时间：2023-03-05 10:50:01
关键词：技工院校 PLC实训装置 设计与制作
技工院校电气技术专业PLC技术及应用课程教学需要具备一个好的实训平台，然而现在学校使用的实验设备大部分都是封闭式的结构，这种结构只能使学生按照厂家的设定完成固定的实验模块，很难培养学生的创新思维和设计能力。而技工院校注重培养学生的动手实践能力，需要让学生很好地与生产实践相结合，显然这种结构的实验设备不适合学校教学的需要。
笔者所在技工学校电气技术专业培养的学生主要分为以下几个类型：一是中技班，二是双高班，三是初中技师与高中技师班。学校学生人数，在一个年级阶段就达到200多人，而学校的教学特点都是要求每个学生学会技能操作，因此作为电气技术专业必修课的PLC技术所需要的实训设备就必须满足学生的实训要求，确保实训学生一人一个工位。在这一前提下，我们提出设计开发适合学校学生实训特点的PLC实训平台。
现有的PLC实验设备并不能达到我们的实训要求，如一些实验教仪公司生产的PLC实验设备，PLC的输入输出点设计得不规范，很容易造成设备的损坏。一旦设备损坏，维修很不方便，而且费用比较高。另外学生在设备上只能进行一些实验操作，不能进行接线训练，更不能规范学生对PLC接线的工艺要求。因此，要满足学生的实训要求，就需要我们自己设计制作PLC实训台。由于天煌科技有限公司有比较成熟的实训设备制作工艺，因此学校选择与天煌公司合作的方式设计制作实训台，具体方式是，学校负责实训装置的设计与安装，实训工作台由天煌公司按学校的设计参数要求制作。
一、装置设计特点
实训设备主要采用继电器隔离的方式，将交流220V的电压与PLC的输出点（Y点）进行隔离，从而达到保护PLC内部继电器的功能。在这里我们主要考虑，是用PLC本身24V直流电源驱动隔离电路板工作，还是要另外设计一个开关电源来驱动隔离电路板工作。假设用PLC自带24V直流电源来驱动继电器工作，那么它的输出COM点很可能会与外部工作电压的COM连在一起。如果是这样的话，一旦学生将电路接错，就很容易将PLC的24V直流电源烧坏。基于此，笔者认为应在外部重新设计一个24V的直流开关稳压电源，用它来驱动隔离电路板工作，这样容易出现的安全隐患就可以消除了。
电路原理图的设计。以三菱FX-2N系列为例，在它的输出点（Y点）设计一块隔离板，用以保护PLC内部设备。设计思路是，输出点用24V的直流继电器进行隔离。在Y0～Y7、Y10～Y17、Y20～Y27之间采用24个24V的直流继电器进行隔离，隔离工作电压由24V的开关稳压电源提供，原理图如下图所示。
图 输出点隔离电路
电路中的三个模块分别是FX-2N系列的24个输出点Y0～Y7、Y10～Y17、Y20～Y27。我们将这部分改成用外部的24个直流继电器控制，它的驱动电源就是24V的直流开关电源。此电路图下面的三个模块是24个继电器的常开触点。它的工作原理是，当PLC有输出时，先接通外部的继电器，由外部继电器的触点与工作电压相连接。这样做的好处是避免工作电压直接与PLC内部触点连接，可以有效保护PLC，延长PLC的使用寿命，方便设备维护。笔者主要用ProtelDxp电路制作软件进行电路的设计，并作好印刷电路板图，委托厂家制板。对于开关电源，考虑高温对电路的影响，笔者设计时提高了开关电源的负载能力，加大了散热装置。
二、技术性能
工作台主电路工作电压380V，PLC控制电路工作AC电压220V、DC电压24V。
稳压电源的主要参数为：AC输入电压220V，DC输出电压24V，额定输出电流6A。
工作环境：温度-10℃～40℃，相对湿度
装置容量：
外形尺寸：1350mm×650mm×700mm；支架为L形支架，800mm×700mm。
三、实训台的基本配置
实训台的基本配置见下表。
实训台基本配置表
序号 实训器材 数量 规格
1 三相断路器 1 380V
2 单相断路器 1 220V
3 熔断器 6 3A
4 热继电器 2 JR36
5 交流接触器 6 AC220
6 开关电源 1 24V
7 隔离板 1 24V
8 接线端子 1 JX-1015
9 单相插头 1 单相，220V
10 FX2N系列PLC 1 FX2N-48MCR
11 指示灯 8 AC220V，DC24V
12 按钮 8 可自定
13 导线走线槽 BVR 0.5mm2
14 电动机 2 三相异步电动机 双速电动机
四、实训项目
实训项目可以完成中、高级维修电工PLC考核项目的技能操作。
在整个设备的安装与制作过程中，让学生参与其中，这样既能提高学生对PLC的认识，也能增强学生的实际动手能力。
2012年10月，新的实训设备投入到学生的实训教学中，经过一个学期左右的使用证明，该实训装置的设计合理。从投入使用到学期结束，实训设备没有出现任何问题，一直能够保证教学的正常使用。由于新的实训设备是与厂家合作制造的，所以实训设备的外观更加漂亮、设计更加合理。
该实训装置采用了开关电源进行PLC输出点的隔离，可以使PLC的工作更加稳定可靠，解决了在PLC实训过程中由于输出点接线错误而造成设备损坏的问题。同时对PLC的COM点做了改动，由原先复杂的5个COM点，改成现在的3组输出，3个COM点。这样的实训设备电路简单，比较适合学生的特点，使他们更容易掌握，提高了实训效果。
通过PLC实训装置的设计制作，提升了教师解决实际问题和开发课题的能力，为今后的教学设备的自主研发提供了宝贵的经验。
[关键词]PLC控制;实训教学;多媒体教学
About PLC Practical Teaching discussing
GUO Li-li
Abstract:The Applied Technology of Programmable Logic Controller is an imporant professional course to the Industrial Electric Automation Specialty and the Integration of Mechanics and Electrics Specialty.It's character is linking weak current and strong current,software and hardware,theory and practice.So we may let our students primely command this technology by practising operation and makimg use of many reasonable teaching means,and then our students must adapt sociality quarters.
