李時輝　賈淑江　劉煒娜

摘要：針對當前PLC實踐教學中難以將PLC應用現(xiàn)場引入課堂的問題，提出了一種基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實訓平臺，并以機械手實訓項目為例介紹了實訓平臺的構(gòu)建方法。經(jīng)工商學院的近一年的教學實踐證明，該虛擬實訓平臺可有效提高學生學習的積極性及創(chuàng)新精神，實訓教學效果得到了進一步的提高。

關(guān)鍵詞：PLC；虛擬實訓；平臺；構(gòu)建

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1920-03

可編程序控制器（以下簡稱PLC）已成為工業(yè)自動化的三大支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著及其重要的作用 [1]。PLC是一門應用性很強的課程，需要通過大量的實踐教學，方可培養(yǎng)學生掌握一定的系統(tǒng)設(shè)計及維護能力。各高校也通過多種途徑以提高學生的實踐能力，如選用浙江天煌儀器公司等專業(yè)儀器公司的PLC模擬實訓設(shè)備[2]，此類設(shè)備固然有使用安全等優(yōu)點，但也存在價格高、更新難、與實際完全脫節(jié)問題；也有部分學校探索“雙元制”的教學模式[3]，旨在加強學生的實踐能力，這類模式固然能有效提高學生的實踐能力，但因考慮安全及影響企業(yè)正常生產(chǎn)等原因，很少有企業(yè)愿意為學校提供實踐場所；隨著組態(tài)軟件的功能越來越強大，部分學校探索使用仿真技術(shù)建虛擬實驗平臺[4-5]，并取得了較好的效果，該實訓平臺將企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場通過虛擬的模式表現(xiàn)出來，但因工作流程都是用動畫的模式展示出來，學生在課堂上仍無法真正意義上親臨企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，若將企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場通過直播模式引入到課堂投入又是相當大。義烏工商職業(yè)技術(shù)學院（以下簡稱工商學院）開展了積極而有效的探索，構(gòu)建了基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實訓平臺，該平臺將一些典型的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場拍成視頻，經(jīng)處理后導入到PLC的虛擬實訓平臺，再根據(jù)視頻編制實訓畫面，該平臺的實現(xiàn)有效的解決了企業(yè)生產(chǎn)項目難進課堂的問題。

1 “視頻+虛擬仿真”模式的虛擬實訓平臺構(gòu)建

2 機械手實訓項目的構(gòu)建

2.1 機械手工作視頻的導入

深入企業(yè)PLC的應用現(xiàn)場，并將現(xiàn)場PLC的整個工作流程拍成視頻，將視頻導入實訓平臺即可非常簡單的將PLC的應用現(xiàn)場引入課堂，讓學生在課堂內(nèi)即可了解PLC的實際應用。當前組態(tài)王軟件可播放AVI動畫，因此在將機械手工作視頻導入組態(tài)界面時，應先將視頻格式轉(zhuǎn)換為AVI格式，運用組態(tài)王軟件內(nèi)的播放動畫控件播放視頻。將視頻導入實訓平臺，在開展實訓前，學生通過視頻即可知道自己所編程序最終所需達到的效果；在實訓中，學生可通過視頻分析機械手的工作流程，結(jié)合視頻開展PLC程序的編制與完善；PLC程序編完后，學生通過將實訓平臺內(nèi)機械手的工作過程與視頻內(nèi)機械手的工作過程相比較，即可知道自己所編程序是否準確。

2.2 機械手的工作流程及步驟分析

第一步：系統(tǒng)從原點旋轉(zhuǎn)至工件A點角度

S1：機械手順時針旋轉(zhuǎn)至A點工件角度時，機械手停止旋轉(zhuǎn)；

S2：機械手右移，到達A點上方后停止右移；

S3：夾緊裝置下移，到達物品所在A處上方后停止。

第二步：工件在A點抓取并運動到B點

S4：夾緊裝置工作，將工件A抓住；

S5：機械手上移，碰到上限開關(guān)后停止上移；

S6：機械手順時針旋轉(zhuǎn)到達工件加工處B點時，機械手停止旋轉(zhuǎn)。

第三步：工件在B點加工完成后運動到C點

S7：機械手下降至下限開關(guān)后停止；

S8：機械手夾緊裝置松開，工件放置于B點；

S9：機械手上升至下限開關(guān)后停止；

S10：系統(tǒng)開始計時，等待物品加工完成；

S11：物品加工完成，機械手下降至下限開關(guān)后停止；

S12：機械手夾緊裝置工作，將加工完成后的工件抓??；

S13：機械手上升至上限開關(guān)后停止；

S14：機械手順時鐘旋轉(zhuǎn)到達C點，機械手停止旋轉(zhuǎn)。

第四步：將工件安放至C點后回到A點，繼續(xù)循環(huán)下一輪工件加工流程

S15：機械手下降至下限開關(guān)后停止；

S16：機械手夾緊裝置送開，將加工完成后的工件放至C處；

S17：機械手上升至上限開關(guān)后停止；

S18：機械手逆時針旋轉(zhuǎn)至A點工件物品上方，繼續(xù)循環(huán)開始下一輪工件加工流程。

2.4 編制控制流程程序

為使編制的機械手生動地再現(xiàn)從原點移動到A點，從A點工件的抓取到最后將工件放置C點，再返回到A點繼續(xù)循環(huán)開始下一個工件加工流程的整個工作流程，機械手的旋轉(zhuǎn)、上升、下降、抓取及放置等動作可通過動畫編制，但機械手什么時候停止上升、停止下降及開始抓取等工作，需通過編制腳本程序改變系統(tǒng)變量來實現(xiàn)，當變量產(chǎn)生由“1”變“0”或者由“0”變“1”，機械手開始相應動作。

