（控制理论与控制工程专业论文）计算机综合仿真实验室的设计与开发.pdf

t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r c o m p r e n s i v es i m u l a t i o nl a b r a t o r y at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe 望g i 坠竺! = i 丛g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r 坠iq i 塑望! 趋望g 翌选i m a y , 2 0 1 0 计算机综合仿真实验室的设计与开发 摘要 本课题是围绕我校教学建设项目而展开研究的，旨在建立基于 s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 的计算机综合仿真实验室，集电气工程、过程自 动化、微机控制、p l c 应用和网络多个实验室功能于一体，以满足非电类工 科专业在控制工程基础、过程控制工程及计算机仿真等相关课程 的实验教学需要，并缓解高校因实验室时间、场地和设备等因素的限制，而 造成的学生规模和实验基础设施、规模比例严重失调、实验教学不能达到预 期效果的需求矛盾。 同电类专业传统相关实验室相比，本课题所研发的计算机综合仿真实验 室的主要优点如下：首先，该实验系统经济实用，总投资不到电类相关实验 室的三分之一，而且系统功能先进，以计算机取代传统实验室的示波器、信 号发生器、x y 记录仪、万用表等常规设备，具备数据和曲线的双重记录、 存储功能，部分实验还可以远程操作。不但能够完成自控原理实验、过程控 制等相关课程的大部分内容，且可扩展性强，既能满足本科生的实验需求， 也能为研究生提供科研平台，做开发性实验。 本文的主要工作是： ( 1 ) 研究计算机综合仿真实验室建设的相关技术，包括p r o t e l 、 a u t o c a d 、s i m a t i cs 7 、w i n c c 、o p c 通讯、m a t l a b 以及控制理论相关 知识； ( 2 ) 过程控制与计算机仿真综合实验箱的设计与制作； ( 3 ) p l c 控制柜的设计与制作； ( 4 ) 基于s i m a t i cs 7 和w i n c c 的计算机综合仿真实验室软件的设计 与开发； ( 5 ) 计算机综合仿真实验室低成本网络通讯的设计与实施； ( 6 ) 实验内容的设计。 本实验操作界面生动友好，整个系统安全稳定、成本低、效率高、可扩 展性强、升级维护方便，具有较高的实用价值。从我校造纸学院的实际使用 情况来看，取得了较好的效果。该实验是面对非电类专业而开发的，同电类 专业各独立的传统实验室相比，硬件投资成本可减少三分之二，并可形成产 品，在国内相关工科类高校推广应用。 关键词：计算机仿真，组态监控，o p c ，p i d u t h ed es i g na n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nl a b r a t o r y a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea c a d e m i cp r o g r a m so ft e a c h i n gb u i l d i n gi no u r s c h 0 0 1 t h ep u r p o s ei sf o re s t a b l i s h i n gap l a t f o r mf o rm u l t i p u r p o s ec o m p u t e r c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nl a b o r a t o r y , t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ne x p e r i m e n t a l t e a c h i n gp l a no fc o n t r o le n g i n e e r i n g ，p r o c e s sc o n t r o le n g i n e e r i n ga n d c o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rt h en o n - e l e c t r i c a lf i e l df o ru n d e r g r a d u a t es t u d e n t s t h e d e v e l o p i n gl a b o r a t o r yi s ac o l l a b o r a t i v e e n v i r o n m e n t ，i