自动化实训实验室的建设与实践

徐银梅, 李　擎, 董　洁, 阎　群, 崔家瑞

(北京科技大学 自动化学院, 北京　100083)



自动化实训实验室的建设与实践

徐银梅, 李擎, 董洁, 阎群, 崔家瑞

(北京科技大学 自动化学院, 北京100083)

为了满足CDIO人才培养模式和“卓越工程师教育培养计划”对培养学生工程实践能力的要求,研发了自动化生产线实训平台,建成自动化实训实验室。实训设备以实际工业系统为原型,涵盖完整的自动化工厂实训系统。依托自动化实训实验室,开设自动化生产线实训课程,应用主动式教学理念,以学生为主体、以工业过程项目设计流程为依据,兼顾学生综合素质的培养,可以有效地培养学生的工程实践能力、设计能力、工程管理能力和创新能力。该实验室建设具有一定的先进性和通用性。

工程教育； 自动化实训； 项目驱动； 主动式教学

北京科技大学自动化专业是教育部CDIO国家级特色专业,也是全校“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)6个专业之一。CDIO代表构思、设计、实现和运作,它以产品从构思研发到运行的全生命过程为载体,培养学生的工程能力,包括个人的工程科学和技术知识,学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统调控等方面的能力[1-3]。“卓越计划”重在激发学生学习实践潜能与兴趣,加强学生工程意识的培养,提升学生工程素养,培养学生工程实践能力、工程设计能力、工程管理能力和创新能力,同时尊重学生个性发展。实施“卓越计划”和CDIO工程教育模式的根本都是在于对学生的工程实践能力和创新能力的培养,二者在学生培养目标上是一致的,都是培养合格的工程型人才[4-7]。

为了有效实施“卓越计划”,结合自动化专业CDIO培养模式,我校建成自动化实训实验室,自主研发了自动化生产线实训平台。该平台以实际工业系统为原型,涵盖完整的自动化工厂实训系统,包括过程控制、运动控制和制造自动化的多个行业系统,以及先进工厂的集成网络和集成信息系统,可开展包含本专业主要核心课程和能力要求的项目,完整地、前后衔接地贯穿于整个本科教学阶段,使学生得到构思、设计、实现、运作的系统训练,培养学生的工程实践能力、工程设计能力、工程管理能力和创新能力。

1　自动化实训实验室系统架构

自动化实训实验室建设涉及自动控制理论、过程控制、运动控制、计算机控制、控制网络技术等相关的行业系统以及集成网络和信息系统等内容,系统架构如图1所示。

图1　自动化实训实验室系统架构

1.1行业对象系统

行业对象系统包括：1套多热工参量控制实训系统(带PROFIBUSDP现场总线)；9套三容水箱过程控制实训系统；1套钢铁行业废水处理系统；8套磁粉制动交流电机控制系统；3套伺服驱动平面倒立摆控制系统；2套乒乓球气流控制系统；多质量弹性扭矩系统、金属板材张力测量和控制系统、七站柔性制造系统、机器人视觉伺服控制系统各1套。

张力控制系统描述了钢铁领域的轧机控制系统；多热工参量控制系统描述了化工领域的锅炉热工参数控制系统；柔性制造系统描述了工业装配一体化系统；钢铁行业废水处理系统描述了钢铁生产过程中废水处理的混凝—沉淀—过滤—杀菌工艺过程。通过各个系统的学习,学生可以快速了解典型工业过程。

1.2集成网络和信息安全系统

系统模拟工厂网络包括6台交换机(3台用于环网的以太网交换机,3台用于冗余的以太网交换机)；6台路由器；1台具有路由功能的VPN防火墙设备；视频服务器及集成监控软件系统。

1.3集成企业信息系统(MIS、ERP)

MIS工厂实时信息系统是一个演示性的信息系统,它通过服务器程序从组态软件中收集相应的信息,为工厂级网络中的销售、财务、采购、经理提供实时的生产信息,以使得他们能够对自己所应该负责的各种计划、监测和控制活动等做出及时、有效的决策。相对组态软件运行的软件系统负责监控生产过程,而该系统针对的是高层管理信息,可以实现Web远程监控。

ERP是一个演示性的资源管理系统。按照现代化工厂信息管理系统的典型模式,设置“总裁”、“技术总监”、“财务总监”和“市场总监”4个管理工作站,模拟现代化工厂信息管理系统。

