专利名称：一种半实物仿真实验系统的制作方法
技术领域：
本发明属于教学技术领域，特别涉及一种半实物仿真实验系统。
背景技术：
学校教学和职业培训中，实验是一个重要的环节。特别是工科类高校和职业学校等，需要培养学生的实际动手能力，通过一种控制系统的半实物仿真实验，可以帮助学员了解和认识一种控制系统，对学习技术和掌握技能非常重要。半实物仿真实验平台的形式和架构对学员学习和掌握一种控制系统和技术是非常重要的。现有的半实物仿真实验平台有两种形式，第一种是将实验操作台(和仿真计算机)、实物布置于一体，第二种是将实验操作(和仿真计算机)与实物完全独立开来。第一种半实物实验台，台上布置了一种控制系统(仿真实验)的模拟屏，模拟屏上悬挂了这个控制系统中的实物，这些实物有时因为体积较大，遮挡了控制流程画面，使得画面不完整、不清晰、不美观；有时因为实物的体积太大或重量太重，不得不只安装其中一部份，不能完整地安装，使得实验者看到的是局部的实物；有时因为实物在控制流程图上的位置，实物安装固定影响了实验台的美观，也影响了操作的方便性。第二种方式，将实验台和实物完全独立开来，实物固定在一个平台上，虽然方便了实物的展示和操作，但是因为与实验台分开，占地面积大，不易布置；实验过程中操作不方便，不便于实验观察，还要两头跑；实物与操作台分开，也不便于理论到实物的紧密结合，也不便于表达实物在控制系统中的位置等等。另外，现有的半实物仿真实验平台，采用的是独立实验装置和系统，实验设备的一旦故障，将会无法完成实验任务。这种实验台与仿真计算机结构固定的实验平台，仿真计算机是关键部件，所有的仿真数据通过仿真计算机提供，一旦故障整个实验就无法进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种半实物仿真实验系统，以解决现有的半实物仿真实验系统仿真效果不佳，组合不灵活的问题。本发明的技术方案是，一种半实物仿真实验系统，该系统包括管理层、控制层和设备层，所述的管理层由多个仿真计算机组成，用于对仿真实验的环境和参数进行设置、显示和管理，所述的控制层有多个PLC组成，用于实现数据采集、控制回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警，所述的设备层由多个对象设备、模拟屏和输入/输出信号组成，对象设备的种类包括传感器和执行器，模拟屏所述系统的控制流程图的形象化表达，输入/输出信号，是所述系统中检测信号和动作信号的仿真输入和输出，所述控制系统向下直接连接所述设备层的传感器和执行器，以及输入/输出信号，向上通过网络与所述管理层的仿真计算机相连，将采集的数据以及对象设备的状态信号发送给仿真计算机，同时根据仿真计算机的仿真实验数据输出进行相关的控制策略计算和控制动作的执行。所述的控制层和所述的设备层集成在一个半实物实验操作装置中，该装置呈立柜结构，具有一边缘呈圆弧的底座，底座上方是实物展示区，实物展示区设有安装支架用于安装实验实物，实物展示区的上方是实验操作面板，该实验操作面板上设有操作开关和过程数据显示器，在所述实验操作面板上标示有实物工作原理模拟图，用以结合过程数据显示器动态演示所对应实物的工作状态，在所述实验操作面板上标示有实物指示标牌，用以对应标示安装于实物展示区的实物，在所述装置内部具有一安装背板，用以安装仿真实验装置所需的的元器件和接线，在所述装置内部还具有电源、控制电缆和系统接地，所述装置是背部开门结构。所述的实验操作面板是单门结构，所述的实物展示区是半开放结构，所述的装置的背部是双开门结构。所述的实验操作面板的单门结构，采用前开门的形式，用铰链将前开门与所述装置的柜体连接，前开门可以脱卸和开启。一个半实物实验操作装置需要将一个控制系统原理(模拟屏)、实物及其操作很好地结合在一起。使学生先从模拟屏上可以清晰地看到这个控制系统的组成，仪表和设备在系统中的位置、作用，控制系统的原理等；然后从理论到实物，控制系统中的主要仪表和设备的实物可以清楚地看到、摸到、并还可以动手操作；最后通过实验操作，对这个控制系统的控制原理、调节方法以及仪表和设备的特性就有了进一步的认识。本发明的半实物仿真实验装置，将一个控制系统的原理、主要的仪表和设备实物完美的组合在一起，又能清楚地看到控制过程和调节过程，还能方便的进行动手操作。