因此在教學的課程設計上采用以任務驅動的教學方法，將VR技術的應用作為實驗課程評分的重要標準。同時為了充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，提升新技術引入后的教學效果，課程在開始之前由實驗教室特意安排一些實驗案例供學生自行選擇，學生進行實驗操作時，可以任意選擇傳統的手工實踐操作法、PLC軟件模擬法和VR模擬法三種方法進行案例的實踐操作。在同學之間進行“小組示范”“故障表單”“頭腦風暴”“互設故障”等交互式操作，讓學生分組獨立完成，并且在完成的過程中通過采用不同的解決方案，對比了各種實踐方法的優越性。其中案例的實踐流程為：

（1）根據操作案例中被控對象的工藝要求進行電氣系統的控制流程設計。

（2）對系統的需求方案及系統硬件進行設計。

（3）設備選型與設備型號的匹配。

（4）繪制原理圖、元器件的布置圖和相關節點的接線圖。

（5）實現控制總線的配線及安裝。

（6）實現上下位機的配線及開發。

（7）成果展示。

基于VR虛擬仿真技術的三維實驗視頻重構，首先將三維實驗進程演示轉變為分塊矩陣：

其中，Q為實驗過程的數量，R為二階運算矩陣，M為PLC整數級視差函數。運算VR虛擬仿真技術的幀重組平滑項，通過求導方法獲取中心距：

其中，d為求導的函數值，Θ為均衡系數，Gdα、Gdβ分別為VR掃描的平滑項。

在實踐過程中，同學們依據不同的方案選擇形式對所采用的方法進行了技術總結，其結果如表1所示。

依據不同的設計方案，本文也在學生們進行程序設計時進行了相關的調研測試，主要分為完成時間和程序調節準確率兩項關鍵的指標，最后對程序完成時間和準確率進行加權平均，得到不同種類實現方法的綜合效率，結果如圖2所示。

在完成時間的對比結果中，手工方法是所需時間最長的方法。其次為采用PLC軟件進行模擬，花費時間最少的是VR模擬的方法。但是在結果表達和程序實現上，手工方法的實驗數據結果較為準確。在實踐中我們發現，PLC仿真和VR模擬由于采用的是理想模型的運行方法，因此在數據結果上存在一定的偏差。同時VR技術營造的現場環境仍舊是虛擬仿真的環境，因此在現場對設備進行調試的過程中，學生們由于主觀不經意而導致的手工錯誤比較明顯。但總體來說，VR模擬法在數據結果的準確度上要優于PLC仿真的結果。因此在綜合結果的表達中，VR模擬法為最優的方法。

5 ?結 ?論

本文基于實驗室建設的基本現狀和實際需求，探究了VR技術引入PLC實驗室的可行性及應用效果。在學生們能夠熟練掌握虛擬仿真技術的基本前提下，從平臺框架內引入VR技術，實現教學效果和教學質量的雙重提升。同時從傳統手工建模、軟件模擬建模和VR技術模擬結果來看，VR技術為PLC實驗技術提供了良好的數據保障，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1] 楊南粵，李爭名.基于“VR+”的新工科創新實踐虛擬演練實驗室構建 [J].實驗技術與管理，2019，36（1）：130-133+ 147.

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[3] 袁麗平.基于5G的VR/AR在高等教育教學的應用 [J].現代信息科技，2020，4（18）：190-192.

[4] 劉暢，王佳.職業院校VR校企聯合實驗室建設與人才培養 [J].實驗技術與管理，2020，37（11）：241-245.

[5] 彭小平，凌雙明.“三位一體、六環五步”混合式教學創新實踐——以“PLC應用技術”課程為例 [J].現代信息科技，2020，4（22）：189-191.

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：控制技術與應用;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;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。