IEC611-3语言实训仿真系统

项目概况

可编程序控制器、虚拟仪器都是测控系统中采用的技术,也是开发自动化标准装置的基本技能,本系统采用虚拟仿真和实物验证结合的模式,用于培养计量类人才对该领域专业知识灵活应用、综合设计的能力。

系统面向机电一体化、测控、电气自动化、控制工程等相关专业,适用于《可编程序控制器》、《测控系统设计》、《现场总线系统》、《虚拟仪器设计》等课程。

 

结构与功能

系统组成:监控计算机、PROFIBUS主站控制器(西门子或WAGO,PLC)、触摸屏、PROFIBUS从站设备、DP总线变频器、WAGO从站模块、DP/ASI模块等,以及基于Labview软件开发的监控界面。下图是IEC61131-3语言实训系统的硬件部分,可供学生根据实验目的自行设计系统组成,动手对电气器件进行配置和连接,并对软件进行二次开发。

可以开设的实验项目

(1)PROFIBUS总线控制系统组态和调试试验(DP、PA、ASI)。

(2)IEC61131-3语言实训实验,包括:电机控制、运动小车、交通灯、机床控制、灯光控制等50余个项目。

(3)Labview监控实验设计和开发,通过OPC技术实现Labview与控制器进行通信,上位机通过动画监视所有实验内容。

(4)触摸屏可视化监控实验设计和开发。

图是系统开发的星型变压降压启动实训和舞台灯光模拟控制实验监控界面,界面以选项卡的形式切换不同操作界面。实验界面有实验介绍、各I/O口分配表、动画仿真演示等,过程形象和生动化。相关老师还发表了《基于虚拟仪器的自控原理实验教学软件开发》、《现场总线仪表与控制实验室建设》等相关论文。

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

超长液位计在线校准仿真实验

项目概况

中心通过深入研究标准检定设备的工作原理和国家检定规程的特殊要求,结合工业自动化仪表的特点,自主研发了半实物性质的超长液位计在线校准仿真实验,实验系统可对0~20000mm范围内的磁性浮子液位计、电磁波雷达液位计、超声波液位计、电容式液位计、静压式液位计、磁致伸缩式液位计、投入式液位计等各种“高精度液位计”的检定及校准。

远距离液位计在大型油罐等场合应用广泛,其检定装置需要宽阔的场地,而且也有一定危险性,中心不具备开展远距离液位计在线校准的条件,因此结合教师科研成果,开发了超长液位计在线校准仿真实验,其中实物校准为0~4000mm,虚拟仿真校准为4000~20000mm。本实验系统不但可以用于学生教学,稍作改动就可以作为标准检定装置进行量值传递,保证计量器具的使用准确可靠、状态受控。

本项目是教师最新科研成果的转化,相关项目包括国防军工项目《新型运载火箭低温液位传感器动态校准技术合作研究》、《地下罐容量标准装置技术研究》和科技部质检行业专项《大型石油储运工程容量计量技术研究》等。

本系统的实物标准器为激光标准装置、伺服液位计、磁栅尺以及几何量孔标准装置。同时采用了基于虚拟仪器技术实现不同原理液位计的全自动检定与校准,并且通过网络技术实现了远程检定功能。

本实验装置可以结合《热工计量技术》、《自动检测技术》、《自动检测系列实验》、《热工过程控制系统》、《可编程序控制器》、《虚拟仪器技术》等课程,培养学生在综合、设计、创新、探索等方面的科研能力。

 

结构与功能

实验系统采用油罐装置作为对象,系统具备有非常周全的液位调节和检测功能,便于维护、管理、运行与操作,并设计有全自动,全手动以及手自动结合的运行模式。

整体如图(a)所示,模拟油罐装置整体尺寸为直径1200mm,高20000mm。检定装置整体由稳压管、三个液位计校准容器、一个不规则容器、进出水管路组成。标准器由四级不同量程的标准组成,被检液位计由事先预留的检定孔进行安装。4米以内的液位计读数和温度信息由计算机的数据采集卡进行采集,4米以上数据则由计算机直接模拟产生;由虚拟仪器根据不同液位计的校准规范编写全自动检定程序,学生可以根据规程完成相关的实验内容。

实验过程中可以利用局域网,使学生远程监视工作液位计的实时状态,远程控制整个校准过程。检定结束后,可以对检定数据进行分析与处理,实现曲线拟合、报表生成,检定证书生成等功能。

系统效果与特色

本系统采用多标准技术实现液位计的检定与校准,使学生能够深入理解液位计的不同工作原理、安装方式、检定方法,通过虚拟仪器技术使学生了解远程校准的基本实现方法。

1)将虚拟仪器技术应用于液位计的检定与校准,使学生深入了解虚拟仪器技术的应用,通过网络实现远程校准的方法。

2)实验装置集成多种不同原理的液位计校准技术,使学生深入理解不同种类液位计的校准规范,能够在此基础上自主开发相应的校准程序。

3)该装置集成的自动控制技术及自动校准方法,能够使学生把传感器技术、自动控制技术、虚拟仪器技术、自动校准技术有机结合,可以在此基础上实现创新性、设计性实验项目。

4)该实验装置是教师最新的科研成果成功转化而成,对虚拟仪器技术、远程校准技术在工业领域的实际应用进行了模拟,不但可以用于教学,也有利于对科研成果开展进一步验证,提高市场推广效果。

