网络化过程控制实验室本科实验教学研究

蒋开明

(成都理工大学 核技术与自动化工程学院,成都 610059)

网络化过程控制实验室本科实验教学研究

蒋开明

(成都理工大学 核技术与自动化工程学院,成都 610059)

在电气工程及其自动化专业所涉课程中,过程控制是一门重要的专业课程,它基于“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“微机原理”、“自动控制理论”、“计算机控制系统”、“传感器与检测技术”等诸多专业基础课,它把过程控制理论和设备结合得相当紧密,应用范围非常广泛。因此,大学过程控制课程实验室是该课程异常重要的一环。我们在网络化过程控制实验室六年的教学实践中,通过不断改进教学方法,使实验教学更贴近生产实际,加强了学生工程实际应用操作技能的锻炼。

过程控制;网络化;实验;本科教育

一、引 言

在电气工程及其自动化专业所涉课程中,过程控制是一门重要的专业课程,它基于“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“微机原理”、“自动控制理论”、“计算机控制系统”、“传感器与检测技术”等诸多专业基础课,它把过程控制理论和设备结合得相当紧密,应用范围非常广泛,在电力、石油、化工、纺织、冶金、水处理等方面有大量的过程控制设备与系统[1]。因此,大学过程控制课程的实验室就成了异常重要的一环。然而,随着技术的发展,高校实验室中单一的、独立的设备运行方式有较大的局限,且验证性实验为主,与实际工程出入较大,不利于学生拓展思维。本文结合成都理工大学网络化过程控制实验室六年的教学实践,对新形势下过程控制实验教学如何强化学生实际动手能力的培养,突出学生的工程实际应用的锻炼进行了一些探讨,对实验室在管理过程中的一些问题进行了分析。

二、实验室的建设与现状

2004年,成都理工大学网络化过程控制实验室,在各方的努力下正式投入运行。主要硬件设备包括：四套三容水箱对象(含大滞后锅炉部份);研华远程 I/O控制模块;S7200 PLC模块;研华 ADAM 8000模块;AS3110 DCS系统;HP服务器;思科交换机;个人计算机30套,主要配备目标是满足一个班的实验需要。

应用软件包括：接口部分Adam U tility、Configuration U tility、Po rts M apping U tility;编程部分：STEP 7、SmartPro、Conmaker;监控部分：组态王、FacView。

过程控制实验室建设的重点是在网络数据的共享上。在设备控制层,以不同接口、不同类型的控制器为中心,对对象的各种基础数据如温度、压力、流量、液位进行采集、处理后控制变频器或电动调节阀,同时控制器将数据上传、接收来自上位机的信息。在过程管理层,采用标准 100M bp s以太网(TCP/IP协议),学生各居其终端,对来自现场数据进行监视(OPC方式),并可对参数进行修改。

图1为成都理工大学过程控制实验室网络拓扑图。在网络拓扑图中,实验对象通过网关接入局域网。本科学生以I/O控制模块;S7200PLC控制模块进行实验为主。

图1 成都理工大学过程控制实验室网络拓扑图

三、改革实验教学内容,实施网络化教学

1.充分利用网络,实施网络化教学

在高校多数课程实验教学中,通常把学生分为2～4人一组进行实验,但过程控制实验对象投资大,占地广,就我国目前大学的状况,要实现这样的要求是很不现实的事情,实际调查结果确实如此。如果增加同一实验的次数,这又势必加重了老师的负担,同时对课程统筹安排产生较大影响。唯有采用网络化方式能够化解这个矛盾,我们的做法是：把四个过程控制的实验对象的每个网关作为网络节点,7～8台计算机作为一组,通过OPC方式共享数据,每台计算机均可修改参数设置。

2.参数的设定更加准确

作为重要的专业实验室,对于经典控制理论在实际对象中的实现及控制,是本科实验教育中的重点,由于精确的数学模型与实际对象的差异,所以必须依靠经验和现场调试来确定参数,如果控制参数选择的不好,那么每个实验有可能要很长时间都不能完成。由于学生的实际经验有限,这就要求授课老师必须亲历亲为,把相关最佳参数做到心里有数,实验中给出一个大至范围,结合调节口诀,这样就避免学生乱打乱撞,既节省了时间,又会收到较好的实验效果。

3.网络化实验使控制对象的手段更具有有多样性

贴近生产实际,在网内的任一台计算机的组态界面上,都能实时反映对象的运行状态,而控制对象的手段有多种可用方法,它与单一的、独立的实验方式产生的效果是截然不同的。这也正是现代工业控制技术的现状和发展方向。学生通过实验室的锻炼,一般毕业后能够很快与社会接轨,用人单位普遍反映我们培养的学生基础理论扎实 ,专业面宽 ,对专业的核心知识掌握牢固 ,并具有创新精神 ,创新能力与工程实践能力。

