虚拟仿真软件在高等学校实训竞赛装备中的应用

教育部发布的《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》中明确提出“加强实践教学，创新仿真实训资源应用模式，提高使用效益。”根据教育部的文件精神，开发虚拟仿真实验教学平台是一项重要的建设内容[1]。

翻转课堂以传授活知识、活技能为思想，以“无线传感网络”课程为例通过良好的网络教学资源，在线展览、视频讲解与操作演示等活动，使学生能够对无线传感器网络原理、协议等知识理论得以掌握与理解，并可以学习无限传感网络的应用、设计与开发。同时，作为一门新兴的热门学科，“无线传感器网络”的翻转教学中，随着科技的进步以及新的研究成果的出现，可以跟随科技知识的脚步实时更新教学方向和训练项目，因此就需要灵活性和开放性的教学模式。

随着全国职业院校技能大赛的重视度、参与度升温，几乎所有的职业院校均积极筹备技能大赛。为了训练学生，不惜重金购置竞赛指定设备；由于设备价格昂贵，造成各校限于财力只能购买1套设备，别说用于教学普惠所有学子，甚至本校参赛集训的学生都不能保证充分训练。

淮海经济区旅游景区的网络关注度有很强的规律性,网络关注度也在逐年递增.合理利用网络关注度,将有助于景区工作人员预测潜在游客数量,以便做好接待准备工作,有效减小因游客猛增所带来的负面效益[18],对景区今后的发展和科学决策也大有裨益．

以笔者指导过的建筑智能化系统安装与调试技能大赛为例，通常先各省组织省赛，每校一般2只参赛队报名，每队3人，共6人。6人合用1套设备训练，设备紧张。笔者在指导本校学生参加建筑智能化技能大赛时，自主摸索研发1套仿真软件，用于教学和训练，取得较好效果，两个参赛队均获奖。利用虚拟技术完成自动控制，可大大降低设备成本，并可使全体学生获益，将大赛内容融入到日常教学实践中[2]。

“该检查的检查，该治病的治病，该面对的面对。”随着就医过程的深入，我作为病患家属也开始乐观起来，“面对就是了”。

1 竞赛设备原型

全国职业院校建筑智能化竞赛设备中包含了“中央空调一次回风系统”和“给排水系统”两套实训系统[3]，均采用DDC直接控制器进行自动化控制，工业常用力控6.1组态软件完成系统监控[4]。下面以“给排水系统”为例说明其组成和功能：给排水系统主要配置有两台给水泵、两台排水泵、供水箱高/低水位、集水坑高/中/低水位传感器、压力变送器等。可完成给排水系统的“水位监测”“水泵启/停”“设备运行状态监控”“报警控制”等功能[5]。控制系统软件用Lonmaker编程软件和力控组态软件，可完成建筑给排水等系统的自动化监控，如图1所示。

  

图1 给排水系统竞赛设备系统

该竞赛设备是根据常规的建筑给排水系统设计规范和通用组成而研制的，具有典型代表性[6]。两个子系统可实现的功能如下。

(下面的脚本意思简单明了，不再繁琐解释)

1.1 给水控制

2)排水泵控制：根据集水坑的水位，控制排水泵的启/停。当水位达到高限时，启动相应排水泵，直到水位降至低位时停泵。

1)水箱高、低水位监测，水箱压力监测。

2)给水泵变频控制：根据水箱的压力完成1#、2#给水泵的变频/工频控制。

3)给水泵故障监测：监测给水泵的工作状态和故障现象。当使用水泵出现故障时，备用水泵会自动投入工作。

1.2 排水控制

当水位低于停泵水位(LL)时自动停泵，高于启泵水位(LM)时单泵启动，高于报警水位(LH)时双泵启动。排水系统的主要设备有：排水水泵(两台，互为备用)、控制箱、集水坑等。其监控功能如下：

截止阀内部的流场数值研究分析已成为该领域研究的热点，以我们所建立的截止阀模型为研究对象，选取截止阀在常温，低压(PN16)，公称压力DN为50的条件下进行截止阀内部流场的数值分析。首先要对手动直通式截止阀进行结构上设计，利用Solidworks进行三维建模，然后将其中的流道模型导入ANSYS软件进行我们所需要的分析计算。运用其中的Fluent、CFD模块来模拟通过阀道的介质在阀道中所产生的漩涡、水锤等介质状况进行准确的分析，为介质对阀道的冲击预测和防范及流道的结构优化提供一些理论基础。

