過程控制系統虛擬仿真實驗教學平臺

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摘要：基于自動化專業工程創新型人才培養目標要求，結合自動化專業教學和科研的實際需求，開發了具有航運特色的過程控制系統虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺以三容水箱實驗裝置為模型，結合典型的船舶機艙過程控制系統，為教師和學生提供輔助教學和自主實驗的條件，能有效提高學生對專業課程的學習興趣以及對過程控制系統的認知和理解能力。

關鍵詞：過程控制系統；航運特色；虛擬仿真；實驗平臺

過程控制系統涵蓋自動控制、傳感器技術、計算機技術等多個領域的理論與方法，是自動化專業及相關專業的主要專業課程之一。它是一門對實踐性要求非常高的綜合性課程，對培養應用型技術人才具有重要作用[1-2]。實驗教學是教學過程中不可替代的環節，控制技術的快速發展和學生人數的持續增加都給實驗教學帶來了巨大的壓力和挑戰[3]。現有的實驗教學中存在一些問題。第一，設備數量較少，設備損壞率較高，無法滿足學生獨立完成實驗的要求。第二，實驗內容較為單調，要在三容水箱實驗設備上研究開發新的智能控制算法，實驗成本較高，時間周期較長。第三，實驗教學課時有限，實驗室開放管理難度較大，學生自主創新能力訓練不足[4-6]。因此，開展虛擬仿真實驗教學具有重要的現實意義。過程控制系統虛擬仿真實驗教學平臺(簡稱平臺)的開發，以三容水箱過程控制實驗裝置為模型，對三容水箱液位、溫度、流量等參數進行控制仿真研究[7]。同時鑒于我校海事院校鮮明的行業特色，將典型的船舶機艙過程控制系統進行虛擬仿真，通過具體實例講解相應的儀表與過程控制系統的基本工作原理。

1平臺建設目標和要求

平臺建設目標是滿足新時期自動化專業人才培養要求，并具有學校航運特色的虛擬仿真實驗教學平臺。根據專業本科培養方案和教學大綱對實驗教學的要求，針對過程控制系統課程特點，研發設計一個易于擴展、界面友好、算法開放的實驗教學平臺。該平臺具有以下功能：水箱液位、溫度、壓力動態虛擬仿真；水箱模型參數設置；控制器參數設計，可自行設計其他先進智能控制算法；控制模式選擇；仿真進程控制；數據顯示與存儲等。

2平臺建設方案

平臺的開發實現主要包括界面操作設計、支撐界面運行的模型設計以及數據通信的實現。平臺組成原理圖如圖1所示，基于MATLAB軟件開發建立對象模型及其控制算法，基于WinCC軟件開發平臺人機交互實驗界面[8]，包括初始登錄界面、可視化動態過程以及參數整定界面等。結合OPC協議有效組態系統，使系統內部數據進行實時傳遞，實現界面和模型的無縫連接。

2.1水箱系統的數學模型

我校過程控制實驗室有15套YL-363C型水箱過程控制實驗裝置，以此為參考對象，利用對象特性測試法，得到被控對象對階躍信號的響應曲線或輸出數據。根據已給定的對象模型結構，對實驗數據進行處理，確定模型參數。H為水箱液位高度，Q為流量，K為對象放大系數，T為時間常數，τ為容量滯后時間，建立了如下數學模型。單容水箱：(1)雙容水箱：(2)

2.2數據通信

平臺界面與對象模型之間的實時數據通信是平臺建設的關鍵。OPC協議由標準的OLE/COM接口進行設計，是客戶端-服務器模式。在該平臺中，OPC的服務器是WinCC軟件，客戶端是MATLAB軟件。將WinCC和MATLAB通過OPC協議建立聯系，實現該平臺數據的雙向傳送。WinCC軟件作為OPC協議的服務器，優先建立OPC通道，然后建立通信變量，在“OPCGroups(OPCHNUnit#1)”下拉框中選擇“新驅動程序的連接”，并在“屬性”對話框中選擇服務器類“OPCDA”，設置OPC服務器的名稱。MATLAB軟件作為OPC協議的客戶端，首先添加客戶機、組對象和項對象，利用其現成的OPC工具箱，直接在命令窗口輸入“opctool”命令即可，其次由OPCNetwork添加“localhost”，最后設置變量，實現兩個軟件之間的通信。