Keywords:PLC Control Practical Teaching;Multi-media teaching
PLC是计算机技术与传统的继电器――接触器控制技术相结合的产物,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺,而克服了继电器――接触器控制系统中机械触点的接线复杂,可靠性低,灵活性差等缺点,PLC技术已成为现代控制技术的重要支柱之一,随着我国经济的发展和科技的进步,机械行业已经从机械化向智能化方向发展,加工手段已经由技术型向智能型转化。原来有继电器控制的生产设备,因其控制装置体积大、耗电多、可靠性差、改变生产程序不方便等缺点已不能满足产品多元。可编程控制器的问世很快受到工业控制界的欢迎,并得到广泛应用,同时相关人才欠缺,因此我们就要求学生除掌握基本的专业理论知识外,通过学生的实践技能,让学生在校期间操作技能达到符合企业生产的实际需要,这就决定了我们职业学校的教师一定要根据本课程不同教学内容及其特点,采取不同的教学方法。我院为满足教学需要,提高教学质量,作为职业学校更应该适应时代的要求,加强对电类学生的PLC实训教学,添置了一整套PLC实训设备,给老师和学生提供了一理想的实训条件,我做为一位职院实习的教师,谈几点关于PLC实训教学的想法。
一、注重专业基础实训
部分学生学习基础都较差,从而导致本课程教学基础薄弱,教学难度很大。我学院在这方面有自己的模式和特色,在实训教学中,首先进行基础性训练,如照明线路,机床控制线路的安装,在电工板上实际布线,然后进行检查,排故等综合操作训练,使学生有形象,直观的感悟认识,然后由浅入深地引入PLC应用技术的教学内容。PLC是按用户的控制要求编写程序进行的,而程序的编写是用一定的编程语言把任务描述出来,教学中是采用梯形图这种图形语言,它沿用的传统的继电器――接触器控制中的触点、线圈等图形符号。学生在学习时,因为PLC与机床控制线路的相似之处,比较容易理解,便于学生理解掌握,而且还降低了教学难度。在实训前都是经过一段理论的学习,理论与实训如何衔接,在理论够用的条件下,突出实训教学,这就对教学提出了较高的要求。首先教师要精心编排,设计实例,从易到难,由单一到综合,全部教学内容分成五个单元,第一个单元是编程软件的使用,第二个单元以电机的点动、电机的连续控制,电机的连续控制、货物传送控制系统,第三个单元为抢答器系统,第四个单元为红绿灯控制和多灯来回闪烁循环控制等实例,第五个单元为液体混合和铁塔之光等。每个单元都以重要指令应用为主要线索,这样对所学指令进行实际应用,逐一攻破,不但会牢固掌握,而且也学会了实际应用。
二、有效运用教学方法
在PLC课程教学上,尤其是PLC指令及应用、编程方法和实际应用等教学内容上,内容灵活,最适宜于采取双边互动式教学方法。为了搞好双边互动式教学,就要求我们教师在备课时把教材上静态的知识转化为课堂上动态的教学信息,并且在教学过程中要想方设法地创造出一个可以实现双边互动式教学的气氛,通过创设情境、巧设疑问、共同讨论、动手实践等多种教学方式,有效地开展双边互动式教学。同时还要围绕PLC课程“多变性”的教学特点,注重基础,强化共性,即以一种型号PLC为主线,重点学习有关PLC共性的内容,如工作原理、波形图、指令含义、编程原理等。同时也围绕PLC应用“典型性”的教学特点,在PLC技术应用教学中,通过典型案例,如交通信号灯、铁塔之光等,实施案例教学法,提高学生运用基本知识分析和解决实际问题的能力。同时针对“应用性”的教学特点,引入项目教学法,传统的PLC教学及实验模式是教师在课堂讲解PLC的指令系统及编程,即逻辑推理,然后学生在实验室做一些简单的、基础性的实验,而一些典型的控制对象(如电梯设备、机械手等),要求学生运用PLC技术对工业自动化控制领域的实用控制系统,进行编程、接线和仿真调试,从而培养学生创新思能力。
三、在实践中找到学习方法
PLC的应用不是简单的验证,机械的重复,目前,学生在实习时,只需将程序输入,线路连接,然后观察现象即可实成。这种不需动脑的实习是毫无意义的。在教学过程中,教师一般不直接给出实例的程序,而给出程序的框架,引导学生解决问题。首先在编写实训指导书时,我们教师应该根据企业对PLC技术人才的需求,结合学校实际设备情况,针对职业学校本课程教学特点和教学目标,在如何引导广大学生在实训中既动手又动脑上多下功夫。职业学校是一个学生学习基础、动机和习惯差异很大的群体,因此实训教学同样要做到因材施教,采取因人而异的分层教学,即按学生学习能力分组,确定每组不同的实训目标,从而使成绩好的和成绩差的学生在实训中,都能够得到相应的锻炼和培养。除要求学生在规定时间做完基本的实训项目外,还要安排一定量的选修实训项目和研究性课题,让广大学生自主选择,教师现场指导,或者督而不导,从而促使学生自主地分析在实验实训中所遇到的问题,写出实训报告交教师评判,师生共同找出问题的解决办法。对于大型的实训项目,如电梯、机械手等,还可以采取分工合作的教学形式,将全班同学分成不同的小组,由教师明确各小组在实训中的任务和目标,每组采用不同的编程方法,如可以采用逻辑设计法,用基本位指令和定时器实成,也可以用顺序控制法,用保护电路,置位复位指令式,顺控制指令完成。让学生积极参与,独立完成程序编定,上机调试,再不断完善。
总之,在实训教学中,教师要成为学生的组织者,引导者,充分发挥学生的主动性,从实践中找到学习的方法,从而培养广大学生团结协作的职业素质和能力。
四、应有多媒体计算机辅助教学
教师可以借助多媒体制作电子教案,利用生动的画面和动听的音乐吸引学生的注意力,激发学生学习的兴趣。例如讲解交通灯控制程序时,学生对整个过程容易混淆,利用声音和画面,有利于程序的理解。
总之,只有通过大量的实训,让学生自己编程、实际接线和仿真调试,并对运行过程中的问题进行分析和改进,才能培养学生的创新思维和综合应用能力,真正实现学生毕业后在PLC应用领域“零距离上岗”的教学目标。
参考文献:
[1]田淑珍主编.可编程控制器原理及应用.北京:
机械工业出版社.
[2]亚龙实训手册.
