基于虛擬儀器技術(shù)的化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝紅娟

（天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 301607）

1 研究背景

目前，虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，在一些發(fā)達(dá)國家，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室已十分普及，有些高等院校的實(shí)驗(yàn)室中，虛擬儀器已經(jīng)完全取代了許多常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備。美國是最早提出了虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室概念的國家，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用分析以及LabView 編程技術(shù)已經(jīng)是各大學(xué)理工科類專業(yè)學(xué)生的必修課程。并且美國在二十世紀(jì)八十年代提出這一概念時(shí)開始就非常重視將虛擬儀器技術(shù)引入高等院校實(shí)驗(yàn)室的研究，而且已經(jīng)將這一項(xiàng)目列入了國家科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。

二十世紀(jì)八十年代，美國國家儀器公司（National Instruments）提出了基于PC 機(jī)的虛擬儀器的概念，簡(jiǎn)稱VI，是把儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來，使儀器的計(jì)算機(jī)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(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，降低實(shí)訓(xùn)儀器的成本，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力，利用虛擬儀器、信息處理等技術(shù)，依據(jù)生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)化工儀表維修工崗位技能實(shí)訓(xùn)要求，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)和實(shí)用的化工儀表實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，服務(wù)于高職院校生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)化工儀表課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

2 核心概念界定

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。只有同時(shí)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(tái)這三大部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。

虛擬儀器是由多種接口（如GPIB、VXI、PXI 等）把測(cè)控對(duì)象和通用計(jì)算機(jī)連接起來構(gòu)成的。虛擬儀器系統(tǒng)是由儀器硬件和應(yīng)用軟件兩大部分組成，硬件包括外圍電路與計(jì)算機(jī)，是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)；而應(yīng)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(gòu)成不同的儀器設(shè)備。

3 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

本文主要介紹了虛擬儀器技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，針對(duì)目前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)訓(xùn)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(duì)石油石化專業(yè)化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)中常用的一些控制回路進(jìn)行了基于虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

基于虛擬儀器技術(shù)的化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是在分析高職生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱的要求、考察國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展和石油石化行業(yè)自動(dòng)化人才需求狀況的基礎(chǔ)上，結(jié)合化工儀表維修工專業(yè)崗位的技能培訓(xùn)要求，又對(duì)當(dāng)前教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)設(shè)施的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，提出了針對(duì)化工儀表、化工過程控制技術(shù)等課程的教學(xué)和化工儀表維修工技能培訓(xùn)為中心的教學(xué)系統(tǒng)研究，積極探索新的教學(xué)培訓(xùn)模式。在已有的化工儀表設(shè)備和前期自動(dòng)化教學(xué)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套既能進(jìn)行課堂原理演示又能進(jìn)行技能操作訓(xùn)練的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。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(xué)功能于一體的教學(xué)硬件系統(tǒng)，開發(fā)一套基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成完整的化工儀表和化工儀表維修工技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，增強(qiáng)學(xué)生化工儀表操作的實(shí)際動(dòng)手能力，有利于學(xué)生化工儀表維修技能的提高，有效提高了教育教學(xué)質(zhì)量。

基于虛擬儀器技術(shù)的儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，以虛擬儀器軟件為核心，通過有關(guān)數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理版，加之必要的傳感器，構(gòu)成虛擬化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)化工生產(chǎn)過程中的單回路、復(fù)雜回路進(jìn)行模擬發(fā)生、實(shí)時(shí)采集，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。

基于虛擬儀器技術(shù)的化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)旨在以石油高職院校生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)化工儀表維修工崗位技能培養(yǎng)為重點(diǎn)，把化工測(cè)量和過程自動(dòng)化控制原理以及化工儀表維修工技能操作和訓(xùn)練等方面內(nèi)容融為一體，改革自動(dòng)化專業(yè)核心課程的教學(xué)手段。針對(duì)測(cè)量?jī)x表、過程控制技術(shù)的教學(xué)和儀表維修工技能培訓(xùn)為中心的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)研究課題，積極探索新的教學(xué)模式。

4 理論依據(jù)

目前，測(cè)量領(lǐng)域中對(duì)電子儀器種類、功能、精度以及自動(dòng)化程度等方面的要求越來越高，而且還要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好以及友好的人機(jī)界面，與傳統(tǒng)的儀器設(shè)備相比較，虛擬儀器有很多的特點(diǎn)，可以較好地滿足這些要求。