解决了现有系统不能很好地表述仪表和设备(实物)在一个控制系统中的位置和作用；不能兼顾既能直观地看到实物的动作又能使实物不遮挡面板图案的完整性以及又能方便地去操作实物；不能兼顾既能保持实物的完整性又能使操作和实验状态、数据等显示在一个平台上等一系列难题。本发明还实现了网络结构的半实物仿真实验平台系统，一台仿真计算机可以对应一个半实物的实验操作装置，也可以对应多个半实物的实验操作装置；也可以多台计算机对应一个半实物的实验操作装置。灵活配置，解决了以前整套系统不能拆分，一旦有部分故障会影响到整体不能使用的问题；不能扩展，只能个别人进行实验操作的局限。将实物与控制系统完全融合的这种半实物仿真实验操作装置，将系统模拟屏与实物分为2个区，紧凑美观，占地面积小，能够提供良好的实验环境和操作平台，让学生通过实验操作，既对整体的控制系统有所了解，又能认识这个系统的主要仪表和设备，又可以动手操作参与其中；从理论到实践，从概念到实体，从认识到基本掌握某项技术，看得见、摸得着、理解得了，满足学生实验和职业培训的要求。
图1是本发明实施例中半实物仿真实验系统的一种组网示意图。图2是本发明实施例中半实物仿真实验系统的另一种组网示意图。图3为本发明实施例中半实物实验操作装置示意图。其中，1-半实物实验操作装置，2-实验操作面板，3-操作开关，4-过程数据显示器，5-实物展示区，6-安装支架，7-背部开门，8-安装背板，9-内下部空间，10-底座，11-柜体顶部。
具体实施例方式如图3所示，本发明涉及的一种控制系统半实物实验操作装置1，该装置柜体由钣金零件焊接成型；正面上半部是实验操作面板2，采用前开门形式，作为控制系统的模拟屏，实验操作开关3、按钮，实物指示标牌、过程数据显示器4等；正面下半部为实物展示区5，布置安装一种控制系统中的主要执行设备和测试仪表实物；背面为双开门结构7，仿真实验系统的控制器、断路器等电器元件及其接线布置在内上部的一块安装背板8上；内下部空间9为内部电源、控制等电缆走线、系统接地；底座10为圆弧边缘的平台，平台可以用于实物布置或固定，圆弧边缘柔美观，还可以防止绊脚。结合图1和图2，本发明可以作为一种教学用半实物仿真实验平台及系统，最小的单元包括一个半实物的实验操作装置、一个仿真用计算机，也可以多个半实物的实验操作台和多个仿真计算机组合，是由半实物实验装置与仿真计算机组成的网络化的半实物仿真实验平台系统。一个半实物的实验操作装置将实物很好地物理融合系统中，正面上部为一个控制系统的模拟图显示屏，正面下部为实物展示和操作区，上下完美的结合，结构新颖，提供了可观察性好、可操作性好的完整良好的实验环境和操作平台。这么一个半实物的实验操作装置，很好地表述仪表和设备(实物)在一个控制系统中的位置和作用；兼顾了既能直观地看到实物的动作又能使实物不遮挡面板模拟屏图案的完整性以及又能方便地去操作实物；兼顾了既能保持实物的完整性又能使操作和实验状态、数据显示在一个平台上。仿真计算机运行一个或多个控制系统的仿真软件，提供教师进行实验环境的设置、提供学生观察实验过程的动态数据、曲线以及进行实验操作的人机交互平台。这种半实物仿真实验平台系统，采用开放式的网络结构，可以进行一个系统的半实物仿真实验，也可以同时进行多个系统的半实物仿真实验，满足多种组合的教学实验要求。系统组成一种半实物仿真实验平台及系统，结构可分为上、中、下三层管理层、控制层和设备层。上层为管理层，由一个或多个仿真计算机组成，实现人机交互的操作管理功能。仿真计算机包括计算机主机、显示器，用于对实验的环境和参数进行设置，显示和管理实验的数据、曲线和设备状态；实验的仿真数据传送给控制层，供控制层进行相关的控制策略计算和控制动作的执行。
中层为控制层，采用PLC控制，集成在一个半实物的仿真操作装置中，实现半实物仿真实验系统的数据采集、控制回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警等功能。PLC控制系统向下直接连接相关的传感器、执行器等实物及一些控制系统中的需要模拟的输入信号和需要显示输出信号；向上通过以太网交换机，与仿真计算机相连，将采集的模拟量和开关量信号以及设备的状态信号送给仿真计算机，同时根据仿真计算机的输出信号进行相应的输出控制。下层为设备层，由设备实物和模拟屏、输入/输出信号等组成。设备的实物根据每一个不同的控制系统及相关的实验要求进行配置，如有测量温度的热电偶、热电阻传感器，有测量压力的仪表和变送器，有调节用的阀门和开关等。模拟屏根据一个控制系统的工艺流程图，绘制系统中设备、仪表形象化的图标、指示灯、开关和数字显示仪表等及相互关系表述的模拟实际系统状态的显示和操作屏幕。