 

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

大口径液体流量计量仿真实验

项目概况

液体流量的准确计量在国民经济中具有重要地位,大型液体流量计量装置的建造成本及运行费用很大,比如600mm口径水流量标准装置需要配备容量超过1000m3的水池,相当于一个标准泳池,水泵等动力设备的功率超过100kW。

 

本虚拟仿真实验模拟了计量机构的大型水流量标准实体装置,实现了五种水流量标准装置对三种不同类型的流量计的检定,共有15种组合,为解决大型实验装置套数少,实验运行费用高,安装流量计需要转动装置大转盘,检定或校准流量计时间长等问题,是中心教师自主开发的虚拟实验项目,发表《水流量标准装置模拟校准实验系统开发》等论文。

 

结构与功能

实验依据多家计量机构的水流量标准装置模拟而成,某实际系统如图2.37a所示,其测量不确定度0.05%(k=2),装置口径15~600mm,测量范围达0.2~2000m3/h,占地面积约为500m2。所研发实验集成了标准表法、标准容积法、质量法等液体流量校准方法,可针对电磁流量计、涡街流量计和浮子流量计,流程界面见图2.37b,具有仪表基表信息输入、流量点选择及检定、报表生成等功能。该虚拟仿真实验可方便学生了解各种液体流量计的工作原理、检定规程和检测过程,增强对流量计的工作原理及标准装置的认识,培养其动手能力及创新能力。

检定过程分为三步:第一是选择水流量标准装置的类型,并将被检流量计的信息输入到系统之中。系统根据输入信息将所选择水流量标准装置激活使用,根据被检流量计信息确定相应检定项目和检定流量点,并将这些处理所得的信息送入到下一程序之中;第二是接收信息,开始对被检表检定。检定过程可以选择手动检定或自动检定;第三是对试验数据的处理,将检定所得的数据进行相应的处理,可以将数据处理的结果存入数据库,还可以通过报表的形式进行打印输出。一次检定过程完成后,用户可选择继续下一次检定校准,或者选择停止退出系统。

 

部分典型的实验项目

标准表法、静态质量法、动态质量法、静态容积法和动态容积法五种标准装置,电磁流量计、涡街流量计和浮子流量计三种流量计的15种实验组合。

 

系统效果与特色

1)实验集成了标准表法、标准容积法、质量法等多种不同原理的液体流量校准技术,使学生能深入理解各种液体流量的校准规范,在此基础上自主开发相应的校准程序。

2)该装置模拟集成有自动控制及自动校准方法,学生可以根据所学的《传感器技术》、《自动控制技术》等课程,在此基础上实现创新性、设计性实验项目。

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

大型三坐标测量虚拟仿真实验

实验原理及装置

三坐标测量机是基于交互性测量原理的一种坐标测量仪器。测量原理是将被测零件放入其测量空间,精确测出被测零件表面点的空间坐标,经过计算机数据处理,拟合成测量特征元素,进一步计算得出其形状、位置公差及其他几何数据,所得数据可直接指导产品的生产和检测,极大地提高产品生产的质量和水平。

本实验能仿真模拟指挥测量机的完成测量动作,并对测量数据进行计算和分析,最终给出测量报告,具体功能包括:从探针校正、坐标系建立于转换、集合元素测量、形位公差评价一直到输出检测报告等全测量过程,及重复性测量中的自动化程序编制和执行,此外,测量软件还提供统计分析功能,结合定量与定性方法对海量测量数据进行统计研究,用以监控生产线加工能力或产品质量水平。

本实验界面采用多屏幕同步操作的架构模式,主屏幕显示虚拟测量机操作动作,副屏幕显示测量软件实时流程,还可通过手机APP软件模拟操作手柄控制,真实还原了三坐标测量机实际操作工况。

实验方法与步骤

三坐标测量机虚拟仿真实验以标准件案例测量为主,有教(学)、练(习)、考(核)三模块。流程分为测量前准备、测量基本特征、特征评价内容和测量后保养等四阶段。

a)、标准件测量案例教学模块

 

测量前准备:

选择标准测量件,完成定位和装夹。

清理擦拭坐标机导轨,确保导轨上无障碍物;

开启测量机的气源、控制柜和虚拟PC-DMIS软件,程序自动完成气源压力、控制系统、操作手柄的自检以及测量机回零操作;

 

标准件定位和装夹

开始测量:

选择虚拟PC-DMIS软件,新建工程文件和配置测头文件。

测头校验:根据测量需求,设置合适的测头组件;点击“添加角度”按钮,添加测量所需的所有测量角度;点击“测量”按钮,定义测头标定参数;设置完标定参数,点击测量按钮,系统自动完成标定,输出标定结果。

坐标系建立:采用3-2-1法或迭代法建立测量坐标系。

特征元素测量:完成测头标定和测量坐标系建立后,根据标准测量件的技术参数指定合理标准件的测量规划(包括测角、路径、评价等):

测量坐标系构建元素并构造工件坐标系(自动构造方法:平面、圆、圆);

基本特征测量:手动测量点、直线、平面、圆、球、圆锥、柱体;

所有评价内容所需的特征测量;

