项目方案

（1）项目目标

在虚拟教学仿真技术产品研发的过程中，以丰富PLC教学内容服务供给为抓手，推动数字孪生与虚拟现实技术研发与实验室PLC教学应用的结合。加强产学研用协同合作，推动相关教学仿真理论、共性技术和应用技术研究。通过围绕建模、显示、传感、交互等重点研发要点，加强动态环境建模、实时三维图形生成、多元数据处理、快速渲染处理等关键技术攻关，积极开展数字孪生与虚拟现实视觉图形建构方面的工作。面向职业教学PLC教学应用需求，开发基于数字孪生与虚拟现实感知交互设备、实时数据采集制作设备的研发及标准化，推动数字孪生与虚拟现实仿真技术产品在职业教育、机电设备检测等行业领域的应用，拓展数字孪生与虚拟现实产业的结合。

(2)拟解决的问题

①根据PLC操作案例的实际运行要求，开发能够进行全流程信息的捕捉及传输的中间件，该中间件为单片机模块，可以与PLC产品进行互连互通，以完成信息的有效采集与预处理；

②开发基于Web应用的服务器平台，以便于教师和学生可以通过TCP/IP网络呈现仿真操作的效果；

③在实时操作过程中，通过持续稳定的实时信息采集、分析与处理，能够完成基于PLC应用案例的操作仿真，实现典型PLC案例虚实应用结合的调试。

“基于数字孪生技术的PLC（可编程逻辑控制器）教学仿真系统”的研发，包含以下研究内容：

（1）通过三维软件重建PLC操作台模型，要保证所有三维组成构件形态能够成为实物的高度仿真模型，其中操作台外形、以及其上的操作按钮等构件与实际对象保持一致，操作台上的PLC、以及相关的机电配件（包括电机、发光二极管、传感器等）与实际配件外形保持一致并能够反映相关线路的正确连接。

（2）通过Blender、Unity 3D、Unreal Engin等3维仿真开发工具制作材质保证模型质感仿真还原，并以此开发相关的信号处理及交互程序，实现3维模型及其实时信号特征的呈现。

（3）调取PLC、Scada、Mes等系统实时数据，驱动三维模型的运动与实物的操作与实际运作相一致。

仿真系统应用的核心价值，是让学生通过虚实结合的操作，了解先进的自动化设备的理念及其操作技能，并让学生因此理解先进的数字孪生系统及其应用价值。仿真系统的实践内容主要包含有：PLC元件的结构及原理展示、PLC项目的故障诊断、PLC项目构件的连接与检测、PLC应用项目的实际维护与完善等等。实训内容可以分为演示、训练以及考核等多个阶段。本项目的实践内容，将基于数字孪生的PLC虚拟仿真教学系统，结合当前PLC实际操作的专业教学模式，利用数字孪生虚拟仿真技术，构建并还原PLC相关组件而生成PLC项目模型，使学生可以通过360度完全沉浸式虚拟实操环境，对PLC项目实际操作开展虚拟仿真教学实训，保障学生能够系统地、清晰地学习PLC在工业控制中的专业应用，更好地掌握相关知识点及具体的操作流程。通过真实模拟教学实训场景，本项目计划将每个PLC实际项目的流程、操作、诊断标准化，提高学生学习兴趣与实训效率，培养出能够真正掌握PLC知识的专业技能人才。

本项目研究方法主要有两个：实验法、实证研究法。

（1）实验法，是通过控制PLC对象来发现与确认PLC实际应用效果的一种科研方法，其主要特点是：

①主动变革性。实验效果的观察是在各种预设条件下认识研究对象，发掘其中的应用特点与规律。通过人为地、主动地操纵实验条件，人为地改变PLC控制对象的工作方式、变化过程，使它服从于科学认识的需要。

②控制性。科学实验要求根据研究的需要，借助各种方法技术，减少或消除各种可能影响科学的无关因素的干扰，在简化、纯化的状态下认识研究对象。

（2）实证研究法，是科学实践研究的一种常用形式。依据现有的PLC知识点和实践操作的具体要求，利用现有的各种仪器和设备，在自然条件下通过有目的、有步骤地操作，根据观察、记录、测定与此相伴随的各种变化来确定前提条件与操作效果之间的因果关系的活动，以利于说明并证实仿真操作与实际操作的具体关系。

阶段1：需求分析

时间：3个月(2023.9-2023.11)

（1）研究基于数字孪生技术的PLC教学仿真的系统需求

（2）与PLC教学团队进行访谈和讨论，收集需求和期望

（3）定义系统功能和性能指标

目标：需求分析报告完成和确认

阶段2：系统设计

时间：9个月(2023.12-2024.8)

（1）明确基于数字孪生技术PLC教学仿真系统的整体架构与各个组成模块

（2）开发基于数字孪生技术的PLC教学仿真系统和相关界面

（3）定义各个模块的通信和数据传输协议

目标：完成初始的系统架构定义与设计开发

阶段3：软件开发

时间：6个月(2024.9-2025.2)