输入/输出信号，是系统中的一些检测信号和一些动作的信号的仿真输入和输出。本发明的一种半实物仿真实验平台及系统，可以是一个独立的一个控制系统的半实物仿真实验平台，也可以是多个控制系统的半实物实验平台。当是一个控制系统的半实物操作平台时，可以是一个半实物实验操作装置和一个或多个仿真计算机组合，也可以2个或多个半实物实验操作装置和一个或多个仿真计算机组合。组合灵活方便，适应多种实验要求。下面给出的是一种半实物仿真实验平台及系统的结构框图，这个系统包括3个半实物仿真实验平台。一个主机燃油黏度控制半实物仿真实验平台，一个主机冷却水温度控制半实物仿真实验平台，一个机舱监测报警半实物仿真实验平台。主机燃油黏度控制仿真实验平台，包括一个半实物实验操作装置和一个仿真计算机。半实物实验操作装置是实验操作的主体设备，仿真计算机是实验中的仿真和管理设备，它们通过以太网连接。一个仿真计算机可以仿真管理一个半实物实验操作装置，也可以仿真管理多个半实物实验操作装置；同样一个半实物实验操作装置可以连接一个仿真计算机，也可以连接2个或多个计算机，如果连接2个仿真计算机时，只有I个仿真计算机进行仿真计算，即运行实验过程的仿真计算软件；2台多或多台同时可作为实验过程监视用，实验中的数据、曲线和各种人机界面同运行仿真软件的计算机一样，可以作为热备份，也可以供更多的学生进行实验。半实物实验操作装置正面上部是主机冷却水控制系统模拟屏，模拟屏上的展示的是整个主机冷却水控制系统工艺流程模拟图，系统中的设备、仪表、管路等一一清晰的表述在图中。学生可以从图上了解整个控制系统的组成、各设备、仪表在系统中的位置和作用。模拟图上嵌入有数码显示表，显示了需要监测的温度值，在实验的过程中，温度随着控制系统的调节动作而改变，使学生一目了然可以看到控制的效果。模拟图下部是“电动调节阀”、“温度传感器”、“压力变送器”、“开关阀”，不仅标明了各个仪表、设备的名称和它们安装在系统中物理位置，而且还作为模拟屏下部安装的实物的标牌，使学生清楚明白这个实物对应的名称。模拟屏下部缩进开放式的结构，方便仪表和设备的安装且节省了空间，不仅让学生能够看清楚实物及其动作并还可以进行动手操作实践。用仿真计算机进行仿真环境设置、运行仿真(算法和数据处理)程序以及提供实验过程曲线和数据的可视界面。一个仿真计算机可以运行一个半实物实验操作装置的仿真控制程序，也可以运行几个半实物实验操作装置的仿真控制程序，由于每一个半实物实验操作装置具有不同的IP地址，因此一台仿真计算机具有对多个半实物实验操作装置进行仿真控制的能力。一旦有一台仿真计算机故障，可以用其他的仿真计算机操作，提高了系统的可靠性。—个半实物实验操作装置也可以与多台仿真计算机连接，其中一台可以进行仿真环境设置和连接仿真数据接口，从其他的仿真计算机上可以观察实验过程的曲线和数据，这样提高了设备的效率，系统的有效性。多台仿真计算机控制一个半实物实验操作装置，通过每台仿真计算机和每一个半实物实验操作装置不同的网络地址(IP)，并由软件控制来实现的。半实物实验操作装置构思新颖，将实验操作的显示平台和实物的操作平台完美的组合起来，成为一个整体。方便学生了解控制原理、进行实验操作和观察实验过程。半实物实验操作装置结构紧凑，方便实验室布置。几个半实物的实验操作装置可以并排布置，整齐美观并方便更多的学生进行实验操作。半实物实验操作装置，上下前后不同的结构和用途，结构合理，布局美观实用。半实物仿真实验平台采用仿真计算机与实验操作装置相互独立的网络结构的系统，使得组合非常容易。一个半实物实验操作装置与所有的仿真计算机都能连接，一个仿真计算机可以对多个实验操作装置进行仿真控制，一个实验操作装置也可以连接多个仿真计算机。可靠性高，可用性好。本发明的特点是，I)半实物仿真操作装置，构思新颖，结构紧凑，布局合理，方便操作，实用美观。将一个控制系统原理(模拟屏)、实物及其操作很好地结合在一起。使学生先从模拟屏上可以清晰地看到这个控制系统的组成，仪表和设备在系统中的位置、作用，控制系统的原理等；然后从理论到实物，控制系统中的主要仪表和设备的实物可以清楚地看到、摸到、并还可以动手操作；最后通过实验操作，对这个控制系统的控制原理、调节方法以及仪表和设备的特性就有了进一步的认识。