虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職自動化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

馬 菲

遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000

一、研究目的與意義

在校學(xué)生缺乏到工業(yè)現(xiàn)場參與生產(chǎn)實習(xí)的機會是目前高校工程類各專業(yè)實踐教學(xué)面臨的最嚴重的問題之一。由于化工生產(chǎn)過程具有高溫、高壓、易燃、易爆等高危特性，導(dǎo)致化工自動化類專業(yè)學(xué)生即使有機會參與頂崗操作，也不可能按照教學(xué)要求進行反復(fù)練習(xí)、參數(shù)調(diào)優(yōu)、系統(tǒng)監(jiān)控等操作。為了培養(yǎng)合格的自動化化工專業(yè)方向工程人才，我院（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院） 結(jié)合學(xué)院目前的條件，對已閑置的汽提塔進行了改造，用于自動化專業(yè)實踐教學(xué)[1]。一是立足于構(gòu)建貼近真實工廠的職業(yè)實訓(xùn)環(huán)境，滿足軟件通用性及化工專業(yè)建設(shè)特色的教學(xué)要求；二是學(xué)生通過在仿真的企業(yè)環(huán)境模擬（仿真）角色及進行獨立計算機各項操作，為其職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[2]。二者結(jié)合，培養(yǎng)智能制造新時代下的工程技術(shù)人才。

汽提塔仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，為我院師生構(gòu)建了一個工程化的實踐教學(xué)平臺，其可實現(xiàn)以下基本功能：一是與自動化專業(yè)學(xué)生專業(yè)課程建設(shè)配套，使教學(xué)環(huán)境富有職業(yè)教育特色；二是其復(fù)雜工藝流程和工業(yè)生產(chǎn)裝置、工業(yè)級控制系統(tǒng)、完備的軟硬件教學(xué)資源可以為學(xué)生提供真實現(xiàn)場感的操作平臺，有利于增強學(xué)生職業(yè)能力；三是實訓(xùn)系統(tǒng)涉及到多項專業(yè)知識，如工藝、自控、電氣、安全等，通過實訓(xùn)可以拓寬學(xué)生眼界，提升學(xué)生職業(yè)素質(zhì)、技能水平和就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，提高學(xué)生的職業(yè)競爭力和解決全局問題的能力；四是在實訓(xùn)系統(tǒng)上可以開展教師培訓(xùn)及科研，提高師資隊伍建設(shè)的整體水平，增強專業(yè)群各專業(yè)實力；五是可以開展對外服務(wù)，形成區(qū)域內(nèi)自動化技術(shù)方面的人才培訓(xùn)基地，擴大在職培訓(xùn)、再就業(yè)培訓(xùn)規(guī)模，對區(qū)域內(nèi)各院校同類專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展起到示范引領(lǐng)作用，推進區(qū)域內(nèi)職業(yè)技術(shù)教育的發(fā)展。

二、研究目標和內(nèi)容

（一）研究目標

因教學(xué)需要，兼顧校內(nèi)實訓(xùn)裝置建設(shè)要求，我們對汽提塔設(shè)計了綜合自動控制系統(tǒng)，用于自動化專業(yè)的實踐教學(xué)。該系統(tǒng)以過程控制領(lǐng)域及其相關(guān)專業(yè)技術(shù)為主，滿足基礎(chǔ)、中、高端技能實訓(xùn)要求，兼顧職業(yè)技能鑒定、職業(yè)資格認證需要，同時也可面向社會公眾開展新技術(shù)展示、體驗服務(wù)。

實訓(xùn)內(nèi)容覆蓋了學(xué)生基礎(chǔ)職業(yè)技術(shù)技能培養(yǎng)所需，包括現(xiàn)代過程控制技術(shù)等實訓(xùn)項目。針對實訓(xùn)系統(tǒng)和實訓(xùn)項目，我們進行了研發(fā)。該實訓(xùn)系統(tǒng)在教學(xué)中得到充分利用，體現(xiàn)了該實訓(xùn)系統(tǒng)的通用性、適用性、前瞻性和示范性。基于汽提塔仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，我們打造了綜合實訓(xùn)平臺。

（二）研究內(nèi)容

本文以我院工業(yè)過程自動化技術(shù)專業(yè)為個案開展闡述。我們以反應(yīng)釜的間歇/連續(xù)反應(yīng)為核心控制單元，聯(lián)系上游原料與催化劑的配比，以及產(chǎn)品的存儲為背景，設(shè)計了貼近工廠工藝的設(shè)備。同時，結(jié)合大型PLC 控制系統(tǒng)、大型分布式控制系統(tǒng)，建設(shè)具備化工儀表教學(xué)、自動控制教學(xué)、智能儀表教學(xué)，以及先進控制教學(xué)、初級工到高級工的職業(yè)技能鑒定實訓(xùn)等多種功能的綜合性實驗室，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬實訓(xùn)資源。該控制系統(tǒng)可對實時生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行調(diào)用及分析，具有數(shù)據(jù)可視化展示功能。