[3]PLC教学存在的问题和解决对策.职教论坛,
一、PLC一体化实训室建设
1.PLC一体化实训室建设指导思想
PLC课程是机电一体化专业的骨干课程。PLC一体化实训室建设的总方针是以校企合作为指导，贴近生产实践，紧随电气控制技术发展方向，按照企业岗位发展需求而培养高技能素质人才。
笔者学院积极开展校企合作，先后与宝钢集团、首钢集团、江苏沙钢、深圳华美集团等二百多家企业建立校企合作关系。每年学院会安排教师到企业车间锻炼交流，同时邀请专家学者能手到学校举办讲座、培训交流项目等。在紧密的校企合作过程中，机电一体化教师能够动态了解到本行业技术发展现状与趋势，同时能够了解到企业对人才需求状况。这些交流活动的开展对于PLC一体化实训室建设发挥了重要的作用。
2.PLC一体化实训室建设平面布置
为了方便以后PLC一体化实训室实践任务的开展以及实训室的管理，在PLC一体化实训室建设初期，按照整齐、清洁、安全的原则，将PLC一体化实训室划分为教学学习区、实训操作区、储物区三部分。教学学习区排放若干桌椅，前排放置讲台，安装投影设备以及黑板等。实训操作区内有PLC仿真教学软件等PLC实训设备仪器。储物区主要储存实训项目开展所需的各种元器件。
另外，考虑到管理层面的问题，在实验室建设初期，为了解决实验室设备的管理和场地清理问题，建立了大型的储物空间，使得各种不同的元器件得到了很好的整理。
除此之外，还专门配备了回收空间，让学生回收在实训过程中产生的废料以及安装过程中的破损元器件。二次回收处的建立有利于培养学生二次回收的习惯。这不仅可以增强学生的环保意识，还可以让学生的检修技能得到提高。
二、PLC一体化实训室教学改革
1.PLC一体化实训室教学手段改革
为了实现多元化的教学，笔者学院在实训教学中引入多媒体教学丰富了实训教学的课堂。其次，学院增加了观摩教学，与电气公司交流，让学生参与到实际的工作环境当中，请技术人员指导实践，与实际接轨，让学生提前了解工作环境，提高学生的实训能力。
2.PLC一体化实训室教学模式改革
传统的教学模式一般是以教师为主体，领导学生学习，使得学生处于被动学习状态。这种传统的教学模式不仅压制了学生学习的积极性，而且还抑制了教学水平的提高。
为此，笔者学院建设了教学学习区，可供师生进行交流学习，知识传授。在教学学习区和实训操作区设置了一条安全线。由于该课程的工作环境是380V、220V的高压，存在安全隐患，因此在教学和工作去之间铺设安全线，并要求学生进入实训区时必须要穿上电工服以及电工鞋，这有利于保障学生的安全，增强学生的安全意识。
三、PLC一体化实训室团队建设
一支高水平的教师团队是建设一个高质量实验室的中坚力量，笔者学院积极开展校企合作，建立与企业的合作关系，与企业建立了聘用制和派遣制，这也有利于提高学院整个实训团队的水平。实训中心建立后，学院聘请公司的高级工程师前来实训中心参与培训，与学员分享专业技术、管理经验等。同时，学院也派遣年轻的骨干教师前往企业进行生产实践，提高教师实践能力，与企业接轨。
四、对于PLC一体化实训室建设的思考
实训室建设在技工院校建设中充当一个重要的组成部分，在实训室建设初期，要深入调查本专业课程的体系结构、课程的具体安排，教师的教学方法和教学模式，还要深入研究行业的发展方向以及企业技术的发展趋势。对需要购置的设备进行科学的性能评估和质量检测。在实训室管理方面，要制定相应的规章制度来规范大家的行为。在教学过程中，为了避免不必要的设备损坏和材料的消耗，需要大家确实有效地实施相应的规章制度。
在一体化实训室的使用过程当中，我们充分利用了学生的模范带头作用，通过组建协会的方式来吸引刻苦认真、能力强的学生加入其中，并进一步培养他们的实践能力。通过开展协会活动来加强学生之间的交流，进一步培养学生的动手实践能力。
关键词：创新 实训平台 PLC 自主设计
1 概述
目前可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）技术是自动控制主流技术之一。PLC课程特点是技术新、强调理论而更偏重实践应用。以往的教学模式侧重于理论教学，常规的PLC控制实验箱，内部结构完全封闭，学生只需要对实验箱进行插拔式的操作即可完成实验，学生缺乏兴趣和主动性，理论教育与实际工程严重脱节。常规的实训箱，控制对象为固定的十字路口红绿灯指示、指示灯式机械手和指示灯式的电梯等，实训内容固定，只能进行验证性的实训[1]，实训结果就是一些指示灯亮灭，学生缺乏兴趣和主动性，理论教育与实际工程严重脱节。实训模型相对效果较好，与真实设备相近，但占地面积大，费用高，维修麻烦，不能大面积推广，学生使用率低。
以提高学生提高实践能力为目的，以就业岗位需求为目标，紧密结合最新技术，以课程教学改革为背景开发建设PLC实训平台，该平台提供了自主设计方法，满足创新性的实训项目，提高学生运用PLC的技能，为以后深入学习PLC控制系统打下坚实的基础[2]，真正实现了学生毕业后在PLC技术应用领域“零距离上岗”的最终教学目标。该平台采用便携式，经济实用，有利于大面积推广。
2 实训平台总体设计
实训平台按区域设计，设计了步进电机实训区、传感器实训区、霓虹灯实训区、十字路通指挥实训区、脉冲信号处理实训区、按钮区六个自主设计实训区，图1为系统布局图，图2为实训平台图片。
PLC实训平台以常见工业现场信号和控制设备为背景设计，其中，按钮区、传感器实训区、脉冲信号处理实训区为PLC提供各类工业现场信号，有开关量信号、OC门信号、模拟量信号、脉冲信号、旋转编码器信号；步进电机实训区、十字路通指挥实训区、霓虹灯实训区为PLC提供多种输出控制设备，有PTO控制、LED控制、开关量控制。以锻炼学生对各类输入信号、控制设备的连接及编程能力。
3 实训平台硬件设计
在方案设计的基础上，利用电路设计自动化（EDA）软件完成实训平台电路原理图和PCB 图的设计，进而完成电路板的印制。
实训平台中的传感器实训区、步进电机实训区、脉冲信号处理实训区的硬件设计较为特殊，具体设计如下。
3.1 传感器实训区硬件设计
该实训区设计了电感接近开关、电容接近开关、光电接近开关、霍尔传感器、热电阻、颜色传感器，其中前4种传感器为NPN型OC门输出，热电阻为模拟量输出，颜色传感器为电平输出，各传感器没有内部接地外，实训时需外部用跳线接地。
颜色传感器实训时，对光照强度要求比较严格，必须在合适的光线照射下才能使用，如光线较暗时，通过滤光片的光量不够，将检测不出正确的颜色。此时的现象是，R、G、B端口输出的电平状态不是对应的颜色值或输出全是低电平。
3.2 脉冲信号处理实训区硬件设计
该实训区设计了两路方波输出，用来模拟脉冲式信号和旋转编码器信号，两路方波输出频率范围是30HZ到30KHZ，峰峰值为+24V，占空比是1到254个等级可调。要改变占空比，需将开关置于OFF位置，数码管显示频率，当改变占空比时，数码管会显示当前占空比等级，显示时间为3S，然后返回到显示当前频率；将开关打到ON位置，两路方波相位相差90度，此时占空比不可调，恒为50%，频率可调。
3.3 步进电机实训区硬件设计
该实训区设计了步进电机及驱动器，提供四个PLC控制端口，分别为OPTO、CP、DIR、FREE四个端口。OPTO为接地端口；CP为控制脉冲输入口，脉冲幅值为+24V，每来一个脉冲，步进电机转动7.5个角度，转一周需48个脉冲；DIR为步进电机方向控制口，低电平时正转，高电平时反转；FREE步进电机使能接口，高电平有效使能，步进电机处于自由状态，不断电的情况下，人工可转动。
4 实训项目设计
该平台提供了10个以上由学生自主设计、创新综合性实训项目，难度逐步提升。执行“以学生为中心”的实训教学的创新理念，结合传统实训项目，对不同阶段、不同层次的学生因材施教。目前，可实现10个以上自主设计、创新型、综合性实验项目[2]，这些项目都可以由学生自主在实训平台上完成，根据自己掌握情况，可易可难，完全进行实际工程项目演练。这些项目有：
①开关量信号的PLC处理技术实训；
②NPN型OC门信号的PLC处理技术实训；
③物料传感器检测实训；
④电压模拟信号的PLC采集技术实训；
⑤高速脉冲的PLC采集技术实训；
⑥旋转编码器的PLC采集技术实训；
⑦PLC驱动LED数据显示实训；
⑧PLC对步进电机的控制方案与实施实训；
⑨十字路通指挥系统实训；
⑩PLC驱动霓虹灯实训；
PLC继电器控制技术实训；
PLC晶体管输出控制实训。
5 结束语
设计了12个PLC实训项目，根据安排的基本流程，学生可自主创新设计实训内容，并完成整个实训过程的创新训练，有利于培养学生的动手能力和创新能力。
基于该平台和创新实验项目设计方法，作者指导了两届高职学生完成PLC的创新实训项目，学生从方案制定、原理图绘制、I/O分配、PLC 程序编制和调试，并最终完成创新实训项目的报告，这个完整的流程，对学生的综合训练取得了良好的效果。
参考文献：
[1]胡兆勇，刘漫丹，郭钟宁，成思源.基于虚拟PLC的创新实验项目[J].实验室研究与探索，2012（11）：89-91.
