蔣開(kāi)明

(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,成都 610059)

網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

蔣開(kāi)明

(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,成都 610059)

在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)所涉課程中,過(guò)程控制是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程,它基于“電路”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“微機(jī)原理”、“自動(dòng)控制理論”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”、“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”等諸多專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,它把過(guò)程控制理論和設(shè)備結(jié)合得相當(dāng)緊密,應(yīng)用范圍非常廣泛。因此,大學(xué)過(guò)程控制課程實(shí)驗(yàn)室是該課程異常重要的一環(huán)。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室六年的教學(xué)實(shí)踐中,通過(guò)不斷改進(jìn)教學(xué)方法,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近生產(chǎn)實(shí)際,加強(qiáng)了學(xué)生工程實(shí)際應(yīng)用操作技能的鍛煉。

過(guò)程控制;網(wǎng)絡(luò)化;實(shí)驗(yàn);本科教育

一、引 言

在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)所涉課程中,過(guò)程控制是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程,它基于“電路”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“微機(jī)原理”、“自動(dòng)控制理論”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”、“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”等諸多專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,它把過(guò)程控制理論和設(shè)備結(jié)合得相當(dāng)緊密,應(yīng)用范圍非常廣泛,在電力、石油、化工、紡織、冶金、水處理等方面有大量的過(guò)程控制設(shè)備與系統(tǒng)[1]。因此,大學(xué)過(guò)程控制課程的實(shí)驗(yàn)室就成了異常重要的一環(huán)。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,高校實(shí)驗(yàn)室中單一的、獨(dú)立的設(shè)備運(yùn)行方式有較大的局限,且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,與實(shí)際工程出入較大,不利于學(xué)生拓展思維。本文結(jié)合成都理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室六年的教學(xué)實(shí)踐,對(duì)新形勢(shì)下過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng),突出學(xué)生的工程實(shí)際應(yīng)用的鍛煉進(jìn)行了一些探討,對(duì)實(shí)驗(yàn)室在管理過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析。

二、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與現(xiàn)狀

2004年,成都理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室,在各方的努力下正式投入運(yùn)行。主要硬件設(shè)備包括：四套三容水箱對(duì)象(含大滯后鍋爐部份);研華遠(yuǎn)程 I/O控制模塊;S7200 PLC模塊;研華 ADAM 8000模塊;AS3110 DCS系統(tǒng);HP服務(wù)器;思科交換機(jī);個(gè)人計(jì)算機(jī)30套,主要配備目標(biāo)是滿(mǎn)足一個(gè)班的實(shí)驗(yàn)需要。

應(yīng)用軟件包括：接口部分Adam U tility、Configuration U tility、Po rts M apping U tility;編程部分：STEP 7、SmartPro、Conmaker;監(jiān)控部分：組態(tài)王、FacView。

過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享上。在設(shè)備控制層,以不同接口、不同類(lèi)型的控制器為中心,對(duì)對(duì)象的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如溫度、壓力、流量、液位進(jìn)行采集、處理后控制變頻器或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,同時(shí)控制器將數(shù)據(jù)上傳、接收來(lái)自上位機(jī)的信息。在過(guò)程管理層,采用標(biāo)準(zhǔn) 100M bp s以太網(wǎng)(TCP/IP協(xié)議),學(xué)生各居其終端,對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視(OPC方式),并可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。

圖1為成都理工大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)。本科學(xué)生以I/O控制模塊;S7200PLC控制模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)為主。

圖1 成都理工大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

三、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)

1.充分利用網(wǎng)絡(luò),實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)

在高校多數(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通常把學(xué)生分為2～4人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象投資大,占地廣,就我國(guó)目前大學(xué)的狀況,要實(shí)現(xiàn)這樣的要求是很不現(xiàn)實(shí)的事情,實(shí)際調(diào)查結(jié)果確實(shí)如此。如果增加同一實(shí)驗(yàn)的次數(shù),這又勢(shì)必加重了老師的負(fù)擔(dān),同時(shí)對(duì)課程統(tǒng)籌安排產(chǎn)生較大影響。唯有采用網(wǎng)絡(luò)化方式能夠化解這個(gè)矛盾,我們的做法是：把四個(gè)過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的每個(gè)網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),7～8臺(tái)計(jì)算機(jī)作為一組,通過(guò)OPC方式共享數(shù)據(jù),每臺(tái)計(jì)算機(jī)均可修改參數(shù)設(shè)置。

