可编程便携式过程控制虚拟实验装置

可编程便携式过程控制虚拟实验装置

刘城旭

辽宁科技大学 电子与信息工程学院  :114051

摘要

本文设计了一套可便携式过程控制虚拟实验装置，与现有的实物型实验装置相比，该套虚拟实验装置具有便携式、维护成本低、体积小、安全性高等特点。其实验内容与实物型实验装置基本一致，在提升学生动手时间能力的同时节省了很多资源。在很大程度上解决了学生不爱动手，实验课教师工作量大的缺点。

关键词：可编程，便携式，过程控制，实验装置

引言

目前来看，很多企业存在着用人难的问题，但是很多高校毕业生依旧是不能找到理想的工作。近几年很多高校都实行线上授课的模式，很多实验类课程无法正常进行，进一步导致了学生的缺乏动手实践能力减弱。因此本次设计提出了一种可编程便携式过程控制虚拟实验装置，来提高学生的时间水平。

1项目研究背景和意义

1.1项目研究背景

近三年在新冠疫情的影响下，各行各业的经济都是受到了不同程度的影响。国内的很多高校在疫情期间实行校园封闭式管理，授课更是采用线上授课的方式，直接导致了很多实验类课程在线上无法完成，直接影响到了学生的动手操作能力。企业不景气再加上学生的实践能力较差，高校毕业生就业难、就业差的问题就逐步的凸显出来。就目前来看，很多学生在校期间很少能够动手做实验，普遍存在创新能力差，对专业知识的了解程度不够深，参与实际工程项目的机会少。

1.2项目研究意义

《过程控制》是高校自动化、测控技术等专业的专业课程，其理论性和工程实践性较强，对于毕业后从事专业方向工作的学生来说相当重要，这门课主要是以理论知识为基础，以动手实践为主要授课方式的一门专业性较强的学科，因此功能完善的实验装备对于课程来说相当重要，既锻炼了学生的理论基础知识，又锻炼了学生的动手实践能力。但是一般来说过程控制实验装备价格高，占地面积大，一个普通的实验室只能容纳10台左右的实验装备，教师在演示实验操作时需要重复多次，时间成本很高，且设备连续几小时不间断的运转，维护保养困难，导致了实验效果差，很难达到预期的实验目标。

2项目研究整体内容

为了改善上述情况，本次项目设计了一套低成本的可编程便携式过程控制虚拟实验装置，想要通过虚拟技术来弥补实际装备的不足。该装置通过数字孪生技术虚拟被控对象，通过构建的PLC控制系统进行编程调试，该虚拟装置所达到的实验效果和实际的实验装置相差不多，但是其便携性等特点是实际装置所不能比拟的。图1为该虚拟实验装置的结构示意图。

图1 可编程便携式过程控制实验装置结构示意图

该实验装置主要有两套小型的PLC和一台计算机组成，将控制装置等设备安放在一个试验箱内部，体积小，便于移动。试验箱通过以太网和计算机进行通讯，采用数字孪生技术，将其中的一套PLC系统与触摸屏相结合，构建出过程控制实验对象的虚拟模型，其中也包括三容水箱、温度液位综合控制对象和可进行复杂解耦实验的化工蒸馏塔。该虚拟实验装置通过PLC系统的模拟量输出接口模拟实物实验装置上的流量、液位和温度变送器的4-20mA输出信号，其中配备模拟量输出接口用来接受调节阀的控制信号。另一套PLC系统主要复杂搭建学生的实验编程环境，学生可以通过计算机编写过程控制程序，将程序指令烧到实验装置中。该编程环境和工业控制中的实际环境完全一致，并且也能够将程序指令落地实现，很大程度上锻炼了学生是实践动手能力。

该实验装置主要能够进行很多实验，其中基本实验包括：流量、液位检测实验、阀门控制实验、单容水箱对象特性测试、单容水箱液位PID控制、双容水箱PID控制、流量PID控制、上下水箱液位串级控制、滞后过程控制(滞后时间可灵活调整)、前馈-反馈控制、组态软件编程调试。高阶实验内容包括：温度、流量综合控制实验、复杂解耦控制实验。

如图2所示，该装置为实际的过程控制实验装置，本次设计的虚拟实验装置能够完成实物型实验装置的所有实验，而且其所占用的空间小，携带方便，维护成本低，单节客容量大，更加有利于学生锻炼实际的动手操作能力。

图2 实物型控制过程实验装置

3项目主要研究方法

该虚拟实验装置在研究开发方面主要包括虚拟实验对象模型开发与编写、虚拟实验对象触摸屏画面编程、实验程序开发、流量、液位检测实验程序、上位机组态软件开发和系统调试。该装置主要通过数字孪生技术和被控对象的数学模型建模技术构建出各种控制模型，将程序下载到PLC中。使用触摸屏作为虚拟实验对象的可视化装置，通过网线将显示屏与PLC相连，可以实时观测到实验参数。

4结束语

本次设计的虚拟实验装置，能够完全替代原有的实物型实验装置，并且实验功能更加的丰富。该实验装置还具有成本低、体积小、便于移动和携带的特点。装置带有可在线编程功能，学生可以动手编写实验程序，其基本的实验功能和实物型实验装置基本相同。并且该套设备的可维护性高、安全性好，不需要加热水等，降低了实验成本。

参考文献

[1]王维刚,龙飞飞,刘金梅,林玉娟.基于LabVIEW的“过程控制”虚拟实验平台[J].中国电力教育,2012(30):65-66.

[2]郭婵.关于A3000过程控制装置的虚拟实验系统的几点构思[J].科技信息(科学教研),2008(11):263.

[3]陈丹丹,张秀宇,王建国.双容水箱虚拟实验装置的研制[J].仪器仪表用户,2007(02):43-44.

项目作者：刘城旭

作者简介:刘城旭(2001-)，男，大学本科，专业测控技术与仪器，研究方向嵌入式系统应用。