虚拟现实技术在高职自动化专业教学中的应用

马 菲

辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121000

一、研究目的与意义

在校学生缺乏到工业现场参与生产实习的机会是目前高校工程类各专业实践教学面临的最严重的问题之一。由于化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆等高危特性，导致化工自动化类专业学生即使有机会参与顶岗操作，也不可能按照教学要求进行反复练习、参数调优、系统监控等操作。为了培养合格的自动化化工专业方向工程人才，我院（辽宁石化职业技术学院） 结合学院目前的条件，对已闲置的汽提塔进行了改造，用于自动化专业实践教学[1]。一是立足于构建贴近真实工厂的职业实训环境，满足软件通用性及化工专业建设特色的教学要求；二是学生通过在仿真的企业环境模拟（仿真）角色及进行独立计算机各项操作，为其职业发展奠定良好的基础[2]。二者结合，培养智能制造新时代下的工程技术人才。

汽提塔仿真实训系统的建设，为我院师生构建了一个工程化的实践教学平台，其可实现以下基本功能：一是与自动化专业学生专业课程建设配套，使教学环境富有职业教育特色；二是其复杂工艺流程和工业生产装置、工业级控制系统、完备的软硬件教学资源可以为学生提供真实现场感的操作平台，有利于增强学生职业能力；三是实训系统涉及到多项专业知识，如工艺、自控、电气、安全等，通过实训可以拓宽学生眼界，提升学生职业素质、技能水平和就业创业能力，提高学生的职业竞争力和解决全局问题的能力；四是在实训系统上可以开展教师培训及科研，提高师资队伍建设的整体水平，增强专业群各专业实力；五是可以开展对外服务，形成区域内自动化技术方面的人才培训基地，扩大在职培训、再就业培训规模，对区域内各院校同类专业的建设和发展起到示范引领作用，推进区域内职业技术教育的发展。

二、研究目标和内容

（一）研究目标

因教学需要，兼顾校内实训装置建设要求，我们对汽提塔设计了综合自动控制系统，用于自动化专业的实践教学。该系统以过程控制领域及其相关专业技术为主，满足基础、中、高端技能实训要求，兼顾职业技能鉴定、职业资格认证需要，同时也可面向社会公众开展新技术展示、体验服务。

实训内容覆盖了学生基础职业技术技能培养所需，包括现代过程控制技术等实训项目。针对实训系统和实训项目，我们进行了研发。该实训系统在教学中得到充分利用，体现了该实训系统的通用性、适用性、前瞻性和示范性。基于汽提塔仿真实训系统，我们打造了综合实训平台。

（二）研究内容

本文以我院工业过程自动化技术专业为个案开展阐述。我们以反应釜的间歇/连续反应为核心控制单元，联系上游原料与催化剂的配比，以及产品的存储为背景，设计了贴近工厂工艺的设备。同时，结合大型PLC 控制系统、大型分布式控制系统，建设具备化工仪表教学、自动控制教学、智能仪表教学，以及先进控制教学、初级工到高级工的职业技能鉴定实训等多种功能的综合性实验室，并在此基础上构建虚拟实训资源。该控制系统可对实时生产信息数据和历史数据进行调用及分析，具有数据可视化展示功能。

1.装置外观美观大气

该装置储罐及管路均采用镜面不锈钢材质，主要管路口径DN50 左右，装置外观贴近工业现场，仪表安装符合工业规范，造型美观大气。

2.仪表种类齐全

该装置配置有工业常用的仪器仪表。液位仪表包含玻璃管式液位计、差压式液位计/ 压力式液位计；温度仪表包含热电阻/热电偶/双金属温度计；流量仪表包括玻璃转子流量计、孔板流量计/文丘里流量计、电磁流量计/涡轮流量计、靶式流量计；压力仪表包括压力表、压力变送器，并配置电动调节阀与气动调节阀。

3.装置可操作性强

所有仪表均配置相应的过程连接头，方便安装及替换。流量计配套有配对法兰及相应直管段，方便用户进行拆装实训。

4.经典控制方案

装置设计有多种控制方案，例如单回路控制方案、串级控制方案、联锁控制方案和均匀控制方案等，体现了仪表在工业设备控制中的应用性。

5.控制方案丰富

装置可进行温度、压力、流量、液位四大参数的被测对象特性实验与定制控制实验，另外还可进行流量比值控制实验、温度串级控制实验、液位选择控制实验、分程控制实验、反应釜前馈控制实验等多种高级控制实验。

6.控制系统多样

控制系统多样。我们采用了S7-300 控制系统、ECS700 控制系统、JX-300XP 控制系统、SIS 安全仪表控制系统、无线仪表控制系统和现场总线控制系统对该实训装置进行控制操作。