1.裝置外觀美觀大氣

該裝置儲罐及管路均采用鏡面不銹鋼材質(zhì)，主要管路口徑DN50 左右，裝置外觀貼近工業(yè)現(xiàn)場，儀表安裝符合工業(yè)規(guī)范，造型美觀大氣。

2.儀表種類齊全

該裝置配置有工業(yè)常用的儀器儀表。液位儀表包含玻璃管式液位計、差壓式液位計/ 壓力式液位計；溫度儀表包含熱電阻/熱電偶/雙金屬溫度計；流量儀表包括玻璃轉(zhuǎn)子流量計、孔板流量計/文丘里流量計、電磁流量計/渦輪流量計、靶式流量計；壓力儀表包括壓力表、壓力變送器，并配置電動調(diào)節(jié)閥與氣動調(diào)節(jié)閥。

3.裝置可操作性強

所有儀表均配置相應(yīng)的過程連接頭，方便安裝及替換。流量計配套有配對法蘭及相應(yīng)直管段，方便用戶進行拆裝實訓(xùn)。

4.經(jīng)典控制方案

裝置設(shè)計有多種控制方案，例如單回路控制方案、串級控制方案、聯(lián)鎖控制方案和均勻控制方案等，體現(xiàn)了儀表在工業(yè)設(shè)備控制中的應(yīng)用性。

5.控制方案豐富

裝置可進行溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)的被測對象特性實驗與定制控制實驗，另外還可進行流量比值控制實驗、溫度串級控制實驗、液位選擇控制實驗、分程控制實驗、反應(yīng)釜前饋控制實驗等多種高級控制實驗。

6.控制系統(tǒng)多樣

控制系統(tǒng)多樣。我們采用了S7-300 控制系統(tǒng)、ECS700 控制系統(tǒng)、JX-300XP 控制系統(tǒng)、SIS 安全儀表控制系統(tǒng)、無線儀表控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對該實訓(xùn)裝置進行控制操作。

7.先進儀表控制回路

檢測儀表及控制回路采用多種現(xiàn)場總線儀表，組成現(xiàn)場總線儀表控制回路，方便學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線的實際應(yīng)用。

8.開放的故障設(shè)置及接線端子

信號控制設(shè)備統(tǒng)一開放地置于配電箱中，方便操作，用戶可在此信號控制模塊中進行故障設(shè)置實訓(xùn)及接線實訓(xùn)。

9.虛擬實訓(xùn)資源

定制化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)、監(jiān)控信息功能。數(shù)據(jù)庫能夠存儲設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息，并能實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)[3]。

10.智能評分系統(tǒng)

學(xué)生在汽提塔3D 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)上操作演練后，經(jīng)智能評分系統(tǒng)考核，成績達到標準后，再在汽提塔綜合仿真實訓(xùn)裝置上熟悉生產(chǎn)設(shè)備整體布局及各物料管路走向，感受裝置的空間位置及閥門操作力度等；然后，操作真實的DCS 基礎(chǔ)控制系統(tǒng)、SIS 安全儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)；再然后，根據(jù)現(xiàn)場情況，分配內(nèi)操學(xué)員及外操學(xué)員，通過步話機傳達操作命令，進行全流程聯(lián)合開、停車實訓(xùn)演練及處理現(xiàn)場裝置異常工況，以此來訓(xùn)練學(xué)生團隊協(xié)作配合能力及分析問題和處理問題的能力。

構(gòu)建汽提塔3D 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)模擬實際現(xiàn)場裝置區(qū)，與汽提塔仿真系統(tǒng)、DCS 控制系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交互，形成線上仿真軟件與線下實物裝置互相配合的高效教學(xué)模式[4]。學(xué)生可以在汽提塔3D 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)上進行工藝流程、工藝原理、工藝配管等方面知識的學(xué)習(xí)，進行全流程聯(lián)合實訓(xùn)操作演練，掌握開停車操作步驟及相關(guān)工藝條件。這給學(xué)生提供了一個由易到難的學(xué)習(xí)過程，更方便教師開展教學(xué)[5]。