n t e g r a t e dw i t ht h e f u n c t i o no ft h el a b o r a t o r yi ne l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ，p r o c e s sa u t o m a t i o n ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no fp l ca n di n t e r n e te d u c a t i o n a n di tc a ne f f e c t i v e l yr e l i e v et h ec o n t r a d i c t i o n so fl i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t s ，s u c ha st h es c h e d u l e dd a t e ，f i x e dl a b ，r e s t r i c t e dp e r s o nc a p a c i t y , t h e l o wr a t eo fi n s t r u m e n t - r e n e w a l ，a n di m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ll a b o r a t o r yi nt h ec o u r s eo fe l e c t r i cs p e c i a l t y , t h ev a l u eo ft h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：i nt h ef i r s tp l a c e ，i ti sa n e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a ls y s t e m t h et o t a li n v e s t m e n ta n d p h y s i c a li n p u t sl e s s t h a nat h i r do fc o s tf o rt h et r a d i t i o n a ll a b o r a t o r yi nt h ec o u r s eo fe l e c t r i cs p e c i a l t y s e c o n d l y , t h es y s t e mi sp o w e r f u lw h i l eu s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti n s t e a do f t h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s i tn o to n l yh a st h ef u n c t i o no ft h ed a t ac o l l e c t i o n ， a n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o n t r o l l i n g ，m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i c ，b u ta l s oc a n d i s p l a yt h ew a v e f o r m ，s t o r a g ea n dt r a n s f e ro fd a t af i l e s a n ds o m e t i m e sc a l l c o n n e c tt or e m o t eo p e r a t i o n i tc o u l da c c o m p l i s ht h ea s s i g n m e n to f t e a c h i n gp l a n o fc o n t r o le n g i n e e r i n g ，p r o c e s sc o n t r o le n g i n e e r i n ga n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n m o r e o v e r , t h ep r a c t i c ei n d i c a t e st h a tt h es y s t e mh a v es t r o n ge x t e n s i b i l i t y , w h i c h c o u l dn o to n l ym e e tar e q u i r e m e n to fu n d e r g r a d u a t es t u