创建综合实验平台 培养新型控制人才

陈卫红, 马士腾, 邓晓刚, 刘 宝

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

创建综合实验平台 培养新型控制人才

陈卫红, 马士腾, 邓晓刚, 刘 宝

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

创建一个符合现代工业标准的综合过程控制的实验平台,让与控制类相关专业的学生更好地熟悉、了解、掌握、应用先进的自动控制系统,结合实验平台调整了原部分实践教学环节内容,全方位、多角度培养学生工程实践能力。通过几年实践表明,学生的工程实践能力得到了提高,达到了较为理想的预期效果。

实践教学； 控制系统； 综合实验平台； 工程实践能力； 教学改革

当今,无论是经济转型升级建设创新型国家,还是社会和谐可持续发展,都离不开科学技术,离不开与经济和应用最接近的工程科技。我们目前面临的实际情况是:在创新性工程科技人才成为未来10年战略需求的大背景下,现有的人才培养模式单一,大学工科教育的工程性缺失,实践环节薄弱,学生创新训练不足[1]。虽然目前我国工程科技人员数量位居世界第一,但创新性不够。

过程控制课程是高等学校控制类专业的一门重要的专业课程,是衔接控制理论与生产实践相结合的课程。随着该学科的逐步发展, 为了更好地完成过程控制课程的教学任务, 国内许多高等学校纷纷投资建立或改造原有的过程控制实验室, 用以支持该学科的教学和科研工作, 促进本校该学科的发展。我校过程控制系统实验室以学校办学结构调整为契机,以全新理念重建,在建设的过程中重点考虑创建一个综合性过程控制平台,在完成过程控制课程实验教学的同时,还要兼顾到其他相关课程的实验教学(主要是改善这些课程的实验效果),并且还要为专题实验、毕业设计、开放训练、科研工作等提供支持；在发挥最大潜能的同时,还要上规模、上水平,力争成为多功能的工业自动化实践教学基地,进一步提高学生的综合创新能力。本文将就建设过程相关问题进行探讨。

1 综合实验平台设计与规划

1.1 设计综合实验平台的目的

高等工程教育具有其基本特征和定位: 培养目标是具有科学基础人文精神和全球视野的工程科技人才,虽然强调工程实践能力,但不是与市场完全对接的实用主义。工程教育的改革更重要的是要改革目前同生产脱节的人才培养模式[2-3],注重动手能力的训练。这种训练与培养的重点就是不能脱离实际、封闭自我教育，学生的实践环节一定要与专业所对应的当前的实际生产过程相结合,最好有一定的学科交叉。只有这样学生的工程实践能力才能得到切实有效的提升,否则只能是纸上谈兵。

当前控制、测控类相关专业学生的工程能力的培养,除了基础课的课内简单验证性实验和专业课课内实践环节以及一些专题实践、设计环节外,还有学生课外科技项目和大学生电子设计竞赛、智能小车比赛等载体。这些以提高自身的能力与素质为目标、开展科技制作和发明创新等形式的活动,是培养和提高学生解决工程实际问题的能力的有效途径。但目前参加各类科技竞赛和项目的毕竟只是一部分学生。总体感觉是资源有限,而我们的教育要关注的是绝大多数学生的成长,为学生创造机会并提供指导。为了扩大创新实践能力培养的受益面,因此只能从现有的学生实践、实验环节挖掘潜力,着力培养学生实践动手能力。在硬件更新的同时更注意更新教学思路, 改革实践、实验教学内容, 提高工业自动化实验教学的软硬件质量,这就是我们建设过程控制综合实验平台的目的所在。

1.2 综合实验平台的设计方案

1.2.1 设计思想和要求

当前, 对实验室的建设规划, 每所高校都结合自己学校的办学理念和特点以及资金来源等具体情况提出了自己的建设方案。一般采用自主研制实验设备、高等学校和企业进行联合开发、购买现成的教学设备等几大类的建设方案。但考虑到高等院校是教育场所而不是生产单位,加工能力和手段有限,因此有些好的设想无法实现,或者勉强实现而由于制作精度原因无法达到设计效果和实现自己独特的理念,企业的产品可能不能满足教学的要求等,各种方案各有利弊,单一方案不能满足需求。

