1. 引言
随着中国制造2025的深入发展，涌现了一大批以工业4.0、智能制造技术为代表的企业，相关企业对应用型本科毕业生的专业素养要求越来越高。然而传统的电气类课程的实验教学普遍存在教学空间时间有限、设备台套数不足、维护成本高、学生参与度低等缺点，尤其是在新冠疫情防控常态化的大环境下，急需探索合适的实验教学新思路。
机电一体化概念设计解决方案（Mechatronics Concept Designer-MCD）为工业生产带来了全新的设计思路，给工业自动化生产带来了更多可能。西门子公司的机电一体化概念设计软件为NX软件，利用其可以进行空间建模和模拟的仿真设计。NX软件中的机电概念设计功能支持多种设计模式，尽可能为每位开发者带来不用的开发体验，创造出独一无二，与众不同的产品。这个功能也极大加快了开发速度，提高了生产效率，得以匹配上现如今不断发展的行业现状，随着科技水平的不断提高，要想在飞速发展的今天拥有一席之地，就必须拿出更高效的产品，而NX软件正好可以提供优质的服务，让设计人员在一个更好的设计环境下去开发更多优良的产品，更好服务于工业设计行业。
本课题主要针对《电气控制与PLC》课程中实验教学存在的问题，以提高学生创新能力和动手能力为出发点，从以下几个方面展开研究：
（1）设计多种以企业实际生产设备为对象的虚拟模型，解决传统实验对象种类少、易损坏、台套数不足等问题；
（2）建立NX虚拟模型与虚拟PLC的通信；
（3）疫情防控常态情况下虚拟仿真实验教学的开展思路。
2. 设计方案
《电气控制与PLC》课程实验台存在设备台套数少、故障多、维护量大等缺点。本课题采用西门子NX软件制作相关实验模型，在此基础上，通过西门子S7-PLCSIM Advanced V2.0 SP1虚拟仿真软件和NX软件通信，实现了利用虚拟的PLC来控制各个实验模型的作用。具体的系统需求如下：
（1）三维模型建立
根据本校自动化专业现阶段《电气控制与PLC》课程的需要，需要设计三相异步电动机、运料小车、天塔之光、音乐喷泉、十字路口交通灯等三维模型。限于篇幅，本文以运料小车为例进行简要介绍，其仿真模型如图1所示。
图1运料小车实验模型图。
实验要求一辆小车在A、B两点之间运行。在A、B两点各设一个限位开关。小车在A点时(后限位开关受压动作)。在车门关好的情况下，按一下向前运行按钮。小车就从A地点运行到B地点停下来，然后料斗门打开装料10秒钟。之后小车自动向后行到A地点停止，车门打开卸料4秒钟后，车门关闭。要求控制方式有手动控制、单周期运行、双周期运行、自动运行等4种控制方式。
a. 运料小车三维模型由料斗、轨道、限位开关、小车等几部分组成。
b. 打开NX软件创建一个新的工程，选择机电概念设计，将运料小车的模型导入。
c. 调整模型，当模型方向与坐标系不一致时，需要选择工具—移动对象工具进行调整，将模型朝上的方向和Z轴保持一致。
d. 对模型中需要动作的部分设置刚体和碰撞体。刚体具有质量，可以采用自动属性，可以自定义，可以添加初始速度，所以将料斗门、小车、车门等组件设置为刚体。碰撞体即具有摩擦属性，并且不能相互穿透，若只是刚体则会相互穿透，所以将轨道、挡板等部件设置为碰撞体。
e. 根据料斗门、小车、车门等不同部件动作要求，为刚体之间添加运动副，没有添加运动副的刚体在运行时会掉落，所以对中间需要连接的刚体之间设置铰链副，对于轨道滑块这类需要主动移动的刚体设置滑动副。
f. 对运动副设置碰撞传感器、限位开关、速度控制以及位置控制。
g. 对相关的刚体设置碰撞材料来模拟它在现实中所需要的摩擦力。
h. 为了模型里的工件能够运行，创建相应的运动信号。
i. 将上述设置工作完成后，便可在机电概念设计中添加仿真序列来完成运料小车的动作设计。根据触发条件、当前所处步骤和运行时间来改变之前设置的刚体、碰撞体、运动副、传感器和限位开关等是否可以开始运行的数据。
（2）PLCSIM ADVANCED虚拟仿真软件和NX软件通信