7.先进仪表控制回路

检测仪表及控制回路采用多种现场总线仪表，组成现场总线仪表控制回路，方便学生学习现场总线的实际应用。

8.开放的故障设置及接线端子

信号控制设备统一开放地置于配电箱中，方便操作，用户可在此信号控制模块中进行故障设置实训及接线实训。

9.虚拟实训资源

定制化控制系统，可实现下发生产任务、监控信息功能。数据库能够存储设备状态、生产数据等信息，并能实时监测现场数据[3]。

10.智能评分系统

学生在汽提塔3D 虚拟仿真实训系统上操作演练后，经智能评分系统考核，成绩达到标准后，再在汽提塔综合仿真实训装置上熟悉生产设备整体布局及各物料管路走向，感受装置的空间位置及阀门操作力度等；然后，操作真实的DCS 基础控制系统、SIS 安全仪表联锁系统；再然后，根据现场情况，分配内操学员及外操学员，通过步话机传达操作命令，进行全流程联合开、停车实训演练及处理现场装置异常工况，以此来训练学生团队协作配合能力及分析问题和处理问题的能力。

构建汽提塔3D 虚拟仿真实训系统模拟实际现场装置区，与汽提塔仿真系统、DCS 控制系统进行实时数据交互，形成线上仿真软件与线下实物装置互相配合的高效教学模式[4]。学生可以在汽提塔3D 虚拟仿真实训系统上进行工艺流程、工艺原理、工艺配管等方面知识的学习，进行全流程联合实训操作演练，掌握开停车操作步骤及相关工艺条件。这给学生提供了一个由易到难的学习过程，更方便教师开展教学[5]。

三、研究方案与实施

（一）3D 虚拟阀门仪表

现场实物装置采用改造过的汽提塔设备。我们将现场实物汽提塔装置改造成为半实物装置，即由模拟仿真软件和真实的实物外观构成半实物装置。为此需将原有各种测量变送器进行更换或改造，使其能够与仿真服务器实时通信，并能送出标准的ACI 信号；还要对执行器和阀进行改造，改造成为现场模拟AO 调节，将调节器输出的信号与现场执行器的阀门定位器相连，同时将其更改为阀门定位器的阀位反馈信号，将现场操作信息传送给仿真服务器。改造过程需要对仪表、阀门内部芯片进行定制开发。改造后的汽提塔可用于学生外操训练。我们采用了Unity3D 技术开发3D 虚拟手操阀门、3D虚拟调节阀、3D 虚拟机泵、3D 虚拟流量仪表、3D虚拟温度仪表、3D 虚拟压力仪表、3D 虚拟液位仪表等，有效地降低了现场维护工作量，提高了实训复用率。

（二）电气网络与通信线路建设

汽提塔仿真系统是整个仿真实训装置的枢纽，是过程数据的来源。仿真服务器通过运行整个流程的系统仿真软件，能够完成复杂的、高逼真度的模拟实训。仿真服务器与控制系统实时通信，保证整个仿真实训装置的正常工作。仿真服务器要完成与控制系统、生产现场的通信，就要涉及ETHERNET、PROFIBUS-DP、4~20mA、RS485 等信号网络。该服务器的电气网络和通信链路建设主要包括以太网网络构架、IO 接口与连接、现场总线网络构建、OPC通信协议、串行总线协议等。数据通信结构拓扑图见图1。

图1 数据通信结构拓扑图

（三）汽提塔仿真系统开发

考虑到该实训装置的参训人员主要由自动化专业相关的学生及企业职工组成[6]，我们设计的实训装置的软件设计主要包括仿真系统软件、实训评分系统软件及数据通信软件。数据通信软件与工业通信网络进行交互，使信息能够贯通整个实训装置；仿真系统软件及半实物硬件对应化工生产装置，构建了整个实训装置的工业对象；实训评分系统软件则对每次实训项目进行实时“监控”，对实训过程和实训结果给出评价。基于TCP/IP 通信协议，我们开发了Socket 通信方式，以实现仿真系统与3D 虚拟模型数据交互功能[7]。

（四）工业控制系统组态与调试

横河（YOKOGAWA） 公司的CENTUM CS3000 R3 与西门子（SIEMENS） 公司的PCS7 均是自动化领域的先行者，因而具有较强的指导意义。我们使用了上述系统，具备国内DCS 领域的装备水平，具有较广泛的使用基础。