三、研究方案與實施

（一）3D 虛擬閥門儀表

現(xiàn)場實物裝置采用改造過的汽提塔設(shè)備。我們將現(xiàn)場實物汽提塔裝置改造成為半實物裝置，即由模擬仿真軟件和真實的實物外觀構(gòu)成半實物裝置。為此需將原有各種測量變送器進行更換或改造，使其能夠與仿真服務(wù)器實時通信，并能送出標準的ACI 信號；還要對執(zhí)行器和閥進行改造，改造成為現(xiàn)場模擬AO 調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)器輸出的信號與現(xiàn)場執(zhí)行器的閥門定位器相連，同時將其更改為閥門定位器的閥位反饋信號，將現(xiàn)場操作信息傳送給仿真服務(wù)器。改造過程需要對儀表、閥門內(nèi)部芯片進行定制開發(fā)。改造后的汽提塔可用于學(xué)生外操訓(xùn)練。我們采用了Unity3D 技術(shù)開發(fā)3D 虛擬手操閥門、3D虛擬調(diào)節(jié)閥、3D 虛擬機泵、3D 虛擬流量儀表、3D虛擬溫度儀表、3D 虛擬壓力儀表、3D 虛擬液位儀表等，有效地降低了現(xiàn)場維護工作量，提高了實訓(xùn)復(fù)用率。

（二）電氣網(wǎng)絡(luò)與通信線路建設(shè)

汽提塔仿真系統(tǒng)是整個仿真實訓(xùn)裝置的樞紐，是過程數(shù)據(jù)的來源。仿真服務(wù)器通過運行整個流程的系統(tǒng)仿真軟件，能夠完成復(fù)雜的、高逼真度的模擬實訓(xùn)。仿真服務(wù)器與控制系統(tǒng)實時通信，保證整個仿真實訓(xùn)裝置的正常工作。仿真服務(wù)器要完成與控制系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場的通信，就要涉及ETHERNET、PROFIBUS-DP、4~20mA、RS485 等信號網(wǎng)絡(luò)。該服務(wù)器的電氣網(wǎng)絡(luò)和通信鏈路建設(shè)主要包括以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、IO 接口與連接、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、OPC通信協(xié)議、串行總線協(xié)議等。數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)拓撲圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)拓撲圖

（三）汽提塔仿真系統(tǒng)開發(fā)

考慮到該實訓(xùn)裝置的參訓(xùn)人員主要由自動化專業(yè)相關(guān)的學(xué)生及企業(yè)職工組成[6]，我們設(shè)計的實訓(xùn)裝置的軟件設(shè)計主要包括仿真系統(tǒng)軟件、實訓(xùn)評分系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)通信軟件。數(shù)據(jù)通信軟件與工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)進行交互，使信息能夠貫通整個實訓(xùn)裝置；仿真系統(tǒng)軟件及半實物硬件對應(yīng)化工生產(chǎn)裝置，構(gòu)建了整個實訓(xùn)裝置的工業(yè)對象；實訓(xùn)評分系統(tǒng)軟件則對每次實訓(xùn)項目進行實時“監(jiān)控”，對實訓(xùn)過程和實訓(xùn)結(jié)果給出評價?；赥CP/IP 通信協(xié)議，我們開發(fā)了Socket 通信方式，以實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與3D 虛擬模型數(shù)據(jù)交互功能[7]。

（四）工業(yè)控制系統(tǒng)組態(tài)與調(diào)試

橫河（YOKOGAWA） 公司的CENTUM CS3000 R3 與西門子（SIEMENS） 公司的PCS7 均是自動化領(lǐng)域的先行者，因而具有較強的指導(dǎo)意義。我們使用了上述系統(tǒng)，具備國內(nèi)DCS 領(lǐng)域的裝備水平，具有較廣泛的使用基礎(chǔ)。

（五）構(gòu)建3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境

通過構(gòu)建汽提塔3D 仿真被控對象虛擬環(huán)境，營造設(shè)備立體空間感，實現(xiàn)了與汽提塔仿真軟件、DCS 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互功能。

四、研究成果

（一）虛擬手操閥門

汽提塔裝置區(qū)手操閥全部使用工業(yè)閘閥。虛擬現(xiàn)場手操閥門開度及泵開關(guān)信號傳送至仿DCS 系統(tǒng)，并能實時顯示流量、溫度、壓力、液位等工藝參數(shù)。我們對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了改造，可以觀察到閥門開度。其開度在0~100 之間，允許對閥桿行程比例進行自定義。3D 手操閥門如圖2 所示。

圖2 3D 手操閥門

（二）3D 虛擬調(diào)節(jié)閥

汽提塔裝置區(qū)調(diào)節(jié)閥全部使用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，接收控制系統(tǒng)發(fā)送的指令，實現(xiàn)流量、壓力、溫度、液位等各種工藝過程參數(shù)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)。該裝置基于Socket 通信功能，能與仿真系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進行通信。3D 虛擬調(diào)節(jié)閥如圖3 所示。

圖3 3D 虛擬調(diào)節(jié)閥

（三）3D 虛擬儀表

基于Socket 通信功能，與仿真系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實時顯示流量、溫度、壓力、液位工藝參數(shù)。3D 虛擬儀表如圖4 所示。