[2]许建凤，傅永锋.多模式PLC实训平台设计与研制[J].实验技术与管理，2012（11）：65-67.
[3]梁伟宏.PLC程序设计方法的探索与实践[J].价值工程，2011（06）.
关键词：五个注重； PLC实训教学；实效
近年来，随着中国经济的迅速发展，工厂中的电气控制设备逐渐由原来的控制开关加接触器演变到PLC控制。目前，中职PLC的教学中存在着老师反映学生不愿意学，可学生又感觉没有什么东西可学的不足。本人在实际教学中，把握五个注重，提高了教学实效，取得了很好的效果。
一、注重考查操作要点转向注重操作细节
在职校中，以往由于单纯为实训而实训的教学特点使得实训课变成了学生的“休息”课，学生往往只需记熟常见的几个PLC的基本指令、梯形图、编程要点与注意事项，即可在期末的实习考试中顺利过关。为了准确的考查学生是否真正具备实训的经验和实际动手操作能力，我们应当设计出新颖和独到的实训题目，让学生能够在实训中观察和体验到一些关键的操作细节。
比如在以前，我校的PLC教学实训室中实训设备只有PLC和模拟接线板两种设备，“模拟”设备永远是模拟设备，学生在实训过程中拔拔插插的方式，永远代替不了实际的接线板来的直观，远远不能满足学生“出校就可以做事”，“做事就能做好”的实训课的教学要求。为了改变这种情况，我校抓住“广东省中职学校学生PLC竞赛”的机遇，花大手笔引进了亚龙公司的整套实训设备，通过这次对实训设备的升级换代，使得我校的学生在实训过程中，可以全程体现PLC这种现代控制设备使用中的精髓，将实训室变成了工厂，学生在实训室中接受了较为系统的训练，极大的强化了他们在思考能力和动手解决实际问题的能力。一旦他们出去做事，将会惊讶的发现，工厂中PLC电气控制线路竟然和实训室中的一模一样，这种环境下磨炼出来的动手技能，使得学生在将来的工作中得心应手，不慌不忙。
二、注重考查整件连接转向注重散件组装
近年来，由于PLC应用的越来越广泛，社会对人才定义的变化又给我们的实训教学提出了新的导向，也就是一定要在实训中培养学生独立的、完整的进行实训操作，实训中尽可能的给学生一些散件，以训练学生独立完成整体实训以及辨认选用元件的能力。这种训练的特点是往往学生在实训过程中，通过自己的动手、动脑，做出功能独特的全新装置。
例如我校实训室近年来引进的亚龙公司的PLC的实训装置，给学生提供了PLC整机及多个接触器、各种控制按钮、行程开关、批示灯、蜂鸣器、电动机，学生在实训中，可以充分的发挥自己的聪明才智，展开丰富的想象力，通过自己的双手，设计出各种实际的工厂电气控制装置，并可以就地加以检验。在实训中我发现，如果我在课堂上将一节课的实训过于清楚的给学生讲解，反而限制了学生的思维，他们会陷于我给他们提供的框框中，我演示什么，他们做什么；而当我只是提出本节实训课的要求，充分调动学生的想象力和创造力，让他们自由发挥的话，反而学生会利用各种元器件，想出一些超乎我想象的接线方法，他们做的电路比我做的更加简单，也更加实用。
三、注重常规指令的超常分析，做出最优方案
PLC在社会生产中的迅速普及，给我们的实习教学提出这样的一个要求，要求学生不仅要掌握常见指令的基本用途与功能，而且还要善于分析和评价常见元件及其重组后的特殊用途与功能，注重训练学生思维的整体性、有序性和创新性。在实训的过程中，要求学生首先明白实训的目的和原理，然后根据实训要求，结合实训经验，分析装置的作用，评价方案的优劣，并统筹安排好实训，提出具体有效的实训方案和程序，以及清晰的操作步骤和过程。
四、注重元件规格及使用特点
在规范操作的前提下，了解一些常用元件的规格以及能根据实训作出正确的选择，是实训者能否成功进行实训的又一个不容忽视的环节，要求我们的学生在实训过程中，不仅要知道实习设备及元件的基本规格，而且还要在了解它们的基础上，知道有哪些衍生品，以及这些衍生品的规格及特点。
五、注重实训操作中的安全防护
实训中的安全操作是一个重要的，需要认真对待的问题，然而却又极易被学生所忽视。试想一个实训者既不能估计所做实训可能发生的危害与危险，也不知道基本的安全保护措施，那么又凭什么去做好实训并培养实际操作能力呢？因此近年来，实训指导者越来越注重对安全操作的考查与指导。
例如在实训中，我发现有这样一种情况，有些学生在PLC实训中接完线后，没有用万用表对线路进行检测就直接通电，时不时会出现短路跳闸的现象，此种情况不仅会损坏实训设备，而且也严重危及学生的人身安全，所以在实训中，我不时的教导学生：在PLC的实训中一定要注意安全，“按照实训规程进行操作是一切实训的基本要求”，一定要扎扎实实，按部就班的去做实训。经过一段时间的努力，学生形成了良好的习惯，在所有的实训过程中，没有出现学生的人身伤害及损坏实训设备的情况。
根据我校毕业生的跟踪调查数据，我校机电专业毕业的学生，很多是从事电气安装与维护方面的工作，他们通过实训课的培养，已经形成了安全操作的习惯，当他们在外面做事的时候，他们的老板也很放心。
以上是笔者在近年的教学中，对PLC实训教学的一些探索和实践。通过把握五个注重，在教学的过程中能够有效的调动学生积极的思维活动，能够帮助学生将所学电气方面的知识有机的结合到一起，在学生的头脑中形成一个完整的从理论到实践的框架，既有利于掌握基础知识，又有利于对基础知识加以发散，切实提高了学生的职业能力，提高了PLC实训教学实效。这样培养出来的学生，既具备过硬的动手能力，又具备一定的创新能力，还具有较强的职业素养，受到了用人单位的欢迎。
参考文献
[1] 张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2008
[2] 廖常初. PLC基础及应用[M]. 北京：机械工业出版社出版，2007
[3] 邓朝阳.互动式教学在可编程控制器教学中的应用[J].职业教育研究. 2006，（1）
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。
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【关键词】 职业高中 PLC实训教学 教学模式 教学方法 改革创新
【中图分类号】 G424 【文献标识码】 A 【文章编号】 1006-5962(2012)03(b)-0053-01