（1）开发应用系统并完成完善相关控制算法

（2） 实现3维界面的构建及同步信号处理

（3）开发用户界面和操作控制面板

（4）集成和测试软件模块的功能和兼容性

目标：软件开发完成与验证

阶段4：测试和完善

时间：6个月(2025.3-2025.8)

（1）进行系统功能和性能测试

（2）模拟并实施PLC实例教学

（3） 优化系统性能和稳定性

目标：系统测试并交付使用

本项目的资金筹措方式计划将包括以下几个方面：

（1）学校拨款

向学校相关教学科研部门申请科研项目资助。计划申请约4万元，进行项目的启动。

（2）企业赞助

与相关职业教育培训机构、或相关企业合作，争取相关机构与企业的赞助和支持。除了企业自身的赞助，还同时与企业合作开展联合研发项目，通过各级政府的科技部门申请科研赞助。

（3）合作项目

与其他研究团队、机构或国际合作伙伴合作开展科研项目。通过合作共享资源和经费，提高项目的资金投入并丰富项目研发资源。

在筹措科研项目经费时，重要的是根据项目的性质、目标和研究内容选择合适的筹资方式，在项目研发过程中通过与潜在赞助方或合作方进行有效的沟通和协商，将可以更好地筹措项目经费。

本仿真项目的预期成果可以体现在以下三个方面：

（1）发表论文和申请知识产权：科研项目的成果通常可以通过学术论文的发表来分享和传播，以便与同行和研究社群共享研究成果。本项目计划发表1-2篇论文，申请2-3项软件著作权。

（2）技术创新和应用推广：本科研项目的成果，可以促进职业教育技术创新和应用推广。通过本项目的新技术、工具、算法或方法，可以满足学校在实验室教学数字转型的需求，并可以推进与企业的结合进行产教融合的项目。

（3）政策建议和决策支持：本科研项目的成果之一，将可以协助职业教育政策制定和决策支持。通过研究和分析机电应用仿真系统的特点，本项目将可以帮助制定指导性政策或为教育机构等特定专业的教学提供决策支持。

本仿真项目的应用效果可以体现在以下四个方面：

（1）验证和优化控制逻辑：通过PLC仿真，可以验证和测试编写的控制逻辑，确保在实际应用中的准确性和可靠性。通过模拟不同场景和输入条件，可以发现潜在的问题并进行优化，以提高控制系统的性能。

（2）降低开发和调试成本：使用PLC仿真可以在实际项目应用之前进行系统开发和调试。这有助于减少硬件成本和时间，提前发现和解决问题，降低开发和调试阶段的成本和风险。

（3）提高系统可靠性和安全性：通过PLC仿真，可以评估控制系统在不同条件下的性能和响应。这有助于发现潜在的故障点和安全隐患，并进行相应的改进和优化，以提高系统的可靠性和安全性。

（4）优化系统运行效率：通过仿真分析，可以模拟和评估不同的操作策略和参数设置，以找到最佳的系统运行配置。这有助于提高系统的运行效率和能耗管理，减少资源浪费，实现更好的性能。

（5）培训和知识传承：PLC仿真可以用于培训和知识传承，让操作员和技术人员在虚拟环境中学习和熟悉控制系统的操作和维护。这有助于提高工作人员的技能水平，降低人为操作错误的风险。

（1）实时仿真：采用实时仿真技术，能够准确地模拟PLC控制系统的运行行为。这使得开发人员能够在虚拟环境中测试和验证PLC程序的功能和性能，而无需实际的物理设备。

（2）多场景模拟：PLC仿真项目可以支持多种场景的模拟，包括不同的工业过程、生产线配置和设备状态等。通过在仿真环境中模拟不同的场景，可以评估PLC程序在各种情况下的响应和效果。

（3）故障模拟和调试：仿真项目可以模拟各种故障情况，例如传感器故障、执行器故障或通信故障等。这使得开发人员能够测试PLC程序在故障条件下的可靠性和恢复能力，并进行调试和优化。

（4）数据记录与分析：仿真项目可以记录和分析PLC控制系统的各种数据，包括传感器数据、执行器状态、PLC程序执行日志等。这有助于开发人员对系统行为进行深入分析，并进行性能评估和改进。

（5）联网与远程访问：将PLC仿真项目与网络结合，可以实现远程访问和控制。开发人员可以通过互联网远程连接到仿真系统，进行实时监控、调试和修改PLC程序，提高开发和测试的效率。

这些特色与创新方面使得PLC仿真项目具备更高的灵活性、可靠性和效率，可以提供一个安全、经济和可控的环境，供开发人员进行PLC程序开发、测试和优化，从而提高工业自动化系统的性能和可靠性。