圖4 3D 虛擬儀表

（四）3D 虛擬機泵

基于Socket 通信功能，與仿真系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)機泵開關(guān)操作。3D 虛擬儀表如圖5 所示。

圖5 3D 虛擬機泵

（五）汽提塔仿真系統(tǒng)

汽提塔仿真系統(tǒng)采用構(gòu)架式仿真平臺軟件設(shè)計，采用模塊式組件開發(fā)，搭建一個先進、靈活的平臺化軟件系統(tǒng)。用戶可以對物料性質(zhì)、工藝流程、操作步驟、設(shè)備尺寸等屬性等進行自定義，能夠充分滿足工藝分析、設(shè)計和驗證要求，能夠進行諸如物料衡算、能量衡算等設(shè)計驗證。仿真平臺采用動態(tài)仿真模型，模型內(nèi)核結(jié)合化工機理和人工智能技術(shù)開發(fā)，內(nèi)部邏輯能夠模擬各類工況下的系統(tǒng)響應(yīng)，能夠模擬全流程的系統(tǒng)狀態(tài)，能夠模擬各種工況下的系統(tǒng)狀態(tài)及響應(yīng)，尤其能滿足對混雜系統(tǒng)中內(nèi)、外部離散事件的系統(tǒng)響應(yīng)，達到對開、停車等操作規(guī)程的設(shè)計和驗證要求。汽提塔仿真模型支持與CS3000 控制器、PCS7 控制器進行數(shù)據(jù)通信交互。

1.仿真建模組態(tài)

仿真建模組態(tài)模塊包含反應(yīng)器、精餾塔、儲罐、閥門、儀表、機泵等基礎(chǔ)功能組件。搭建汽提塔虛擬仿真工程對象，支持用戶依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范自定義工藝流程。該仿真建模組態(tài)模塊可進行單回路控制、前饋控制、串級控制、比值控制、順序控制、PID 參數(shù)整定、開停車實訓(xùn)等基礎(chǔ)性教學(xué)實驗[8]。汽提塔仿真系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 汽提塔仿真系統(tǒng)

2.控制組態(tài)

控制組態(tài)模塊可以實現(xiàn)單回路、順序、比值和串級等控制，對于選擇的被控變量實現(xiàn)PID 參數(shù)整定[9]?？刂平M態(tài)界面如圖7 所示。

圖7 控制組態(tài)界面

3.趨勢曲線

趨勢曲線在仿真系統(tǒng)運行時記錄實時數(shù)據(jù)。液位趨勢曲線如圖8 所示。

圖8 液位趨勢曲線

4.智能評分系統(tǒng)

智能評分系統(tǒng)即自動評分的系統(tǒng)，可輔助任課教師教學(xué)工作，提高效率?？梢栽O(shè)置加分制與減分制，即做得好的加分，做得不好的減分，做得正常的不得分。智能評分系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 評分規(guī)則配置

（六）汽提塔3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境

采用Unity3D 技術(shù)開發(fā)汽提塔3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境，實現(xiàn)與仿真系統(tǒng)、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互及生產(chǎn)控制[10]。汽提塔3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境如圖10 所示。

圖10 汽提塔3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境

（七）系統(tǒng)通信構(gòu)架設(shè)計

該系統(tǒng)通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相互連接通信。數(shù)據(jù)及信號的通信如圖11 所示。其中，工業(yè)控制系統(tǒng)采用真實集散控制系統(tǒng)（DCS），通過I/O 通信方式、以太網(wǎng)通信方式與仿真系統(tǒng)進行控制信號、工藝數(shù)據(jù)信號交互；裝置區(qū)運用3D 虛擬現(xiàn)實環(huán)境模擬真實汽提塔，通過Socket 通信方式進行工藝數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)信號交互，實現(xiàn)動態(tài)仿真模擬。

綜上，汽提塔3D 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity3D 技術(shù)開發(fā)虛擬現(xiàn)實環(huán)境，替代現(xiàn)場實物裝置、布線投入，節(jié)省了資金及用地。對于自動化專業(yè)學(xué)生，要著重于DCS 控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)，以及控制策略設(shè)計驗證、PID 參數(shù)整定等方面的實訓(xùn)。為了達到更好的控制效果，需要學(xué)生熟悉被控對象，因此汽提塔3D 虛擬現(xiàn)實與真實DCS 控制系統(tǒng)相結(jié)合的教學(xué)方式是較優(yōu)的教學(xué)資源整合。生產(chǎn)實訓(xùn)過程綠色環(huán)保、無安全隱患、 有效降低后期系統(tǒng)維護費用，對于自動化專業(yè)實訓(xùn)學(xué)習(xí)具有極大的推廣價值。