THEN waterpump2g.PV=1;

根据设定压力自动启泵，完成双泵变、工频控制。给水系统的主要设备有：给水泵(两台，互为备用)、控制箱、供水箱、压力变送器等。其监控功能如下：

3)排水泵故障监测：排水泵运行状态的检测以及发生故障时报警，当使用水泵出现故障时，备用水泵会自动投入工作。

2 仿真系统开发

本实训系统训练学生控制策略和力控监控组态软件的使用能力。利用力控软件强大的功能，可以自行开发一套仿真教学训练软件工程，因为力控的界面系统完全面向对象，具有丰富的基本图元和大量图库精灵，可以很方便地搭建出仿真系统需要的界面和界面逻辑。界面部分的每个对象均可自由定义自身属性和方法，支持鼠标类、键盘类多种操作。对象之间具备互操作、互访问能力[7]。开发给排水控制装置系统仿真软件的关键技术如下。

2.1 数据库技术

根据系统组成及控制功能要求，明确输入输出I/O点，见表1。

他不知道此时应该失落还是应该解脱。有些事情就是如此奇怪，他来，希望见到静秋。可是他来，又害怕见到静秋。匆匆喝两口茶，拍下三十八块钱，走人。三十八块钱随便喝，茶馆的消费，低得吓人。

为了使模块内的相似性最大化，采用模块内聚度[17](module coherence)作为优化目标。首先根据DPM/MIM矩阵D求解构件对之间的相似性，采用min/max系数方法[11]：

 

表1 输入输出变量

  

name类型DESCI/O连接仿真地址dewaterfault1数字量1#排水泵故障地址0dewaterfault2数字量2#排水泵故障地址1sewagehigh数字量集水坑高位地址2sewagemiddle数字量集水坑中位地址3sewagelow数字量集水坑低位地址4feedwaterfault1数字量1#给水泵故障地址5feedwaterfault2数字量2#给水泵故障地址6waterboxhigh数字量供水箱高位地址7waterboxlow数字量供水箱低位地址8waterpress模拟量水箱水压地址9dewatering1数字量1#排水泵启停地址10dewatering2数字量2#排水泵启停地址11waterpump1b数字量1#给水泵变频启停地址12waterpump1g数字量1#给水泵工频启停地址13waterpump2b数字量2#给水泵变频启停地址14waterpump2g数字量2#给水泵工频启停地址15FCout模拟量变频输出地址16setP模拟量水压设定值地址17

2.2 以软代硬模拟设备元件

竞赛装置中的DDC控制模块采用经典单回路PID控制方式，它对于给水这种一阶对象来说是较简单适宜的控制方式。

经典PID算法公式如下：

空调可以改善居住环境的舒适度，但其巨大的能源消耗问题及制冷剂对环境造成的污染问题也不容忽视。在1987年9月，美国、加拿大和其他30多个国家的代表在蒙特利尔研究如何解决制冷剂排放带来的污染问题并签订蒙特利尔协议。参会国家一致认为制冷剂是一种对臭氧消耗非常有害的化学物品，并同意到1999年将制冷剂的产量减少50%，至少有11个国家，即占这些化学物品的全球产量的60%的国家批准后开始实施，我国使用量最大的R22也将在2030年后停止使用[1]。

 

(1)

式中:Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间。u(t)为控制器输出，本项目中输出量为FCout.PV。偏差e(t)为设定值setP.PV和水压waterpress.PV之差。

现利用力控PID控制策略来实现，使用数字PID调节器，采用增量式PID算法，以保证无扰切换[8]。

 

 

(2)

式中:T为采样周期，输出采用位置式输出。即把上次输出uk-1加上本次计算的增量输出Δuk即得到本次的位置式输出uk。

uk=uk-1+Δuk.