（五）构建3D 虚拟现实环境

通过构建汽提塔3D 仿真被控对象虚拟环境，营造设备立体空间感，实现了与汽提塔仿真软件、DCS 控制系统进行数据交互功能。

四、研究成果

（一）虚拟手操阀门

汽提塔装置区手操阀全部使用工业闸阀。虚拟现场手操阀门开度及泵开关信号传送至仿DCS 系统，并能实时显示流量、温度、压力、液位等工艺参数。我们对其内部结构进行了改造，可以观察到阀门开度。其开度在0~100 之间，允许对阀杆行程比例进行自定义。3D 手操阀门如图2 所示。

图2 3D 手操阀门

（二）3D 虚拟调节阀

汽提塔装置区调节阀全部使用气动薄膜调节阀，接收控制系统发送的指令，实现流量、压力、温度、液位等各种工艺过程参数开关量或比例式调节。该装置基于Socket 通信功能，能与仿真系统、控制系统进行通信。3D 虚拟调节阀如图3 所示。

图3 3D 虚拟调节阀

（三）3D 虚拟仪表

基于Socket 通信功能，与仿真系统、控制系统进行数据交互，实时显示流量、温度、压力、液位工艺参数。3D 虚拟仪表如图4 所示。

图4 3D 虚拟仪表

（四）3D 虚拟机泵

基于Socket 通信功能，与仿真系统、控制系统进行数据交互，实现机泵开关操作。3D 虚拟仪表如图5 所示。

图5 3D 虚拟机泵

（五）汽提塔仿真系统

汽提塔仿真系统采用构架式仿真平台软件设计，采用模块式组件开发，搭建一个先进、灵活的平台化软件系统。用户可以对物料性质、工艺流程、操作步骤、设备尺寸等属性等进行自定义，能够充分满足工艺分析、设计和验证要求，能够进行诸如物料衡算、能量衡算等设计验证。仿真平台采用动态仿真模型，模型内核结合化工机理和人工智能技术开发，内部逻辑能够模拟各类工况下的系统响应，能够模拟全流程的系统状态，能够模拟各种工况下的系统状态及响应，尤其能满足对混杂系统中内、外部离散事件的系统响应，达到对开、停车等操作规程的设计和验证要求。汽提塔仿真模型支持与CS3000 控制器、PCS7 控制器进行数据通信交互。

1.仿真建模组态

仿真建模组态模块包含反应器、精馏塔、储罐、阀门、仪表、机泵等基础功能组件。搭建汽提塔虚拟仿真工程对象，支持用户依据相关设计规范自定义工艺流程。该仿真建模组态模块可进行单回路控制、前馈控制、串级控制、比值控制、顺序控制、PID 参数整定、开停车实训等基础性教学实验[8]。汽提塔仿真系统如图6 所示。

图6 汽提塔仿真系统

2.控制组态

控制组态模块可以实现单回路、顺序、比值和串级等控制，对于选择的被控变量实现PID 参数整定[9]。控制组态界面如图7 所示。

图7 控制组态界面

3.趋势曲线

趋势曲线在仿真系统运行时记录实时数据。液位趋势曲线如图8 所示。

图8 液位趋势曲线

4.智能评分系统

智能评分系统即自动评分的系统，可辅助任课教师教学工作，提高效率。可以设置加分制与减分制，即做得好的加分，做得不好的减分，做得正常的不得分。智能评分系统如图9 所示。

图9 评分规则配置

（六）汽提塔3D 虚拟现实环境

采用Unity3D 技术开发汽提塔3D 虚拟现实环境，实现与仿真系统、控制系统数据交互及生产控制[10]。汽提塔3D 虚拟现实环境如图10 所示。

图10 汽提塔3D 虚拟现实环境

（七）系统通信构架设计

该系统通过工业网络相互连接通信。数据及信号的通信如图11 所示。其中，工业控制系统采用真实集散控制系统（DCS），通过I/O 通信方式、以太网通信方式与仿真系统进行控制信号、工艺数据信号交互；装置区运用3D 虚拟现实环境模拟真实汽提塔，通过Socket 通信方式进行工艺数据、操作数据信号交互，实现动态仿真模拟。

综上，汽提塔3D 虚拟仿真实训系统采用Unity3D 技术开发虚拟现实环境，替代现场实物装置、布线投入，节省了资金及用地。对于自动化专业学生，要着重于DCS 控制系统学习，以及控制策略设计验证、PID 参数整定等方面的实训。为了达到更好的控制效果，需要学生熟悉被控对象，因此汽提塔3D 虚拟现实与真实DCS 控制系统相结合的教学方式是较优的教学资源整合。生产实训过程绿色环保、无安全隐患、 有效降低后期系统维护费用，对于自动化专业实训学习具有极大的推广价值。