d e n t s ，b u ta l s ob e c o m ea t e s tb e df o rp o s t g r a d u a t e s t h ec o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri si l l u s t r a t e da sf o l l o w s ( 1 ) r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e s f o r t h e c o m p u t e rc o m p r e h e n s i v e s i m u l a t i o nl a b o r a t o r y i i i ( 2 ) d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fp r o c e s sc o n t r o l & c o m p u t e rc o m p r e h e n s i v e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lc i r c u i tb o x ( 3 ) d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cc o n t r o lc a b i n e tf o rp l c ( 4 ) t h ed e s i g na n dd e v e l o p i n g o ft h es o f t w a r eo ft h e c o m p u t e r c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o ns y s t e m ( 5 ) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nw i t h l o w c o s ts t r a t e g y , ( 6 ) d e s i g n t h ec o n t e n to ft h ee x p e r i m e n t t h es y s t e mh a st h ef r i e n d l ys u r f a c e ，c o n v e n i e n c em a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ， s a f ea n ds t e a d yo p e r a t i o n ，l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y , e a s yo p e r a t i o n ，o p e n i n g ，a n d t r a n s p l a n t a t i o n f r o mc u r r e n ts i t u a t i o n s ，i t i sr u nc o r r e c t l yw i t hs a t i s f a c t o r y r e s u l t so b t a i n e d t h ed e v e l o p m e n ti sb a s e do nt h et e a c h i n gp l a nf o rt h e n o n e l e c t r i c a lf i e l d ；i ti sa ta d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c y , l o wi n v e s t m e n tc o s ta n d c o n v e n i e n ts e t t i n g a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s ，t h i ss y s t e mm e e t st h ed e m a n d so f t e a c h i n gp l a na n dc a nb eu s e di no u ru n i v e r s i t ys u c c e s s f u l l y i th a sv a l u eo f p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nr e l e v a n tc o l l e g e so fe n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o n f i g u r a t i o nm o n i t o r ，o p c ，p i d 目录 摘要i a b s t r a c t i i i f 哥j 录i 1 绪论。