2.參數(shù)的設(shè)定更加準(zhǔn)確

作為重要的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)于經(jīng)典控制理論在實(shí)際對(duì)象中的實(shí)現(xiàn)及控制,是本科實(shí)驗(yàn)教育中的重點(diǎn),由于精確的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際對(duì)象的差異,所以必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定參數(shù),如果控制參數(shù)選擇的不好,那么每個(gè)實(shí)驗(yàn)有可能要很長(zhǎng)時(shí)間都不能完成。由于學(xué)生的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)有限,這就要求授課老師必須親歷親為,把相關(guān)最佳參數(shù)做到心里有數(shù),實(shí)驗(yàn)中給出一個(gè)大至范圍,結(jié)合調(diào)節(jié)口訣,這樣就避免學(xué)生亂打亂撞,既節(jié)省了時(shí)間,又會(huì)收到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)使控制對(duì)象的手段更具有有多樣性

貼近生產(chǎn)實(shí)際,在網(wǎng)內(nèi)的任一臺(tái)計(jì)算機(jī)的組態(tài)界面上,都能實(shí)時(shí)反映對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài),而控制對(duì)象的手段有多種可用方法,它與單一的、獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方式產(chǎn)生的效果是截然不同的。這也正是現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的鍛煉,一般畢業(yè)后能夠很快與社會(huì)接軌,用人單位普遍反映我們培養(yǎng)的學(xué)生基礎(chǔ)理論扎實(shí) ,專(zhuān)業(yè)面寬 ,對(duì)專(zhuān)業(yè)的核心知識(shí)掌握牢固 ,并具有創(chuàng)新精神 ,創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力。

四、網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室有效的培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力

1.網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室作為全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師(ASEA)認(rèn)證點(diǎn)的支柱實(shí)驗(yàn)室,發(fā)揮了巨大作用

本專(zhuān)業(yè)是全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師(ASEA)認(rèn)證點(diǎn)。學(xué)生在完成本科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,通過(guò)考試還可得到全國(guó)助理ASEA的認(rèn)證資格,在就業(yè)、繼續(xù)深造、業(yè)務(wù)水平提高方面占有一定的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室作為認(rèn)證點(diǎn)的支柱實(shí)驗(yàn)室,發(fā)揮了巨大作用,其圍繞設(shè)備所構(gòu)建的實(shí)踐操作試題庫(kù),既滿(mǎn)足實(shí)際工程需要,又具有一定的理論高度,截止到目前,已有220人通過(guò)該實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證考試。

2.網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的孵化器

網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的孵化器,它的完整工業(yè)控制的過(guò)程對(duì)象和控制算法使部分學(xué)生在完成課程實(shí)驗(yàn)外,有興趣進(jìn)一步研究相關(guān)問(wèn)題,每年都有一批同學(xué)獲得不同級(jí)別的獎(jiǎng)勵(lì)。

3.網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室使學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐得到了更好的結(jié)合

由于網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室具備各種組態(tài)軟件與西門(mén)子S7系列的PLC,因此,我們?cè)赑LC課程設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容上,增加了與實(shí)際工程相結(jié)合的題目。對(duì)于這樣的題目,同學(xué)們剛開(kāi)始往往不知如何下手,如開(kāi)關(guān)量可以自己用鈕子開(kāi)關(guān)解決,但沒(méi)有模擬量的輸入,可以提示他,模擬量就是一個(gè)4～20m A的數(shù)值,在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上有多個(gè)這樣的量,拋開(kāi)具體對(duì)象,這樣的量可以作為設(shè)計(jì)的模擬量值,例如：三容水箱的液位檢測(cè)傳感器可以模擬替帶任何模擬量的輸入。同學(xué)們通過(guò)這樣的課程設(shè)計(jì),感覺(jué)書(shū)變活了,理論知識(shí)有了依托。

