1、簡介

利用虛擬及仿真技術(shù)是提高高校實(shí)驗(yàn)室利用效率和減少實(shí)驗(yàn)維護(hù)費(fèi)用的一條切實(shí)可行的途徑。引入當(dāng)今發(fā)展較為成熟的仿真和虛擬技術(shù)；針對部分高校工業(yè)自動化實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前虛擬儀器及仿真技術(shù)的發(fā)展對高校建立工業(yè)自動化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了探討。將虛擬儀器技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)可增強(qiáng)學(xué)生的積極性、趣味性、實(shí)驗(yàn)的靈活性， 同時大大降低成本， 如今虛擬仿真技術(shù)用于工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為一大趨勢。

本方案針對工業(yè)自動化領(lǐng)域，提供虛擬仿真的儀器儀表與設(shè)備、工業(yè)自動化對象、控制器（特別是PLC） 仿真，以及工廠仿真。集半物理仿真技術(shù)、可視化仿真技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字化建模、信息獲取技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建完整的工業(yè)自動化試驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為學(xué)習(xí)自動化技術(shù)、驗(yàn)證理論的公共技術(shù)平臺。

本方案針對本科，增加包括工業(yè)儀器儀表，PLC仿真，以及工廠仿真；包括Labview虛擬儀器，Mathlab數(shù)學(xué)建模，以及高級復(fù)雜控制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可能包括更多的內(nèi)容，我們也在不斷改進(jìn)產(chǎn)品，擴(kuò)大虛擬仿真的應(yīng)用范圍。

2、應(yīng)用技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)方案

應(yīng)用技術(shù)教育包括部分工程教育與職業(yè)教育。我們提供制造自動化與過程自動化兩大類產(chǎn)品。除了純虛擬仿真產(chǎn)品之外，還提供半物理仿真產(chǎn)品。設(shè)置還希望學(xué)校增加對應(yīng)的真實(shí)設(shè)備，以便大量仿真實(shí)訓(xùn)后能夠到真實(shí)設(shè)備上短期培訓(xùn)。

2.1 虛擬仿真制造自動化

制造自動化的傳感器與設(shè)備，制造自動化的單元虛擬仿真，PLC控制器的仿真，流水線、灌裝線仿真，共四個部分。

（1）傳感器與設(shè)備，介紹接近傳感器、編碼器，測速器，色標(biāo)傳感器，機(jī)器視覺傳感器等的原理、三維結(jié)構(gòu)與接線；還包括電磁閥、氣動、液壓機(jī)構(gòu)。設(shè)備包括交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等。對于電氣部分，還包括指示燈、空開、旋鈕、繼電器與接觸器等設(shè)備的三維動畫與接線實(shí)訓(xùn)。

（2）制造自動化的單元，包括各種單體設(shè)備，例如送料機(jī)、裝配單元、加工單元、分揀單元、機(jī)械手等單元的結(jié)構(gòu)，原理，以及控制。內(nèi)含電動、氣動與液壓等單元。通過大量的三維交互式動畫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配、接線訓(xùn)練與考核。

（3）PLC控制器的仿真，包括西門子S7-200，S7-300/400的仿真，還包括常見的歐姆龍，三菱PLC的仿真。通過軟件技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)編程、下裝、調(diào)試，以及對象控制、組態(tài)監(jiān)控等實(shí)訓(xùn)。

（4）流水線或灌裝線仿真是一個工廠仿真，整合各種傳感器與設(shè)備，多個柔性單元，PLC控制器，形成一個工廠級的仿真。學(xué)生可以進(jìn)行編程、聯(lián)合調(diào)試，多人合作開發(fā)與調(diào)試。

大型的工廠仿真可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)保存與載入，考核與重演，完全可以用于操作工與技術(shù)人員的培訓(xùn)與考核。