l 1 1 计算机仿真实验室及其相关技术1 1 1 1 仿真实验室的概念。l 1 1 2 仿真实验室的特点1 1 2 国内外研究动态和水平2 1 3 本课题的研究目的和研究意义3 1 4 本论文的主要研究工作4 2 计算机仿真实验室的功能描述和实现方案5 2 1 计算机仿真实验室的功能描述5 2 2 计算机仿真实验室的实现方案6 3 计算机仿真实验室系统的关键技术8 3 1p r o t e l 软件的应用8 3 2 西门子p l c 相关技术1 0 3 2 1p l c 硬件1 0 3 2 2 下位机编程软件s i m a t i cs t e p7 1 6 3 2 3 上位机组态软件s i m a t i cw i i l c c 2 2 3 3 网络通讯2 4 3 3 1m p i 网络2 4 3 3 2o p c 技术2 5 4 计算机仿真实验室系统的开发3 0 4 1 计算机仿真实验室系统的拓扑结构3 0 4 1 1 上位机与p l c 通讯3 2 4 1 2 服务器与客户机通讯3 3 4 2 计算机仿真实验室的实验对象的开发3 8 4 3 计算机仿真实验室的控制柜的开发4 1 4 4 计算机仿真实验平台的开发一4 2 5 计算机仿真实验室实验设计4 6 5 1 控制系统典型环节的模拟4 8 5 1 1 比例环节的模拟4 8 5 1 2 惯性环节的模拟4 9 5 1 3 积分环节的模拟5 0 5 1 4 比例微分环节的模拟5 0 5 1 5 比例积分环节的模拟5 1 5 1 6 振荡环节的模拟5 2 5 2 一阶系统的时域响应及参数测定5 2 5 3 二阶系统的瞬态响应分析5 4 5 4p i d 控制器的动态特性5 6 6 计算机仿真实验室系统功能的拓展5 9 6 1 上位远程状态监控诊断功能5 9 6 2 与m a t l a b 、e x c e l 等数据交换的实现5 9 7 总结与展望6 3 j $ 【谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 8 攻读硕士学位期间参加的科研项目：6 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 9 盐篡担绫金鱼塞塞丝童笪建适量垂叁 l 绪论 实验是教学过程中的重要环节，很多工科院校都把实验教学和实验室的建设放到首 位。对工科院校非电类专业的学生开设电类课程，分别建立多个功能独立的实验室，投 资巨大，利用率低，显然是不现实的。而且近几年随着我国高等教育的发展，高校不断 扩招，与之相匹配的实验室也面临极大难题。实验室由于受到经费、场地和设备等因素 的限制，使得学生规模和实验基础设施、实验规模比例严重失调，实验教学往往不能达 到预期的效果。学生往往只能通过课本和老师的讲述对实验仪器和实验操作的效果进行 想象，所学的理论知识和实验验证难以同步进行，实际动手能力也很难得到提高。由于 传统实验教学存在种种弊端，实验教学必须改革以适应现代教育的发展。当今快速发展 的计算机技术为这一要求提供了途径。 1 1 计算机仿真实验室及其相关技术 近年来，将计算机仿真技术引入到实验教学中，改变了传统的教学模式，实验计算 机化，学习者可以在这个虚拟的实验环境中操作仪器模拟真实实验过程，加深对实验原 理的理解、培养实验技能、达到广泛了解知识的目的，计算机仿真是真实实验的有力辅 助工具，使得教与学的方式发生了革命性的变化【- 】。 1 1 1 仿真实验室的概念 计算机仿真实验是通过软件对物理设备及实验过程的虚拟仿真，利用计算机及其相 应的模拟程序，通过人机对话界面和动画仿真操作来完成实验过程的。在数据采集、反 馈方面与实际物理设备通过一定的硬件接口相互作用，而数据处理、共享则通过虚拟实 验系统实现【2 】。依赖虚拟环境( 包括一定的硬件作为基础) 实现其功能，只与使用者发生 相互作用，不与现实环境发生交互，可以通过网络来访问，是一种生动的交互方式。 计算机仿真实验可以分别控制虚拟模型和实物对象，实验结果包括通过仿真设备或 虚拟对象体现出来的实验过程、各个过程变量历史曲线和历史数据等。计算机丰富的界 面信息和处理功能对实验现象既可做到细致入微，又可宏观得到各种结论，帮助功能、 图形数据保存和处理功能等可帮助实验者更好地进行实验。 其物理结构简单，不受实验室仪器设备、实验材料的限制。在实验过程中，仿真实 验忽略很多实际系统的次要问题，突出其主要矛盾，能让学生将在书本上学到的理论简 单应用到虚拟实验当中，交互性很强，也很形象化，是培养学生综合创新能力的一种全 新的有效实验手段。实验调查表明，这种实验方式可利用有限硬件资源，达到很好的实 验效果，是目前虚拟实验发展的重要方向。 1 1 2 仿真实验室的特点 仿真实验室与传统的实验室相比，优势非常明显。具有如下特点： ( 1 ) 用虚拟仿真仪器代替传统仪器【3 】，如函数发生器、示波器、万用表等，实现 信号发生及波形记录，功能强大，灵活方便，可取得较好的效果。