基于“视频+虚拟仿真”模式的PLC虚拟实训平台构建

李时辉　贾淑江　刘炜娜

摘要：针对当前PLC实践教学中难以将PLC应用现场引入课堂的问题，提出了一种基于“视频+虚拟仿真”模式的PLC虚拟实训平台，并以机械手实训项目为例介绍了实训平台的构建方法。经工商学院的近一年的教学实践证明，该虚拟实训平台可有效提高学生学习的积极性及创新精神，实训教学效果得到了进一步的提高。

关键词：PLC；虚拟实训；平台；构建

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1920-03

可编程序控制器（以下简称PLC）已成为工业自动化的三大支柱之一，在工业生产中发挥着及其重要的作用 [1]。PLC是一门应用性很强的课程，需要通过大量的实践教学，方可培养学生掌握一定的系统设计及维护能力。各高校也通过多种途径以提高学生的实践能力，如选用浙江天煌仪器公司等专业仪器公司的PLC模拟实训设备[2]，此类设备固然有使用安全等优点，但也存在价格高、更新难、与实际完全脱节问题；也有部分学校探索“双元制”的教学模式[3]，旨在加强学生的实践能力，这类模式固然能有效提高学生的实践能力，但因考虑安全及影响企业正常生产等原因，很少有企业愿意为学校提供实践场所；随着组态软件的功能越来越强大，部分学校探索使用仿真技术建虚拟实验平台[4-5]，并取得了较好的效果，该实训平台将企业生产现场通过虚拟的模式表现出来，但因工作流程都是用动画的模式展示出来，学生在课堂上仍无法真正意义上亲临企业生产现场，若将企业生产现场通过直播模式引入到课堂投入又是相当大。义乌工商职业技术学院（以下简称工商学院）开展了积极而有效的探索，构建了基于“视频+虚拟仿真”模式的PLC虚拟实训平台，该平台将一些典型的企业生产现场拍成视频，经处理后导入到PLC的虚拟实训平台，再根据视频编制实训画面，该平台的实现有效的解决了企业生产项目难进课堂的问题。

1 “视频+虚拟仿真”模式的虚拟实训平台构建

2 机械手实训项目的构建

2.1 机械手工作视频的导入

深入企业PLC的应用现场，并将现场PLC的整个工作流程拍成视频，将视频导入实训平台即可非常简单的将PLC的应用现场引入课堂，让学生在课堂内即可了解PLC的实际应用。当前组态王软件可播放AVI动画，因此在将机械手工作视频导入组态界面时，应先将视频格式转换为AVI格式，运用组态王软件内的播放动画控件播放视频。将视频导入实训平台，在开展实训前，学生通过视频即可知道自己所编程序最终所需达到的效果；在实训中，学生可通过视频分析机械手的工作流程，结合视频开展PLC程序的编制与完善；PLC程序编完后，学生通过将实训平台内机械手的工作过程与视频内机械手的工作过程相比较，即可知道自己所编程序是否准确。

2.2 机械手的工作流程及步骤分析

第一步：系统从原点旋转至工件A点角度

S1：机械手顺时针旋转至A点工件角度时，机械手停止旋转；

S2：机械手右移，到达A点上方后停止右移；

S3：夹紧装置下移，到达物品所在A处上方后停止。

第二步：工件在A点抓取并运动到B点

S4：夹紧装置工作，将工件A抓住；

S5：机械手上移，碰到上限开关后停止上移；

S6：机械手顺时针旋转到达工件加工处B点时，机械手停止旋转。

第三步：工件在B点加工完成后运动到C点

S7：机械手下降至下限开关后停止；

S8：机械手夹紧装置松开，工件放置于B点；

S9：机械手上升至下限开关后停止；

S10：系统开始计时，等待物品加工完成；

S11：物品加工完成，机械手下降至下限开关后停止；

S12：机械手夹紧装置工作，将加工完成后的工件抓取；

S13：机械手上升至上限开关后停止；

S14：机械手顺时钟旋转到达C点，机械手停止旋转。

第四步：将工件安放至C点后回到A点，继续循环下一轮工件加工流程

S15：机械手下降至下限开关后停止；

S16：机械手夹紧装置送开，将加工完成后的工件放至C处；

S17：机械手上升至上限开关后停止；

S18：机械手逆时针旋转至A点工件物品上方，继续循环开始下一轮工件加工流程。

2.4 编制控制流程程序

为使编制的机械手生动地再现从原点移动到A点，从A点工件的抓取到最后将工件放置C点，再返回到A点继续循环开始下一个工件加工流程的整个工作流程，机械手的旋转、上升、下降、抓取及放置等动作可通过动画编制，但机械手什么时候停止上升、停止下降及开始抓取等工作，需通过编制脚本程序改变系统变量来实现，当变量产生由“1”变“0”或者由“0”变“1”，机械手开始相应动作。