随着科学技术的发展,电气控制技术在各个领域得到越来越广泛的应用,特别是PLC技术由于具有可靠性高,稳定性好和实时处理能力强的优点,正在成为人们改造自然,创造财富的有力工具。因此深受广大工程技术人员的喜爱,越来越多人们希望掌握PLC技术,为国民经济建设服务,而PLC课程又是一门既强调理论而又偏重实践应用的课程,与实际生产和工程应用结合非常紧密,实践性很强。事实证明要学好PLC,除了必要的理论知识外,实训环节至关重要,只有通过不断的训练,针对不同工业现场要求,编写不同的程序并反复的调试,学生才能真正掌握可编程控制器技术原理,所学的理论课程才能结合生产实际,满足工业现场的需要,因此实践性教学环节在整个教学过程中占据极其重要的位置。但目前大多数职业高中PLC实训教学存在种种弊端,因而改革现有实训教学,切实提高学生的应用能力是摆在我们面前的重要课题。
1 PLC课程教学特点
作为一门新兴学科,学生们十分渴望在学校里有动手实践PLC的机会,学习兴趣很大,并希望将来从事这种充满挑战而又体面的工作。但大多数学校由于条件限制,PLC实训条件和时间明显不足,学生们总是抱着希望而来,带着失望而去。从近几年各企业、公司的招聘以及人才市场用工信息中获悉,随着自动化程度的不断提高,社会上对懂PLC技术并有实践经验的工程技术人才需求量很大,已到供不应求的地步,巨大的市场极大地诱惑着每个有上进心的青年,激发他们求知的欲望。如果按照以往的教学模式,只注重理论教学,轻视实践教学,甚至没有实训室,学生不能真正掌握其技术的核心及应用,使得理论教学与实践应用严重脱节,教者疲惫学者困惑,严重影响到学生的能力培养和教学质量的提高。
2 当前职业高中PLC实训教学存在的问题
2.1 学生实训动手能力训练及其要求不明确、不规范。
目前职业高中的PLC实训课程,从实训内容上缺乏整体考虑内容设置的完备性和合理性,也没有明确的实训要求和实训目的,只是根据实训室的现状能开什么实训就开什么实训,多为应付教学,追求时髦,实际上有点哗众取宠的感觉。
2.2 实训项目设置不合理,与实际脱节。
实训内容与控制系统脱节相差甚远,学生通过实训后对实际控制系统了解仍然不够。尤其在一些地方职业高中,为了节省经费和课时,将一些实训带入理论课堂教学,教室只是做简单的演示,学生没有动手实践的机会,其教学效果往往适得其反。
2.3 学生实训时数不够,更难因材施教。
目前职业高中的PLC实训教学的最大问题就是实训课时不够,一些需要时间较长的实训很难进行,只能保证基本的实训项目,缺乏实际的开发性实训项目,这显然无法满足一部分学习上有潜力、动手能力较强的学生的求知欲,不利于学生的提高和拔尖,大多数仅作为了解和展示。
2.4 课程单一,“机”与“电”缺少衔接
目前大部分学校PLC教学时往往停留在会编程序就行,认为能模拟即大功告成,而忽视气动与液压等相关动力部分知识的补充,导致程序编写完成后无法指导生产设备,象省机电组装竞赛明确要求PLC与气动部分接轨。
3 面向职业高中的PLC实训教学的改革创新
3.1 改进实训教学模式,提升动手能力
以往的PLC实训教学都是按照书本中规定的实训项目开出,实训项目单一不够丰满,不利于培养学生的自我设计、自我创新能力的提高,如红绿灯、水塔等传统型项目。所以,要不断更新实训教学内容,增加自选实训的数量,开出一批新的综合性、设计型实训,并利用设备优势,辅导学生进行一些新的设计,比如这两年江苏省和苏州市举办的亚龙杯机电组装与调试竞赛机械手的组装与调试。这些设备仿真性强,仿佛身临其境,很好的提高了学生的实际动手能力,激发了他们的学习兴趣。针对有些学校实训设备不足的现状,可以选用功能强一些的软件,既能编写程序,又能仿真,进行动态模拟,从而解决投入少的矛盾。
3.2 面向工程实际应用,注重解决问题能力的培养
职业高中所培养的学生,就是以实际工程应用为背景、以解决工程问题而培养的技术型人才,因此,职业高中的PLC实训课程,必须要以增强学生的实践动手能力为目标,以能够独立解决实际问题为培养的最终目的。在职业高中的PLC实训课程的开展中,一方面可以与职业高中国家机电组装PLC竞赛相结合,通过在实训课堂上引入国家机电组装PLC竞赛的相关实训课题或项目,另一方面可以结合我校各类机床,鼓励他们用PLC进行改造,从而大大激发学生的创造热情和创造兴趣,真正实现PLC的工程应用类人才的普及,也有利于大多数学生的提高、拔尖。教师在实训教学的过程中,除了教学三菱设备外,还可以适当的引入西门子和松下、欧姆龙等实训项目,丰富学生的知识面,拓宽视野,对他们更好、更快的适应工作岗位无疑是大有裨益的。
关键词：PLC；实训屏；系统设计
作者简介：罗宇（1969-），女，重庆人，重庆电力高等专科学校实训部，讲师，工程师。（重庆 400053）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0113-02
PLC作为先进的、应用最广的工业控制器已风靡全球，而三相异步电动机广泛应用于现代工业生产和民用生活中。PLC在三相异步电动机控制中的应用与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，PLC能够为自动化控制应用提供安全、可靠和比较完善的解决方案，适合工业生产对自动化控制的需求。因此，PLC在现代工控领域扮演了举足轻重的角色。
《低压配电屏电机控制安装实训》是重庆电力高等专科学校电气、热动主干专业的专业基础实践课程“电工工艺实训”的核心模块。它体现了电工技术的综合性、现代性和现场性，对高职学生专业电工知识的学习和电工、维修电工基本技能的提升具有极其重要的意义。基于PLC的电机控制在工控领域的广泛应用，有必要对现有的低压配电实训屏进行二次设计和改进，在电工基本技能模块中引入PLC技术，采用PLC少量开关量逻辑控制指令来替代继电器电机控制功能。实现了模块化设计，单元式组合，可视性强，为学生搭建了一个实用的开放式的电工工艺实训平台，构筑了一座从学校（基础理论）走向社会（工程实践）的桥梁。
一、PLC工作运行及其系统设计要点
1.PLC工作运行
PLC主要由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口组成。因其类型的不同，其功能指令语句也大同小异。PLC工作运行是按“顺序扫描，不断循环”的方式进行。即CPU依据用户控制要求编制的程序，沿程序语句指令的序号进行周期性循环扫描，若无跳转语句则从第一条开始，逐条顺序执行程序直至程序结束。随即又循环重返第一条语句，开始下一轮顺序扫描。PLC每顺序扫描一次，必经过输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。这三个阶段即为一个周期。
2.PLC控制系统设计要点
（1）提出系统控制要求。依据生产工艺过程，了解并细化被控对象工作特征（如需完成的动作顺序、动作条件、必备的保护和连锁，操作方式要求自动、连续、单周期、单步等），分析被控对象机械与电气间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求。