虚拟仪器的面板由计 算机软件构成，其性能指标不受工艺限制，用户可以根据自己的需要灵活的定义仪器的 功能，通过不同功能模块的组合构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。 虚拟仿真仪器还可以制作多层下拉面板，帮助文件等等，做出远远超过传统仪器的生动 美观、界面友好、功能强大的仪器操控面板。虚拟仪器还可以将所有的仪器控制信息集 中在软件模式中，采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程，进一步增加 其灵活性。 ( 2 )降低科研成本，提高使用效率。虚拟仿真实验主要依赖于系统的软件设计， 可省去大量传统实验运行所必需的复杂、昂贵的设备购买费用和维护费用，大大降低了 成本。而且，仿真实验室损坏、消耗的问题比传统的实验室少，其中的虚拟仿真的实验 几乎不浪费资源，安全性极高；其中的实时系统控制实验由于操作量和动作指令受到软 件的控制，也不易损坏。 ( 3 ) 组建系统的效率高、易于扩展，便于升级更新。实验平台采用模块化的结构， 把实验按照功能划分为各个独立的子模块，通过调用不同的模块，即可完成不同的实验， 因而用户可以自行选择和组合实验系统及测试仪器，从根本上解决因实验器件和仪器仪 表不全而影响实验效果的问题，为研究性实验、探索性实验建立了自由平台。而且由于 硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需经历一次组建工作，若要增添新的实验， 只需安装新的虚拟实验室软件或在软件设计上作些改动，更新软件即可。而不需要像传 统实验室的更新和升级往往伴随着购置新实验设备，淘汰旧的设备。 ( 4 ) 仿真实验室维护便捷。由于软件是内核，通过重装或自修复即可。传统实验 室的设备往往因各种人为或其他原因而损坏，实验原料则用过后就不能再用。 ( 5 ) 具有良好的协作性。由于计算机具有开放性，因而容易实现网络及其它部件 间的连接。在协同虚拟环境技术下，可实现合作实验、远程实验、协同研究等。 仿真实验室是实验技术和实验手段的重要革新，突破传统实验室的限制，极大地实 现软硬件资源的共享，是现代实验教学重要和新颖的发展方向。它把握时代的潮流和趋 势，对提高教学质量，解决高校因生源急增所造成的实验资源短缺等问题都具有现实和 深远的意义，它的建成可望产生良好的社会效益和经济效益。 总之，本课题的研究有利于增开综合性实验项目，可解决困扰高校实验设备不足、 空间不够、师资缺乏等问题，是一项十分有意义的工作。 1 2 国内外研究动态和水平 人们对计算机仿真实验的研究始于上世纪八十年代末，那时国外一些研究机构试图 以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加以控制【4 】。 近年来，国际上对计算机虚拟仿真实验室的开发得到了广泛的关注，世界许多著名 大学都进行了计算机仿真实验室的研究，己有较多建好并投入使用的计算机仿真实验系 2 统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、 农业科学等教学、科研领域。目前，在许多发达国家计算机仿真实验室研究已经步入实 用阶段。 随着我国现代教育规划的实施，上世纪九十年代初，国内的一些高校也开始致力于 计算机仿真实验的开发与研究。有些院校已经相继建成了相关的计算机仿真实验室，开 发了一批计算机仿真实验系统用于教学和科研。例如清华大学开发的工程力学仿真实验 室、湖南大学生物医学纳米期间重点实验室、美国国家仪器公司n i 与吉林大学合建的 仿真实验室等等，将数字仪器化，对教学实验进行模拟研究，使实验教学由实物实验教 学向虚拟仿真实验教学发展，走向多样化。 不同的实验由于教学目的不同，所采用的实验方式也有很大差异。随着工控技术的 飞速发展，p l c 在自动化领域发挥着越来越重要的作用。在自控原理教学中，引入p l c 技术组建仿真实验室，不但可以完成传统实验的内容，发挥仿真实验的优势，还可以对 培养学生的工程意识、实践能力、创新能力等综合素质起到举足轻重的作用。 因此，采用仿真技术、基于p l c 的计算机自动控制技术、通络通讯技术等设计完 成的计算机综合仿真实验室实现了仿真技术跨越式发展，解决实验教学短缺的困扰，顺 应科技方向的发展，具有深远的社会效益和巨大的经济效益。 1 3 本课题的研究目的和研究意义 实验在高等教育中的重要作用已取得共识，各高校都在积极地加强实验室的建设， 进行实验方法和手段上的改革。采用实物装置进行实验教学具有其他任何手段无法替代 的优越性，但由于教学成本、实验教学过程所要求的可选择性等各方面的原因，大范围 地开展基于实物的实验教学存在多方面的限制。随着近年来计算机技术的发展，将计算 机技术与教学实验相结合建立c a i ( c o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ) 实验室1 5 1 ，为拓宽实验内 容，提高实验的质量，丰富学生的实验活动创造了条件。 