虚拟仿真实验在工程能力教学中的应用

刘霞 李小斌

摘  要：虚拟仿真实验是对课堂理论及硬件实验教学的补充和延展，文章以“电气控制及PLC”课程改革为背景，通过一个工程实例介绍Automation Studio 仿真软件的使用方法，阐明在项目教学法的驱动下通过虚拟仿真实验，既能充分调动学生学习积极性，又能克服学生在学习时间和地域上局限性，同时有效的利用教学软、硬件资源。通过实践证明虚拟仿真实验教学效果良好，对提高工科学生的工程设计能力有较好的辅助作用。

关键词：电气控制;项目教学法;仿真;在线学习

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）05-0115-03

Abstract： Virtual simulation experiment is a supplement and extension of theory and hardware experiment teaching. Based on the reform of "Electrical Control and PLC"， this paper introduces the method of Automation Studio simulation software and illustrates that not only the students' learning enthusiasm can be mobilized， but also the limitations in learning time and region can be overcome by virtual simulation experiment， and teaching software and hardware resources be effectively utilized. It has been proved through practice that the teaching effect of virtual simulation experiment is good， and it has a good auxiliary effect on improving the engineering design ability of engineering students.

Keywords： electrical control; project teaching method; simulation; online learning

引言

根据电气工程及其自动化专业与《普通高等院校本课专业类教学质量国家标准》和《中国工程教育认证标准》对接后修订的本科人才培养方案，“电气控制及PLC”课程是在完成“高等数学”、“大学物理”、“电路分析”、“电机拖动”等工程基础课程之后开设的专业基础课程，是本专业的核心课程之一，扎实掌握本课程知识点可以为学习后续的“自动控制系统”、“电力系统分析基础”等课程以及提高工程设计能力打下坚实的基础。课程首先要求掌握各种常用电器工作原理、结构和性能，其次在系统中能分析各种工作状态并做简单的设计应用。为了进一步提高教学质量，在传统理论教学和实体实验基础上，采用基于仿真的项目教学方法，训练学生达到快速分析项目目标、完成项目，学习过程中能够选择适当的仿真工具进行问题分析、设计/开发解决方案并进一步研究的要求，能初步掌握绘制电气控制图等相关职业规范，要求学生具有终身学习的意识，通过自主学习发展自身能力，达到《普通高等院校本课专业类教学质量国家标准》和《中国工程教育认证标准》中相应毕业要求。

《标准》中提出“适当增加实践性教学环节学分比重，引导学生自主学习，为学生全面发展和个性发展提供充分的自主空间。”本项目教学法以此为核心思想，以微课形式引导学生利用更多的课余时间学习，同时引入适当的仿真软件作为学习过程的应用工具，该软件具有分时段授权使用功能，只要服务器在线，学生在固定实验室固定时间学习之余，都可以“将仿真实验室带回宿舍”， 充分利用自己的时间和空间自主学习，再回到实验室寻求指导教师帮助解决疑难问题，实现以“学生为主导”的角色转换。

一、“虚”“实”结合的必要性

项目指导教师利用网络发布项目题目以及预备知识授课视频并给出仿真实验要求，学生利用课余时间分组在线学习探讨，充分利用课余时间，将课堂理论知识有效的延展[2]。在学习过程中，学生可以感受到实验室的“虚”“实”结合有着重要的意义。一方面，Famic虚拟仿真实验弥补了硬件实验室时间限定的缺陷，在有限的时间内学生不一定完全理解实验过程和被测数据的物理意义。在仿真过程中通过掌握虚拟测量仪表的使用，学生对数据反复测量，多次比较，将多参数曲线进行分析，才能够更深刻地了解各个知识点和参数的物理意义，使学习更轻松、更直观，大大地激发了学生的学习兴趣，另一方面，《中国工程教育认证标准》中毕业要求5中提出“学生能够应用仿真软件预测和模拟电气工程中的實际问题”的同时强调了“能够理解仿真结果的局限性”，通过与实体硬件实验室的数据做对比，学生明白了因受到应用环境以及仪器精度和测量准确度的影响，在实验过程中的仿真数据作为设计参考时，还要不断地进行调试才能达到控制要求，实验只有“虚”“实”结合、深度分析，才能得出科学的结论。虚拟仿真实验为工科学生拥有一定的工程设计能力和设计技能提供了强大的支撑作用。

二、仿真软件介绍

Automation Studio是一款由加拿大Famic公司开发的综合仿真软件，该软件能进行多领域建模仿真，系统可由电气、气动、液压之类的单一技术构成，也可由多种技术综合构成。软件通用性强，已成为控制领域设计人员进行系统设计与仿真优化的一项重要工具。该软件界面简单、易学易用的特点使其在电气控制的辅助教学方面发挥了重要作用。学生可以通过建模、编程、仿真等一系列实践活动以直观的方式完成电气控制系统的学习[1]。