2　自动化实训实验室实验课程设置

自动化实训平台采用模块化思想设计,可根据需要由各个基本单元搭建成基础实训模块和综合实训模块[8],基础模块主要完成小型自动化系统的实训,主要包括小型过程控制系统、热工参数实训系统和交流调速系统,基于基础模块开设的课程“控制系统设计与实现”要求学生自主设计小型控制系统,并集成到该平台中。

综合实训模块是在基础实训模块的基础上“结合真实现场项目需求”,可对应于实际工业现场的中型控制系统。该部分对学生要求较高,除了能够完成相关的功能设计还需要重点考虑系统的异常处理和系统的健壮性。基于综合模块开设了“自动化生产线实训”课程,实训过程模拟了复杂工程问题的解决流程,在这一过程中,学生要利用具有的数学、自然科学和工程知识,综合分析获得被控对象模型,并选择适当控制算法,通过系统调试验证、解决实际工程问题。

组成各个模块的基本单元,可作为专业课配套实验设备使用,如多热工参量控制系统的传感器单元,可以作为测控技术与仪器专业、自动化专业“现代传感器技术”课程的部分传感器实验设备使用；三容水箱过程控制系统的组态软件部分可以作为自动化专业“工业组态软件设计”的实验系统使用；磁粉制动和交流电机控制系统既可以作为“可编程序控制器”课程的实验设备使用，又可以作为“电机及其运动控制”课程的实验设备使用。

目前自动化实训实验室实验开设的实验课程如表1所示。

表1　自动化实训实验室已开设的实验项目

3　项目驱动型自动化生产线实训教学案例

为了满足CDIO人才培养模式和“卓越计划”对培养学生工程实践能力的要求,依托自动化实训平台,自动化专业本科开设了自动化生产线实训课程。实训采用项目驱动的方式,引入主动式教学理念[9-10],以学生为主体,教师为主导,在实训过程中,将学生定位为“工程师”,教师提出具体的项目需求,由学生进行项目的分析与设计,完成教师提出的项目需求的解决方案,并完成项目的实施与调试。教师在学生设计和调试过程中给予技术支持与指导,针对学生因工程经验不足产生的问题进行引导,调试结束时针对学生存在的问题进行项目总结。通过项目进程中一步一步引导学生针对具体的项目问题进行项目需求分析、项目总体方案设计、项目详细方案设计,并总结解决问题的思路和方法,可以有效地培养学生分析、提出方案并解决工程实际问题的能力及产品开发、设计、技术改造与创新的能力。

下面以自动化生产线实训——多容水箱液位控制系统设计与实现为例，说明如何培养学生解决复杂工程问题的能力。

多容水箱是较为典型的非线性、强耦合、时延对象,工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成多容水箱的数学模型,具有很强的代表性。多容水箱的数学建模及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义,例如工业锅炉、结晶器液位控制等[11-12]。

针对这一具有复杂特性和一定工程背景的实验,要求学生深入分析多容水箱系统的流体动力学特性,根据多容水箱液位控制精度的要求,选择合适的检测装置和执行机构,应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,利用机理模型来表达多容水箱系统模型；之后设计高精度液位控制系统,包括控制系统选型、设计开发满足需要的控制算法,并在设计中体现系统安全性,确保达到快速、准确、稳定控制水箱水位的目的。

实训项目要求控制指标为：衰减比为4∶1～10∶1、超调量Mp<5%、调节时间Ts<45s、稳态误差<1cm。在实验中要求学生针对机理模型参数辨识与控制算法及其参数整定设计合理实验,并分析和解释多容水箱系统的过程数据,通过信息综合得到相应结论；要求学生查阅文献掌握多容水箱系统建模相关知识,并在建模基础上利用仿真工具(如Matlab)进行多容水箱的模拟与仿真,从而为大滞后复杂对象的预测控制积累相应知识；要求学生查阅文献,掌握实际工程中多容水箱系统模型的具体应用,并说明多容水箱安全系统设计与选型中应该考虑的相关因素,从而了解该系统解决方案可能对社会、健康、安全等的影响。

多容水箱液位控制系统设计与实现的项目流程如图2所示。

图2　水箱液位控制系统设计与实现实训项目流程

实训课程中学生以项目组的形式开展项目研究,项目组包括负责人和组员,按照各自身份参与项目实施,轮换项目负责人和组员身份,保证每个学生都参与过负责人的角色,注重学生个人能力和团队协作能力的培养。