自动执行所有手动测量的特征;

构造基本特征点与直线;

特征评价内容:完成元素测量后,可对元素特征进行评价:

依次完成特征位置、距离、直线度、平面度、垂直度平行度(垂直度和平行度需要创建评价基准);

生成报告窗口并保存,评价报告自动保存在桌面,格式为PDF。

 

测量后保养:

移动测头至测量机的左上角(靠近回零回零位置);

保存测量工程文件并关闭PC-DMIS软件

关闭控制柜电源和气源;

清理工作台面,拆卸标准件并放入工具箱;

 

b)、标准件测量案例练习和考核模块

 

练习模块

在案例教学环节,可直接切换至练习模式,实现即学即练;也可在直接选择任意阶段,单独完成练习内容。在练习模式下,每一步具体步骤都有文字提醒(支持语音),可按照提示逐步完成练习内容。

 

考核模块

三坐标测量机的虚拟仿真实验不必学生填写实验报告,在学生完成相应阶段的考核。教师根据学生上传的成绩进行考核(已有成熟的防作弊措施)。用户进入考核模式后。

其中:

考核模式下,有相关计时和所得分数的提醒。

若用户发现未完全掌握该阶段操作,用户可直接终止考核。

在考核阶段,若当前步骤未掌握,可直接选择跳过本步,同时本步记为0分。

只有在完成当前阶段的考核内容,才生成excel表格式的记录考核信息,记录得分、总分、时间等信息;并生成加密记事本,直接上传至教师端,用于教师统计分数。

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

电厂模拟仿真与能效计量实验

能源计量及能效测试是企业能源管理和节能工作的基础,国家质检总局提出要尽快建立覆盖全国的能源计量数据采集网络,各级计量系统都在加强能源计量能力、技术服务平台和工作制度的建设,本实验项目就是中心适应行业发展趋势,在教学中加大能源计量知识比例的结果。

 

项目概况

本实验基于电厂机组运行过程中真实的DCS开发,将实际DCS的组态数据直接输入至仿真机或者转换至仿真机能够识别的格式,使其能直接模拟实际对象的动态行为,虚拟仿真实际过程的DCS。通过这种模拟方式,可以脱离DCS硬件系统,将实际DCS的逻辑及画面组态再现于普通的计算机环境下,在保证与实际组态一致的前提下,提高了仿真机的实施及使用效率,降低了成本。而且由于采用了与实际DCS完全一致的逻辑组态,仿真机除了用于学生进行机组操作培训外,还可对电厂优化运行、机组改造、控制策略修改等起到良好的指导作用,锻炼学生分析解决电厂机组运行过程中存在的一些工程问题的能力。中心教师总结相关教学经验,发表了《电厂仿真实训平台在热能专业实践教学中的应用研究》、《校内仿真实习基地培训模式的探索》等论文。

 

结构与功能

实验的软件平台选用北京夏商科技有限公司的VISUALCAL1.0,能实现如下功能:

1)模拟大型火电机组的正常启动与停机过程。在仿真装置上能够模拟机组的全冷态、温态以及热态启动过程,以及机组停机过程。

2)模拟机组运行参数的调整过程。在仿真机上可进行机组主要参数的手动或自动调节过程的模拟。

3)事故现象和事故处理过程的模拟。在每套仿真装置上能模拟约500个事故或故障,故障可单独发生或组合后形成,几乎涵盖了电厂能发生的所有事故或故障。

4)DCS系统学习功能。仿真装置的DCS系统全功能仿真了相关电厂机组的实际DCS系统,特别该仿真装置采用了虚拟DCS,DCS操作站功能及控制逻辑组态与现场完全相同。

可开设的具体实验项目如下

1)仿真机锅炉运行实验

2)仿真机电气运行实验

3)仿真机汽轮机运行实验

4)仿真机电厂故障测试实验

5)能效计量的不确定度评定

 

系统效果与特色

本模拟仿真实验的DCS逻辑控制和画面组态与实际一致,把现场的真实操作过程搬进实验室,培养学生对电厂生产过程掌握、事故过程处理、运行参数调整、能效计量等综合素质能力。

1)通过电厂的能效计量不确定度评定,将能源计量及能效测试教学和具体工程应用案例结合,使学生能有机会将计量知识应用于工程实践,培养了解决现场实际问题的能力。

2)通过电厂运行模拟仿真操作训练,能够使学生深入了解和掌握火力发电厂机组启停的操作步骤和注意事项,有效提高实际操作技能。

3)通过仿真操作训练可使学生掌握机组主要参数的调整过程、调整方法以及调整技巧等,提高其实际运行水平的能力。

4)通过事故处理环节的实训,使学生能够把握电厂典型事故的现象以及处理过程,提高其对机组运行中的突发事故的应急、处理能力。

5)通过在仿真装置的学习,能够使学员了解不同DCS的界面操作风格、理解控制系统的控制策略的原理。

 

 

 

来源: 中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

仿真教学电梯系统

本实验以升降式电梯为对象,强化学生在电气自动化、仪器仪表集成等方面能力,掌握仪表数据采集、可编程控制器开发、执行器控制等知识。

 