本课题是我校造纸工程学院立项建设的为非电类专业开设电类课程综合仿真实验 室的重要内容。目的是建立集电气工程、过程自动化、微机控制、p l c 应用和网络多个 实验室于一体的多功能计算机综合实验室，主要用于完成造纸学院制浆造纸工程和过程 装备与控制工程等非电类专业控制工程基础、过程控制工程及计算机仿真等 相关课程的实验教学、上机、课程设计和毕业设计等教学任务。 本文设计开发的计算机综合仿真实验室以虚拟面包板为对象，以西门子s 7 3 0 0 系 列p l c 为控制器主体，仿真实验主要依赖于系统的软件设计，物理结构简单，可取代 传统实验室的示波器、信号发生器、x y 记录仪等常规设备，大大降低实验室的建设成 本，提高使用效率。它不但能够在降低和减小对硬件设备需求的基础上顺利完成多门课 程教学大纲和实验大纲的相关内容，而且教学实验不再受到实验室仪器设备、实验材料 的限制，实验室的软件设施本身也更方便扩展、升级和维护。在实验过程中，系统丰富 的界面信息和处理功能对实验现象既可做到细致入微，又可宏观得到各种结论，帮助功 能、图形数据保存和处理功能等可帮助实验者更好地进行实验。仿真实验还能忽略很多 实际系统的次要问题，突出其主要矛盾，能让学生将在书本上学到的理论简单应用到虚 拟实验当中，交互性很强，也很形象化。因此，综合仿真实验室的建立，突破了传统的 教学模式，开发综合性、设计性实验系统，通过教学手段的改革与实践，寻找最有利于 学生接受相关知识的途径与方法。是一个开放性、交互性、可移植性、可扩展性、可维 护性和安全性高的计算机综合仿真平台。实验调查表明，这种实验方式可利用有限硬件 资源，达到很好的实验效果，是目前虚拟实验发展的重要方向。 1 4 本论文的主要研究工作 本论文首先介绍了课题的研究背景，针对计算机综合仿真实验室做了需求分析。在 研究国内外大量的相关文献和资料后提出了设计开发基于p l c 的计算机综合仿真实验 室 6 1 1 7 的实现方案，并对该方案的硬件组成和软件结构及网络通讯进行了详细的描述， 然后具体介绍了该试验系统的具体实现过程。 论文内容安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了计算机仿真实验室的概念和特点，分析了国内外对计算 机仿真实验室的研究动态，陈述了计算机仿真实验室的研究目的和意义以及本课题的研 究内容。 第二章主要是计算机综合仿真实验室的功能描述和基本设施，并提出了构建计算机 综合仿真实验室的方案 8 1 1 9 1 。 第三章从实验对象、控制柜、操作平台、网络通讯等方面，对实现计算机综合仿真 实验室所需要的各种关键技术和软硬件工具，包括仿真技术 1 0 1 1 1 、p r o t e l 、a u t o c a d 、 s i m a t i cs 7 、w 1 i l c c 、o p c 通讯、m a t l a b 等进行具体研究。 第四章详细介绍了计算机综合仿真实验室的开发过程，包括过程控制与计算机仿真 综合实验箱、p l c 控制柜、计算机综合仿真实验室软件的设计与开发、计算机综合仿真 实验室低成本网络通讯的设计与实施和实验内容的设计。 第五章具体介绍了计算机综合仿真实验室的部分实验内容。 第六章介绍了系统的一些拓展功能，包括实验室远程操作1 1 2 、系统与m a t l a b 和 e x c e l l 的通讯等。 第七章对整个课题研究工作进行了总结，提出了计算机综合仿真实验平台的一些不 足和今后改进的方向，并且对后继的工作做了展望。 4 选篁丝丝佥笾塞塞殓窒笪丝堇皇蕉叁 2 计算机仿真实验室的功能描述和实现方案 2 1 计算机仿真实验室的功能描述 本课题依据我校造纸工程学院制浆造纸工程和过程装备与控制工程等非电类专业 的控制工程基础、过程控制工程及计算机仿真等相关课程的教学大纲和实验 大纲建立了的计算机综合仿真实验室，实现了集电气工程、过程自动化、微机控制、p l c 应用和网络多个实验室于一体的多功能计算机综合实验室。主要内容为设计与开发计算 机综合仿真实验平台，采用以虚拟面包板为对象，以西门子s 7 3 0 0 为控制器主体来实 现实验教学的方案，从而完成实验教学、上机、课程设计、毕业设计和研究生开放性实 验等教学任务。 本计算机综合仿真实验室建立在仿真技术和模拟电路技术的基础上，利用实际的模 拟电路模拟物理系统的动态特性，通过分析模拟电路的原理，建立其数学模型。在虚拟 面包板上搭建模拟电路，通过p l c 的模拟量输出模块输出信号作为信号源，输入到虚 拟面包板输入端。信号经过搭建的模拟电路环节，从面包板输出端输出，送p l c 模拟 量输入模块采集信号，由通讯协议送到计算机上用上位机软件w i n c c 代替示波器显示 输出结果，并经过p l c 程序对采集数据及反馈进行分析处理。实验结果包括通过仿真 设备或虚拟对象体现出来的实验过程、各个过程变量历史曲线和历史数据等。 