虛擬現實技術在高職自動化專業教學中的應用

馬 菲

遼寧石化職業技術學院，遼寧 錦州 121000

一、研究目的與意義

在校學生缺乏到工業現場參與生產實習的機會是目前高校工程類各專業實踐教學面臨的最嚴重的問題之一。由于化工生產過程具有高溫、高壓、易燃、易爆等高危特性，導致化工自動化類專業學生即使有機會參與頂崗操作，也不可能按照教學要求進行反復練習、參數調優、系統監控等操作。為了培養合格的自動化化工專業方向工程人才，我院（遼寧石化職業技術學院） 結合學院目前的條件，對已閑置的汽提塔進行了改造，用于自動化專業實踐教學[1]。一是立足于構建貼近真實工廠的職業實訓環境，滿足軟件通用性及化工專業建設特色的教學要求；二是學生通過在仿真的企業環境模擬（仿真）角色及進行獨立計算機各項操作，為其職業發展奠定良好的基礎[2]。二者結合，培養智能制造新時代下的工程技術人才。

汽提塔仿真實訓系統的建設，為我院師生構建了一個工程化的實踐教學平臺，其可實現以下基本功能：一是與自動化專業學生專業課程建設配套，使教學環境富有職業教育特色；二是其復雜工藝流程和工業生產裝置、工業級控制系統、完備的軟硬件教學資源可以為學生提供真實現場感的操作平臺，有利于增強學生職業能力；三是實訓系統涉及到多項專業知識，如工藝、自控、電氣、安全等，通過實訓可以拓寬學生眼界，提升學生職業素質、技能水平和就業創業能力，提高學生的職業競爭力和解決全局問題的能力；四是在實訓系統上可以開展教師培訓及科研，提高師資隊伍建設的整體水平，增強專業群各專業實力；五是可以開展對外服務，形成區域內自動化技術方面的人才培訓基地，擴大在職培訓、再就業培訓規模，對區域內各院校同類專業的建設和發展起到示范引領作用，推進區域內職業技術教育的發展。

二、研究目標和內容

（一）研究目標

因教學需要，兼顧校內實訓裝置建設要求，我們對汽提塔設計了綜合自動控制系統，用于自動化專業的實踐教學。該系統以過程控制領域及其相關專業技術為主，滿足基礎、中、高端技能實訓要求，兼顧職業技能鑒定、職業資格認證需要，同時也可面向社會公眾開展新技術展示、體驗服務。

實訓內容覆蓋了學生基礎職業技術技能培養所需，包括現代過程控制技術等實訓項目。針對實訓系統和實訓項目，我們進行了研發。該實訓系統在教學中得到充分利用，體現了該實訓系統的通用性、適用性、前瞻性和示范性。基于汽提塔仿真實訓系統，我們打造了綜合實訓平臺。

（二）研究內容

本文以我院工業過程自動化技術專業為個案開展闡述。我們以反應釜的間歇/連續反應為核心控制單元，聯系上游原料與催化劑的配比，以及產品的存儲為背景，設計了貼近工廠工藝的設備。同時，結合大型PLC 控制系統、大型分布式控制系統，建設具備化工儀表教學、自動控制教學、智能儀表教學，以及先進控制教學、初級工到高級工的職業技能鑒定實訓等多種功能的綜合性實驗室，并在此基礎上構建虛擬實訓資源。該控制系統可對實時生產信息數據和歷史數據進行調用及分析，具有數據可視化展示功能。

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，主要管路口徑DN50 左右，裝置外觀貼近工業現場，儀表安裝符合工業規范，造型美觀大氣。

2.儀表種類齊全

該裝置配置有工業常用的儀器儀表。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，并配置電動調節閥與氣動調節閥。

3.裝置可操作性強

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

4.經典控制方案

裝置設計有多種控制方案，例如單回路控制方案、串級控制方案、聯鎖控制方案和均勻控制方案等，體現了儀表在工業設備控制中的應用性。

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、反應釜前饋控制實驗等多種高級控制實驗。

6.控制系統多樣

控制系統多樣。我們采用了S7-300 控制系統、ECS700 控制系統、JX-300XP 控制系統、SIS 安全儀表控制系統、無線儀表控制系統和現場總線控制系統對該實訓裝置進行控制操作。

7.先進儀表控制回路

檢測儀表及控制回路采用多種現場總線儀表，組成現場總線儀表控制回路，方便學生學習現場總線的實際應用。

8.開放的故障設置及接線端子

信號控制設備統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置實訓及接線實訓。

9.虛擬實訓資源

定制化控制系統，可實現下發生產任務、監控信息功能。數據庫能夠存儲設備狀態、生產數據等信息，并能實時監測現場數據[3]。

10.智能評分系統

學生在汽提塔3D 虛擬仿真實訓系統上操作演練后，經智能評分系統考核，成績達到標準后，再在汽提塔綜合仿真實訓裝置上熟悉生產設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 基礎控制系統、SIS 安全儀表聯鎖系統；再然后，根據現場情況，分配內操學員及外操學員，通過步話機傳達操作命令，進行全流程聯合開、停車實訓演練及處理現場裝置異常工況，以此來訓練學生團隊協作配合能力及分析問題和處理問題的能力。

構建汽提塔3D 虛擬仿真實訓系統模擬實際現場裝置區，與汽提塔仿真系統、DCS 控制系統進行實時數據交互，形成線上仿真軟件與線下實物裝置互相配合的高效教學模式[4]。學生可以在汽提塔3D 虛擬仿真實訓系統上進行工藝流程、工藝原理、工藝配管等方面知識的學習，進行全流程聯合實訓操作演練，掌握開停車操作步驟及相關工藝條件。這給學生提供了一個由易到難的學習過程，更方便教師開展教學[5]。