项目概况

系统仿制了常见的升降式电梯结构,设计了一套集演示、控制和运行等功能的模拟仿真实验系统,学生可通过二次软件开发,实现电梯运行涉及到的安全运行保护联锁、逻辑智能控制、交流变频调速驱动等功能。本系统为《可编程逻辑控制器》、《计算机控制系统》等课程开展实验,帮助学生提高可编程控制器(PLC)应用以及工业过程自动化控制方面的能力。

 

结构与功能

系统仿制了四层升降式电梯结构,其内部运行机制与实际电梯完全相同,具备实际电梯的大多数功能,外部四周都采用了透明有机材料,保证电梯的内部结构和运行过程中的每一个动作都能被直观、透彻地观测。

电气控制系统采用可编程控制器 (PLC) 实现逻辑智能控制和交流变频调速驱动的方式,学生在掌握系统的组成结构后,可以通过梯形图编程,进行现场实际操作调试,实现自动平层、自动开关门、直驶、电梯安全运行保护以及电梯急停、慢上、慢下、照明、风扇等诸多功能。

可开设的具体实验项目

1)传感器和光电编码器等输入信号信号采集

2)变频器、开关等输出信号控制

3)轿厢自动开关门控制

4)电梯运行呼叫指示驱动

5)楼层到位控制和厅门安全控制

6)电梯升降减速控制

7)电梯模拟运行

8)电梯故障分析和诊断

 

系统效果与特色

结合学生日常能接触到的电气装置(电梯)开展模拟教学,使得学生能灵活应用计算机控制系统、可编程控制器等课程所学知识,培养了学生工业自动化开发能力,也增加了学生学习热情。

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

 

精密玻璃线纹尺检定虚拟仿真实验

项目概况

精密玻璃线纹尺是一种具有等分刻度的多值、高精度基准器和标准器,以其上两条刻线间的垂直距离确定长度,主要用于长度量值传递系统中标准量具,或者安装在测量仪器和精密机床上作为精密测长标准。精密玻璃线纹尺的检定通常采用阿贝测长仪,其测量方式符合阿贝原则:即被测尺寸在刻线轴线的延长线上,进行高精度测量。受限于实验室阿贝测长仪台数有限,难以在同一时间满足实验开课需求,以及因操作稍有不当容易导致玻璃线纹尺破损,非熟练人员人为读数误差大等问题,中心根据教学大纲规定并结合计量检定规程《高等别线纹尺检定规程》(JJG 73-2005),研发了基于阿贝测长仪的精密玻璃线纹尺检定虚拟仿真实验,并在课堂教学、实验操作的基础上,融入计量检定规范与业务流程,完成对学生的全程培训。

本实验构建了三维阿贝测长仪模型,可对实验设备和实验环境进行360°全景显示,结合实验操作步骤提示,学生可以在教学模式下完成从线纹尺放置、调平、对线显微镜调焦、测量平台移动、读数显微镜读值、实验报告填写等整个实验操作流程,而在业务流程模式下可完成线纹尺送检、业务受理、样品入库、内部周转、计量检定、出具检定证书等整套检定流程。

为阿贝测长仪虚拟实验台,仪器按照阿贝原则设计,被检线纹尺与标准线纹尺放置在同一工作台的同一直线上,用相连的对线显微镜和读数显微镜进行测量。当工作台移动时,被检线纹尺与标准线纹尺会同时移动相等距离,借助读数显微镜读取标尺移动示值,即可得到被检线纹尺移动的示值,图2.29(b)为读数和对线显微镜界面。

 

 

结构与功能

该仿真实验采用阿贝测长仪为硬件原型,建立精密玻璃线纹尺检定虚拟仿真环境,全程模拟了实际操作流程。

仿真实验使用和调整:将被测线纹尺安放在工作台左端,调节反光镜使两线纹尺得到均匀照明,调节对线显微镜手轮使被检尺刻线成像清晰,再对读数显微镜调焦使标准刻线成像清晰。旋转对线显微镜中镜头,把视场中两队平行线调成水平位置;松开锁紧螺钉,移动平台,让其停留在读数显微镜零刻线位置上;移动被检尺,使被检测零位出现在对线显微镜视场中;然后再移动工作台,微调被检尺的左端,一直调整到工作台上的被检尺刻线0与150mm都与对线显微镜双划线水平线成像于同一位置,与分划板水平线垂直,而且0与150mm两点在某点影像重合;再将被检尺与标准尺同时调零;测微目镜的分划板是由100等分的圆刻尺及10圈阿基米德螺旋线组成,标准刻尺二条间距为1毫米的刻线成像后之线值正好等于十条螺旋线的间距,因此二圈螺旋线的分度值为1/10毫米,圆刻线的分度值为1/1000毫米;目视读数时要求旋动螺钉12使某一条双螺线对称地对准毫米刻线后再进行读数。

 

虚拟实验关键内容

①环境检查合格后,先用脱脂棉醮乙醚、酒精混合液将被检尺刻线面擦拭干净,垫上垫片。

②外观检查:使用中的玻璃尺不能有影响检定和使用的缺陷,在尺侧面应刻有“白塞尔”支点标记,参照图2.29d所示。

③根据仪器的使用和调整规程,安装被检线纹尺。

④全长尺寸一次检定,或分段检定,由检定人员依据自己的熟练程度及温度稳定情况而定,检定时由零刻线开始按递增顺序测量。

⑤记录被检尺读数值,计算出每毫米对标准尺同标称间隔的偏差。

 