实训课程要求学生按实际工程项目方案形式撰写报告,要求工程方案设计主要内容包括：系统分析、控制系统的设计、系统组成、工程实施方案(包括控制方案组态及仿真测试、响应曲线及性能分析等)。

这种实训过程实际上就是模拟了复杂工程问题的解决流程,学生通过实训课程的训练,不仅了解了工业生产工艺流程,提升了专业认同感,而且培养了学生的工程基础知识、动手实践能力、团队合作能力和工程系统设计能力。

4　建设成果

2015年,基于自动化实训实验室的建设,“自动化生产线实训平台研制”项目获校实验技术成果特等奖。实验室的建设成果主要表现在以下几方面：

(1) 本科生教学。该实验室经过近2年的实践教学检验,不断改进和完善,已在自动化专业11级和12级本科生的专业必修课“自动化生产线实训”及智能科学与技术专业12级和13级“控制系统设计与实现”课程中使用2个学年。经过2个学年的运行,实训效果明显。同时为相关专业课程开设实验。2年来实验室的实验人时数合计近17 000,本科生20余人利用自动化实训平台进行毕业设计。

(2) 本科生学科竞赛。通过该课程的学习,培养了学生的学习兴趣和创新能力,为学生参加学科竞赛提供了基础条件和实训基地,在2013年和2015年的全国大学生相关竞赛中,取得了多项奖励。2013 至2015年全国大学生“西门子杯”工业自动化挑战赛,共获得全国特等奖2项、一等奖1项、二等奖4项,华北区一等奖7项、二等奖5项。2014年英特尔杯大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题邀请赛,获全国三等奖2项。

(3) 研究生和教师科研。为了有效发挥该实验室的效益,学院实施了实验室开放政策,研究生和教师可以利用该平台进行相关的学术研究。基于该平台,已发表SCI检索、EI检索及中文核心期刊论文6篇。

(4) 教材编写。基于该平台,申请了我校2014年度校级“十二五”规划教材卓越计划项目“工业自动化控制系统实训教程”,并获得资助。

(5) 接待参观。接待国内外包括法国图尔工程师学院、德国工程师协会、日本高知县立大学、台湾科技大学、河北工业大学、黑龙江大学和北方工业大学在内的10余所大学和机构参观考察。

5　结语

自动化实训实验室的建成,强化了教学体系当中的工程实践应用环节,使学生学会应用所学理论知识解决实际工程问题,并深入了解典型工业自动化生产线工艺流程,为自动化专业的相关专业课程、课程设计及毕业设计提供相应的训练环节,通过项目驱动型主动教学方式的自动化实训环节,有效地培养了学生的工程实践能力及创新能力。

References)

[1] 康全礼,陆小华,熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报,2008,31(4):15-18.

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[12] 鲁照权,方敏.过程控制系统[M].北京：北京机械工业出版社,2014.

Constructionandimplementationofautomationtraininglaboratory

XuYinmei,LiQing,DongJie,YanQun,CuiJiarui

(SchoolofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

InordertomeettherequirementofCDIOmodeofteachingandthe“ExcellentEngineerEducationandTrainingProgram”tocultivatethestudentsengineeringpracticeability,thisarticleresearchesanddevelopstheautomationproductionlinetrainingplatform,andconstructstheautomationtraininglaboratory.Theprototypeoftrainingequipmentistheactualindustrialsystem,coveringcompleteautomaticplanttrainingsystem.Automaticproductionlinetrainingcoursesapplyactiveteachingmethod,takingstudentsasthemainbody,basedonthestudents’comprehensivequalityoftraining,toeffectivelycultivatestudents’engineeringpracticeability,designability,engineeringmanagementabilityandinnovationability.Theconstructionofthelaboratoryhascertainadvancementanduniversality.

engineeringeducation;automationtraining;project-driven;activeteaching

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.064

2016- 01- 27修改日期：2016- 02- 29

北京市高等学校教育教学改革面上项目(2014-ms028)；北京科技大学教育教学改革与研究重点项目(JG2015Z09)

徐银梅(1969—),女,河北迁西,硕士,工程师,研究方向为控制理论与控制工程.

E-mail：xym_wym@sina.com

G482

B

1002-4956(2016)5- 0240- 05