4.加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力

學(xué)生在之前的絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中,都是采用計(jì)算機(jī)的COM 1口和實(shí)驗(yàn)對(duì)象串口直接連接,一般不用調(diào)試,如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)和 PLC實(shí)驗(yàn)等,但是,在網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室,假若要對(duì)以PLC作為控制器進(jìn)行程序下載,就必須對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)置,在計(jì)算機(jī)上建立映射端口,同時(shí)在編程軟件上修改通訊設(shè)置后,才能成功。學(xué)生因此獲得的解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)終身受益。

五、實(shí)驗(yàn)管理中存在的問(wèn)題

我校網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室肩負(fù)多門(mén)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科課程的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)任務(wù),在實(shí)驗(yàn)室任務(wù)飽滿(mǎn)的同時(shí),也存在管理上的一些問(wèn)題。

1.電腦病毒防不勝防

病毒防范,部分課程需要通過(guò)局域網(wǎng)與教育網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)連接,所以電腦中病毒的可能性大大增加,雖然我們?cè)谟布蛙浖献髁硕嘀乇Ｗo(hù),如分區(qū)保護(hù)、防病毒軟件、小哨兵還原卡等,但電腦中病毒的情況仍時(shí)有發(fā)生,這就要求老師注意巡查,即時(shí)加強(qiáng)對(duì)電腦的防護(hù)。

2.實(shí)驗(yàn)室人員的學(xué)歷層次與知識(shí)能力有待提高

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的接口設(shè)計(jì)與實(shí)際工程中靈活多變的接口解決方案相似,不同的實(shí)驗(yàn),需要不同的連接方法,這就要求實(shí)驗(yàn)室人員不僅要有扎實(shí)的控制理論知識(shí)還要有很強(qiáng)的動(dòng)手能力,遺憾的是,由于各種原因,造成實(shí)驗(yàn)室人員在學(xué)歷層次、知識(shí)能力等方面都不適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展的狀態(tài)[2]。例如,實(shí)驗(yàn)室上午有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn),下午是過(guò)程控制實(shí)驗(yàn),由于過(guò)程控制對(duì)象的網(wǎng)關(guān)設(shè)置為固定IP,假如不把計(jì)算機(jī)的IP地址設(shè)為相同地址段,那么實(shí)驗(yàn)就沒(méi)法開(kāi)展,更不用說(shuō)象端口映射、組態(tài)設(shè)置等。

3.學(xué)生的不規(guī)范操作

有令不行,有禁不止,雖然在課前都提示學(xué)生按操作規(guī)程實(shí)驗(yàn),但部分學(xué)生仍然以自我為中心,根本不仔細(xì)閱讀,等到做實(shí)驗(yàn)后,老師就成了消防員。譬如,當(dāng)以PLC作為控制器進(jìn)行過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)時(shí),需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,下載不同程序,如果忽略這個(gè)過(guò)程,那結(jié)果可想而知。即使是老師也要分析很久才會(huì)找出癥結(jié)。

六、結(jié)語(yǔ)

以成都理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室為例,探討在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,如何強(qiáng)化對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng),以及突出對(duì)學(xué)生工程實(shí)際應(yīng)用的操作技能鍛煉,同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)管理中存在的問(wèn)題也進(jìn)行了分析,希望能為后續(xù)學(xué)校在對(duì)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)和管理中起到拋磚引玉的效果,從而更好的發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的作用。

[1]趙賢林.關(guān)于過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24.

[2]張培建,吳建國(guó).人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、服務(wù)社會(huì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(5).

On Network Process Control Laboratory of Experimental Teaching

JIANG Kai-m ing
(School of Nuclear Technology and Automation,Chengdu Univercity of Technology,Chengdu 610059,China)

Process Control Laboratory of the University of network construction,the actual development of p roduction to meet demand.The paper by Chengdu University of Technology network Process Control Laborato ry in teaching p ractice in undergraduate education,to the new situation,p rocess control and managementof experimental teachingmethodswere discussed.

p rocess control;netwo rk;experiment;Undergraduate Education

G642.423

A

1672-0539(2010)04-095-03

2010-08-10

蔣開(kāi)明(1965-),男,重慶豐都人,工程師,研究方向?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)與可靠性、信息處理技術(shù)。

韓冬苗)