基于“二虚一演”的PLC原理及应用实验教学改革

杨 莉¹，张葛祥¹，魏 伟²，郭德全¹，庄慧敏¹，王 刚¹

1.成都信息工程大学自动化学院 四川 成都 610225；2.四川农业大学建筑与城乡规划学院 四川 成都 611830

[摘 要]针对有限的实验条件且大多为插线式的实验装置，使得学生自主动手机会少，满足不了培养学生工程实践能力等问题，为了提高PLC原理及应用课程的实验教学效果，提出“二虚一演”的虚拟仿真技术与现场演示相结合的线上线下混合式实验教学模式。在课前，教师通过教学平台发送实验内容、实验要求及与实验内容相对应的简单实验仿真演示视频，学生通过教学平台观看视频预习实验内容及实验要求；在课堂，学生根据实验内容与实验要求完成“TIA Portal+CADe_Simu”双软件的虚拟仿真，教师再依次点评与考核，从中选择2-3组的TIA仿真程序下载到实验室PLC实训平台进行演示；在课后，教师布置实验思考与扩展作业，学生完成实验思考和实验报告。该教学模式有效地激发了学生的学习兴趣，培养了学生的合作精神和团队意识，提高了学生的工程实践能力，提升了学生的学习效果。

[关键词]PLC原理及应用；线上线下混合式；虚拟仿真；现场演示

[中图分类号] TM13 [文献标识码]A [文章编号]1687-9534(2025)-0054-49 [收稿日期]2025-05-15

一、引言

随着现代工业自动化技术的快速发展，PLC控制在工业自动化控制领域起到至关重要的作用。PLC原理及应用课程作为一门理论性实践性均强、软硬件相结合及综合性高的专业课程，能全面培养学生工程实践能力^[1-2]。PLC课程^[3-4]涉及继电器控制中的低压电器、电气控制系统绘图识图、逻辑控制、保护功能实现等理论及实践知识和PLC控制技术中的I/O分配表、PLC硬件接线、梯形图、仿真软件环境应用以及实验平台应用等相关理论与实践知识。PLC课程实验^[5-6]能有效促进学生对软硬件知识的全面掌握，由此可见，实验教学部分^[7-8]具有举足轻重的作用。针对目前学时和实践场地有限的实验教学^[9]而言，如何更好地提高教学目的，满足学生的求知欲望，提供更多工程实践机会和提高学生编程应用能力?在实验课上，采用“二虚一演”的线上线下混合式^[10]教学模式，即：“二虚”是指TIA Portal仿真软件与CADe_Simu绘图仿真软件相结合的虚拟仿真技术，“一演”是指实验平台现场演示，运用虚拟PLC代替真实的硬件、以虚拟被控对像代替实物装置进行实验的思想。采用CADe_Simu绘图仿真软件使学生形象地掌握电气主电路接线与PLC硬件接线及元器件文字符号、图形符号的规范绘制并进行仿真验证，采用TIA Portal软件编写梯形图程序并进行虚拟仿真使学生全面熟悉西门子PLC软件编程应用环境；通过实验平台现场演示以增强学生的理解认知能力。

二、PLC实验教学现状

随着教学改革的不断推进和课程优化的不断深入，PLC课程实验教学在适应新的教学要求和学生需求的过程中，逐渐显现出一些亟待解决的问题。PLC课程实验教学现状主要存在以下几个方面的问题。

（一）实验要求单一

以往的PLC课程实验要求主要集中在编程指令的熟悉上，而对主电路和PLC控制电路的绘图与识图重视不足。这导致学生在完成PLC课程学习后，仍然难以区分继电器控制电路和PLC控制电路，对电路硬件设计和绘制规则掌握也不够充分，无法达到工程实践的要求。

（二）实验设备缺乏

有限的PLC实验设备无法满足所有学生充分实践的需求，导致学生无法反复动手操作使其熟练掌握PLC编程及其控制技能。陈旧的PLC实验设备无法满足学生进行复杂仿真和创新设计需求，导致学生无法模拟真实的工业应用控制环境，使得学生难以跟上PLC技术的快速发展和工业应用实际需求。

（三）实验课时不足

随着培养方案改革和课程优化的不断深入，PLC课程的教学课时被普遍压缩，导致实践课时严重不足。为适应有限的实验课时，教师不得不简化实验项目和降低实验要求，这使得学生无法全面掌握PLC的应用实践技能。同时，实验课时的减少也降低了学生的实验参与度，部分学生甚至无法获得足够的动手实践机会。这不仅影响了学生对PLC知识的理解和应用，还削弱了他们的实践能力和创新思维能力.