系统的用户主要面向实验学生、实验员、系统管理员、设备管理员及实验室负责人 等。整个实验的仪器控制信息都集中在软件模式中，采用多种方式显示采集的数据、分 析的结果和控制过程。实验者通过计算机软件用户界面进行浏览、控制和操作，方便用 户人机交互。要求人机界面要求友好美观、清晰简洁、方便易操作。 实验系统通过s i m a t i cs t e p 7 和w i n c c 软件进行编程组态，使传统仪器虚拟化。 用a o 模块输出信号代替函数发生器，产生实验所需的激励信号，波形、频率、幅值等； 用a i 模块采集信号代替示波器，然后通过w i n c c 的数据存档功能取代x y 记录仪， 实现信号发生及波形记录。这样，不但具有常规示波器和记录仪测量实验电路对激励信 号的响应的功能，还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，查询历史曲线， 暂停回放过程进行波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，提高读数精度，比传统 的常规仪器功能更为强大。虚拟仿真实验系统把一些不易观察到的微量放大，减少观察 者因肉眼估计及仪器精度而引入的误差。学生可以及时进行数据处理，观察和分析实验 结果，更便于学生观察实验细节，减少遗漏，避免因观察范围或次要隐私的干扰而进入 思维误区，从而提高学生的实验兴趣、实验效果和效率。实验系统要求一致完整、安全 可靠，方便扩展、易于维护。用户信息和系统数据信息可保证一致性、有效性和不可抵 赖性，并能够长期在线保存1 1 3 1 。 建立的计算机综合仿真实验系统使许多新的实验内容可以在仿真计算机上完成并 且可以使仿真结果与物理实验结果互为对比验证，大大提高学生的学习兴趣，有效地改 进学习效果。 2 2 计算机仿真实验室的实现方案 本计算机综合仿真实验室主要由上位机、p l c 控制柜和过程控制和计算机综合仿真 试验箱三部分组成。根据我校造纸工程学院实际情况，实验课的规模按每班次3 2 人计， 两人一组，共需1 6 套实验设备。即共需1 6 套综合仿真试验箱作为控制对象，1 6 套电 脑作为上位机，1 6 台计算机组成局域网联网通讯，方便实验操作和实验管理员的管理。 每四套上位机共用一套p l c 控制柜，即1 6 套实验设备分为四组进行硬件配置。每套实 验设备的硬件配置如表2 1 所示： 表2 - 1 实验室硬件配置表( 套) t a b2 - 1t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n c p u ：主频1 6 g ； 服务器、客户机四台 内存：2 g d d r ： 显卡：显存1 2 8 m ； ( 含一台服务器、三台客户机) 网卡：i o i o o m 自适应网卡； 硬盘：8 0 g ； s 7 3 0 0c p u 3 1 3 cl 块 s m 3 3 2 模板1 块 1 2 8 km c c 卡 1 个 p l c 控制柜 c p 5 6 1 1 板卡l 块 s u bd 的9 针插头 1 对 2 4 v 电源l 块 网络传输速率：10 m b p s ： 通讯网络 传输介质：五类双绞线 本系统选用西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 作为底层控制的基本控制器， 选用紧凑型c p u 3 1 3 c f l 4 】，带集成的数字量和模拟量的输入和输出，完成数据的监控、 采集和控制。p l c 控制柜主要由电源、s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 、接线端子及继电器 等构成； 上位机选用高可靠性的d e l l 计算机，计算机软件要求表2 2 所示： 表2 - 2 计算机软件配置表 t a b2 - 2t h es t r u c t u r eo f s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n 操作系统w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a ls p 2 i n t e m e t 浏览器 m i r c o r s o f ii n t e m e te x p l o r e r6 0 数据库 m i r c r o s o f is q ls e r v e r2 0 0 0 6 s i 厦a t i cs t e p7v 5 4 编程组态软件 s i m a t i cw i n c c6 0s p 3 整个软件系统包括上位机监控软件和下位机p l c 控制软件。监控软件【1 5 】采用 s i m a t i cw i n c c6 0 平台进行组态设计；p l c 控制软件是在s i m a t i cs t e p7 开发环境 中编制、调试的【t 6 1 。