2.2 半物理仿真制造自動化

該產(chǎn)品的對象全部采用仿真來實(shí)現(xiàn)，但是PLC是真實(shí)的，從而更加真實(shí)地進(jìn)行編程、調(diào)試。并可以實(shí)現(xiàn)高速計數(shù)，高速PWM、PTO控制。我們提供能夠接受PLC低速或者高速控制的模塊，與PC通信，在PC上實(shí)現(xiàn)昂貴的對象設(shè)備的模擬。同樣也包括裝配與接線實(shí)訓(xùn)與考核。

2.3 制造工廠中央控制室

提供2*3拼接的大屏幕監(jiān)控墻，針對大型生產(chǎn)線的視頻、重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控。提供工廠信息化網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場信息發(fā)布屏幕（把加工要求、圖紙發(fā)送到現(xiàn)場），現(xiàn)場RFID的識別器，寫卡器。

提供監(jiān)控組態(tài)界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

提供大量的監(jiān)控攝像機(jī)，可以記錄學(xué)生的操作，或者監(jiān)控現(xiàn)場。也可以提供虛擬視頻場景。

提供MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

2.4 過程自動化

過程自動化的傳感器與設(shè)備，過程自動化的對象單元虛擬仿真，PLC、DCS控制器的仿真，過程自動化工廠仿真，共四個部分。

（1）傳感器與設(shè)備，介紹溫度、壓力、液位、，流量、成份與物位傳感器的原理、三維結(jié)構(gòu)與接線；還包括電磁閥、調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。設(shè)備包括水泵、換熱器、加熱器等。對于電氣部分，還包括指示燈、空開、旋鈕、繼電器與接觸器等設(shè)備的三維動畫與接線實(shí)訓(xùn)。

（2）過程自動化的單元，包括鍋爐、水箱容積系統(tǒng)、泵閥單元、換熱單元等結(jié)構(gòu)，原理，以及控制。通過大量的三維交互式動畫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配、接線訓(xùn)練與考核。

（3）PLC控制器的仿真，包括西門子S7-200，S7-300/400的仿真，還包括常見的歐姆龍，三菱PLC的仿真。通過軟件技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)編程、下裝、調(diào)試，以及對象控制、組態(tài)監(jiān)控等實(shí)訓(xùn)。并且實(shí)訓(xùn)了PLC的PPI，USS，MODBUS等通信。多PLC的組網(wǎng)，以及與變頻器，觸摸屏的組網(wǎng)。

（4）綜合過程自動化工廠仿真，整合各種傳感器與設(shè)備，多個柔性單元，PLC控制器，形成一個工廠級的仿真。學(xué)生可以進(jìn)行編程、聯(lián)合調(diào)試，多人合作開發(fā)與調(diào)試。例如A4200綜合工廠仿真，E3000污水處理廠仿真。大型的工廠仿真可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)保存與載入，考核與重演，完全可以用于操作工與技術(shù)人員的培訓(xùn)與考核。

2.5 半物理仿真過程自動化

過程自動化的半物理仿真包括兩種：一種是對象全部采用仿真來實(shí)現(xiàn)，但是PLC是真實(shí)的，從而更加真實(shí)地進(jìn)行編程、調(diào)試。另外一種是對象也有框架、管理、閥門、傳感器，與模擬系統(tǒng)完全一樣，但是不走水氣，所有檢測信號都是通過PC仿真模擬，發(fā)送到傳感器。然后送到真實(shí)的PLC上。

產(chǎn)品同樣也包括裝配、接線，以及校準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)與考核。還可以進(jìn)行開機(jī)、關(guān)機(jī)、故障操作與考核。

2.6 過程工廠中央控制室

提供2*3拼接的大屏幕監(jiān)控墻，針對過程工廠的視頻、重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控。

提供監(jiān)控組態(tài)界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

提供工廠信息化網(wǎng)絡(luò)。

提供大量的監(jiān)控攝像機(jī)，可以監(jiān)控現(xiàn)場。也可以提供虛擬視頻場景。

提供MIS/MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

3 建議虛擬仿真產(chǎn)品配置

滿足60個計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的仿真。