（四）教学方法传统

在实验教学过程中，教师通常采用传统的讲授式教学方法，详细地向学生介绍实验内容、实验步骤和实验要求。这种教学方式虽然能够让学生清晰地了解实验的基本流程，但却忽视了学生主动思考和自主探究的重要性。学生在实验中往往只能扮演执行者的角色，机械地按照教师给出的步骤依次完成实验内容。该种实验教学模式不利于学生对实验原理的深入思考，极大地限制了学生创新思维的培养。

三、PLC实验教学改革方案

（一） 实验教学方案设计

面对有限的实验学时以及陈旧且数量有限的实验设备，为了更好地提高PLC实验教学效果，满足学生的求知欲望，提供更多机会实践和提高编程能力，该课程实验采用“二虚一演的线上线下混合式”教学模式，如图1所示。

图1 “二虚一演”的线上线下混合教学模式

教学过程组织按照“课前—通过教学平台发放学习视频让学生对实验内容和实验要求进行课前预习，采用线上学习平台（QQ群、雨课堂等）进行课堂答疑与课堂预习测试；课堂—组织学生进行控制方案讨论、主电路及控制回路接线图设计并进行CADe_Simu虚拟仿真验证，程序设计并进行TIA Portal虚拟仿真、选取仿真效果较好的进行实验演示；课后—要求学生独立完成思考题、总结实验调试步骤及解决方法，并完成实验报告提交到教学平台，自愿完成HMI仿真界面设计”三个阶段进行组织，使得学生在课前、课堂和课后的学习形成一个有机整体。

（二）教学方案可行性分析

根据图1所示，“二虚一演”的线上线下混合式教学实施的核心环节在于挑选合适的在线教学平台、虚拟仿真软件，以及充分利用学校实验教学平台。

1.在线教学平台

目前，在大学教学中，“慕课堂”、“雨课堂”和“学习通”等智慧教学工具被广泛应用。为了更好地满足教学需求，提高教学效率和质量，成都信息工程大学自主搭建—“成信学堂”，支持教师课前发放文字和视频资料，习题测试用于及时掌握学生学习动态等功能，学生可随时下载和学习相关资料，及时练习习题，促进自主学习和深入理解实验内容。

2.虚拟仿真软件

成都信息工程大学“PLC原理及应用”实验教学是以西门子S7-1200为实验平台，使用西门子公司开发的全集成自动化软件TIA Portal。在TIA Portal中完成PLC硬件组态、变量表编辑和梯形图程序编写后，通过与PLCSIM建立通信连接，之后在PLCSIM的SIM列表中，通过改变输入触点状态用以模拟实际的硬件开关或按钮动作，并观察输出线圈的通断状态，以此判断是否符合实验预期控制要求，从而验证程序编写的可行性。但PLCSIM的无硬件模拟功能，然而CADe_Simu绘图仿真软件能有效弥补这一缺陷。采用CADe_Simu4.0绘图仿真软件绘制主电路、PLC控制电路，编写PLC梯形图程序，通过点击PLC控制电路按钮动作，可直接观看主电路动作过程。最后将TIA Portal软件中的程序下载到实验教学平台进行演示。TIA Portal仿真软件和CADe_Simu4.0绘图仿真软件的有效使用不受实验平台限制，能有效训练学生的编程能力和硬件搭建及调试能力。

（三）教学改革案例实施

顺序逆序控制逻辑在自动化生产线、物流控制系统、工业通风系统等现实生活和工业自动化中有着广泛的应用，因此将多电机顺序控制作为PLC实验教学的一个基础实验性项目。本文将以此为例对基于TIA Portal和CADe_Simu仿真软件的“二虚一演”实验设计流程进行详细说明。该实验内容为：设计三台电机顺序启动逆序停止的硬件电路设计和控制程序设计。要求为：每台电机都有单独控制的启停按钮和过载保护；每台电机只需要实现单向连续运行；顺序启动时，只有第一台电机M1运行后才允许第二台电机M2运行，同理只有电机M2运行后才运行第三台电机M3运行；逆序停止时，只有M3停止后才允许M2停止，同理只有M2停止后才允许M1停止。采用ITA Portal仿真软件完成控制程序仿真，采用CADe_Simu完成主电路和PLC控制硬件电路图连接，并结合TIA Portal控制程序完成三台电机顺序启动逆序停止的虚拟仿真实现。