系统效果与特色

玻璃线纹尺检定虚拟实验营造出身临其境般的实验教学与计量检定实训体验,开创“自主探索”的新型教学模式,以及“虚实结合”的计量业务检定实训模式,提升了教学与实训效果,同时显著降低教学与实训的劳动强度与成本,从设备认知、设备操作、数据分析、故障处理四大方面仿真实验过程,且配备了教、练、考三种模式,可供学生、教师、计量部门检定人员开展实验、教学、实训、考核,形成全程化一体式计量检定人才技能培训模式。

虚拟实验平台和课堂实验教学结合,学生可以熟悉阿贝测量仪的结构特征、工作原理与使用方法,掌握相对测量法检测原理,熟练掌握玻璃线纹尺检定规程和实验操作,进一步熟悉计量检定部门检定业务规范流程。

 

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

离散制造车间无线物联网仿真系统

随着产品形成过程中量值检测服务和产品终端检测服务的增多,工业计量也正在和物联网、大数据等新技术相互结合,本系统帮助学生熟悉在线检测、身份识别、短途无线、车间制造系统等先进技术在工业领域的应用,实现数据采集、质量管控和分析等功能,初步了解产品形成过程中量值检测的常规方法和意义。

 

项目概况

系统综合了短途无线、条码/RFID身份识别、计算机控制、数据库、可视化编程和嵌入式系统等诸多前沿技术,服务于离散制造车间生产过程的信息化,实现产品在线质量的实时追溯,是物联网技术和车间测控技术结合的最新成果。中心教师开发的相关项目《离散制造过程信息智能测控系统的研发与应用》曾获得中国仪器仪表学会科技进步奖二等奖、浙江省科技进步奖三等奖,并被评为杭州市科技创新十佳产学研合作科技成果转化项目。

本系统仿真实现了一整套离散制造车间无线物联网系统,模拟实际工序产生员工条码信息、产品条码信息、各类传感器信号、工序控制器控制信息、异常行为数据,并通过无线等方式传送给主机进行质量反馈控制,让学生有机会熟悉车间物联网系统的组成、功能,同时了解生产线上产品、员工、设备、事件逐一跟踪追溯的质量管理技术和生产差错控制策略,能加以灵活实际应用。

本实验可结合《无线传感器网络》、《计算机控制系统》、《计算机网络》、《产品质量管理》等课程,培养学生在综合、设计、创新、探索等方面的科研能力。

 

结构与功能

离散制造车间无线物联网系统的工业应用如框图34所示,虚拟仿真实验系统能模拟生产工序产生数据、以及各类异常情况,学生可自由选取、配置、连接相关器件组合无线以太网、GPRS、CDMA、短途ISM等无线通信模式,通过软件组态决定整个车间工序组成和各工序传感器数据类型,编制应用层协议规范,并进行质量管理分析。主要硬件包括:

1)电子标签管理系统:RFID开发套件(Impinj R2000)、ARGOX X-2000V条码打印机、HR_200二维条码阅读器;

2)基于JN5121的GAINSJ无线传感器网络实验箱(40节点);

3)无线以太网:AP模块AWK-3121,客户端接入模块W2150(6节点);

4)工业GPRS/CDMA模块:宏电H7710 GPRS DTU(4节点)、宏电H7710 GPRS DTU(4节点);

5)各类传感器:温度、位移、电压、电流、扭矩、声学、振动等。

6)工序生产信息模拟发生用PLC:欧姆龙CP1H-XA40DR-A(10节点);触摸屏TPC7062KS;

7)基于CC2530的无线IO模块实验平台:自行开发,20个节点;

8)其他:监控计算机、集线器、伺服电机、继电器、电源等。

软件主要包括:网络可视化后台软件iSnamp-J、ZIGBEE网络分析软件、GAINSJ集成开发环境、IAR集成开发环境、Visual C#2008集成开发环境、Microsoft SQL Server 2005数据库、车间物联网监控软件组态系统等。

其中基于CC2530的无线IO模块实验平台、车间物联网监控软件组态系统为中心自主开发。

生产线工序信息可以通过软件模拟,包括模拟生产线的名称、工序数量,以及各工序名称、显示次序、监控参数名称和单位、连锁对应工序等信息,系统会根据设置信息在Microsoft SQL Server 2005数据库中产生信息数据库,其数据库主要的元素构成见图37。

模拟仿真系统运行后,各模拟工序会按设置要求产生信息,经无线模块发送给数据采集主机,主机对数据进行保存、统计、分析和反馈等,并加以显示,图38就是主机的工序生产实时统计监控画面,以及数据的SPC分析画面。

可开设的实验项目:

1、无线模块基础功能实现(DIO、UART、ADC等)

2、点对点简单网络实现

3、基于无线单片机模块的无线网络CSMA/CA协议实现

4、ZIGBEE星形网组网测试

5、车间环境的多温度点监控实验

6、车间物联网生产工序组态监控实验

7、车间物联网应用层协议实验

8、离散制造过程生产数据SPC分析

9、离散制造过程防差错生产的工序连锁控制

 

