虚拟仿真技术在电气专业课程可编程控制器原理教学中的应用研究

邹欢 张雪萍 杨彦鑫 苏红梅 李裕 黄兆波

随着高校素质教育改革的深入进行，传统的教学方法越来越不能适应时代发展的要求，可编程控制器原理是电气专业的一门重要专业课程，如何帮助学生尽快的掌握电气控制及可编程控制器原理的的相关理论知识，同时提高学生的实践动手是能力，是该课程建设和改革的重点问题。而虚拟仿真技术是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。通过仿真技术模拟实际的物理系统，如工业现场的各种设备和场景。学生能通过计算机显示器认识形象生动的虚拟环境，熟悉理论过程，并能进行实验操作，观察实验效果。

可编程控制器原理课程这门课程的学习不但需要系统的理论学习做基础，更加需要充足的实践操作。在教学过程中，将虚拟仿真技术跟课程教学结合起来，通过建立仿真模型和进行仿真实验，能让学生了解一般电气自动化控制系统的组成和控制方法，将抽象的电气设备及控制过程用虚拟仿真的形式在计算机上显示出来，建立系统控制的概念。其次学生能综合运用所学电气工程专业相关理论知识，自己动手完成各个部件的动作控制流程，锻炼学生理论联系实际、综合应用知识的能力，更能充分调动学生的学习积极性和主动性。因此，深入研究虚拟仿真技术在课程讲授及实验中的应用优势，并将其应用在教学中，在教学过程中，具有重要的意义。

一、可编程控制器原理课程教学现状

（一）以理论设计为主

目前，可编程控制器原理课程仍以传统的课堂讲授为主，侧重课堂理论讲授，设计结果用仿真软件在计算机上对部分内容进行仿真。这种教学模式下，课程内容偏理论化，缺乏培养学生实际岗位能力的硬件设施，没有职场化的实战环境，学生毕业后难以立马适应相关工作岗位要求。

（二）利用综合实训考核装备

利用由专业的教学仪器公司开发的综合实训平台，该实训平台被控对象能够利用真实的传感器来控制被控对象。通过设备的拆解、安装、试验和调试，大大提高了学生的动手能力，学生参与积极性高。但是实践操作时受到设备数量、品种、场地等方面的限制。同时，这种教学模式所需课时长、实验耗材消耗大，综合实训设备的购买、日常维护成本高。

二、可编程控制器原理课程虚拟仿真教学模式构建

（一）虚拟仿真教学资源建设

目前，大部分学校由于设备的台套数较少，使分组实验的学生人数较多，每一组实验控制程序的编写、调试需要花费大量的时间，不能满足实践教学的需要，教学效果也不理想。实现虚拟实验的仿真技术往往根据实验对象和技术的不同而不同。引入虚拟仿真技术后，对于可编程控制器原理课程及虚拟实验系统，我们主要采用了组态技术实现。组态技术是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置、自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。组态软件能利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作构成系统。组态软件具有用户可订制的功能，能开发可编程控制器的控制对象;还具有强大的通讯和监控功能;具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样和运行可靠的特点。通过组态技术构建的虚拟实验平台不仅能提供形象的被控对象，展示直观的控制效果，而且具有良好的重用性和拓展性。

（二）教学模式改革

在进行实际操作前，学生根据装配单元的控制要求，先完成控制程序的编写。将编写好的程序下载到PLC中运行，在计算机上观察虚拟仿真模型的动作以验证程序的正确性。在虚拟仿真场景中反复调试成功后，进入真实实训操作，大幅度提高了设备的有效利用率，解决了学校实验、实训条件建设投入不足的问题。

三、虚拟仿真教学模式建设的思路

（一）构建虚拟仿真教学系统

为解决现代电气控制技术实验装置成本高、结构复杂、很难满足学生课外自学需求的问题。我们利用组态软件模拟可编程控制器控制对象，结合可编程控制器仿真软件及NetToPLCsim软件，。将设计的虚拟仿真系统应用于实际教学，虚拟系统无需实际物理控制对象便可实现对可编程控制器控制程序的调试和仿真运行，節约了设备成本，激发学生学习兴趣，提高了授课效果与实验效果。

（二）教师运用现代化教学技术能力

目前虚拟仿真实训场景的设计、制作多由专业公司完成，与专业课教师在对接上还存在一些问题。教师缺乏设计、修改虚拟仿真场景的能力，项目固定化。因此，不断提高教师将真实工作任务、场景转化为教学内容的能力，也是开展虚拟仿真教学的重要保障。

（三）学生自主开发虚拟仿真场景

虚拟仿真技术的应用，可以促进教学方法的现代化和教学手段的多样化，让学生自主开发虚拟仿真场景，不但可以提高学生的查阅资料、三维建模、建立人机界面、编程调试的综合能力，还可以快速的增加实训项目的数量。

四、结束语

综上所述，通过引入虚拟仿真技术，操作虚拟的实验对象，即可进行各种理论教学模拟和实验，达到与操作真实的实验被控对象相同的目的，解决学校实验、实训条件建设投入不足的问题。同时，虚拟仿真开放性的特点，可随时扩展工作场景资源库，解决校内实训设备落后于企业先进设备、教学过程与生产过程缺乏对接的问题。