李 鵬， 陳 勇， 任文平， 苗愛敏， 蒙文強(qiáng)， 劉 吟

(1.云南大學(xué) a.信息學(xué)院， b.電子信息技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,昆明 650504；2.西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030)

0 引 言

自動(dòng)化技術(shù)已在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空航天、武器裝備及服務(wù)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了不斷的發(fā)展，自動(dòng)化類課程已成為大多數(shù)高校電子信息類專業(yè)本科生培養(yǎng)計(jì)劃中必不可少的內(nèi)容。該類課程除了需要學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力，這也是高等教育培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才之所需。

國內(nèi)不少高校在自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面投入了大量的資金進(jìn)行建設(shè)，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)力度，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新性且工程能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行了不斷的探索。劉中等[1]提出了加大自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重的方案；楊欣等[2]對(duì)自動(dòng)化類課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶拖到y(tǒng)進(jìn)行了充實(shí)和提高，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)及不同工程專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)；趙亦欣等[3]提出了基于建構(gòu)主義理論的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索新方法和新思路；朱濤等[4]開發(fā)了仿真與原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的靈活切換。

但對(duì)于尚未開設(shè)自動(dòng)化專業(yè)的地方綜合性大學(xué),由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的起步條件、資金投入及其他客觀因素所限,因此如何提升自動(dòng)化類課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容體系,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,成為值得探索的問題。本文以云南大學(xué)為例，重點(diǎn)分析了包括云南在內(nèi)的國內(nèi)高校自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容體系存在的不足，提出了自主集成及研發(fā)半實(shí)物混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案和由淺入深、符合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展潮流的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教改方案，提升了云南大學(xué)自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程性及前瞻性，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率及潛力。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容體系現(xiàn)狀

我校作為地方綜合性重點(diǎn)大學(xué),雖尚未設(shè)立自動(dòng)化本科專業(yè)，但自上世紀(jì)90年代以來，在相關(guān)的電子信息本科專業(yè)以及控制科學(xué)與工程研究生專業(yè)中，逐步開設(shè)了自動(dòng)控制原理(本科)、可編程控制器技術(shù)(本科)、控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)(本科)、現(xiàn)代控制理論(研究生)、現(xiàn)代控制系統(tǒng)(研究生)以及控制工程綜合與實(shí)踐(研究生)等多門自動(dòng)化類課程，并于2013年9月與上海西門子工業(yè)自動(dòng)化有限公司聯(lián)合建立了“控制工程實(shí)驗(yàn)室”，即：“西門子—云南大學(xué)先進(jìn)控制技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。

該實(shí)驗(yàn)室擁有故障安全型自動(dòng)化控制系統(tǒng)、先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(雙軸)、高級(jí)過程控制系統(tǒng)(PCS7)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5套，以及18套S7-200系列PLC。并配套了高級(jí)型過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、普通型過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、四旋翼飛行仿真器、多級(jí)倒立擺、運(yùn)料小車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、可編程序控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象(見圖1)。

控制工程實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)體系內(nèi)容基本滿足了自動(dòng)化類專業(yè)核心課程和選修課程的實(shí)踐教學(xué)需求，也為控制科學(xué)與工程學(xué)科的相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)提供必要的平臺(tái)支撐，但還存在以下兩個(gè)方面的問題。

圖1 控制工程實(shí)驗(yàn)室課程體系及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重理論仿真，工程性不強(qiáng)。自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論及現(xiàn)代控制系統(tǒng)等課程知識(shí)面廣、內(nèi)容多、理論性強(qiáng)，控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)過程涉及到各種分析方法和復(fù)雜的計(jì)算模型，內(nèi)容比較抽象，教學(xué)過程中難以讓學(xué)生將理論所描述的系統(tǒng)與各種實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，極易造成理論與實(shí)際脫節(jié)，所以教學(xué)時(shí)必須輔以足夠的課程實(shí)驗(yàn)[5]。

在國內(nèi)各個(gè)高校，上述課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要偏重于理論仿真。大部分學(xué)校借助于Matlab仿真軟件并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，將控制理論分析及工程設(shè)計(jì)方法滲入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[6]；也有學(xué)校采用實(shí)驗(yàn)箱、Matlab和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation,EDA)仿真三者相結(jié)合的方法[7]；或是基于OrCAD-PSpice仿真軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)[8]；或是針對(duì)實(shí)驗(yàn)箱工程性不強(qiáng)的缺陷，設(shè)計(jì)了基于Simulink/RTWT的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]。

目前，信息學(xué)院自動(dòng)控制原理等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要側(cè)重于基于Matlab Simulink工具箱的虛擬仿真。當(dāng)然，對(duì)于以實(shí)踐教學(xué)為主的可編程控制器技術(shù)、控制工程綜合與實(shí)踐等課程，已逐步增加了基于實(shí)際控制系統(tǒng)及控制對(duì)象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但基本模式還處于“半實(shí)物仿真”的階段，離工程化的實(shí)驗(yàn)還差一步之遙。

而作為工科專業(yè)的本科生及研究生，上述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊皟?nèi)容已無法全面調(diào)動(dòng)他們的主動(dòng)性和積極性，不利于對(duì)他們創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率不夠，潛力尚未完全發(fā)揮。從實(shí)驗(yàn)開展的數(shù)量層面上看，控制工程實(shí)驗(yàn)室23套控制系統(tǒng)在春季及秋季兩個(gè)學(xué)期均向本科生和研究生開放使用，設(shè)備使用效率尚可。

