將工業(yè)帶入課堂中

為學生提供基于動手的工業(yè)知識學習體驗一直是高等教育的目標。 學習體驗越接近實際工業(yè)應用，學生對所涉及的概念以及真實世界的挑戰(zhàn)的理解就會越深刻。 南洋理工大學化學工程系的教師希望搭建一個全功能生物反應器加工廠，讓學生可以在實驗室中生產(chǎn)酸奶。

這一設(shè)想是構(gòu)建一個生物反應器工廠，其中包含四個生物反應器以及比例積分微分(PID)控制的水加熱裝置，學生可以通過平板電腦實時查看數(shù)據(jù)，監(jiān)測并控制溫度設(shè)置值。 通過分析各種輸出，學生可以驗證加工操作，并對記錄的加工數(shù)據(jù)進行分析，以確定熱平衡。 我們的目的是創(chuàng)造一種盡可能接近真實環(huán)境的學習體驗。

北京瀚文網(wǎng)星科技有限責任公司 www.bjcyck。。ｃｏｍ是NI的聯(lián)盟伙伴之一，擁有十余年的LabVIEW開發(fā)經(jīng)驗，是NI銷售團隊向客戶推薦的項目開發(fā)和集成支持廠商。 CompactRIO平臺和LabVIEW*可以滿足客戶的這些需求。 新推出的LabVIEW數(shù)據(jù)儀表板及其改進功能恰好可以幫助我們無需跨平臺開發(fā)即可連接平板電腦。 這個工具和強大的NI社區(qū)支持對項目的成功起到了非常關(guān)鍵的作用。

系統(tǒng)概述

實驗室內(nèi)的加工控制廠包括以下幾個子系統(tǒng)（如圖1所示）：

反應器A、B、C和D

水回流管

冷水管

熱水管

蒸汽輸入

三個CompactRIO實時控制器用于監(jiān)視和控制子系統(tǒng)。 兩個cRIO-9075控制器共同控制四個反應器，其中所有水參數(shù)（冷熱水溫度和貯水水位）由其中一個控制器進行控制。 所有參數(shù)都可以通過以太網(wǎng)實時監(jiān)測并發(fā)送到教師的PC，然后通過WiFi發(fā)送到學生的平板電腦（圖2、圖3和4）。

使用正確工具滿足需求

我們需要反應器參數(shù)顯示器和控制器必須：

通過電阻溫度檢測器(RTD)傳感器反饋和電磁閥執(zhí)行器驅(qū)動溫度控制回路

監(jiān)測RTD傳感器和4-20 mA的傳感器;控制4-20 mA模擬執(zhí)行器和230 VAC電磁執(zhí)行器;讀取24 V工業(yè)I/ O以及執(zhí)行頻率測量

提供快速開發(fā)和部署，以在緊湊的時間進度表內(nèi)完成項目

可通過平板電腦輕松查看監(jiān)測的數(shù)據(jù)以及發(fā)送特定控制信號指令

PC與控制器相連接

小巧、堅固，因為儀器柜的空間有限

滿足設(shè)計需求且成本zui低

通過需求分析，我們確定了一個適合該應用的理想小型CompactRIO系統(tǒng)。 CompactRIO支持的各種C系列模塊可滿足所有類型的控制和測量信號連接需求。 由于C系列模塊具有內(nèi)置信號調(diào)理功能，因此傳感器布置和連接非常簡潔明了。 我們選擇了以下模塊：模塊信號類型傳感器/致動器連接NI 9203