系统效果与特色

本系统全程仿真了多生产线、多工序的大型车间物联网系统,实现产品形成过程中量值检测服务,为学生提供了将专业知识用于企业生产过程信息化的实训机会。

1) 实验系统的通信模式、结构组成和运行方式等真实模拟了车间实际情况,学生可依据需要,对车间生产线和生产线工序组成、无线模式、监控参数、工序连锁等进行自由组态,并能模拟产生各类工序数据和近30种意外事件,有利于学生熟悉实际离散制造过程。

2) 实验功能齐全,系统集成了无线网络、传感器技术、自动化控制、数据通讯采集、C语言编程、可视化软件开发等技术,帮忙学生将理论知识与企业实际应用紧密结合。

3) 教师最新的科研成果成功转化而成,不但可以用于教学,也有利于对科研成果开展进一步验证,提高市场推广效果,目前已经在十多家企业得到应用。

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

流水线温度控制仿真系统

本系统侧重于培养学生对温度在线校准、温度控制、系统辨识与模糊控制等专业知识的工程应用能力,并建立初步的工程观念。

 

项目概况

本系统针对测控、自动化等专业学生毕业设计、工程设计、认识实习、生产实习等教学环节,适用于《计算机控制系统》、《自动控制原理》、《自动控制工程》等课程。

系统属于工业控温流水线的仿真实验,实现了仿真学习、远程控制、虚拟仿真与实验验证结合的实验教学模式,在不足两米的长度内模拟工业炉膛产生的分段式高温环境,可根据有限采样点重建系统内温度场分布,建立基于MATLAB/Simulink的电加热炉炉温半实物仿真控制系统,界面软件利用Labview软件开发,内置经典PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、智能控制、模块控制等控制算法模块,系统还具有远程网络控制功能。

系统还可作为教师进行控制模式研究、控制系统开发的科研平台,发表了《网络化温度校准系统的研究与实现》、《半实物仿真的电加热炉系统辨识与模糊控制》、《基于OPC和Matlab/Simulink的半实物仿真系统》、《Matlab在自动控制原理课程教学中的应用研究》等多多篇论文。

 

结构与功能

系统整体结构如图29所示,主要组成包括:不锈钢流水线输送系统、炉膛加热系统、加热送风系统、不锈钢集风系统、检测仪表及传感器系统、计算机控制系统等。

装置被划分成预热、高温、冷却三个温度工作区流程,可以模拟工业炉膛预热、高温、冷却三个工作区的温度控制,为学生提供与实际工业背景相似的操作条件。

学生可以自行对系统功能进行组合,设计控制回路、控制算法、人机界面等。部分实验界面分别如图所示。

可以开设的实验项目

实验一:自动化仪表基础实验

1、变频调速器的了解与实验

2、 电动球阀的了解与实验

3、温度变送器的了解与使用

4、风速仪的了解与使用

实验二: 对象动态特性测试

1、动态特性测试实验(单位阶跃法)

2、 反应曲线数据处理

实验三:自动调节系统的投运和参数整定

1、辐射式加热方式对炉膛的温度控制

2、送风加热方式对炉膛的温度控制

实验四:调节系统综合实验

1、流水线运行速度控制与调节

2、降温冷却水流量控制与调节

实验五:智能控制实验

1、炉温模糊控制实验

2、 炉温神经网络控制实验

3、多温区温度解耦控制实验

4、温度的自整定PID控制实验

5、加热炉远程网络控制实验

6、温度的预测控制实验

7、通过与MATLAB结合实现复杂温度控制实验。

 

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

系统电路设计与仿真实验系统

仪器仪表正朝着智能化、网络化方向发展,系统电路设计是计量从业人员必不可少的知识,本系统目的就是培养计量类人才扎实的仪器仪表电路设计开发、分析、维修的能力。

 

项目概况

系统是对原有单片机硬件设计实验的提升,采用电路设计与仿真软件相结合的模式,使学生在不同的学习阶段,逐步学习、仿真、设计有关课程的电路实验,提高学生的创新能力,促进学生电路设计相关能力的提高。

系统可满足《模拟电子电路》、《电工技术》、《电子技术基础》、《微机原理及其应用》等专业基础课程的实验教学要求,并为开展学生课外科技活动指导、电子设计竞赛、智能车竞赛、工程训练等提供开发平台。

实验系统采用“基础性实验->验证性实验->综合性实验->创新性项目”循序渐进的方式,培养学生自主学习和专研的能力。系统电路设计与仿真实验的实验内容包括信号放大电路、信号低通滤波电路、信号高通滤波电路等。

结构与功能

实验系统包括系统电路实验箱、常用测量仪器、实验教学软件和实验电路制作四个部分。实验箱为基于TI的TIVA Cortex4 M4模拟实验箱和我校自行开发的基于msp430的模拟/数字实验板,配有Multisim、Proteus等仿真软件。学生不仅可以进行电路虚拟仿真操作,而且可以进行实际实验比对和验证,整个仿真和实验体系形成一套循序渐进的“理论-仿真-实践”的教学系统,逐步将抽象概念转化为实际电路,有效激发学生学习兴趣。

系统效果与特色

实验系统使学生可根据个人的基础和兴趣自行设计电路、进行仿真测试、并搭建实际电路验证,涵盖了验证性实验、设计性项目和创新性项目的实验内容,满足实验教学、课程设计、毕业设计和学生电子竞赛等实验教学要求。

