VR技术在PLC实验室的应用

刘雁 李杏彩 王天佐

摘  要：VR虚拟现实仿真技术提升了人的感官能力，引领实验教学模式革新。为提升学生的工程实践能力，满足企业的实际生产需求，结合VR技术对PLC实验课程的教学内容、教学实践工具以及教学方法进行了研究，并将硬件成果应用到PLC的实践教学当中，横向对比了不同教学工具下的案例完成效果。实验结果表明，VR技术的引入能够从客观上提升教学内容的准确率，同时在主观上调动学生的学习积极性，提升学生的学习兴趣和动手实践能力。理论探讨和教学实践为一线的教学提供横向参考。

关键词：VR技术;虚拟仿真;PLC;实验室建设

中图分类号：TP391.9     文献标识码：A 文章编号：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

普通高等院校的實验课程一直以来都是以使学生掌握一线实际生产、建设流程以及使学生获得管理技能为基本培训目标的核心课程。实验教学内容有效地为学生拓展了课本以外的知识，同时还有效提升了学生的动手实践能力。实验课程是高等院校人才培养的基本载体，优越的实验室软硬件条件是保证一线教学质量的重要指标。PLC控制技术课程是机电类专业以及自动控制专业学生的基础课程，从培养方案的目标来看，本门课程的实践性很强，无论对学生目前的理论知识学习还是面向未来的工作实践，其均在人才培养的进程中起着重要的支撑作用。实验工具是学生完成理论学习，实现动手实践的关键所在，不同的实验工具和方法对实验结果具有决定性的影响。随着高精尖软硬件技术的快速发展，越来越丰富的实验硬件扩充了原有实验室的基本功能，对此本文以培养学生工程能力和创新能力为目的，创新性地将VR技术引入PLC实验室的日常课程中，丰富了学生的实验工具手段，提升了研究内容的深度，降低了解决问题的难度。同时本文也结合实际教研过程，反思课程的目标设置和内容设置，从PLC课程的教学内涵建设与教学资料完善的角度提出了课程改革的相关探索。同时通过教学工具和教学方法的综合运用，将硬件应用成果应用到PLC的实践教学当中，横向对比了不同教学工具背景下的案例完成效果。

1  师资队伍和教材建设

1.1  师资队伍建设

实验室课程建设和课程改革的基础是师资队伍的建设。在将VR技术引入实验课程中以后，已有的师资结构需要一定的调整。在复合型人才培养的背景之下，复合型的师资力量也是实验室建设的重要组成部分。因此实验室师资队伍中需要引入VR技术硬件应用方向的技术骨干来壮大师资队伍，要求其不仅具有将PLC技术转变成理论的知识背景，同时还要具有VR硬件设备的工程应用经验和技能[1]。在授课过程中需要以工程应用理念为指导，对原有的课程体系进行解构，更新原有的知识体系。

1.2  教学体系建设

硬件技术引入之后，还需要对课程教材的理论知识进行及时的更新。VR技术本身属于硬件应用的范畴，其基础理论可以作为“黑箱”模型来理解，但是在PLC理论的讲授过程中，还需要有理论上的交叉点，例如在实验课程进行当中，其三维可视化界面完全是由VR技术承担的[2]。传统的实验室PLC课程内容往往侧重于指令和理论内容的介绍。因此在实践环节中必将受硬件成本及实验场地的限制，实践效果并不好。但是VR技术借助于低成本的虚拟现实可视化条件，能够有效地弥补场地和硬件展示的不足。因此在课程设计和教学内容的编排上，需要参照硬件产品的技术要求和产品性能进行整体项目的联合设计，此外，VR技术的应用也丰富了教学体系[3]。

2  VR虚拟现实仿真技术在PLC教学中的整合运用

2.1  在PLC理论讲解中的运用

实验室课程面向基础年级和高年级的学生，对基础年级的学生来说，通过虚拟现实仿真技术能够有效地提升学生对所学专业的基本认知。在实验教学开始之前，教师可通过VR技术详细讲解PLC的关键技术和相关理论，让学生对实验课程有一个基本的了解和认知。在这个节点上可以结合VR虚拟仿真设备展示PLC基本原理等课程内容，尤其是在进行理论知识的讲解时，借助虚拟仿真平台可以使学生更加清晰地认识PLC输入/输出端子以及二者之间的基本关系[4]。以虚拟仿真平台作为学生演示的实验设备，可让学生清楚了解PLC的实体内涵，以及信号灯和信号线的功能及组成意义。结合系统的基本原理，学生也可以通过VR硬件设备进行可视化操作，强化学生对基础知识和理论的理解。

