基于虚拟仿真技术的电气控制与PLC教学改革实践研究

林雪冬　孙建

摘   要：随着“互联网+教育”的不断发展与融合，传统教学手段已无法引起学生的兴趣和关注，难以实现良好的教学效果。教学改革实践中借助虚拟仿真技术使抽象的电气控制原理图“动起来”，生动具体的展现电气控制过程与电气元件的响应情况;同时，探索PLC-电气控制仿真与传统实训相结合的教学方法，达到激发学生学习兴趣，提高学习效果的目的。

关键词：虚拟仿真技术  电气控制与PLC  教学改革

中图分类号：G642.0                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0236-03

PLC（可编程控制器）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种通用的工业自动控制装置，因其具有高可靠性、强抗干扰能力、高实时性，操作简单以及系统设计调试方便等特点而被广泛应用在冶金、化工、交通、电力等多个领域[1]。可以说，现代工业控制离不开PLC，现代化企业发展需要大量具有PLC设计与调试经验的高技术技能人才。

1  电气控制与PLC课程教学现状

现代高职教育不仅要培养学生具有扎实丰富的专业知识、较强的实际动手操作，还必须具有一定的创新能力，而这些能力大多需要通过实践教学环节（实验实训）来获得。以电气控制与PLC课程为例，这是一门实践性很强的机电类专业课，提高课程教学效果的有效途径是采取理实一体化的教学模式。但目前该门课程的教学（尤其实践教学环节）存在着以下问题[1-3]。

（1）教学内容抽象。由于教学内容大多为电气电路控制或PLC程序指令，学生难以弄清楚相关的工作原理和工作过程;（2）实验实训条件欠缺。高职院校在实验室建立真实的被控对象实验装置难度较大，而现有实验设备维护困难，功能也很难与时俱进，无法满足多样化教学需求。且随着高校扩招，学生人数增加，学校的实验实训条件难以跟上，不少学生得不到真正的动手机会，学习效果较差;（3）学生存在心理障碍。由于害怕损坏实训设备，学生不敢大胆动手操作，势必影响实训效果;（4）学生难以接触到工程实际案例，难以培养其解决工程实际问题的能力。

为此，电气控制与PLC课程的教学改革重点在于借助虚拟仿真技术，对电气控制、PLC程序进行模拟仿真，通过形象、生动、具体的模拟情景、响应过程，动态地学习并理解电气电路控制原理与PLC程序控制。并且，在仿真的基础上完成传统实训装置的接线调试，实现理虚实一体化教学。这种模式将能够克服实训条件不足的瓶颈，也能极大的促进学生的学习兴趣。此外，对具体的工程实际案例，也可在仿真平台上实施电路搭建以及PLC程序功能的实现。

2  虚拟仿真技术的教学应用

2.1 电气控制电路虚拟仿真

在学习电气控制与PLC课程时，一般先要了解常用的低压电器，这里面主要让学生弄懂继电器、接触器的工作原理，然后则是学习基本的电气控制电路及原理，如自锁、互锁的概念以及电动机的正反转控制等。教学过程中，在给学生讲解知识点概念，分析电气控制原理时可借助虚拟仿真软件，引导学生在仿真平台上进行接线调试。以电动机的正反转控制为例，图1所示是其电气控制原理图。图2则是采用宇龙机电控制仿真软件平台搭建的电机正反转控制模拟图。当按下启动按钮SB2时，“正转”电路会接通并显示“红色”（代表有电流通过），电机开始“正转”。若学生接线发生错误，则会出现“×”号提示。如果学生选择的电气元件型号不匹配或者参数设置不恰当，则在模拟电机运行过程中会出现“接触器烧毁”、“电机烧毁”、“电线烧毁”等情景，以提醒学生更正。当按下启动按钮SB3时，“正转”电路会被切断，直接转换为“反转”电路，电动机发生“反转”。当按下SB1时，整个控制电路断开，主电路被切断，电动机停止运行。

通过软件模拟仿真，能够非常直观的观察到电路、电气元件的响应情况，帮助学生理解电气控制原理。教学中学生也能放手进行接线模拟调试，不怕出现故障烧坏电气元件，也不必担心元件数量不够，从根本上解决了实训设备不足的难题。并且，学生可以不限时间、不限次数地实施任意电路的仿真，大大扩宽了实训内容，提高了学生动手操作的积极性和学习效果。

2.2 PLC控制系统的虚拟仿真

除了对电气控制电路的虚拟仿真外，对加入了PLC的电气控制系统也可以进行模拟仿真。仍以电机的正反转为例。图3所示为PLC接线图和电机正反转的PLC程序（梯形图）。图4所示为采用PLC控制的电机正反转模拟图。可以看到，在本例中，加入了PLC装置后，控制电路部分的电路接线大为简化。通过虚拟仿真，可以帮助学生及时发现梯形图编写的正确与否。这样就可以改变传统课堂上只能依赖老师的判断来进行编写梯形图的局面，提高了教学效率。

2.3 典型案例的理虚实一体化教学改革实践

小车的自动往返运行以及在特定位置的定时停留在工业上应用较为广泛，比如：料仓落料与输送。针对这一实际工程案例，在引导学生进行电气控制线路的设计时便可借助于虚拟仿真技术。首先，确定控制对象运行所需的所有电气元件。在本例中，主要元件为电动机、接触器（2个）、行程开关（至少2个）。其次，设计控制电路并按要求编写PLC程序。然后，采用仿真软件对电气元件进行接线、编程与模拟调试运行。待方案确定无误后，最后，进行实物接线与调试。图5所示为PLC仿真效果。图6则是待用的实物接线调试，其中，接触器线圈的吸合与断开动作代表着电动机的正、反转，即为小车的往返动作。

3  虚拟仿真技术在教学改革实践中取得的成果

近兩年的教学中，笔者在电气控制与PLC的课程教学中广泛地使用了虚拟仿真技术，取得了良好的教学效果：（1）增强了学生的上课兴趣。软件仿真直观生动，能将抽象的程序形象化、具体化，让学生更加容易理解;（2）提高学生的编程能力。软件的离线仿真功能能够让学生在没有PLC硬件设备的情况下随时随地练习编程，而且能够及时判断编制程序的正确与否;（3）学生解决实际案例的能力明显提高。利用仿真软件，学生可以不再过度地依赖老师的判断，完全可以自己编程、自己验证，大大提高了其练手练脑的机会。

4  结语

以上叙述清楚地展现了虚拟仿真技术应用在电气控制与PLC课程教学中所发挥的巨大作用。用计算机全真模拟被控对象，不仅能直观地观察到实际控制情景，而且还能让学生更加清晰地理解PLC的编程技巧及应用。基于虚拟仿真技术的理虚实一体化教学实践，以有限的设备、低廉的成本、多样化的程序丰富了教学内容，提高了学生的兴趣和积极性，增强了学生的工程实践经验，真正意义上实现了毕业即上岗，上岗即能胜任工作的高职教育目标。

参考文献

[1] 李杰臣，刘琼.PLC软件仿真技术在教学中的应用[J].成都航空职业技术学院学报，2006，22（1）：25-27.

[2] 张宏伟，王新环.虚拟仿真技术在现代电气控制教学中的应用[J].实验室科学，2018，21（1）：89-92.

[3] 李斌，邹灿红.电气控制与PLC应用技术仿真教学应用研究[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：58-60.