測試技術仿真實驗平臺的設計與開發

摘要：本文針對《測試技術與信號分析》課程實踐性強的教學特點，設計開發了模塊化測試系統的仿真實驗平臺，建立了具有液位、壓力、流量和溫度回路的過程檢測與控制實驗模型，采用PLC技術完成了控制系統的軟、硬件設計，開發了基于InTouch的仿真軟件，實現了系統的實時監控。測試技術仿真實驗平臺詳細地模擬了實際工業生產的檢測和控制過程，彌補了實驗教學的不足，為教學和科研提供了良好的平臺。

關鍵詞：測試技術；仿真實驗；PLC；InTouch；教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0248-03

《測試技術與信號分析》課程是高等院校機械類專業基礎課。而在高等院校中，相對于理論教學，實驗室的建設則明顯滯后于學科建設的步法，因而造成理論教學和實驗教學相脫節的現象。本文根據課程的教學內容與特點，設計開發了測試技術仿真實驗教學平臺，通過可視化仿真軟件將教學內容進行再現，給學生以直觀、形象的認識。這種教學方式便于靈活安排教學和實驗內容，達到提高授課質量、培養學生綜合能力的目的。

一、仿真實驗的內容與設計

測試技術課程涉及的知識面廣，學科跨度大。經過廣泛調研，本仿真實驗平臺以過程控制系統中的液位、溫度、壓力與流量四個物理量作為測試與控制的目標，在結構上則采用模塊化設計，安排在同一個系統中。要求仿真實驗不但能對各個模塊的物理量進行實時測試與監控，而且還具有目標值設定、參數調整及曲線繪制等功能。在仿真實驗的實現上，通過建立各模塊回路的模型，利用PLC對控制系統進行軟、硬件設計，并基于InTouch開發仿真軟件，實現實驗過程的實時監控。

二、實驗模型的建立

根據仿真實驗的內容與要求，這里采用機理法建立整個測試控制系統的模型。如圖1所示，實驗系統采用雙泵源，其中一個為液位、壓力和流量控制回路提供能源，另外一個為溫度控制回路的提供能源，且每個泵都有低壓短路、失壓和過載保護。仿真實驗選用的介質為水，12個電磁閥負責控制液流的通斷。在液位、壓力、流量回路中安有電動調節閥，控制系統會根據設定值和傳感器的測量值自動調節閥的開度進行實時控制。下面以液位仿真實驗為例說明各子系統的模型結構和控制過程。

1.模型結構。液位控制子系統模型結構如圖2所示。液位控制實驗開始前，先將手動閥調節到一定開度，液位子系統開始運行時，電磁閥1-3自動打開，泵將水從下水槽抽到上水槽中。上水槽安有液位傳感器，電動調節閥根據傳感器的反饋，調節閥的開度，對上水槽的液位進行控制。

2.控制方框圖。為了使液位快速穩定在目標值，控制系統采用PLC通過PID方法來實現。如圖3所示，液位控制子系統是一個閉環系統，通過PLC的PID模塊，調節閥的開度來控制電動閥的流量，從而改變液位的高度，當液位傳感器檢測到液位實際值，將其反饋給PLC，從而達到控制上水槽液位平衡的目的。

同理，流量、溫度和壓力子系統也采用相同的原理和方法進行建模與控制。

三、仿真實驗的實時監控

為了方便教學，給學生建立直觀、形象的認識，仿真實驗開發了基于InTouch的軟件平臺。InTouch是Wonderware公司的一種工業自動化組態監控軟件，它能高效、快捷地配置用戶的應用程序。

1.InTouch與PLC的通訊。當上位機與PLC通信時，需要分別在InTouch、OPCLink、PC access中進行設定。本實驗選用西門子公司的S7-200型PLC。首先，在InTouch中設定訪問名S7-200，并將標記名設定為I/O型。然后啟動InTouch自帶的IO server--OPCLink工具，并選擇西門子的PC access作為OPC server。在PC access中設定的項目名要與InTouch中的設定一致。設定完成后，在PC access左邊窗口中顯示與上位機對應的項目名，右邊窗口建立上位機于下位機對應地址的聯系，如圖4所示。這時，InTouch與S7-200完成通訊，可以對實驗進行實時監控。

2.仿真軟件的開發與應用。圖5所示為本仿真實驗上位機監控的主界面，在教學中可以根據需要選擇實驗內容。畫面左側，是仿真實驗的整體系統結構圖，右側是四個實驗系統的縮略圖，單擊其任意一個畫面就可進入相應的實驗界面。如圖6所示，在液位檢測控制界面中，可以對當前的液位子系統的狀態進行監控。圖的左側是實時監控畫面，右上方為參數設定區，包括液位高度的設定及PID調節器中增益值、采樣時間、積分時間與微分時間的設定，右下方是液位曲線顯示區。當設定好相關初值后，點單擊“運行”按鈕，左側結構圖能動態顯示液流流動過程，此時圖中的電磁閥由紅色變為綠色，這表示PLC已自動打開相應的電磁閥，液位曲線則表示液位值隨時間變化的值。

在液位監控界面，點擊“歷史趨勢”按鈕，進入“歷史趨勢曲線”界面，可以查看和分析實驗曲線的歷史過程。在實驗操作過程中，為了接近實際生產系統，界面右上角設置了報警燈，對操作過程中泵過載等問題進行報警顯示。

《測試技術與信號分析》可視化仿真實驗平臺是改善該課程教學環境的重要手段。這種動態仿真實驗不但可以靈活安排在課堂教學中，豐富教學內容，有效改善理論教學和實驗教學相脫節的現狀，彌補實驗設備和實驗教學環節的不足，而且能將枯燥、抽象的知識點變得生動、形象，有效激發學生的學習興趣，提高教學和學習效率，取得較好的教學效果。

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基金項目：天津理工大學教學改革項目（YB11-30，YB11-31）

作者簡介：陳煒（1973-），女，河北張家口人，副教授，博士，主要從事機械電子工程專業的教學與科研工作。