（2）明确输入/输出设备。参照系统控制要求，明确系统所需的输入设备（如转换开关、按钮等）和输出设备（如指示灯），进而确定PLC的I/O分配对应表和I/O接线图。
（3）设计软件及硬件。进行PLC软件设计，完成控制柜（台）等硬件设计及现场施工。
（4）联机调试及整理技术文件。
二、基于PLC的触点互锁电机正反转控制系统设计实例
1.触点互锁电机正反转控制系统的控制要求
按启动按钮SB1，电动机作星形连接启动，电机正转；按启动按钮SB2，电动机作星形连接启动，电机反转。在电机正转时，反转按钮SB2被锁定；在电机反转时，正转按钮SB1被锁定。如需正反转切换，应首先按下停止按钮SB3，使电机处于停止工作状态，方可对其做旋转方向切换。
2.控制系统I/O分配表（见表1）及输入/输出接线图（见图1）
3.控制系统软件设计（见图2）
PLC连上编程器并接通电源后，其电源指示灯亮，编程器开关置于“PROGRAM”，即PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD！此时按住“Cltr”键并按下“Montr”键，待屏幕显示地址号0000，即可输入程序。
注意：输入程序前，需将存储器内容清零，再将控制程序写入PLC。程序输入到PLC指令如表2所示。
4.控制系统硬件设计
依据PLC控制系统的设计步骤，完成PLC系统程序设计后，便进入控制柜（低压配电屏）等硬件设计阶段。基于PLC特点，控制系统程序设计与硬件设计也能并行实施。
（1）PLC硬件组成。PLC选用三菱FX系列，PLC控制单元包括CPU模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通信模块和继电器；系统的各控制信号或输入信号均是“开关量”或“模拟量”。如开关量输入的控制按钮部分以及模拟量输入的外部传感器接口单元。PLC（FX系列）将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。
（2）电源配置。输入AC 220V；输出AC 0V～250V ；交流可调电源及DC 5V/DC 12V/DC 24V各1路（由模块电源组建）；另配置1台直流稳压电源（0V～50V可调），电源还需配置漏电及过流、过载等保护装置。
（3）控制系统故障预设。实训屏控制系统故障预设，若采用计算机模拟程序控制，改造成本高，而利用开关控制，不仅能达到同样效果，而且成本较低。因此在实训屏上另加置一故障预设模板，模板上由多个开关组成，各开关串联在电路中即可完成对电机各种控制线路的故障设置，且具有多种故障组合。
技能考核前，考评员只需操作开关即可设置故障，考核中考生先通电观察故障现象，随后断电，用表计判断故障并排除故障，然后通电验收，最后断电，拆线完成考核。结束后，考评员只需很短时间操作开关就可复位设置故障，又能进行下一轮考核。
控制系统故障预设模板灵活、方便、快捷，避免了故障现象过于直观，保证了电工与维修电工考核的公平、公正和高效。
（4）控制系统实训屏模块间辅助设施。设计与控制系统实训屏配套的设施是各式不同的机架和模板箱，要求统一标准规格和设计尺寸，以保证与实训屏布局合理、方便、实用。
实训元器件采用导轨和机架固定，开放式安装于屏柜。既便于组装和拆卸，又便于学生识别和测试元件及其参数；一个机架与不同的模板箱搭配可完成不同的实训项目。
每一单元都有各自的输入和输出接口，均采用接线端子排，以便于接线；为规避相互干扰，输入、输出信号与电源均要求分开。这样才能保证控制系统实训屏良好的扩展性，紧跟自控领域的发展需求；实训内容充实且选择灵活，使学生实训的选择更有针对性；开放式设计，便于学生认识、掌握。
三、设计改进后的预期效果
充实和丰富电工工艺实训内容，将基本电工元件（接触器、开关、按钮等）与工控自控模块（PLC控制模块）以及基本电工测量仪表（电压表、电流表等）恰当组合，实现模块化设计，实施单元式组合。学生根据自己的设计，把抽象的图形符号与具体器件有机结合，去控制或操作器件，实现其设计功能。这有助于激发学生的实训和创新热情；有助于他们将电工实训知识、技能融入到以后的工程实践中，使学生真正能够学有所用。
四、结论
基于PLC的电工实训屏的改进设计，为学生构筑了一个有实际意义的开放式电工实训操作平台，构建了一座从基础理论走向工程实践的桥梁，为初次接触工程实践项目的学子使用计算机从事工业自动控制打开了便捷之门。
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关键词：虚拟现实；PLC；实训平台；Unity3D
DOIDOI：10.11907/rjdk.161661
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号：16727800（2016）010011104
0引言
PLC是集自动化、计算机、通信3种技术于一体的高科技产物。随着科技的不断发展，急需大量熟练应用PLC的人才[1]。不容忽视的是调试程序环节在PLC控制系统的设计与应用中至关重要。目前，PLC的传统教学方式主要有3种：①通常PLC编程软件会提供仿真调试功能用来调试程序，学生编写程序并下载到PLC中，并观察输出端口状态验证程序，由于缺少实际被控对象，无法直观感受被控对象的执行效果；②现有的PLC专用实验平台控制模式多样化，实验生动形象，但费用较高，设备更新困难，维护需请专业人员[2]；③现场实操，直接在实际控制系统中调试程序，效果显著，但具有很大的危险性，并且现场实操需要一定的硬件设施，倘若设施不完备，实训教学将不能正常开展[3]。
针对PLC传统教学存在的问题，基于集模拟性、沉浸性、交互性于一体的虚拟现实技术，设计了基于Unity3D的PLC半实物虚拟仿真实训平台。利用三维模型搭建、三维交互设计、通信模块设计等技术为学生提供了一个直观、经济、安全、高效的PLC学习环境，成本低、易维护、可扩展性强。通过该平台学生可以实时地编写并调试程序，动态分析各种被控对象的执行效果，加以真实的环境音效，增强现场体验感，激发学习兴趣，提高学习效率。同时减少了同程度下的教学成本，避免了设备损坏，保障了人身安全，具有较高的经济性和安全性。
1虚拟仿真实训平台总体框架
1.1半实物仿真
半实物仿真（semiphysical simulation）又称硬件在回路仿真，是将数学模型与物理模型或实物模型相结合进行实验[4]。保证实时性是硬件在回路仿真的关键，仿真平台的实物部分与仿真部分之间的接口设计也尤为重要。例如本平台中实物PLC和三维虚拟场景之间数据的转换和传输需要通信接口来完成。