四、网络化过程控制实验室有效的培养了学生的创新能力

1.网络化过程控制实验室作为全国自动化系统工程师(ASEA)认证点的支柱实验室,发挥了巨大作用

本专业是全国自动化系统工程师(ASEA)认证点。学生在完成本科学习的基础上,通过考试还可得到全国助理ASEA的认证资格,在就业、继续深造、业务水平提高方面占有一定的优势。网络化过程控制实验室作为认证点的支柱实验室,发挥了巨大作用,其围绕设备所构建的实践操作试题库,既满足实际工程需要,又具有一定的理论高度,截止到目前,已有220人通过该实验室的认证考试。

2.网络化过程控制实验室是大学生科技创新活动的孵化器

网络化过程控制实验室是大学生科技创新活动的孵化器,它的完整工业控制的过程对象和控制算法使部分学生在完成课程实验外,有兴趣进一步研究相关问题,每年都有一批同学获得不同级别的奖励。

3.网络化过程控制实验室使学生的理论知识与实践得到了更好的结合

由于网络化过程控制实验室具备各种组态软件与西门子S7系列的PLC,因此,我们在PLC课程设计、自动控制原理课程设计的内容上,增加了与实际工程相结合的题目。对于这样的题目,同学们刚开始往往不知如何下手,如开关量可以自己用钮子开关解决,但没有模拟量的输入,可以提示他,模拟量就是一个4～20m A的数值,在实验对象上有多个这样的量,抛开具体对象,这样的量可以作为设计的模拟量值,例如：三容水箱的液位检测传感器可以模拟替带任何模拟量的输入。同学们通过这样的课程设计,感觉书变活了,理论知识有了依托。

4.加强了学生的动手能力

学生在之前的绝大多数实验中,都是采用计算机的COM 1口和实验对象串口直接连接,一般不用调试,如单片机实验、自动控制原理实验和 PLC实验等,但是,在网络化过程控制实验室,假若要对以PLC作为控制器进行程序下载,就必须对网关进行设置,在计算机上建立映射端口,同时在编程软件上修改通讯设置后,才能成功。学生因此获得的解决问题的经验终身受益。

五、实验管理中存在的问题

我校网络化过程控制实验室肩负多门电气工程及其自动化专业本科课程的实验及课程设计任务,在实验室任务饱满的同时,也存在管理上的一些问题。

1.电脑病毒防不胜防

病毒防范,部分课程需要通过局域网与教育网甚至广域网连接,所以电脑中病毒的可能性大大增加,虽然我们在硬件和软件上作了多重保护,如分区保护、防病毒软件、小哨兵还原卡等,但电脑中病毒的情况仍时有发生,这就要求老师注意巡查,即时加强对电脑的防护。

2.实验室人员的学历层次与知识能力有待提高

由于实验对象的接口设计与实际工程中灵活多变的接口解决方案相似,不同的实验,需要不同的连接方法,这就要求实验室人员不仅要有扎实的控制理论知识还要有很强的动手能力,遗憾的是,由于各种原因,造成实验室人员在学历层次、知识能力等方面都不适应实验室的建设与发展的状态[2]。例如,实验室上午有计算机网络课程实验,下午是过程控制实验,由于过程控制对象的网关设置为固定IP,假如不把计算机的IP地址设为相同地址段,那么实验就没法开展,更不用说象端口映射、组态设置等。

3.学生的不规范操作

有令不行,有禁不止,虽然在课前都提示学生按操作规程实验,但部分学生仍然以自我为中心,根本不仔细阅读,等到做实验后,老师就成了消防员。譬如,当以PLC作为控制器进行过程控制实验时,需要根据实验内容,下载不同程序,如果忽略这个过程,那结果可想而知。即使是老师也要分析很久才会找出症结。

六、结语

以成都理工大学网络化过程控制实验室为例,探讨在本科实验教学中,如何强化对学生实际动手能力的培养,以及突出对学生工程实际应用的操作技能锻炼,同时对网络化过程控制实验室在教学管理中存在的问题也进行了分析,希望能为后续学校在对网络化过程控制实验室建设、教学和管理中起到抛砖引玉的效果,从而更好的发挥网络化过程控制实验室的作用。

[1]赵贤林.关于过程控制实验室的建设和管理[J].实验室研究与探索,2005,24.

[2]张培建,吴建国.人才培养、科学研究、服务社会[J].电气电子教学学报,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

蒋开明(1965-),男,重庆丰都人,工程师,研究方向为自动化系统与可靠性、信息处理技术。

韩冬苗)