课前，教师录制单台电机连续运行的实验视频，主要包括功能分析、I/O地址分配、TIA Portal的硬件组态、变量表编写、梯形图编写与PLCSIM仿真调试、CADe_Simu软件上的主电路连接、PLC控制电路连接、梯形图编写、过载保护功能实现与实验平台演示等，发送视频到教学平台、布置预习任务；学生通过观看单电机连续运行的“二虚一演”的实验视频，预习多台电机顺序控制的实验指导书、实验要求及实验内容，思考多台电机的功能分析。课中，教师先发布实验任务；学生先解读实验任务分析三台电机顺序控制功能、编写I/O分配表、其次在TIA Portal仿真软件编写变量表、梯形图并联合PLCSIM进行功能仿真调试、然后在CADe_Simu软件上绘制主电路、PLC控制电路接线图、依据TIA Portal软件所编写的梯形图在CADe_Simu软件上编写梯形图，最后在CADe_Simu软件上实现三台电机顺序控制的虚拟仿真；教师再分别对每一组的双软件虚拟仿真进行功能检查并考查相关知识点，当每组检查完后，最后选出两个组的TIA Portal梯形图下载到实验平台，演示三台电机顺序控制功能。课后，教师布置实验课后思考题和TIA  Portal软件上三台电机顺序控制的HMI动态界面仿真扩展内容；学生完成实验报告、整理实验数据及出错的调试方法等、选择完成扩展内容。

四、结论

通过“二虚一演”的线上线下混合式实验教学教改，有效地解决了有限的实验条件、落后的实验装置，增强了学生自主动手能力，有效地提高学生的PLC编程、硬件接线、系统调试以及故障排查等多方面的技能，同时也能深刻理解PLC在实际生产中的重要作用，为今后从事工业自动化相关工作打下坚实的基础。该实验课程的探索为今后开展线上线下混合式教学奠定了良好的基础。

基金项目：教育部产学合作协同育人项目(CXY202301014，231007200072151) ；四川省级普通本科高校创新性实验项目（批文号：川教函[2024]451号）；成都信息工程大学校级教改项目（JYJG2024010，JYJG2024024，JYJG2024071，JYJG2023087，JYJG2024136，JYJG2025063)；成都信息工程大学自动化学院院级教改项目（ZDHXYJG-2023006，ZDHXYJG-2024004）。

作者简介：杨莉(1984-)，女，四川仁寿，博士，讲师，研究方向为先进控制理论及其应用、风力发电系统及其控制、电气工程及其自动化、自动化专业教学与研究。

参考文献： 

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Exploration and Practice of PLC Principle and Application Experimental Teaching Based on Virtual Simulation

Yang Li¹，Zhang Gexiang¹ ，Weiwei²  ，Guo Dequan¹ ，Zhuang Huimin¹ ，Wang Gang¹

1.School of Automation, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan 610225；2.College of Architectural and Rural Planning, Sichuan Agricultural University, Chengdu Sichuan 611830

Abstract：In response to the limited experimental conditions and mostly plug-in experimental devices, which result in fewer opportunities for students to engage in hands-on activities and cannot meet the needs of cultivating students' engineering practical abilities, in order to improve the experimental teaching effectiveness of PLC principles and applications courses, a hybrid online and offline experimental teaching mode with "two virtual and one demonstration" combining virtual simulation technology with on-site demonstrations is proposed. Before class, the teacher sends experimental content, experimental requirements, and simple experimental simulation and demonstration videos related to the experimental content through the teaching platform. Students watch the videos on the teaching platform to preview the experimental content and requirements. In the classroom, students complete the virtual simulation of the "TIA Portal+CADe_Simu" software based on the experimental content and requirements, then the teacher evaluates and assesses them in turn, selects 2-3 groups of virtual simulations with good results and downloads them to the laboratory PLC training platform for demonstration. After class, the teacher assigns experimental thinking, and students complete experimental thinking and experimental reports. This teaching model can effectively stimulate students' autonomy and creativity in learning, cultivate their spirit of cooperation and teamwork, improve students' engineering practice ability and enhance their learning outcomes.

Key words：Principles and Applications of PLC; Online and offline hybrid; Virtual simulation; Live demonstration