通常情况下有两种方式可以实现半实物仿真平台设计：①将PC机作为控制器，被控装置作为实物部分放置在仿真平台的回路中；②控制器（如PLC）为实物，被控装置通过建立数学模型来实现[5]。针对PLC虚拟仿真实训平台的特点，本文选用第二种方式来设计半实物仿真平台。以PLC控制器为实物，建立被控装置三维模型，通过观察虚拟场景的执行状态来调试PLC程序。
1.2虚拟现实技术
虚拟现实（Virtual Reality）又称灵境技术，利用三维图形生成技术、多传感交互技术等模拟实际三维空间，让使用者如身临其境一般在视觉、听觉、触觉上感受虚拟场景[68]。例如本实训平台中的PC机虚拟场景，利用动态环境建模、三维交互设计、虚拟传感器以及系统集成等技术来完成PLC虚拟仿真实训平台的构建。
1.3实训平台总体设计
PLC虚拟仿真实训平台主要由PLC、PC机虚拟场景和通信模块组成。PLC发出真实控制信号，通过通信模块传输给PC机，此外PLC接收虚拟场景输出的虚拟传感信号。PC机虚拟场景采用3Ds Max和Unity3D设计，显示被控对象各种运行状态。通信模块主要是虚拟现实数据接口，本系统利用单片机来完成PLC与计算机之间数据的转换与传输。平台整体设计如图1所示，具体的数据流图如图2所示。PLC输出控制信号通过虚拟现实数据接口传送到Unity3D虚拟场景，虚拟设备根据接收到的虚拟控制信号来模拟实际设备的运行效果。运行过程中，Unity3D中的虚拟传感信号经过通信模块传送给PLC，PLC接收到信号后检测虚拟设备的运行情况并发出控制信号进行相应的调整，实现虚拟仿真实训平台的正常运行。
2PLC实训平台开发
PLC虚拟仿真实训平台开发主要包括三维模型搭建、交互开发、理论测试模块、硬件平台开发4部分。
2.1三维模型搭建
模型与场景搭建是设计一个虚拟现实平台的必要前提[9]，PLC虚拟仿真实训平台使用几何建模和物理建模来创建三维模型。当前有许多三维建模软件，比如3Ds Max、CATIA、UG等，其中3Ds Max具有很多插件，操作灵活、运行流畅、性价比高、模型制作容易上手，故采用3Ds Max软件进行建模。为增强真实感，需到工艺现场收集相关资料（比如设备照片、尺寸、声音等）作为标准来建立设备模型。建模时要尽量使各模型在外形、尺寸上与工艺现场相一致[1011]。
交互系统的真实度和流畅性对于用户体验都非常重要。模型越精细就越真实，但生成的数据量就越大，影响系统运行的流畅性，从而降低用户体验。因此，要对模型进行优化：①建模过程中在不影响整体效果的情况下尽量减少模型面数，删除看不见的面和重叠的面，另外尽量减少运用布尔命令以减少面的个数，避免计算错误[12]；②将现场采集的照片经过Photoshop处理赋给模型，既能增加真实感又可以减少多边形的数量，达到简化模型的目的；③利用LOD（Level of Detail）技术，即细节层次模型，在不同层次、不同视觉条件下，为每个物体建立不同精细程度的模型，当物体离视点远时就调用相对简单的模型，而近距离观察时调用相对复杂的模型（这样可以在逼真性和速度之间达到均衡），以提高场景的显示速度[13]。模型优化处理后，需将模型位置复制到世界坐标系原点，然后利用V-Ray渲染器进行烘焙渲染，并导出“.fbx”格式文件。
2.2交互开发
3Ds Max软件中建立的模型是静态的，要达到更好的教学效果，还需要为系统提供交互功能。为方便学生多视角观察被控对象，利用多方位相机实现视角的切换，并添加User Input模块，双击该模块选择“鼠标右键按下”选项，再将该模块连接到ExpressionValue模块下，把ExpressionValue的表达式改成“A*B*C”，避免相机随鼠标晃动，方便控制视角。添加碰撞检测（Collision Object）模块，避免行走相机因受重力作用下落穿过设备进入设备内部。
PC机接收到的数据利用Unity3D中的虚拟模型Transform下Parent属性来控制模型的移动、旋转等运动，主要通过Translate和Rotate函数实现。对于一些无规则物体（例如水），不能使用常规方法建模，可利用粒子发射系统Particle System实现。通过Particle System通道为粒子设置合适的材质和贴图，通过ReceiveData和DealData判断单片机缓冲区数据后，在物体数据的顶点上通过循环发射粒子来模拟。为了增强沉浸感，需到现场采集真实声音，并以3Dsound的形式导入Unity3D来模拟工艺现场的声音。
Unity3D串口接收使用多线程和数据池的设计模式，采用数据结构队列避免线程阻塞。其中Unity3D利用C#命名空间System.IO.Ports中的SerialPort类来接收数据[14]。在Start函数内实例化一个SerialPort类sp串口，并设置串口号为COM2、波特率为9 600、数据位为8、校验位为IO.Ports.Parity.None、停止位为IO.Ports.StopBits.One[15]，与下位机串口保持一致[1516]。通过Thread函数开启一个线程ReceData接收数据帧。在RecData线程内通过sp的Read函数循环读取缓冲区数据，并将结果传送给数组buf进行判定。若buf长度为0直接返回，若不为0将数据赋予UserData。虚拟场景按照UserData的数值控制虚拟设备的运行。在系统退出时利用Close函数关闭串口，以免下次启动因串口无法打开而影响系统正常运行。RecData内部处理程序和关闭串口程序如下：
2.3理论测试模块
理论测试模块主要用来测试学生对PLC理论知识的了解程度，其设计主要包括UI和Access数据库两部分。其中，UI用于向学生呈现测试内容及结果，Access数据库用于标识管理员（如教师）和学生信息、录入试题库、随机抽取试题、展示测试结果。创建数据库文件database.accdb，并建立管理员表AdminTable、学员表UserTable、试题库表QuestionTable（创建部分试题和对应答案）。管理员可按课程安排选择实训内容和理论测试题，并且有更新试题库的权利，学员表由学生自行注册添加。学生登录后点击“开始测试”，系统随机抽取试题并形成试卷，答题结束后，系统通过和正确答案对比判定成绩。最后将理论测试模块为“.exe”文件，Unity3D利用System.Diagnostics命名空间的Process类调用理论测试模块。其中连接数据库程序和试卷读写部分程序如下：
2.4硬件平台开发