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

音速喷嘴流量装置仿真实验

为了解决大型实验装置套数少、占地面积大、环境要求严格、实验运行费用高、流量计检定或校准周期长等问题,中心教师参照计量机构的大型气体音速喷嘴流量标准装置,自主开发了本虚拟仿真实验。

项目概况

音速喷嘴气体流量标准装置是计量机构最常用的气体流量标准装置,利用音速喷嘴渐缩渐放的通道结构,气流经渐缩段,速度增加,压力降低,截面处形音速达临界气流,经渐扩段速度能转化压力能,使压力恢复。对于大流量的标准装置,需选用水环式真空泵,因此还需冷却塔、离心泵、地下水池、消音器;为了调整入口气体流场和降低噪音,还应在入口处安装喇叭形入口;被检表的前后直管段应足够长,因此实验装置占地面积大、环境要求严格、实验运行费用高。实验内容来自中国计量学院和某计量机构联合开发的大流量实验室,依据其中的大型气体音速喷嘴流量标准装置,自主开发了本虚拟仿真实验。

结构与功能

本实验的工艺流程和检定指标模拟某计量机构在用气体音速喷嘴标准装置而成,实物和模拟仿真实验界面如图2.32所示,设计参数为:测量不确定度0.5%(k=2),装置口径15~300mm,测量范围0.5~6500m3/h。依据国家速度式、容积式流量计检定规程,可对涡轮流量计、涡街流量计、叶轮流量计、旋进旋涡流量计等速度式流量和腰轮流量计、工业膜式表等容积式流量计的气体流量计进行虚拟检定。

系统效果与特色

音速喷嘴流量装置虚拟仿真实验具有远程监控、被检表参数设置、系统参数设置、流量计检定点选择及检定、报表生成等功能,供学生了解音速喷嘴气流流量标准装置的工艺组成和工作原理,了解气体质量流量、超声波气体流量计等各种气体流量计的工作原理,增强对流量计的工作原理和标准装置的认识,培养其实践动手和创新能力。

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

中央空调模拟仿真实验

本实验以中央空调为例,强化学生机电一体化产品开发和应用方面的知识,熟悉产品基本结构、维护方式,以及数据采集、计算机控制等知识,使学生对机电类、制冷类产品质量检测有初步掌握。

 

项目概况

本实验针对典型中央空调工作流程的动态特性设计了一套集建模、控制和运行功能的现场模拟仿真实验系统,该系统硬件与软件相结合,融合了实物和智能流程模拟仿真器,不仅可在模拟仿真器上进行高级算法的研究,也可针对真实流程进行控制和优化算法的研究,同时为科研工作提供了很好的实证平台。本实验可为《空气调节》、《制冷空调装置仿真与优化》、《制冷装置自动化》等课程开展实验,培养学生理论知识与工程应用紧密对接的能力。

 

结构与功能

系统基于西门子CPU 315-2DP,通过PROFIBUS-DP建立分布式控制网络;上位机选用西门子工业计算机,交互界面选用北京三维力控公司的HMI/SCADA工业自动化组态软件,完成操作员站画面组态、变量连接、系统报警、变量曲线生成等功能,内部控制算法采用MATLAB语言实现,也可支持基于高级语言如C#的各类自定义算法;形成了一套主从多点、主备冗余、操作方便、安全可靠的模拟控制系统。

监控系统显示的画面能直接、全面地反映出整个机组的运行情况,只需对各画面进行简单操作,即可完全监控机组状态。开设的具体实验项目为:

1、中央空调系统结构和工作流程认知实验

2、中央空调的控制流程及原理实验

3、 中央空调的可编程控制器的编程实验

4、中央空调计算机组态监控实验

5、中央空调故障检修实验

系统效果与特色

传统实验装置更多的是验证实验原理,缺乏对学生实际动手能力的培养,更无法培养实现发现故障、分析处理能力等综合素质。

1) 本实训装置培训的工艺流程、设备设置和操作方式与真实中央空调系统基本一致,完全能满足实验、实训、技能鉴定等功能需要,可针对真实流程进行控制和优化算法的研究,同时也为科研提供了很好的实证平台。

2) 实验功能齐全,系统把中央空调系统流程、热工参数检测、信号变送处理、传感器仪表校验、自动化控制,数据通讯采集处理等功能有机糅合,把理论知识与实际应用紧密对接,使学生学到的知识通过本实训装置得到检验、深化,加强学生的实际动手能力。

3)软硬件相结合的实验模式。

本装置通过模拟测控系统、仿真数学模型,使装置与仿真软件联合成一体,将真实空调系统运行流程装置操作和仿真软件进行全流程的互动。

 

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

钟罩法气体流量计检定虚拟仿真实验

项目概况

钟罩式气体流量标准装置在计量机构和流量仪表企业具有广泛的应用,是气体流量计量的传递标准和气体流量计检定的主要设备之一。大型钟罩气体流量标准装置的体积比较大,如20m3钟罩的工作高度达10m以上,起码需要四层楼的空间,另外计量准确性和实验室环境温度直接相关,很多省级计量机构都不具备实现高精度检测需要的超大型恒温实验室。同时,由于钟罩和液槽之间有密封专用油,一旦操作失误导致钟罩提升过高、密封油泄漏,将给整个实验室和实验设备带来灾难性后果,因此中心选取大型钟罩式气体流量标准装置为对象,结合国家质检总局“科技兴检奖”三等奖项目《气体流量标准装置自动检定系统研究》,依据《JJG_257-1994转子流量计检定规程》开发了钟罩法气体流量计检定虚拟仿真实验。