2.3平臺界面設計

平臺界面主要由平臺初始界面、各個實驗項目的原理認知界面、實驗操作界面、實驗結果界面等組成。平臺初始界面如圖2所示，主要包括實驗項目的切換按鈕。根據教學需求，單擊實驗項目進入對應的實驗界面，如單擊“實驗四、串級控制系統實驗”，進入該實驗項目操作界面，如圖3所示。串級控制系統主要由兩個閉合回路組成：主回路和副回路。主回路是定值控制系統，副回路是隨動控制系統。在該平臺中，主回路中控制對象為中水箱，中水箱的液位為主控制量，副回路中控制對象為上水箱。在圖3的實驗界面中，左半部分的動態可視化顯示區域直觀清晰地給出了整個實驗裝置的閉環控制結構。當有水流通過時，所在管道會由灰色變為藍色，水箱也會動態顯示水量液位。在參數設置與顯示區域，“中水箱液位”“上水箱液位”可以實時顯示兩個水箱液位的具體數值。在“液位設置”框內進行給定值設置，在“主調節器”和“副調節器”框內可進行主、副調節器的參數設置。當系統穩定后，“加擾動”環節可對某一控制對象加外部擾動，觀察響應曲線的變化。水箱液位響應曲線也可點擊“歷史曲線圖”查看，如圖4(a)所示，點擊“實驗原理”按鈕可進入實驗原理介紹界面，如圖4(b)所示。船舶主機燃油黏度控制系統是典型的船舶機艙過程控制系統之一，通過控制主機的燃油溫度和黏度，保障主機的正常有效運行。在平臺初始界面上，單擊“實驗九船舶主機燃油黏度控制虛擬實驗”，進入該實驗項目操作界面，如圖5所示。在動態可視化顯示區域，可以看到該系統主要由溫度控制器、黏度控制器、蒸汽控制閥、燃油加熱器、溫度變送器、黏度測量計等組成。

3平臺的應用

與原有實驗教學相比，該平臺能使教與學不受時間、空間和實驗場所的限制，具有較強的靈活性，發揮了學生的主動性，突破硬件條件的限制，最終能夠以虛擬仿真系統和實物裝置相結合的方式完成相關課程的實驗教學與考核。該平臺也可應用于自動化、測控等專業學生的課程設計及畢業設計，年均受益學生為300人次。在培養學生自主實踐創新能力方面，由于授課對象一般為三四年級的學生，已具備一定的專業知識和編程基礎，可以利用該平臺開發研究先進的智能控制算法，進行創新實驗。

4結語

具有航運特色的過程控制系統虛擬仿真實驗教學平臺建設，以三容水箱過程控制實驗裝置和典型的船舶機艙過程控制系統為例，利用WinCC軟件和MATLAB軟件，基于OPC協議進行設計與開發。該平臺能夠讓學生在了解過程控制系統典型結構及基本工作原理的基礎上，對經典控制算法與先進智能算法的研究與應用進行虛擬仿真實驗。該平臺可作為相關課程的輔助教學資源，有效延伸學生自主學習和實驗的時間和空間，能提高學生對專業課程的學習興趣和對過程控制系統的認知和理解能力。

參考文獻

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[2]雷振伍,吳秀冰,孫德輝,等.基于PCS7和Simulink的過程控制虛擬仿真實驗平臺開發[J].實驗技術與管理,2016,33(1):135-139.

[3]代偉,黃罡,郝秀娟,等.虛擬過程控制實驗教學系統與翻轉課堂設計[J].實驗室研究與探索,2019,38(2):144-148.

[4]朱燕詳,王勇軍.人工智能技術在高校實驗室管理中的應用[J].教育教學論壇,2019(12):7-8.

[5]胡娟,蘆莎,汪禮.自動化實驗教學方法改革與探索[J].電子世界,2020(8):41-44.

[6]尹立蘋,王新亭.基于創新人才培養的高校實驗室研究[J].實驗教學與儀器,2019(7):147-149.

[7]李凌,曹紀中,王璐.基于Labview的三容水箱液位控制系統設計[J].沈陽化工大學學報,2020,34(2):165-170.

[8]吳嘯波,龔喜文,張丹瑞.基于WinCC的船舶電氣監控系統人機界面設計[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2021,44(2):32-36.

作者:張萌嬌 李暉 劉婷 單位:大連海事大學船舶電氣工程學院