基于虛擬儀器技術的化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)設計

郝紅娟

（天津石油職業(yè)技術學院，天津 301607）

1 研究背景

目前，虛擬儀器技術的發(fā)展非常迅猛，在一些發(fā)達國家，虛擬儀器實驗室已十分普及，有些高等院校的實驗室中，虛擬儀器已經完全取代了許多常規(guī)的實驗室儀器設備。美國是最早提出了虛擬儀器實驗室概念的國家，虛擬儀器技術應用分析以及LabView 編程技術已經是各大學理工科類專業(yè)學生的必修課程。并且美國在二十世紀八十年代提出這一概念時開始就非常重視將虛擬儀器技術引入高等院校實驗室的研究，而且已經將這一項目列入了國家科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。

二十世紀八十年代，美國國家儀器公司（National Instruments）提出了基于PC 機的虛擬儀器的概念，簡稱VI，是把儀器技術和計算機技術緊密結合起來，使儀器的計算機化成為可能，是未來儀器發(fā)展的最新方向和潮流。

為了提高化工儀表課程的實訓教學質量，降低實訓儀器的成本，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和動手能力，利用虛擬儀器、信息處理等技術，依據(jù)生產過程自動化專業(yè)化工儀表維修工崗位技能實訓要求，構建經濟、先進和實用的化工儀表實訓教學系統(tǒng)，服務于高職院校生產過程自動化專業(yè)化工儀表課程的實訓教學。

2 核心概念界定

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面。模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。

虛擬儀器是由多種接口（如GPIB、VXI、PXI 等）把測控對象和通用計算機連接起來構成的。虛擬儀器系統(tǒng)是由儀器硬件和應用軟件兩大部分組成，硬件包括外圍電路與計算機，是應用軟件的基礎；而應用軟件是虛擬儀器的核心，可以通過不同的軟件功能模塊的組合來構成不同的儀器設備。

3 研究內容及目標

本文主要介紹了虛擬儀器技術在實訓教學中的應用，針對目前高職院校實訓教學的現(xiàn)狀，提出了將虛擬儀器技術引入實訓室來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的方法和途徑，最后在 LabView 圖形化編程環(huán)境下對石油石化專業(yè)化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)中常用的一些控制回路進行了基于虛擬儀器技術的設計與實現(xiàn)。

基于虛擬儀器技術的化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)是在分析高職生產過程自動化技術專業(yè)人才培養(yǎng)方案和教學大綱的要求、考察國內虛擬儀器技術應用發(fā)展和石油石化行業(yè)自動化人才需求狀況的基礎上，結合化工儀表維修工專業(yè)崗位的技能培訓要求，又對當前教學方法、教學手段和教學設施的現(xiàn)狀進行了綜合分析，提出了針對化工儀表、化工過程控制技術等課程的教學和化工儀表維修工技能培訓為中心的教學系統(tǒng)研究，積極探索新的教學培訓模式。在已有的化工儀表設備和前期自動化教學研究的基礎上，開發(fā)出一套既能進行課堂原理演示又能進行技能操作訓練的實訓教學平臺。即研制一套高度集成的信息采集控制、高速電纜數(shù)據(jù)傳輸、多種教學功能于一體的教學硬件系統(tǒng)，開發(fā)一套基于虛擬儀器技術的實訓教學系統(tǒng)，構成完整的化工儀表和化工儀表維修工技能實訓教學平臺，增強學生化工儀表操作的實際動手能力，有利于學生化工儀表維修技能的提高，有效提高了教育教學質量。

基于虛擬儀器技術的儀表維修工實訓教學系統(tǒng)是以計算機為基礎，以虛擬儀器軟件為核心，通過有關數(shù)據(jù)采集卡、信號調理版，加之必要的傳感器，構成虛擬化工儀表維修工實訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對化工生產過程中的單回路、復雜回路進行模擬發(fā)生、實時采集，對采集的信號進行實時處理并顯示。

基于虛擬儀器技術的化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)旨在以石油高職院校生產過程自動化技術專業(yè)化工儀表維修工崗位技能培養(yǎng)為重點，把化工測量和過程自動化控制原理以及化工儀表維修工技能操作和訓練等方面內容融為一體，改革自動化專業(yè)核心課程的教學手段。針對測量儀表、過程控制技術的教學和儀表維修工技能培訓為中心的實訓教學平臺研究課題，積極探索新的教學模式。

4 理論依據(jù)

目前，測量領域中對電子儀器種類、功能、精度以及自動化程度等方面的要求越來越高，而且還要求測試速度快、實時性好以及友好的人機界面，與傳統(tǒng)的儀器設備相比較，虛擬儀器有很多的特點，可以較好地滿足這些要求。

