1、簡介

利用虛擬及仿真技術(shù)是提高高校實驗室利用效率和減少實驗維護費用的一條切實可行的途徑。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)自動化實驗室的現(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)自動化實驗室進行了探討。將虛擬儀器技術(shù)用于實驗可增強學(xué)生的積極性、趣味性、實驗的靈活性， 同時大大降低成本， 如今虛擬仿真技術(shù)用于工業(yè)控制實驗已經(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)、計算機技術(shù)，構(gòu)建完整的工業(yè)自動化試驗與驗證系統(tǒng)，將實驗室建設(shè)成為學(xué)習(xí)自動化技術(shù)、驗證理論的公共技術(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。虛擬仿真實驗室可能包括更多的內(nèi)容，我們也在不斷改進產(chǎn)品，擴大虛擬仿真的應(yīng)用范圍。

2、應(yīng)用技術(shù)虛擬仿真實訓(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)的真實設(shè)備，以便大量仿真實訓(xùn)后能夠到真實設(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、液壓機構(gòu)。設(shè)備包括交流電機、步進電機、伺服電機等。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、裝配單元、加工單元、分揀單元、機械手等單元的結(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)，可以實現(xiàn)編程、下裝、調(diào)試，以及對象控制、組態(tài)監(jiān)控等實訓(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現(xiàn)，但是PLC是真實的，從而更加真實地進行編程、調(diào)試。并可以實現(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上實現(xiàn)昂貴的對象設(shè)備的模擬。同樣也包括裝配與接線實訓(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，進行遠(yuǎn)程操作。

提供大量的監(jiān)控攝像機，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)，可以實現(xiàn)編程、下裝、調(diào)試，以及對象控制、組態(tài)監(jiān)控等實訓(xùn)。并且實訓(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現(xiàn)，但是PLC是真實的，從而更加真實地進行編程、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。然后送到真實的PLC上。

產(chǎn)品同樣也包括裝配、接線，以及校準(zhǔn)實訓(xùn)與考核。還可以進行開機、關(guān)機、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、重點參數(shù)監(jiān)控。

提供監(jiān)控組態(tài)界面，進行遠(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，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個計算機實驗室，實現(xiàn)大規(guī)模的仿真。