立项依据

1.项目意义

“基于数字孪生技术的PLC（可编程逻辑控制器）教学仿真系统”具有以下的重要意义：（1）提供实践环境。传统的PLC教学通常依赖于实验室设备，学生需要直接使用实际的硬件来进行实验。而基于数字孪生技术的PLC教学仿真则提供了虚拟的实践环境，学生可以在计算机上进行实验和调试，无需依赖实际硬件，降低了实验成本和设备的限制，使更多的学生能够参与实践学习。（2）实时调试和故障排除。通过数字孪生技术，PLC教学仿真可以模拟真实的工业控制系统，包括传感器、执行器和控制逻辑等。学生可以在仿真环境中实时调试和故障排除，模拟实际工程中遇到的问题，提高实践能力和解决问题的能力。（3）增强理论学习。PLC教学仿真可以结合理论课程，通过模拟不同的控制场景和任务，帮助学生巩固和应用所学的理论知识。学生可以通过实践操作来加深对控制原理、编程语言和逻辑运算等方面的理解，提高学习效果。（4）灵活性和安全性。基于数字孪生技术的PLC教学仿真具有灵活性和安全性的优势。学生可以在任何时间、任何地点进行实验，不受实验室时间和设备可用性的限制。此外，仿真环境中的操作和调试不会对实际工业系统造成风险，提供了一个安全的学习平台。

综上所述，基于数字孪生技术的PLC教学仿真在提供实践环境、实时调试和故障排除、增强理论学习以及灵活性和安全性等方面具有重要的项目意义，为学生提供了更好的学习和实践机会，培养了他们在工业自动化领域的技能和能力。

2.研究综述

（1）项目简介

当前工业 4.0 的理念正在逐渐演变为现实，而其中关键的技术基础则是数字孪生。数字孪生在现实世界和虚拟世界之间充当桥梁作用，使工业产品设计制造的对象及其生产过程都能够在虚拟现实的环境中得到真实的仿真与验证，从而更好地帮助避免产品设计的缺陷、并提高产品的生产质量。本文基于数字孪生技术的仿真功能，将通过3D虚拟现实工具与逻辑控制模型集成，把监控对象及其运作过程通过空间数学模型对实际物理对象进行虚拟仿真，不仅可以生成物理对象空间模型用于可媲美现实环境的可视化管理，还可以反映了其动态的、实时的行为动作，通过在Web应用程序环境构建简单实用的数字孪生的教学仿真应用系统，实现在虚拟现实世界中对于PLC教学应用实例的设计与测试。该方法除教育用途之外，还可以在同类型的机电产品设计和实际生产中得到应用，很好地体现了数字孪生技术对于现代工业生产的帮助。

（2）基于数字孪生技术的PLC仿真系统架构可以包括以下组件和层次：

①实时数据采集层：该层负责实时采集与PLC相关的数据，包括传感器数据、执行器状态、输入输出信号等。这些数据通过物联网设备或其他数据采集设备获取，并传输到系统的数据处理层。

②数据处理层：数据处理层接收实时采集的数据，并进行处理和解析。这包括数据清洗、数据验证和数据转换等操作。在这一层，数据还可以与模型进行对比和校验，确保数据的准确性和一致性。

③数字孪生模型层：该层是整个系统的核心，它包含了PLC的数字孪生模型。数字孪生模型是对实际PLC系统的虚拟表示，包括PLC的硬件组件、控制逻辑和工作状态等。它基于物理原理和实时数据，能够模拟和预测PLC系统的行为。

④仿真引擎层：仿真引擎层基于数字孪生模型，执行PLC仿真并生成仿真结果。它接收来自数据处理层的数据输入，并根据数字孪生模型中的逻辑和规则进行仿真计算。仿真引擎能够模拟不同场景下PLC的工作情况，并输出仿真结果供后续分析和可视化。

⑤分析与可视化层：这一层用于分析和可视化仿真结果。它可以提供实时监控、数据分析和报告生成等功能，帮助用户理解仿真结果并进行决策。该层可以使用图表、仪表盘、报告等形式，将数据和结果以直观的方式呈现给用户。

⑥用户界面层：用户界面层是用户与系统交互的接口，通常使用Web界面或移动应用程序。用户可以通过该界面进行仿真场景的选择、PLC程序的编辑和调试、仿真结果的查看等操作。用户界面应该友好易用，提供直观的操作和反馈。

通过数字孪生模型和实时数据采集，基于数字孪生技术的PLC仿真系统架构能够更准确地模拟和预测PLC系统的运行状态，实时反映真实PLC系统的工作状态，并支持用户进行各种场景的仿真和分析。