因此这样一个半实物仿真实验装置，能够将一个控制系统的原理、主要的仪表和设备实物完美的组合在一起，又能清楚地看到控制过程和调节过程，还能方便的进行动手操作，它解决了一般的半实物仿真实验系统不能很好地将原理与实物组合起来；不能很好地表述仪表和设备(实物)在一个控制系统中的位置和作用；不能兼顾既能直观地看到实物的动作又能使实物不遮挡面板图案的完整性以及又能方便地去操作实物；不能兼顾既能保持实物的完整性又能使操作和实验状态、数据等显示在一个平台上等一系列难题。2)网络结构的系统，仿真计算机与半实物实验操作装置相互独立，可以根据需要进行灵活配置和组合。仿真计算机在一个半实物仿真实验平台中的重要性，一个半实物实验操作装置，可以有多个仿真计算机来确保可靠性，可操作性，一旦有故障不会影响整体使用；同时，当一个半实物实验操作装置，连上多个仿真计算机时，可以让更多的实验者观察实验过程和参与实验操作。本发明的应用情况包括，主机冷却水温度控制仿真实验平台、燃油黏度控制仿真实验平台和机舱监测报警装置仿真实验平台，采用这种架构，为教学和培训提供了良好的实验平台，满足了用户的要求，获得了用户的好评。
这种新颖的半实物仿真实验平台，改变了过去实验操作台要么观看不方便，要么操作不方便，不能兼顾的问题，局部故障影响整体不能使用，仿真计算机功能单一等问题。由于其新颖的结构，灵活的配置，良好的效果，具有广阔的市场前景。
权利要求
1.一种半实物仿真实验系统，其特征在于，该系统包括管理层、控制层和设备层， 所述的管理层由多个仿真计算机组成，用于对仿真实验的环境和参数进行设置、显示和管理， 所述的控制层有多个PLC组成，用于实现数据采集、控制回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警， 所述的设备层由多个对象设备、模拟屏和输入/输出信号组成，对象设备的种类包括传感器和执行器，模拟屏所述系统的控制流程图的形象化表达，输入/输出信号，是所述系统中检测信号和动作信号的仿真输入和输出， 所述控制系统向下直接连接所述设备层的传感器和执行器，以及输入/输出信号，向上通过网络与所述管理层的仿真计算机相连，将采集的数据以及对象设备的状态信号发送给仿真计算机，同时根据仿真计算机的仿真实验数据输出进行相关的控制策略计算和控制动作的执行。
2.如权利要求1所述的半实物仿真实验系统，其特征在于，所述的控制层和所述的设备层集成在一个半实物实验操作装置中，该装置呈立柜结构，具有一边缘呈圆弧的底座，底座上方是实物展示区，实物展示区设有安装支架用于安装实验实物，实物展示区的上方是实验操作面板，该实验操作面板上设有操作开关和过程数据显示器， 在所述实验操作面板上标示有实物工作原理模拟图，用以结合过程数据显示器动态演示所对应实物的工作状态， 在所述实验操作面板上标示有实物指示标牌，用以对应标示安装于实物展示区的实物， 在所述装置内部具有一安装背板，用以安装仿真实验装置所需的的元器件和接线， 在所述装置内部还具有电源、控制电缆和系统接地， 所述装置是背部开门结构。
3.如权利要求2所述的半实物仿真实验系统，其特征在于，所述的实验操作面板是单门结构，所述的实物展示区是半开放结构，所述的装置的背部是双开门结构。
4.如权利要求3所述的半实物仿真实验系统，其特征在于，所述的实验操作面板的单门结构，采用前开门的形式，用铰链将前开门与所述装置的柜体连接，前开门可以脱卸和开启。
全文摘要
本发明公开了一种半实物仿真实验系统，包括管理层、控制层和设备层，管理层由多个仿真计算机组成，用于对仿真实验的环境和参数进行设置、显示和管理，控制层有多个PLC组成，用于实现数据采集、控制回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警，设备层由多个对象设备、模拟屏和输入∕输出信号组成，对象设备的种类包括传感器和执行器，模拟屏所述系统的控制流程图的形象化表达，输入/输出信号，是所述系统中检测信号和动作信号的仿真输入和输出，所述控制系统向下直接连接所述设备层的传感器和执行器，以及输入/输出信号，向上通过网络与所述管理层的仿真计算机相连，将采集的数据以及对象设备的状态信号发送给仿真计算机。
文档编号G05B17/02GK103064298SQ201210548900
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者严敏, 周智, 郑晓鸣, 陆中杰, 刘善斌, 卢垚, 王守博, 文勇, 丁佳 申请人:中海网络科技股份有限公司