三、具体应用

现以控制运料小车项目为例进行仿真软件应用说明。

（一）项目分析

首先布置项目，对项目任务要求进行分析，找出涉及的知识点做实验前期预习准备工作。

1. 控制要求

要求控制一辆运料小车，由一台三相异步电动机驱动，到指定地点A装料，5分钟后返回到B点卸料，3分钟后再装料。在任何时间任何地点小车都可以人工手动停车，再进行装料或者卸料的运行操作。

2. 项目控制硬件配置

（1）总停控制开关SB，前进开关SB1，后退开关SB2。

（2）A、B点安装行程开关SQA、SQB作为自动返回信号。

（3）时间控制选用具有定时功能的控制设备时间继电器A、B。[4]

（二）发布微课视频——课外知识点学习

本项目控制任务简单，涉及的知识点有：①三相异步电动机的正反转;②基本电气控制元件的使用;③电气主线路图和辅助线路图的绘制。其中，知识点①在“电气控制及PLC”课程中已经讲授并做了相应的硬件实验巩固其工作原理。知识点②和③属于工厂常用电器设备领域，要求学生首先通过教师提供的资料学习接触器、继电器的工作原理，了解主回路、简单控制回路的控制逻辑关系，运用基本的触点串、并联连接、定时器等实现控制功能[5]。教师在实验前将相关内容做成微课视频发布，便于学生在线学习。

（三）仿真模型搭建

在网络平台上布置完项目任务后，由学生利用业余时间相互进行讨论，完成设计并手绘电气控制图，教师在大家讨论的基础上进行点评。随后利用开放实验的固定时间，在实验室集中指导在Famic Automation Studio中搭建模型，训练学生对于项目所需元器件的选择与应用，以对整个系统有整体的把握，学生将各自的模型搭建完后，教师给出参考模型如图1所示。

（四）仿真调试

在Automation Studio中进行仿真，观察模型工作情况，并根据仿真情况对错误或不合规范的绘图进行修改。在此阶段，可通过运用虚拟仪表测试系统运行数据了解电机运行特性，实时对应显示每一仿真步骤的模型运行情况，也可以设计预定故障，观察数据变化，进一步掌握系统运行的实际情况。将数据、波型或曲线记录下来如图2所示，撰写实验报告[3]。

（五）项目延伸

项目设计仿真结束后，对学生布置升级任务训练拓展能力，要求应用顺序功能图SFC中的结构化文本实现二维动画制作，生动再现符合控制要求的动态演示如图3所示，更直观地理解控制过程;有能力的学生可以通过自学S7-1200PLC应用技术[5]完成相应的控制任务。结构化文本如下：

（六）综合评价

以上步骤学生独立完成后，将仿真过程录制成视频，在演示过程中解释说明控制原理，参数变化的意义，撰写2000字左右的实验报告，包括实验涉及的知识点，实验中掌握了哪些虚拟仪器的使用方法，实验现象说明，以及对实验过程的感受，通过邮件发给教师。教师对学生的任务设计情况进行点评，指出存在问题，帮助找到解决的方法。

通过以上步骤，实现由布置项目到目的性学习，再到利用所学知识逐步完成任务的探索，有利于学生对整个电机的控制系统有初步了解，对控制逻辑关系能以一种更直接明了的方式来验证，Automation Studio软件平台对控制结果以一种非常直观的方式进行了仿真;学生在掌握使用了该软件后，亦可直接在工作中用此软件进行相关的设计仿真，且在机电一体化、液压、气动如图4等领域课程的自主学习中，能拓展自身的专业技能。

四、结束语

在项目实施过程中混合使用了利用网络进行的互动式教学、微课的移动学习模式、基于Automation Studio软件的在线学习模式，优势在于：（1）学生能针对个人学习情况反复观看微课视频，根据个人进度安排学习时间，使得时间的安排相对自由化。（2）在固定实验室未完成的任务，可以在线学习的方式继续完成项目，克服了地域上的困难，充分共享资源。在线学习模式得以实现的关键是Automation Studio软件的分时段授权使用功能的使用，解决了硬件实验设施不足和受时间限制的难题。虚拟仿真实验室的建设有效地提高实践教学的比例，是工科学生更好地走进生产、面向工程的一种值得推广的方法。

参考文献：

[1]曹贺.Automation Studio 在液壓系统设计中的应用[J].广州：机床与液压，2010（9）：53-55.

[2]李现友.Automation Studio 软件在电液比例控制系统课程教学中的应用[J].北京：液压气动与密封，2013（9）：48-50.

[3]李华.基于Automation+Studio TM的PLC任务型在线学习模式构建研究[J].北京：科技创新导报，2014（20）：20-21.

[4]周润景.基于Automation Studio的PLC系统设计、仿真及应用[M].北京：电子工业出版社，2012：67-78.

[5]王淑芳.电气控制与S7-1200 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2016：23-30.