2.2  在軟件入门讲解中的运用

在实践过程中，教师也可以通过虚拟仿真平台为基础年级的学生讲解入门基础理论知识。通过VR软件能够以立体可视化的形式阐释软件中基本的画面配置，同时还能够有效地针对基本流程和基本方法进行降级。参照从简到繁、从易到难的基本策略来完善软件的实际应用和操作，强化学生对编程指令的理解。同时教师还可以让同学结合VR虚拟仿真的索引窗口对软件的操作命令和操作方法进行模拟式的学习[5]。教师能够在PLC的实验教学过程中通过虚拟实验平台，从人物设定、端口配置以及程序描写到最终的模拟仿真的全过程进行延时。进而增强理论基础知识学习的趣味性，同时还能有效地提升教学效率。此外，结合VR展示技术，能够使学生在较短的时间内学会PLC的编程方法。

2.3  在案例讲解中的运用

除了对理论知识的基础学习外，在PLC的教学实践中案例讲解也是课程学习的重要组成部分，教师可以通过对虚拟实验平台的开发和应用，提升案例实践环节的教学效果。教师可以根据实际的教学氛围和教学内容与学生积极互动。利用VR可视化实时展示效果让学生自行寻找解决问题的基本办法。在教学过程中可以以三维仿真动画的形式直观地对教学内容进行表达，为学生营造轻松愉悦的学习氛围。在虚拟现实环境中进行知识和技能的学习，能够深化对问题的理解和思考。教师采用因材施教的方法，借助虚拟实验平台开展实验，同时也可以结合教材内容挑选一些实际案例来激发学生的学习兴趣。尤其是在案例的选择中，应尽可能地贴近学生的实际生活，例如餐厅的呼叫控制、交通信号灯之间的人流和车流控制等。学生结合以往的生活经验，能够有效地在虚拟环境中深化对传统知识的理解。同时VR虚拟环境也是团队工作的重要载体，硬件设备的设计需要以小组合作的方式共同完成。在这个过程中团队的案例教学不仅能够有效地拓展学生的创新思维能力，还能够充分锻炼学生的团队合作意识，助力学生综合能力的提升。

3  实验课程内容建设

3.1  课程内容设计

PLC实验室作为一门自动化技术应用的实验室课程，在现代化工业中被广泛地使用，借助PLC技术能够构建网络化、自动化实验平台，进而实现智能化的控制，提升数据传播的效率，实现数据信息的互联互通和共享。PLC网络化实验平台的建立能够有效提升各个控制单元之间的关联性。同时VR技术可以作为硬件条件引入实验课程，整个实验课程体系仍旧是以PLC控制课程理论为基础，以VR技术作为辅助工具。课程内容的设计应依据学生就业的实际需求并以个人能力和个人素质作为参照。实验教学的过程仍旧是从真实的编程任务中提炼实验进程和实验方法。因此需要设计出适合学生学习进程的典型任务，因此在实验室内结合VR技术将PLC课程知识点重新分解和重解。最终凝练出相关内容的典型载体，实践进程如图1所示。

其中，基础原理仍然是整个课程的核心所在，在实验教学过程中仍旧是将PLC基本概念和基本的逻辑指令操作作为课程设计及实践的核心。在此基础上通过不同的程序设计方法（Python与C语言任选其一）进行控制系统的搭建，最终在人机界面的交互上，可以由VR硬件进行虚拟交互展示，实现整个过程的完整应用。在这个过程中，基础理论的授课完成了原有知识的分解，同时在程序方法搭建的过程中也重新建立了全面的仿真知识体系，VR技术的引入重组了PLC知识结构，丰富PLC实验课程的展现形式。

3.2  学习情境设计

在引入VR技术之后，结合实际教学内容对4个典型案例进行了分析。并且在实际教学过程中采取企业的项目管理模式，进而培养学生的动手实践能力，提升学生的学习高度和工作责任心。熟悉“接受任务—消化与准备—制订方案—绘制电气图与列元件清单—安装与调试—验收与评审—准备交工文件—文件交付与总结”基本工作流程。