虛擬儀器具有如下優(yōu)點：

1）信號的分析、顯示、存儲、打印等功能由計算機來實現(xiàn)；

2）充分強調了“軟件就是儀器”的概念；

3）儀器的功能和面板可由用戶自己定義，使用戶有充分發(fā)揮自己創(chuàng)新能力和想象力的空間；

4）虛擬儀器的軟硬件都具有開放的工業(yè)標準，使資源的可重復利用率提高；

5）可以通過計算機網絡構成復雜的測試系統(tǒng)，進行遠程測試、監(jiān)控以及故障診斷等。

虛擬儀器強調“軟件就是儀器”的概念，所以本文的重點部分是系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。在具體的設計時，本實訓教學平臺硬件由模擬化工生產自動化控制對象、信息采集、處理、控制與實訓操作臺兩部分組成，教學平臺軟件由LabView、PID和模糊邏輯工具包、NI—DAQmx9.0.2版本數(shù)據(jù)采集驅動軟件以及實訓應用程序組成，LabView 軟件包括高級信號處理工具包、數(shù)字濾波器設計工具包等。

根據(jù)化工儀表維修工（中級工和高級工）技能訓練項目的典型工作任務以及若干個子任務，在進行分析和研究時，確定了中級和高級化工儀表維修工的技能要求和訓練標準。中級化工儀表維修工的技能要求和訓練標準是基于單回路化工自動控制系統(tǒng)展開的，高級化工儀表維修工的技能要求和訓練標準是基于復雜化工自動控制系統(tǒng)展開的。結合基于虛擬儀器技術的實訓教學平臺的具體情況和實際實訓教學的需要，最終確定了中級工實訓項目共有十二項，高級工實訓項目共有八項。中級工技能實訓教學手段的確定是在構建單回路控制系統(tǒng)的基礎上進行的，高級工技能實訓教學手段的確定是在構建復雜控制系統(tǒng)的基礎上進行的。

5 實訓教學系統(tǒng)的開發(fā)和構建

5.1 設計思路

基于虛擬儀器技術的化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)是以圖形化編程語言 LabView 為開發(fā)平臺，采用了模塊化的設計思想，首先從系統(tǒng)的總體目標和要求入手進行分析，明確各個儀器所要實現(xiàn)的功能以及包含的模塊，然后對每個模塊分別進行設計和實現(xiàn)。主要用于學生和現(xiàn)場操作工人進行儀表維修工技能訓練、技能考評與技能鑒定，從而達到提高自動化專業(yè)的辦學水平，填補自動化專業(yè)的教學設備與技能培訓體系空白的目的，處于國內石油高職院校自動化專業(yè)教學的先進水平。主要完成了單回路控制系統(tǒng)實訓、復雜控制系統(tǒng)的實訓、復雜過程控制系統(tǒng)的仿真實訓等二十個實訓項目。最后，將每一個實訓項目作為子 VI 集成在虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)的用戶界面下，使學生可以方便地在這些用戶界面上進行化工儀表課程的實驗實訓教學?；谔摂M儀器的化工儀表維修工實訓教學系統(tǒng)在設計開發(fā)中使用了虛擬儀器技術（LabView 軟件）、信息采集與傳輸技術、數(shù)據(jù)通信技術、化工自動化控制技術以及微機控制技術等。

5.2 實訓教學系統(tǒng)組成

整體的實訓教學系統(tǒng)有三大部分組成：化工自動化被控對象、信息采集與處理和控制的實訓操作臺以及基于LabVIEW的實訓軟件教學平臺。實訓平臺軟件由LabView、PID 和模糊邏輯工具包、NI—DAQmx9.0.2版本數(shù)據(jù)采集驅動軟件以及針對實訓項目編制的應用程序組成，LabView 包括高級信號處理工具包、數(shù)字濾波器設計工具包等，構建了基于虛擬儀器技術的實訓教學系統(tǒng)平臺。

6 應用推廣

該實訓教學平臺既可以用于理論教學，也可以進行技能實訓。根據(jù)教學與實訓的需要，在構成各種自動化控制系統(tǒng)時，既可以用智能儀表進行控制，也可以用LabView 在計算機上進行控制；學生可以模擬現(xiàn)場進行手動操作，親身體驗現(xiàn)場的真實性；對于復雜的化工自動化控制系統(tǒng)，學生可以進行仿真實訓；還可以對石油石化現(xiàn)場儀表操作工人進行技能培訓與技能鑒定。對于國內石油院校自動化專業(yè)的教學與技能實訓工作具有較高的應用價值和實用價值。

把石油化工過程儀表教學和儀表維修工的技能培訓、技能考評與技能鑒定有機結合起來，增加了操作的真實性，主要用于學生和現(xiàn)場操作工人進行儀表維修工技能訓練、技能考評與技能鑒定，從而達到提高自動化專業(yè)的辦學水平，填補自動化專業(yè)的教學設備與技能培訓體系空白的目的，處于國內石油高職院校自動化專業(yè)教學的先進水平。

7 結束語

隨著科學技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術與網絡技術的結合是未來測控技術發(fā)展的必然趨勢和潮流。把虛擬儀器技術應用于實訓教學中，實現(xiàn)實訓教學手段現(xiàn)代化，建立先進的實訓教學平臺和現(xiàn)代化的實訓教學環(huán)境。基于虛擬儀器技術的化工儀表實訓教學系統(tǒng)為高職院校實訓教學的發(fā)展注入了新的活力，將極大推進信息化教育的發(fā)展，也促進了教學內容和教學方法的改革，建設有利于專業(yè)技能訓練和專業(yè)實踐能力培養(yǎng)的實訓環(huán)境，實現(xiàn)實訓教學手段現(xiàn)代化。