 

结构与功能

该虚拟仿真实验项目采用二维动画模式,模拟了钟罩式气体流量标准装置检定气体转子流量计的整个检定流程。整个实验项目由实验装置拆装、实验操作、数据处理、思考题四部分组成,首先完成实验装置(气动式钟罩和机械式钟罩)的组装,使学生清楚掌握钟罩装置每一部分的功能和作用,明确钟罩装置的基本结构和工作原理,然后在操作提示下完成气体转子流量计检定操作,掌握检定过程中需要注意的细节和操作规范,记录温度、压力等数据,最后完成检检定数据的分析和处理,给出检定结果。

 

系统效果与特色

利用钟罩法气体流量计检定虚拟仿真实验,学生可以对钟罩装置进行拆解与安装,清楚地了解钟罩式气体流量标准装置的机械结构和检定原理,熟悉气体转子流量计的检定规程和操作步骤,掌握计量检定实验的数据处理方法,加深学生对计量检定工作的认识,培养学生的计量业务能力。同时本实验也很好地解决了中心钟罩设备台套数少、实验操作能耗高、存在危险性等难题。

 

来源:中国计量学院计量技术虚拟仿真实验教学中心

等离子体中氮气分子的振转光谱的温度模拟与分析

实验内容:

氮分子或离子的发光是由其从较高的能级向较低能级跃迁产生的。在同一个电子态上,振转光谱带来自不同振转态之间的跃迁,而每一个振动态的跃迁同时又包含了许多转动态的跃迁,其中转动态的跃迁可能因为受光谱仪分辨率的限制而不能被光谱分辨出来。但我们还是可以通过拟合一个振转谱峰来得到转动温度,而振动温度则可以通过拟合一系列振转谱带来得到。本次实验的目的,是通过研究氮气等离子体中分子态的振转谱线信息,拟合氮气分子的振转温度的变化,以进一步获得等离子体温度随宏观参量的演变。

实验步骤:

拟合一系列振转光谱带的步骤可以分为四步:第一步是计算振转光谱中每一个振转态跃迁所对应的波长。根据选择定则,每一个的和三支都要考虑到。第二步是计算每个波长所对应的理论线强度,这个强度是转动温和振动温度的函数。光谱的强度分布还受到每个振转谱线宽度的影响。因此,第三步是每个谱线的线强度都要乘以一个展宽函数来模拟谱线的增宽,然后把这一系列振转峰叠加起来形成光谱带。最后,不断改变转动温度和振动温度直到使得理论计算的光谱与实验测量的光谱符合得最好,这时的转动温度和振动温度即为所求的实验测量光谱的转动温度和振动温度。

(1)图2是容性耦合氮气等离子体放电的发射光谱图,熟悉N2等离子体的各谱带结构,熟悉振转温度的模拟软件参数。

(2)重点计算氮分子N2第二正带系的399.84nm的峰,拟合范围从396nm到400nm; 氮离子 第一负带系的391.44nm的峰,拟合范围从390nm到392nm。然后通过最小二乘法比较测量的光谱和理论计算的光谱来得到振转温度。

电子结构第一性原理计算模拟实验

实验内容:

在VASP 软件中建立钛酸锶的四个初始文件,包括INCAR, POSCAR,POTCAR,KPOINTS,运行VASP软件,得到总能随晶格常数的关系,得到最优晶格常数。进一步计算材料的电子结构,画出态密度和能带结构。

实验步骤:

(1)、建立立方相钛酸锶的晶体结构,并利用 Vesta 软件画出晶体结构示意图。

(2)、固定晶格常数,利用VASP计算出总能量;改变晶格常数,画出总能和晶格常数关系图,得到优化晶格常数。

(3)、在优化晶格常数下计算体系电子结构,画出态密度和能带结构。

图1:Vesta软件界面(上),VASP软件界面(中)

和ABO3立方相钛酸锶晶体结构示意图(下)

 

实验思考:

(1)、立方相钛酸锶原胞,基矢,布里渊区,对称性?

(2)、立方相钛酸锶带隙?

 

教学效果:

对固体物理中有关晶体结构的基本概念有更深刻的理解,对材料的能带结构有一般的认识。

牛顿环实验

实验内容:

在Matlab中建立牛顿环干涉实验的模型系统,得到体系的双缝干涉条纹和计算光强,并分析与实验测量结果的异同。利用模型研究随系统入射波长的变化,凸透镜曲率的变化时干涉条纹如何变化。

实验步骤:

(1)、学生利用Matlab 软件建立牛顿环实验的模型,尝试求解体系的干涉条纹;

(2)、利用实验室提供的设备,牛顿环干涉条纹数据,记录实际干涉条纹直径,条纹宽度等数据,并比较其和模拟结果的异同;

(3)、通过数值计算得到不同条件的牛顿环干涉条纹数据,探讨实验结果和模拟结果不同的原因。