过程控制系统虚拟仿真实验教学平台

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摘要：基于自动化专业工程创新型人才培养目标要求，结合自动化专业教学和科研的实际需求，开发了具有航运特色的过程控制系统虚拟仿真实验教学平台。该平台以三容水箱实验装置为模型，结合典型的船舶机舱过程控制系统，为教师和学生提供辅助教学和自主实验的条件，能有效提高学生对专业课程的学习兴趣以及对过程控制系统的认知和理解能力。

关键词：过程控制系统；航运特色；虚拟仿真；实验平台

过程控制系统涵盖自动控制、传感器技术、计算机技术等多个领域的理论与方法，是自动化专业及相关专业的主要专业课程之一。它是一门对实践性要求非常高的综合性课程，对培养应用型技术人才具有重要作用[1-2]。实验教学是教学过程中不可替代的环节，控制技术的快速发展和学生人数的持续增加都给实验教学带来了巨大的压力和挑战[3]。现有的实验教学中存在一些问题。第一，设备数量较少，设备损坏率较高，无法满足学生独立完成实验的要求。第二，实验内容较为单调，要在三容水箱实验设备上研究开发新的智能控制算法，实验成本较高，时间周期较长。第三，实验教学课时有限，实验室开放管理难度较大，学生自主创新能力训练不足[4-6]。因此，开展虚拟仿真实验教学具有重要的现实意义。过程控制系统虚拟仿真实验教学平台(简称平台)的开发，以三容水箱过程控制实验装置为模型，对三容水箱液位、温度、流量等参数进行控制仿真研究[7]。同时鉴于我校海事院校鲜明的行业特色，将典型的船舶机舱过程控制系统进行虚拟仿真，通过具体实例讲解相应的仪表与过程控制系统的基本工作原理。

1平台建设目标和要求

平台建设目标是满足新时期自动化专业人才培养要求，并具有学校航运特色的虚拟仿真实验教学平台。根据专业本科培养方案和教学大纲对实验教学的要求，针对过程控制系统课程特点，研发设计一个易于扩展、界面友好、算法开放的实验教学平台。该平台具有以下功能：水箱液位、温度、压力动态虚拟仿真；水箱模型参数设置；控制器参数设计，可自行设计其他先进智能控制算法；控制模式选择；仿真进程控制；数据显示与存储等。

2平台建设方案

平台的开发实现主要包括界面操作设计、支撑界面运行的模型设计以及数据通信的实现。平台组成原理图如图1所示，基于MATLAB软件开发建立对象模型及其控制算法，基于WinCC软件开发平台人机交互实验界面[8]，包括初始登录界面、可视化动态过程以及参数整定界面等。结合OPC协议有效组态系统，使系统内部数据进行实时传递，实现界面和模型的无缝连接。

2.1水箱系统的数学模型

我校过程控制实验室有15套YL-363C型水箱过程控制实验装置，以此为参考对象，利用对象特性测试法，得到被控对象对阶跃信号的响应曲线或输出数据。根据已给定的对象模型结构，对实验数据进行处理，确定模型参数。H为水箱液位高度，Q为流量，K为对象放大系数，T为时间常数，τ为容量滞后时间，建立了如下数学模型。单容水箱：(1)双容水箱：(2)

2.2数据通信

平台界面与对象模型之间的实时数据通信是平台建设的关键。OPC协议由标准的OLE/COM接口进行设计，是客户端-服务器模式。在该平台中，OPC的服务器是WinCC软件，客户端是MATLAB软件。将WinCC和MATLAB通过OPC协议建立联系，实现该平台数据的双向传送。WinCC软件作为OPC协议的服务器，优先建立OPC通道，然后建立通信变量，在“OPCGroups(OPCHNUnit#1)”下拉框中选择“新驱动程序的连接”，并在“属性”对话框中选择服务器类“OPCDA”，设置OPC服务器的名称。MATLAB软件作为OPC协议的客户端，首先添加客户机、组对象和项对象，利用其现成的OPC工具箱，直接在命令窗口输入“opctool”命令即可，其次由OPCNetwork添加“localhost”，最后设置变量，实现两个软件之间的通信。