通过PLCSIM ADVANCED实现PLC中的变量与NX中的MCD信号通信以实现虚拟调试的流程如下：
a. 首先打开S7-PLCSIM ADVANCED V2.0 SP1，启动虚拟PLC S7-1500，设置Instance name 为“sss”，点击“Start”，如图2所示。
图2打开虚拟PLC
b. 在西门子PLC编程软件博途V15.1中进行硬件组态和程序编写，选中主程序，点击编译，在确认编译无误后，点击下载到设备，将程序下载进虚拟PLC中。
c. 点击启动CPU，此时PLCSIM ADVANCED中的PLC仿真显示RUN/STOP LED会由黄灯变成绿灯。
d. 到此PLC运行部分已经完成。接下来打开NX中的三维虚拟模型，点击“外部信号配置”，选择“PLCSIM Adv”，点击添加实例，选中状态处于管道通路的“sss”PLC，将信号全部选中，如图3所示。
图3 外部信号配置
e. 外部信号配置设置完成后，点击“信号映射”，将NX中的信号与PLC中的变量进行信号自动映射。
f. 信号映射成功后，NX与PLC之间的连系就彻底成功，接下来就可以运行系统检验成果了。
3. 疫情防控常态情况下虚拟仿真实验教学的开展思路。
在全世界新冠疫情长期肆虐的大环境下，我国坚持的“零感染”防控政策，对于高校正常开展教学工作起到了巨大的支持作用。然而，鉴于国内零星新冠疫情的时常发生，高校在每学期通常还是有4-6周的线上教学，因此如何保质保量的实现线上教学显得尤为重要。尤其是传统的专业实验课，更需要拓展新思路。本文以《电气控制与PLC》课程的实验教学为研究对象，经过2个学期的实践和探索，开展了虚拟仿真实验课程建设，取得了满意的结果。下面是本文《电气控制与PLC》的虚拟仿真实验教学具体开展思路：
（1）课前调研及软件安装
由于虚拟仿真实验需要按照专业的仿真软件，对电脑配置有一定要求，因此需要在课前对学生所持有的个人笔记本电脑进行调研，以确保每人均能实现软件的正常安装、使用。本文经过2个学期共计8个班级的调研，发现目前学生自配笔记本电脑配置均为当前主流配置，绝大部分均满足要求。个别学生由于系统原因无法安装，可通过重装系统、安装虚拟机等方式解决。
（2）及时有效的在线沟通工具
应利用相关在线交流软件建立及时有效的在线沟通渠道，本文根据本校学生实际情况，选用QQ群作为在线沟通工具，充分利用QQ群作业、录屏、截图、群视频等功能，将实验过程中的各个重点、难度进行呈现，确保每个学生按时按质完成虚拟仿真实验。
（3）课后引导拓展
课程结束后，进行兴趣调研，对部分感兴趣的学生进行引导，引导其以相关技术为基础，进行大学生创新项目、实验室开放项目、学科竞赛等活动。鼓励其以企业应用现场为背景开发新的虚拟仿真模型。
4. 结论
在新冠疫情防控常态的情况下，本文以提高学生创新能力和动手能力为出发点，利用西门子NX机电概念设计软件和西门子PLC虚拟仿真软件设计了《电气控制与PLC》课程的虚拟仿真实验课程。并于2020年秋学期和2021年春学期，对电气工程及其自动化专业和自动化专业共计8个班级进行了实际应用。通过实际课程效果和学生反馈情况，本文所提虚拟仿真实验思路，可有效解决传统《电气控制与PLC》实验课程面临的问题。
参考文献：
[1] 蒋鹏, 杨晓冬. NX机电概念设计与PLC S7-1200间的通信[J]. 智慧工厂, 2019(1):3.
[2] 涂继亮, 陶秋香, 刘辉. 综合航空电子与控制虚拟仿真实验教学系统设计与开发[J]. 实验技术与管理, 2019, 36(8):5.
[3] 刘设，刘巍巍，陈盛兰，et al. 新工科背景下生产流程虚拟实验项目建设与研究[J]. 教育研究(2630-4686), 2019, 002(010):P.81-82.
基金项目：盐城工学院校级教改项目
作者简介：杨晓冬（1982—），男，籍贯河北曲阳，博士，讲师，研究方向为工业自动化