8通道，±20 mA，200 kS/s，16位模擬電流輸入模塊直接連接用于監(jiān)測的pH傳感器信號NI 9217

4通道, 100 Ω RTD, 24位模擬輸入模塊直接連接所有RTD溫度信號，以提供反饋溫度NI 9481

4通道繼電器[30 VDC(2 A), 60 VDC(1 A), 250 VAC(2 A)]直接驅(qū)動230VAC電磁閥進行水流控制NI 9422

8通道，24 V至60 V，250 µs，漏極/源極數(shù)字輸入流量傳感器的水位傳感器測量和脈沖頻率測量NI 9265

4通道, 100 kS/s, 16位, 0至20 mA模擬輸出模塊 驅(qū)動氣動閥以控制熱水箱加熱

一個2 Hz溫度控制環(huán)路足以滿足反應器和熱水溫度控制的需求。 因此，我們決定使用NI掃描引擎接口來加速我們的開發(fā)進度。 NI掃描引擎接口為選定模塊提供了基本功能和底層FPGA代碼。 我們的開發(fā)人員只需在LabVIEW項目中插入模塊和I/O就可配置LabVIEW項目，從而輕松獲得可立即用于測試的基本I/O連接。 使用NI掃描引擎，我們無需連接任何代碼就可控制和監(jiān)測信號。

使用項目范例更快速開發(fā)

確定初始系統(tǒng)需求和驗證I/O連接后，下一個步驟是確定應用系統(tǒng)架構(gòu)。 在這一階段，LabVIEW內(nèi)含的項目范例就起到了非常重要的作用，因為這些項目范例為我們提供了一個可擴展、記錄詳細的起點，*符合我們的整體系統(tǒng)需求。 我們使用的“基于CompactRIO的NI LabVIEW實時控制（RIO掃描接口）”項目范例模板包含了豐富的文檔，清晰地解釋了代碼的工作原理以及添加和修改功能的有用意見。

LabVIEW范例項目向?qū)Э蓭椭覀儎?chuàng)建全功能項目，其中包含了CompactRIO掃描引擎接口、實時應用程序、主機通訊和采樣監(jiān)測和控制用戶界面。 我們可在可擴展的文件夾結(jié)構(gòu)中清晰地組織所有代碼。 作為開發(fā)人員，我們切實體驗了LabVIEW具有的系統(tǒng)級集成功能帶來的率，我們知道我們所選擇的開發(fā)框架將使我們保持地位。

開發(fā)團隊以上述項目作為起點，定制和修改了模板項目，使其滿足應用的需求。 在項目的zui后，我們將模板擴展至CompactRIO系統(tǒng)，并在項目模板的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了許多附加功能。

集成平板電腦，無需跨平臺開發(fā)

客戶希望能開創(chuàng)全新的下一代學習體驗。 通過iOS和Android平板電腦監(jiān)測、控制過程控制系統(tǒng)并與之交互是該構(gòu)想的一個主要部分。 我們有信心實現(xiàn)這一構(gòu)想主要是由于用于LabVIEW的數(shù)據(jù)儀表板應用程序。

使用iOS上的這個免費應用程序，我們的工程師可以通過實時數(shù)據(jù)更新制作精美的學習頁面，所有數(shù)據(jù)均通過主機PC的NI共享變量接收。 通過利用LabVIEW中的Web服務(wù)支持和數(shù)據(jù)儀表板應用程序，我們能夠以zui小延遲顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)，且學生可以輸入他們的電子郵件地址，請求在每個實驗室操作后將記錄的數(shù)據(jù)通過電子郵件發(fā)送給他們。 由于在iOS上創(chuàng)建的儀表板無需任何修改即可與Android平板電腦*兼容，因此進一步加快了開發(fā)過程。

在項目完成后，我們成功地將iOS設(shè)備連接至系統(tǒng)而無需進行任何跨平臺開發(fā)工作（圖5和圖6）。 平板電腦開發(fā)工具、設(shè)備和聘請專門應用程序開發(fā)人員所需的成本基本上要達數(shù)萬美元。 但是借助數(shù)據(jù)儀表板應用程序，我們節(jié)省了大量的開發(fā)時間和工作。

結(jié)論

幫學生學習和體驗工業(yè)系統(tǒng)的未來需要一個明確的理念和合適的工具。 NI硬件和軟件提供了所需的工具來幫助我們以zui大效率和效益滿足這些需求。