(3)

力控控制策略生成器符合IEC 1131-3标准，同通用的程序化语言、逻辑梯形图等相比，具有直观、方便的优点。应用力控控制策略生成器，可以很方便地开发出任意复杂的控制策略，大大缩短工程的开发时间及减少项目的开发费用。进入策略组态环境strategy builder后进行组态，如图2所示。

  

图2 PID控制策略组态

IF dewaterfault1.PV==0 && sewagemiddle.PV==1 THEN dewatering2.PV=0;dewatering1.PV=1; ENDIF //(如果#1排水泵无故障且集水坑水位为中间水位，则启动#1泵运行，#2泵不运行。)

2)给水系统工频变频切换。

2.3 脚本编辑

动作脚本根据控制要求编写应用程序动作[10]，针对本项目分不同情况而控制切换泵的特点，编辑脚本时充分使用IF块控制语句。脚本主体如下：

1)排水系统运行及备用切换。

蓄电池可用于平抑负荷波动、削峰填谷,并网时可实现定联络线功率控制;与风机、光伏等可再生能源发电相配合可以来稳定系统的输出功率,加强可再生能源发电的可调度性[13]。蓄电池在t时刻的剩余电量与蓄电池在t-1时刻的剩余电量、t-1时刻到t时刻的充放电量以及每小时的电量衰减量有关。

竞赛装置上的9只自锁按钮利用力控图库精灵中的开关代替，各自连接到对应变量。开关向导设置模式为“切换”，为0(假)时设置为灰色，为1(真)时设置为彩色(红、黄、绿)[9]。

IF dewaterfault1.PV==1&& sewagemiddle.PV ==1 THEN dewatering2.PV=1;dewatering1.PV=0;ENDIF //(如果#1排水泵有故障且集水坑水位为中间水位，则启动#2泵运行，#1泵不运行。)

例如2004年入选“第十届全国美展艺术设计展”的《诞生》（图2）就出自闽江学院美术学院院长郑鑫之手。《诞生》选用的是福州传统的夹纻胎工艺，表现半开裂状的蛋壳，极富轻巧感。艺术家通过蛋壳斑斑驳驳的外壁，呈现新生命诞生前母体因阵痛而留下的累累伤痕，又以皱金法（贴皱金技法）装饰内部，展现了生命的尊贵与母爱的光辉，作为生命诞生的永恒印记。

青樱一凛，复又低眉顺眼按着位序跪在福晋身后，身后是与她平起平坐的高晞月，一样的浑身缟素，一样的梨花带雨，不胜哀戚。

IF sewagehigh.PV==1 THEN dewatering2.PV =1;dewatering1.PV=1; ENDIF IF sewagelow.PV==1 THEN dewatering2.PV =0;dewatering1.PV=0; ENDIF IF dewaterfault1.PV==1 && dewatering1.PV ==1 THEN dewatering2.PV=1;dewatering1.PV=0; ENDIF IF dewaterfault2.PV==1 && dewatering2.PV ==1 THEN dewatering2.PV=0;dewatering1.PV=1; ENDIF

装置上的输入压力旋钮利用力控的游标来模拟，连接到变量waterpress.PV，拖动鼠标时可改变压力值。

IF FCout.PV≤90 then waterpump1b.PV=1;

waterpump1g.PV=0;

waterpump2b.PV=0;

watepumpr2g.PV=0;

ELSE

waterpump1b.PV=0;

waterpump1g.PV=1;

waterpump2b.PV=1;

waterpump2g.PV=0;

素质教育是我国适应社会发展，满足社会对人才的需求而提出的教育改革方案。就小学数学而言，它作为自然科学的基础性课程，在小学阶段的教学中，教师应该积极的将素质教育的理念融入课程，使小学数学课程不但能够让小学生掌握一些基础性的知识和技能，而且还要激发小学生的强大好奇心，使他们对科学产生进一步探索的兴趣，这对于培养小学生的思维能力和智力水平都具有重要的意义。

ENDIF//(当变频输出量FCout.PV低于90%时，#1给水泵优先变频运行，启动PID控制；否则，当变频量输出超过90%时，#1给水泵由变频切换为工频运行，#2泵启动变频运行。)

IF feedwaterfault1.PV==1;

第二，加强技术创新。主要包括劣质重油高效转化为轻质油品和化工原料技术、炼油化工一体化技术、清洁燃料生产技术、生物炼化技术、新型高效催化剂技术等。要加强技术储备，加快推进原油直接裂解制烯烃、柴油转化工原料（LTAG）、催化裂解多产烯烃及芳烃（DCC、CPP）、重油加工转化工（沸腾床、浆态床）等油转化技术攻关及推广。推动炼油与其他能源技术跨学科、跨领域融合，开展催化材料、生物质能、燃料电池、氢能等方面的技术储备。