2.5 上位機與PLC間的通訊設(shè)置及調(diào)試

將上位機與PLC間通過COM串口進行連接，并對串口的波特率及串口號等進行配置，設(shè)置波特率為9600，在設(shè)置時還需特別注意所設(shè)置的串口號應與實際連接的串口號一致，如設(shè)置的串口號為COM1，則連接的串口也為COM1，否則上位機與PLC間將無法完成通信。通訊完成后即可將正確的PLC程序下載至PLC即可對系統(tǒng)進行調(diào)試，在調(diào)試時應參照視頻內(nèi)的機械手工作流程進行，通過調(diào)試檢查所開發(fā)的系統(tǒng)是否存在問題或不足，再對所存在的不足進行完善。

3 實踐成效

與現(xiàn)有幾種PLC實踐教學模式相比，采用視頻與虛擬仿真相結(jié)合模式開發(fā)的虛擬實訓平臺進行實踐教學，從設(shè)備投入、安全系數(shù)、實訓項目與實際相結(jié)合等方面有明顯優(yōu)勢。

3.1 實訓項目與實際相結(jié)合，實踐教學效果好

任課教師根據(jù)學生的學習規(guī)律，結(jié)合PLC的理論教學要求，設(shè)置了實訓項目，并將該實訓項目的應用現(xiàn)場視頻經(jīng)采集處理后導入到實訓平臺，學生在課堂內(nèi)即可與PLC實際應用現(xiàn)場實現(xiàn)零接觸。實訓平臺在項目的設(shè)置上符合學生的學習規(guī)律，項目本身又來自于PLC的應用現(xiàn)場且通過視頻方式直觀呈現(xiàn)在學生面前，提高了學生學習的積極性和針對性，實踐教學效果有了進一步提升。

3.2 設(shè)備投入少、維護成本低

運用該平臺開展實訓工作，每個實訓工作臺僅需配置PLC、電腦PC機及所需供電電源即可，不再需要其它的投入，以每個實訓室共有20個實訓臺為例，每個實訓室的投入僅約10萬元，在使用過程中也不會有任何的損耗，維護成本幾乎為零。若要通過實物方式完成實訓平臺的實訓項目，購置設(shè)備的資金投入是巨大的，至少在100萬以上，放置實訓設(shè)備的空間也是任何一個學校無法給予的，實訓過程當中的維護成本也是相當之大。

3.3 操作對象均為虛擬，實訓安全系數(shù)高

PLC的應用現(xiàn)場多在工業(yè)生產(chǎn)過程中，所帶的設(shè)備有相當一部分為三相設(shè)備，運用實物開展實訓具有較高的危險性，如在開展電機正反轉(zhuǎn)的實驗時，若所接線路出錯將很可能將電機損壞，學生自己所接的線路也是一個很大的安全隱患。而在該實訓平臺中，除了PLC外其它所有的設(shè)備都是虛擬的，不需任何的接線，若實訓學生編制的程序錯誤也不會損壞 PLC，更不會影響到人身安全，實驗的安全性得到了極大提升。

4 結(jié)束語

該實訓平臺通過視頻模式將機械手在生產(chǎn)現(xiàn)場的工作流程導入到平臺中，學生在課堂內(nèi)即可達到“親臨現(xiàn)場”的效果，有效解決了教學與實際相脫節(jié)的問題；用組態(tài)軟件構(gòu)建了虛擬實訓平臺，在虛擬實訓平臺上學生可開展相應的實訓項目，有效解決了深入企業(yè)現(xiàn)場實訓受時間、設(shè)備及安全等影響的問題。通過工商學院的近一年的教學實踐證明，該虛擬實訓平臺可有效提高學生學習的積極性及創(chuàng)新精神，實訓教學效果得到了進一步的提高。

參考文獻：

[1] 常斗南.可編程序控制器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 彭新一，童燕青.構(gòu)建實驗室科學管理體系的思考[J].華南理工大學學報：社會科學版，2009，11（1）：61-63.

[3] 苗紅霞，齊本勝.PLC控制技術(shù)實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2010.3：136-139.

[4] 李時輝.基于組態(tài)與多媒體軟件的PLC虛擬實訓平臺構(gòu)建[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（5）：142-144.

[5] 董增文，胡瑢華，劉國平.機電控制器類課程虛擬實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（8）：53-56.

[6] 石玉明，李錫輝.PLC在機械手控制裝置中的應用[J].自動化技術(shù)與應用，2004（3）：36-37.