三、研究方案與實施

（一）3D 虛擬閥門儀表

現場實物裝置采用改造過的汽提塔設備。我們將現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器實時通信，并能送出標準的ACI 信號；還要對執行器和閥進行改造，改造成為現場模擬AO 調節，將調節器輸出的信號與現場執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，將現場操作信息傳送給仿真服務器。改造過程需要對儀表、閥門內部芯片進行定制開發。改造后的汽提塔可用于學生外操訓練。我們采用了Unity3D 技術開發3D 虛擬手操閥門、3D虛擬調節閥、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，有效地降低了現場維護工作量，提高了實訓復用率。

（二）電氣網絡與通信線路建設

汽提塔仿真系統是整個仿真實訓裝置的樞紐，是過程數據的來源。仿真服務器通過運行整個流程的系統仿真軟件，能夠完成復雜的、高逼真度的模擬實訓。仿真服務器與控制系統實時通信，保證整個仿真實訓裝置的正常工作。仿真服務器要完成與控制系統、生產現場的通信，就要涉及ETHERNET、PROFIBUS-DP、4~20mA、RS485 等信號網絡。該服務器的電氣網絡和通信鏈路建設主要包括以太網網絡構架、IO 接口與連接、現場總線網絡構建、OPC通信協議、串行總線協議等。數據通信結構拓撲圖見圖1。

圖1 數據通信結構拓撲圖

（三）汽提塔仿真系統開發

考慮到該實訓裝置的參訓人員主要由自動化專業相關的學生及企業職工組成[6]，我們設計的實訓裝置的軟件設計主要包括仿真系統軟件、實訓評分系統軟件及數據通信軟件。數據通信軟件與工業通信網絡進行交互，使信息能夠貫通整個實訓裝置；仿真系統軟件及半實物硬件對應化工生產裝置，構建了整個實訓裝置的工業對象；實訓評分系統軟件則對每次實訓項目進行實時“監控”，對實訓過程和實訓結果給出評價。基于TCP/IP 通信協議，我們開發了Socket 通信方式，以實現仿真系統與3D 虛擬模型數據交互功能[7]。

（四）工業控制系統組態與調試

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

（五）構建3D 虛擬現實環境

通過構建汽提塔3D 仿真被控對象虛擬環境，營造設備立體空間感，實現了與汽提塔仿真軟件、DCS 控制系統進行數據交互功能。

四、研究成果

（一）虛擬手操閥門

汽提塔裝置區手操閥全部使用工業閘閥。虛擬現場手操閥門開度及泵開關信號傳送至仿DCS 系統，并能實時顯示流量、溫度、壓力、液位等工藝參數。我們對其內部結構進行了改造，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 虛擬調節閥

汽提塔裝置區調節閥全部使用氣動薄膜調節閥，接收控制系統發送的指令，實現流量、壓力、溫度、液位等各種工藝過程參數開關量或比例式調節。該裝置基于Socket 通信功能，能與仿真系統、控制系統進行通信。3D 虛擬調節閥如圖3 所示。

圖3 3D 虛擬調節閥

（三）3D 虛擬儀表

基于Socket 通信功能，與仿真系統、控制系統進行數據交互，實時顯示流量、溫度、壓力、液位工藝參數。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、控制系統進行數據交互，實現機泵開關操作。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

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

1.仿真建模組態

仿真建模組態模塊包含反應器、精餾塔、儲罐、閥門、儀表、機泵等基礎功能組件。搭建汽提塔虛擬仿真工程對象，支持用戶依據相關設計規范自定義工藝流程。該仿真建模組態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 參數整定、開停車實訓等基礎性教學實驗[8]。汽提塔仿真系統如圖6 所示。

圖6 汽提塔仿真系統

2.控制組態

控制組態模塊可以實現單回路、順序、比值和串級等控制，對于選擇的被控變量實現PID 參數整定[9]。控制組態界面如圖7 所示。

圖7 控制組態界面

3.趨勢曲線

趨勢曲線在仿真系統運行時記錄實時數據。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

智能評分系統即自動評分的系統，可輔助任課教師教學工作，提高效率。可以設置加分制與減分制，即做得好的加分，做得不好的減分，做得正常的不得分。智能評分系統如圖9 所示。

圖9 評分規則配置

（六）汽提塔3D 虛擬現實環境

采用Unity3D 技術開發汽提塔3D 虛擬現實環境，實現與仿真系統、控制系統數據交互及生產控制[10]。汽提塔3D 虛擬現實環境如圖10 所示。

圖10 汽提塔3D 虛擬現實環境

（七）系統通信構架設計

該系統通過工業網絡相互連接通信。數據及信號的通信如圖11 所示。其中，工業控制系統采用真實集散控制系統（DCS），通過I/O 通信方式、以太網通信方式與仿真系統進行控制信號、工藝數據信號交互；裝置區運用3D 虛擬現實環境模擬真實汽提塔，通過Socket 通信方式進行工藝數據、操作數據信號交互，實現動態仿真模擬。

綜上，汽提塔3D 虛擬仿真實訓系統采用Unity3D 技術開發虛擬現實環境，替代現場實物裝置、布線投入，節省了資金及用地。對于自動化專業學生，要著重于DCS 控制系統學習，以及控制策略設計驗證、PID 參數整定等方面的實訓。為了達到更好的控制效果，需要學生熟悉被控對象，因此汽提塔3D 虛擬現實與真實DCS 控制系統相結合的教學方式是較優的教學資源整合。生產實訓過程綠色環保、無安全隱患、 有效降低后期系統維護費用，對于自動化專業實訓學習具有極大的推廣價值。