4  教学实施

由于引入了新的教学硬件，因此在教学的课程设计上采用以任务驱动的教学方法，将VR技术的应用作为实验课程评分的重要标准。同时为了充分调动学生的学习积极性和主观能动性，提升新技术引入后的教学效果，课程在开始之前由实验教室特意安排一些实验案例供学生自行选择，学生进行实验操作时，可以任意选择传统的手工实践操作法、PLC软件模拟法和VR模拟法三种方法进行案例的实践操作。在同学之间进行“小组示范”“故障表单”“头脑风暴”“互设故障”等交互式操作，让学生分组独立完成，并且在完成的过程中通过采用不同的解决方案，对比了各种实践方法的优越性。其中案例的实践流程为：

（1）根据操作案例中被控对象的工艺要求进行电气系统的控制流程设计。

（2）对系统的需求方案及系统硬件进行设计。

（3）设备选型与设备型号的匹配。

（4）绘制原理图、元器件的布置图和相关节点的接线图。

（5）实现控制总线的配线及安装。

（6）实现上下位机的配线及开发。

（7）成果展示。

基于VR虚拟仿真技术的三维实验视频重构，首先将三维实验进程演示转变为分块矩阵：

其中，Q为实验过程的数量，R为二阶运算矩阵，M为PLC整数级视差函数。运算VR虚拟仿真技术的帧重组平滑项，通过求导方法获取中心距：

其中，d为求导的函数值，Θ为均衡系数，Gdα、Gdβ分别为VR扫描的平滑项。

在实践过程中，同学们依据不同的方案选择形式对所采用的方法进行了技术总结，其结果如表1所示。

依据不同的设计方案，本文也在学生们进行程序设计时进行了相关的调研测试，主要分为完成时间和程序调节准确率两项关键的指标，最后对程序完成时间和准确率进行加权平均，得到不同种类实现方法的综合效率，结果如图2所示。

在完成时间的对比结果中，手工方法是所需时间最长的方法。其次为采用PLC软件进行模拟，花费时间最少的是VR模拟的方法。但是在结果表达和程序实现上，手工方法的实验数据结果较为准确。在实践中我们发现，PLC仿真和VR模拟由于采用的是理想模型的运行方法，因此在数据结果上存在一定的偏差。同时VR技术营造的现场环境仍旧是虚拟仿真的环境，因此在现场对设备进行调试的过程中，学生们由于主观不经意而导致的手工错误比较明显。但总体来说，VR模拟法在数据结果的准确度上要优于PLC仿真的结果。因此在综合结果的表达中，VR模拟法为最优的方法。

5  结  论

本文基于实验室建设的基本现状和实际需求，探究了VR技术引入PLC實验室的可行性及应用效果。在学生们能够熟练掌握虚拟仿真技术的基本前提下，从平台框架内引入VR技术，实现教学效果和教学质量的双重提升。同时从传统手工建模、软件模拟建模和VR技术模拟结果来看，VR技术为PLC实验技术提供了良好的数据保障，具有较高的应用价值。

参考文献：

[1] 杨南粤，李争名.基于“VR+”的新工科创新实践虚拟演练实验室构建 [J].实验技术与管理，2019，36（1）：130-133+ 147.

[2] 武紫微.VR技术在现代高校课堂教学中的应用 [J].知识经济，2019（36）：101-102.

[3] 袁丽平.基于5G的VR/AR在高等教育教学的应用 [J].现代信息科技，2020，4（18）：190-192.

[4] 刘畅，王佳.职业院校VR校企联合实验室建设与人才培养 [J].实验技术与管理，2020，37（11）：241-245.

[5] 彭小平，凌双明.“三位一体、六环五步”混合式教学创新实践——以“PLC应用技术”课程为例 [J].现代信息科技，2020，4（22）：189-191.

作者简介：刘雁（1979.10—），女，汉族，山东青岛人，副教授，硕士，研究方向：控制技术与应用;李杏彩（1978.12—），女，汉族，广东江门人，讲师，硕士，研究方向：电路与系统;王天佐（1981.10—），男，满族，河北秦皇岛人，讲师，硕士，研究方向：思想政治教育。