2.5 上位机与PLC间的通讯设置及调试

将上位机与PLC间通过COM串口进行连接，并对串口的波特率及串口号等进行配置，设置波特率为9600，在设置时还需特别注意所设置的串口号应与实际连接的串口号一致，如设置的串口号为COM1，则连接的串口也为COM1，否则上位机与PLC间将无法完成通信。通讯完成后即可将正确的PLC程序下载至PLC即可对系统进行调试，在调试时应参照视频内的机械手工作流程进行，通过调试检查所开发的系统是否存在问题或不足，再对所存在的不足进行完善。

3 实践成效

与现有几种PLC实践教学模式相比，采用视频与虚拟仿真相结合模式开发的虚拟实训平台进行实践教学，从设备投入、安全系数、实训项目与实际相结合等方面有明显优势。

3.1 实训项目与实际相结合，实践教学效果好

任课教师根据学生的学习规律，结合PLC的理论教学要求，设置了实训项目，并将该实训项目的应用现场视频经采集处理后导入到实训平台，学生在课堂内即可与PLC实际应用现场实现零接触。实训平台在项目的设置上符合学生的学习规律，项目本身又来自于PLC的应用现场且通过视频方式直观呈现在学生面前，提高了学生学习的积极性和针对性，实践教学效果有了进一步提升。

3.2 设备投入少、维护成本低

运用该平台开展实训工作，每个实训工作台仅需配置PLC、电脑PC机及所需供电电源即可，不再需要其它的投入，以每个实训室共有20个实训台为例，每个实训室的投入仅约10万元，在使用过程中也不会有任何的损耗，维护成本几乎为零。若要通过实物方式完成实训平台的实训项目，购置设备的资金投入是巨大的，至少在100万以上，放置实训设备的空间也是任何一个学校无法给予的，实训过程当中的维护成本也是相当之大。

3.3 操作对象均为虚拟，实训安全系数高

PLC的应用现场多在工业生产过程中，所带的设备有相当一部分为三相设备，运用实物开展实训具有较高的危险性，如在开展电机正反转的实验时，若所接线路出错将很可能将电机损坏，学生自己所接的线路也是一个很大的安全隐患。而在该实训平台中，除了PLC外其它所有的设备都是虚拟的，不需任何的接线，若实训学生编制的程序错误也不会损坏 PLC，更不会影响到人身安全，实验的安全性得到了极大提升。

4 结束语

该实训平台通过视频模式将机械手在生产现场的工作流程导入到平台中，学生在课堂内即可达到“亲临现场”的效果，有效解决了教学与实际相脱节的问题；用组态软件构建了虚拟实训平台，在虚拟实训平台上学生可开展相应的实训项目，有效解决了深入企业现场实训受时间、设备及安全等影响的问题。通过工商学院的近一年的教学实践证明，该虚拟实训平台可有效提高学生学习的积极性及创新精神，实训教学效果得到了进一步的提高。

参考文献：

[1] 常斗南.可编程序控制器[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 彭新一，童燕青.构建实验室科学管理体系的思考[J].华南理工大学学报：社会科学版，2009，11（1）：61-63.

[3] 苗红霞，齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理，2010.3：136-139.

[4] 李时辉.基于组态与多媒体软件的PLC虚拟实训平台构建[J].现代电子技术，2013（5）：142-144.

[5] 董增文，胡瑢华，刘国平.机电控制器类课程虚拟实验系统的研究与开发[J].实验技术与管理，2011，28（8）：53-56.

[6] 石玉明，李锡辉.PLC在机械手控制装置中的应用[J].自动化技术与应用，2004（3）：36-37.