本实验系统使用的软件版本为w i n c c6 0s p 3 和s t e p7v 5 4 。安 装p l c 软件也应满足一定的软件要求。操作系统为m i c r o s o f tw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l s p 2 ，i n t e r a c t 浏览器要求m i c r o s o f ti n t e r a c te x p l o r e r6 0 。安装w i n c c 的机器上还应安装 m i c r o s o f t 消息队列服务和s q ls e r v e r2 0 0 0s p 3 。 综合仿真实验箱采用平面板式结构，电路板由各独立的电子元器件组成，包含有6 组ua 7 4 1 c n 运算放大器及不同大小值的电阻电容等附件。各单元部件采用积木式，独 立设置，其输入、输出和其他需与外部连接的点均引至微型插针和插座上，需要换接的 点则引至微型插针上，并可用短路块转换。可根据需要组成不同实验线路，具有灵活性， 可提高重复使用率。 通过从综合仿真实验箱的输入和输出信号端子排引信号线至p l c 的模拟量输出和 输入通道端子排，将其与p l c 连接。上位机安装s i m a t i cc p 5 6 11 通讯卡与s 7 3 0 0p l c 之间通过m p i 构成网络系统 1 7 1 进行通讯。为了节约成本，共用一个控制柜的四台计算机 只有其中一台安装c p 5 6 1 l 卡与p l c 通讯，将w i n c c 自带的o p c s e r v e r w i n c c 作为数 据通信的o p c 服务器。其他三台计算机配备自适应以太网卡作为客户机，利用上位机 安装的w i n c c 组态软件，与服务器之间通过o p c 协议由t c p i p 进行通讯。 以上几个模块共同组成了整个仿真实验系统，既直观又方便，且为后续功能的扩展 提供了便利。 7 医区型丝盘堂堡堂丝坌窑 3 计算机仿真实验室系统的关键技术 计算机仿真实验依赖虚拟环境( 包括一定的硬件作为基础) ，通过人机对话界面和动 画仿真操作对物理设备及实验过程进行虚拟仿真。根据相似工程原理，任何物理系统的 动态特性都可以利用模拟电路进行模拟。实际模拟电路的动态特性代表了被模拟物理系 统的动态特性1 1 8 。本仿真实验室就是建立在仿真技术与模拟电路技术的基础上，通过分 析模拟电路的原理，建立其数学模型；通过虚拟仪器和一定的硬件接口，对实际模拟电 路的输入输出数据进行数据采集及反馈分析处理，而数据处理、共享则通过虚拟实验系 统实现。实验结果包括通过仿真设备或虚拟对象体现出来的实验过程、各个过程变量历 史曲线和历史数据等。这使得实验模式物理结构简单，不受实验室仪器设备、实验材料 的限n t , , 1 ，是培养学生综合创新能力的一种有效实验手段。 整个综合仿真实验室的建设涉及到实验对象、控制柜、操作平台、网络通讯等方面， 以下对实现综合仿真实验室所需要的各种关键技术和软硬件工具，包括s i m a t i c s t e p 7 、w i l l c c 、o p c 通讯、m a t l a b 、p r o t e l 等进行具体研究。 3 1p r o t e l 软件的应用 p c c s i 型过程控制与计算机仿真综合试验箱是专为我校造纸工程学院自动控制原 理、现代控制理论相关课程配套设计的。实验模拟电路搭建在实验箱的一整块单面敷铜 印刷线路板上。因此实验箱的设计首先是电路板的设计。 p r o t e l9 9 s e 是基于w i n d o w s 环境的新一代电路原理图计算机辅助设计与绘图软 件，包括电原理图设计、印制电路板设计、层次原理图设计、报表制作、电路信号仿真、 可编程逻辑器件设计等功能模块，是集成于一体化的电路设计与开发环境，凭借其强大 的功能大大提高了电子线路的设计效率，已经成为广大电子线路设计工作者首选的电子 线路c a d 软件【1 9 】。 一般来说，设计电路板最基本的过程可以分为4 个步骤。首先是电路原理图的设计， 也就是利用p r o t e l 9 9 s e 的原理设计系统规划电路图的总体布局，在图纸上放置元器 件，进行布局和布线，然后对各元件以及布线进行调整，绘制出一张电路原理图。电路 原理图设计是整个电路设计的基础，它决定后面工作的进展1 2 0 1 。 网络表是电路原理图与印制电路板之间的桥梁。网络表可以从电路原理图中获得， 也可以从印制电路板中提取。绘制电路图的最主要目的就是为了将设计电路转换出一个 有效的网络表，以供其他后续处理程序使用。 印制电路板的设计主要是针对p c b 而言的，在这个过程中，借助p r o t e l9 9 s e 提 供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线工作。印制电路板设计一般按 以下步骤进行：首先绘制原理图生成网络表；接下来规划电路板，在绘制电路板之前要 对电路板有一个初步