1)集水坑水位高、低检测及超限报警。

waterpump1g.PV=0;waterpump1b.PV=0;

ENDIF //(如果#1给水泵有故障，则启动#2给水泵工频运行，#1泵不运行。)

IF feedwaterfault2.PV==1;

有些雇员的家庭有权享有协和医学院提供的保险金，当此类雇员死后，社会工作者将对他们的家庭现状进行调查，并且需要向审计员(Comptroller）提交一份带有建议的调查报告。保险金的理赔和支付由社会服务部管理。

THEN waterpump1g.PV=1;

Waterpump2g.PV=0;waterpump2b.PV=0;

ENDIF //(如果#2给水泵有故障，则启动#1给水泵工频运行，#2泵不运行。)

3 计算机监控系统设计及运行效果

采用力控组态监控软件制作给排水系统监控画面，用于上位机数据采集与监视控制。由于工控组态软件运行于Windows环境下，因此,可以充分利用Windows的图形功能制作美观实用的过程画面,见图3。图中对象来自力控软件自带的丰富的图形控件和工况图库。在画面中需要将数据库中各模拟量、离散量数据对应连接，同时使用多种动画连接方式，包括隐含、闪烁等，使界面生动形象。图3中用红、黄、绿色分别代表高、中、低位，设备状况用绿色代表设备启动，用红色代表设备故障，直观醒目[11]。

  

图3 计算机监控画面

4 特色与创新之处

1)以软代硬，将现代自动化技术与实际工作情境有机地结合起来，全面利用虚拟仿真技术，体现自动化专业的现代特色。

2)有效利用现有的计算机设备，使用免费软件，制作成本低，安装维护方便。

3)与国赛项目考核内容高度吻合，可用于校内技能竞赛的训练和选拔。

4)整个系统功能齐全，并可扩展，在高校内除用于竞赛训练外，还可以利用此系统完成多门课程(自动控制、动力设备、集控运行、工业组态等)教学和职工培训任务。

5 结束语

在2017年3月的安徽省建筑智能化技能大赛中，囿于资金和设备缺陷，本院没有竞赛专用设备；但作者利用本文的方法训练学生熟悉软件的使用，模拟运行效果，效果奇佳；学生在竞赛中顺利完成此项目，获得竞赛专家和兄弟院校的关注。此方法简单可行省钱，系统功能可灵活组合，柔性好，后续自由扩展；在安装调试过程中，又真正锻炼了学生的软件编程组态能力，提高了技能型人才的培养效果，适应21世纪对高职院校培养技能型人才以及科学研究和技术创新能力的需求。

参考文献

[1] 陶砂,张天擎.职业院校虚拟仿真实训资源开发的方法与应用[J].中国教育技术装备,2012(11)：4-7.

[2] 朱春晓,李秀海,王明爽.基于创新人才培养的实践教学管理模式研究[J]. 黑龙江工程学院学报,2016,(1):74-76..

[3] 李庚.基于DDC技术实现的常规空调机组控制[J].内蒙古教育,2012(3):73-75.

[4] 王宏彦.基于DDC的中央空调一次回风监控系统设计[J].数字技术与应用,2015,35(11):3-5.

[5] 曹祥红.建筑智能节水DDC控制系统设计[J].科技通报,2016(12):115-119.

[6] 中华人民共和国住房与城乡建设部.建筑给排水设计规范：GB50015-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[7] 张娟,李晨,郭玉洁.三维力控组态软件在变频恒压供水系统中的应用[J].工业控制计算机,2013,27(3):63-64,66.

[8] 吴永贵.力控组态软件应用实践[M].北京:化工出版社,2013:180-182.

[9] 吴永贵.力控组态软件应用一本通[M].北京:化工出版社,2015:180-182.

[10] 张佑春.基于LonWorks技术的智能建筑给水系统研究[J].西安文理学院学报(自然科学版),2016,19(3):43-45.

[11] 马瑞红.楼宇智能化监控系统的技术与应用[J]. 计算机光盘软件与应用,2013(4):45-47.