虛擬儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)；

2）充分強(qiáng)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高；

5）可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控以及故障診斷等。

虛擬儀器強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的概念，所以本文的重點(diǎn)部分是系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。在具體的設(shè)計(jì)時(shí)，本實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)硬件由模擬化工生產(chǎn)自動(dòng)化控制對(duì)象、信息采集、處理、控制與實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)兩部分組成，教學(xué)平臺(tái)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(qū)動(dòng)軟件以及實(shí)訓(xùn)應(yīng)用程序組成，LabView 軟件包括高級(jí)信號(hào)處理工具包、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包等。

根據(jù)化工儀表維修工（中級(jí)工和高級(jí)工）技能訓(xùn)練項(xiàng)目的典型工作任務(wù)以及若干個(gè)子任務(wù)，在進(jìn)行分析和研究時(shí)，確定了中級(jí)和高級(jí)化工儀表維修工的技能要求和訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。中級(jí)化工儀表維修工的技能要求和訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)是基于單回路化工自動(dòng)控制系統(tǒng)展開的，高級(jí)化工儀表維修工的技能要求和訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)是基于復(fù)雜化工自動(dòng)控制系統(tǒng)展開的。結(jié)合基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的具體情況和實(shí)際實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要，最終確定了中級(jí)工實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目共有十二項(xiàng)，高級(jí)工實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目共有八項(xiàng)。中級(jí)工技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段的確定是在構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，高級(jí)工技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段的確定是在構(gòu)建復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

5 實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和構(gòu)建

5.1 設(shè)計(jì)思路

基于虛擬儀器技術(shù)的化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是以圖形化編程語言 LabView 為開發(fā)平臺(tái)，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，首先從系統(tǒng)的總體目標(biāo)和要求入手進(jìn)行分析，明確各個(gè)儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能以及包含的模塊，然后對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。主要用于學(xué)生和現(xiàn)場(chǎng)操作工人進(jìn)行儀表維修工技能訓(xùn)練、技能考評(píng)與技能鑒定，從而達(dá)到提高自動(dòng)化專業(yè)的辦學(xué)水平，填補(bǔ)自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)設(shè)備與技能培訓(xùn)體系空白的目的，處于國內(nèi)石油高職院校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的先進(jìn)水平。主要完成了單回路控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)、復(fù)雜控制系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的仿真實(shí)訓(xùn)等二十個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。最后，將每一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目作為子 VI 集成在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的用戶界面下，使學(xué)生可以方便地在這些用戶界面上進(jìn)行化工儀表課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)?；谔摂M儀器的化工儀表維修工實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)中使用了虛擬儀器技術(shù)（LabView 軟件）、信息采集與傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、化工自動(dòng)化控制技術(shù)以及微機(jī)控制技術(shù)等。

5.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)組成

整體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)有三大部分組成：化工自動(dòng)化被控對(duì)象、信息采集與處理和控制的實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)以及基于LabVIEW的實(shí)訓(xùn)軟件教學(xué)平臺(tái)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(qū)動(dòng)軟件以及針對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目編制的應(yīng)用程序組成，LabView 包括高級(jí)信號(hào)處理工具包、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包等，構(gòu)建了基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)。

6 應(yīng)用推廣

該實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)既可以用于理論教學(xué)，也可以進(jìn)行技能實(shí)訓(xùn)。根據(jù)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)的需要，在構(gòu)成各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，既可以用智能儀表進(jìn)行控制，也可以用LabView 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行控制；學(xué)生可以模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)操作，親身體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)性；對(duì)于復(fù)雜的化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)，學(xué)生可以進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)；還可以對(duì)石油石化現(xiàn)場(chǎng)儀表操作工人進(jìn)行技能培訓(xùn)與技能鑒定。對(duì)于國內(nèi)石油院校自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)與技能實(shí)訓(xùn)工作具有較高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

把石油化工過程儀表教學(xué)和儀表維修工的技能培訓(xùn)、技能考評(píng)與技能鑒定有機(jī)結(jié)合起來，增加了操作的真實(shí)性，主要用于學(xué)生和現(xiàn)場(chǎng)操作工人進(jìn)行儀表維修工技能訓(xùn)練、技能考評(píng)與技能鑒定，從而達(dá)到提高自動(dòng)化專業(yè)的辦學(xué)水平，填補(bǔ)自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)設(shè)備與技能培訓(xùn)體系空白的目的，處于國內(nèi)石油高職院校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的先進(jìn)水平。

7 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合是未來測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)和潮流。把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段現(xiàn)代化，建立先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)和現(xiàn)代化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。基于虛擬儀器技術(shù)的化工儀表實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)為高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的發(fā)展注入了新的活力，將極大推進(jìn)信息化教育的發(fā)展，也促進(jìn)了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，建設(shè)有利于專業(yè)技能訓(xùn)練和專業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段現(xiàn)代化。