但是，西門子的故障安全型自動(dòng)化控制系統(tǒng)、先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(雙軸)、高級(jí)過程控制系統(tǒng)(PCS7)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5套設(shè)備均為目前工業(yè)領(lǐng)域非常先進(jìn)的控制系統(tǒng)，它們?nèi)诤狭宋鏖T子全集成自動(dòng)化的先進(jìn)理念，也采用了西門子最先進(jìn)的控制技術(shù)。若開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以簡單的順序邏輯控制為主，則無法完全發(fā)揮上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備的潛力。

特別是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域已邁向了網(wǎng)絡(luò)化及智能化的工業(yè)4.0時(shí)代[10]，如何讓學(xué)生掌握和了解最先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，為我國的智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)合格的工程師，是自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)需改進(jìn)的方向。只有如此，才能極大地提高控制工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的實(shí)際利用率，滿足自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展潮流。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容體系提升方案

針對(duì)上述兩方面問題，對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系及平臺(tái)進(jìn)行研究、充實(shí)和提升，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程性為培養(yǎng)電子信息類本科學(xué)生以及控制科學(xué)與工程類研究生具備先進(jìn)控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及理論驗(yàn)證和能力創(chuàng)新，提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。具體方案及方法如下：

(1) 自主集成及研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高控制裝置的潛力。對(duì)于資金充裕的高校而言，直接購買控制系統(tǒng)和控制對(duì)象集成一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是省力省時(shí)的上佳選擇。但由于控制系統(tǒng)不是自主集成和研發(fā)的，因此一旦需要擴(kuò)展和提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及提高控制裝置的“潛力”，就會(huì)遇到極大的困難。

根據(jù)控制工程實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，已經(jīng)購置的23套西門子控制系統(tǒng)且基本滿足了順序邏輯控制的實(shí)驗(yàn)需求，但是復(fù)雜過程控制對(duì)象比較缺乏。此時(shí)若再添置集成了控制系統(tǒng)的復(fù)雜過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象，則會(huì)造成部分控制系統(tǒng)的閑置，且集成好的實(shí)驗(yàn)對(duì)象難于進(jìn)行二次開發(fā)，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的需求。

因此，本著節(jié)約成本與便于二次開發(fā)，選擇了自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案，如圖2所示。即：利用已購置的不含控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，包括諸如雙容水箱、運(yùn)料小車等簡單過程對(duì)象，以及帶加熱爐的三容水箱系統(tǒng)等復(fù)雜過程對(duì)象，利用現(xiàn)有的西門子S7-200、S7-300及PCS7控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，基于Kingview或Wincc,自主研發(fā)控制系統(tǒng)的人機(jī)接口軟件。

圖2 集成及研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

另一方面，還設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200/300PLC的半實(shí)物半仿真的混合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于西門子現(xiàn)場總線和PLC控制控制系統(tǒng)，結(jié)合KingView組態(tài)軟件以及Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)造了一個(gè)半實(shí)物、實(shí)際與虛擬相結(jié)合、涵蓋優(yōu)化層、監(jiān)控層及過程層的工業(yè)過程控制混合仿真平臺(tái)[11-12]。該平臺(tái)可針對(duì)鍋爐系統(tǒng)、精餾塔、加料機(jī)等過程虛擬對(duì)象，建立先進(jìn)過程控制(APC)控制策略模型，并基于以太網(wǎng)及OPC通信，實(shí)現(xiàn)控制器、虛擬對(duì)象、組態(tài)系統(tǒng)及優(yōu)化模型之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互傳。

圖3 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

上述兩方面的工作為自動(dòng)化類課程中開展復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的工程實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)基礎(chǔ)。

(2) 完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，由淺入深地提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。為了提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，制定了“簡單、復(fù)雜、智能、網(wǎng)絡(luò)化”4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如表1所示。

第1、2層次的簡單及復(fù)雜控制系統(tǒng)仿真與工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用經(jīng)典控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的能力，授課對(duì)象主要為電子信息類本科生；第3、4層次的智能及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真與工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代控制及智能控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的能力，授課對(duì)象主要為電子信息類卓越工程師班本科生以及控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生。

上述4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系安排，目的在于由淺入深地引導(dǎo)、提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。學(xué)生除了要完成基于Matlab的控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)外，還要基于運(yùn)料小車、加熱爐、多容液位系統(tǒng)等實(shí)際過程控制對(duì)象，循序漸進(jìn)地把簡單、復(fù)雜、智能及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的理論仿真結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng)中，從而在提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)也初步培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的能力。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系方案

3 結(jié) 語

如何提升自動(dòng)化類課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容體系，培養(yǎng)符合智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+國家發(fā)展戰(zhàn)略需求的工程師，是大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)值得探索的問題。本文以云南大學(xué)為例，分析了國內(nèi)高校特別是地方綜合性大學(xué)在自動(dòng)化類課程實(shí)驗(yàn)方面存在的不足；提出了自主集成及研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)裝置潛力的平臺(tái)建設(shè)解決方案；以及由淺入深的制定了“簡單、復(fù)雜、智能、網(wǎng)絡(luò)化”4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，在逐步提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的同時(shí)，也為培養(yǎng)具備智能、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)特征的專門人才進(jìn)行了初步的探索。