2.3平台界面设计

平台界面主要由平台初始界面、各个实验项目的原理认知界面、实验操作界面、实验结果界面等组成。平台初始界面如图2所示，主要包括实验项目的切换按钮。根据教学需求，单击实验项目进入对应的实验界面，如单击“实验四、串级控制系统实验”，进入该实验项目操作界面，如图3所示。串级控制系统主要由两个闭合回路组成：主回路和副回路。主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。在该平台中，主回路中控制对象为中水箱，中水箱的液位为主控制量，副回路中控制对象为上水箱。在图3的实验界面中，左半部分的动态可视化显示区域直观清晰地给出了整个实验装置的闭环控制结构。当有水流通过时，所在管道会由灰色变为蓝色，水箱也会动态显示水量液位。在参数设置与显示区域，“中水箱液位”“上水箱液位”可以实时显示两个水箱液位的具体数值。在“液位设置”框内进行给定值设置，在“主调节器”和“副调节器”框内可进行主、副调节器的参数设置。当系统稳定后，“加扰动”环节可对某一控制对象加外部扰动，观察响应曲线的变化。水箱液位响应曲线也可点击“历史曲线图”查看，如图4(a)所示，点击“实验原理”按钮可进入实验原理介绍界面，如图4(b)所示。船舶主机燃油黏度控制系统是典型的船舶机舱过程控制系统之一，通过控制主机的燃油温度和黏度，保障主机的正常有效运行。在平台初始界面上，单击“实验九船舶主机燃油黏度控制虚拟实验”，进入该实验项目操作界面，如图5所示。在动态可视化显示区域，可以看到该系统主要由温度控制器、黏度控制器、蒸汽控制阀、燃油加热器、温度变送器、黏度测量计等组成。

3平台的应用

与原有实验教学相比，该平台能使教与学不受时间、空间和实验场所的限制，具有较强的灵活性，发挥了学生的主动性，突破硬件条件的限制，最终能够以虚拟仿真系统和实物装置相结合的方式完成相关课程的实验教学与考核。该平台也可应用于自动化、测控等专业学生的课程设计及毕业设计，年均受益学生为300人次。在培养学生自主实践创新能力方面，由于授课对象一般为三四年级的学生，已具备一定的专业知识和编程基础，可以利用该平台开发研究先进的智能控制算法，进行创新实验。

4结语

具有航运特色的过程控制系统虚拟仿真实验教学平台建设，以三容水箱过程控制实验装置和典型的船舶机舱过程控制系统为例，利用WinCC软件和MATLAB软件，基于OPC协议进行设计与开发。该平台能够让学生在了解过程控制系统典型结构及基本工作原理的基础上，对经典控制算法与先进智能算法的研究与应用进行虚拟仿真实验。该平台可作为相关课程的辅助教学资源，有效延伸学生自主学习和实验的时间和空间，能提高学生对专业课程的学习兴趣和对过程控制系统的认知和理解能力。

参考文献

[1]于新业.《自动化仪表与过程控制》课程教学改革与实践[J].中国培训,2016(9):153-154.

[2]雷振伍,吴秀冰,孙德辉,等.基于PCS7和Simulink的过程控制虚拟仿真实验平台开发[J].实验技术与管理,2016,33(1):135-139.

[3]代伟,黄罡,郝秀娟,等.虚拟过程控制实验教学系统与翻转课堂设计[J].实验室研究与探索,2019,38(2):144-148.

[4]朱燕详,王勇军.人工智能技术在高校实验室管理中的应用[J].教育教学论坛,2019(12):7-8.

[5]胡娟,芦莎,汪礼.自动化实验教学方法改革与探索[J].电子世界,2020(8):41-44.

[6]尹立苹,王新亭.基于创新人才培养的高校实验室研究[J].实验教学与仪器,2019(7):147-149.

[7]李凌,曹纪中,王璐.基于Labview的三容水箱液位控制系统设计[J].沈阳化工大学学报,2020,34(2):165-170.

[8]吴啸波,龚喜文,张丹瑞.基于WinCC的船舶电气监控系统人机界面设计[J].上海船舶运输科学研究所学报,2021,44(2):32-36.

作者:张萌娇 李晖 刘婷 单位:大连海事大学船舶电气工程学院