PLC作为主控制器选择性能优良、性价比高、应用广泛的西门子S7-200CPU224XP可编程控制器，集成了14点输入/10点输出共24个数字量I/O。通信模块的主要部件选用STC12C5A60S2单片机，它是PLC和虚拟场景之间的通信桥梁。单片机和PLC之间电气连接，单片机需要5V和24V电压，PLC需要220V电压，单片机和PC机利用RS-232串口通信实现信号传输。图3是通信模块内部结构图[17]，PLC输出控制信号，经过单片机数模转换器ADC转换成数字量，再由输入输出端口DIO传给PC机的虚拟场景，控制虚拟设备运行。虚拟传感器信号通过System.IO.Ports和单片机将运行数据反馈给PLC，实现系统的闭环控制。单片机通过循环检测PLC的输出信号并将数据传给缓冲区，再通过串口通信将数据送往PC机，虚拟现实系统判断接收到的数据控制虚拟设备完成相关运行。Unity3D中的虚拟传感信号经电平转换电路转换成TTL电平后传送给单片机，通信模块传送给PLC，PLC接收到信号后检测虚拟设备的运行情况并发出控制信号进行相应调整，实现虚拟仿真实训平台的正常运行。
3虚拟仿真实训平台实验测试
PLC虚拟仿真实训平台功能结构如图4所示，为测试平台是否可行，以恒压供水系统和燃气锅炉系统为例，利用虚拟现实技术搭建虚拟场景，正确连接PLC、通信模块、PC机虚拟场景，将Unity3D软件中建立的虚拟现实系统成“.exe”格式并运行，调试PLC程序，并记录部分效果图。
3.1恒压供水系统
依照变频器工作过程，在3D场景中虚拟变频器运行模式，对频率的上下限进行设置。PLC进行逻辑控制，传感器采集管道内压力，经过PLC的PID运算后，由变频器进行水泵速度凋节；同时PLC控制水泵切换，实现恒压供水的自动调节，虚拟视景则全方位展现恒压供水系统的工作流程。图5为系统运行效果，此时系统状态为“频率超限，1#水泵由变频转工频运行”，PLC启动2#水泵变频运行，形成反馈。
3.2燃气锅炉系统
PLC发出控制信号，单片机通过循环检测PLC的输出信号并将数据传给缓冲区，再通过串口通信将数据送往PC机，虚拟现实系统判断接收到的数据控制虚拟设备完成相关运行。Unity3D中的虚拟传感器负责检测进水量、温度、氧浓度等数据，并将数据即时传送给单片机。单片机将数据处理后送给PLC供PLC检测分析，检测虚拟设备的运行情况并发出控制信号进行相应调整，从而控制虚拟燃气锅炉的稳定运行。图6为燃气锅炉系统点火果。
3.3理论考试结果
使用学号登录进入理论测试模块，点击“开始测试”按钮，系统随机抽取试题形成试卷。试卷包含50道选择题，每题2分，共计100分，答题时间为30分钟。答题结束后，点击“提交答卷”按钮，测试结束，系统给出判定结果。若规定时间内仍未答完，不能继续作答，考卷将自动提交。系统判定的测试结果如图7所示，显示本次测试成绩以及近最近5次的测试成绩。
4结语
测试结果表明，基于Unity3D的PLC虚拟仿真实训平台运行流畅，为学生进行PLC学习提供了一个直观、经济、安全、高效的环境，解决了部分院校PLC实训平台欠缺的教学难题。通过该平台学生可以快速、准确地编写并调试程序，动态分析各种被控对象的执行效果，同时能更多地了解各种工艺的工作流程，加上真实的环境音效，可增强现场体验感，激发学习兴趣，提高学习效率。同时减少了同程度下的实训教学成本，避免了现场实操的设备损坏和安全隐患，具有较高的经济性和安全性。
将此平台作进一步改善，考虑利用以太网技术使其实现远程实验[1820]的功能，让学生不仅能在实验室使用，只要能联网的地方（如教室、宿舍）均能使用，达到方便学习和充分利用资源的目的；同时考虑加入先进的三维投影技术进行三维立体化展示，增强沉浸感。进一步完善实训平台，实现智能化，如在实训中自动判断并记录学生练习过程，根据个人的学习情况自动调整学习进度和学习内容等。
参考文献参考文献：
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关键词 PLC 组态软件 温度控制 实训教学
中图分类号：TP273 文献标识码：A
PLC是实践性非常强的一门课程，要求学生以一定的硬件知识为背景，掌握一定的PLC编程指令，才可从事实践活动。因此PLC课程教学需要学生更多地和计算机、控制电器、仿真设备进行交互式学习。为此利用西门子S7-200PLC、组态软件，设计一套温度控制PLC实训平台。通过该实训平台，可以形象地理解PLC控制、了解具体的过程控制对象，有助于增强PLC的教学效果，丰富学生的工程实践经验。
1 系统设计方案
实训平台控制结构如图1所示。由上位计算机、S7-200 PLC、PT1000热电阻温度传感器、可控硅功率调整器、加热器、封闭式水箱等组成，为一套水循环系统温度控制以及人机交互、带反馈的闭环控制系统。
系统分为上位机监控、控制和现场模拟量三级。上位监控选用MCGS组态软件进行人机界面设计，以上位计算机作为人机交互的载体。PLC为控制级，由S7-200PLC连接现场测控仪器构成。现场仪器进行控制对象温度信号的测量，调节机构执行输出动作；PLC完成逻辑控制，对模拟量数据进行A/D转换并将经过PID运算后的结果由D/A模块转换后输出。PLC与监控级之问通过通信总线相连接，现场仪表与PLC输入输出模块连接，共同组成整个控制系统，完成对温度的测量以及控制。
2 硬件设计
2.1 上位机配置
上位PC机安装MCGS组态软件，设计监控界面。该软件具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。
2.2 PLC配置
西门子S7-200系列PLC具有极高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等优点，具有极高的性价比。选择西门子S7-200（CPU224）PLC，配置EM235模拟量输入输出模块。该类模块有四路AD输入，一路DA输出，可满足实训控制系统对信号转换的要求。
2.3 温度传感器
采用热电阻传感器测量温度。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的，由热电阻、连接导线及显示仪表组成。热电阻广泛用来测量-200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。
3 软件设计
3.1 PLC程序设计
PLC控制流程如图2所示。
利用MCGS组态软件，进行用户界面的设计和组态。设计步骤为：（1）启动MCGS组态环境，在工程中新建一个用户窗口。（2）绘制控制界面图形。（3）在组态画面中连接变量，完成与PLC的通讯。（4）项目调试。
设计的温度显示控制界面如图3所示。
4 实训内容
本温度控制实训台可以开展以下内容实训教学：可控硅功率调节、温度传感器模拟量信号采集、PLC编程控制、MCGS组态监控与温度控制等。
5 结束语
实训台模拟工业过程控制，人机界面组态画面直观显示被控对象采集的数据、实时曲线、历史曲线，有利于提高PLC教学效果。