结合我校控制方向学生主要面向石油、石化等生产过程的具体情况,在早期(1983年)我们用铁制的水罐和气罐加管道模拟当时的工业流程,配备了Ⅱ型检测和控制仪表(后来换成了Ⅲ型表),模拟工业现场控制室和生产过程分开的场景,组建了当时较为先进的控制系统实验室,可以对液位、流量、压力等工业参数进行检测和控制,对较为典型的工业控制方案都可以正常实施(如单回路、串级、前馈等)[4]。这对当时学生的实践能力锻炼起到了相当重要的作用,培养了一大批控制人才,如今在石油、石化战线成为各单位的技术骨干或领导。但由于时代的进步,科学技术日新月异,为了适应当前形势,同时结合中国石油大学办学结构调整,我们准备在青岛异地重建新的过程控制系统实验室,首先考虑的是定位问题。传统的过程控制实验室只为本科生的基本实验教学服务,专题实践环节也较少,面向的学生也少；为了适应新形势、新任务,结合我校的具体情况,我们考虑建成一个实验教学、专题实践训练、创新培养、科学研究相结合的综合性、开放性实验室或实验平台,实现了教学、实践、创新、科研很好的结合。具体设计思想和要求是:

(1) 内容丰富、形式多样,方便各年级学生学习和使用；

(2) 接近实际,过程真实,让学生在接近工业现场的环境下进行非常真实的控制技能学习；

(3) 控制系统中的被控对象要含有典型的化工生产过程和设备, 如: 水泵、换热器、锅炉、管道等；

(4) 被控对象要能实现变化多样的组态实验流程,组态成各简单、复杂的控制系统,并且部分参数要求有非线性环节和滞后环节,有丰富的对象特性类型,为学生开展设计型、综合型和创新型实验创造条件；

(5) 考虑到目前工厂实际情况和实验室建设的先进性, 其上位机部分一定要突出“先进和实用”；

(6) 整个系统要维护方便,具有较高的“开出率”。

1.2.2 具体实施方案

过程控制综合实验平台的定位、设计思想和要求确定后,结合我校的实际情况,经过了大量的考查评估后,我们确立了部分自制开发、部分校企联合研发、部分购买厂家成品、自己整合—开发—集成的方式,围绕虚拟现实—半实物仿真—实际控制层层推进的思路,以多个相关联实验室构成实验室群的形式来创建综合实验平台。

(1) 建立虚拟仿真开放实验室,面向全部学生。微课作为一种新型的教育信息资源形式就以其“主题突出、短小精悍、交互性好、应用面广”等特点被广泛认可,在教育领域迅速传播,相关实践和应用也迅速展开。我们采用Camtasia Studio制作部分微课,讲解自动控制的相关知识、原理、过程等[5-6]。随着计算机技术的不断发展, 虚拟现实仿真(VR)技术已经被广泛应用到国防、工业等方面, 极大地降低了开发成本。虚拟现实仿真的多种感知能力、交互性和沉浸感等特点,通过虚拟环境产生视、 听、 触觉等作用于用户,使之产生身临其境的感觉；因此将虚拟现实仿真技术应用于自动控制系统的开发具有较高的应用前景,我们采用Unity、3D Max、Matlab等开发部分控制系统虚拟现实项目[7-9],展现各典型工业过程控制系统的工作过程,增强了学生的学习积极性。

(2) 建立半实物仿真先进控制实验室,也是一个面向测控类学生开放的实验室。由于工业生产多样化,生产过程复杂性,生产规模差异性,传统的数字仿真培训模式因缺乏感官的真实性,造成被培训人员在实际操作中仍然难以很快进入角色。因此,构建一种模拟复杂控制流程的半实物仿真模型系统[10], 不但可以使被培训人员得到一种更为真实的操作体验；而且为其提供了一种模拟现场的验证环境。为此我们购置了10套SMPT-1000高级多功能过程与控制实训系统,供学生操作使用。SMPT-1000被控对象针对工业常见的锅炉与蒸发器构成的水汽热能系统,广泛见于石油、化工、冶金、制药、食品、生物、电力等过程工业的生产装置中。同时,由于难以提供多种被控对象,运用工业级高精度动态仿真技术,采用高端S7-400控制器,针对西门子卓越工程人才能力模型全部内容所开发的过程控制创新实验系统,可以满足不同类型的教学需求。SMPT-1000 根据工业装置实际数据校正的动态仿真引擎,将实际工业装置的各种对象特性用数字化手段完整地在小型化半实物实验装置上得到再现。设备外观设计运用真实的立体管路和空间分布,来源于真实工艺过程和数据,真实信号的仪表接线、故障排除,为学生提供真实的空间位置感和操作力度感。

(3) 建立实际控制的过程控制实验室,主要面向控制类高年级学生开放。系统中被控对象结合石油、石化、化工生产过程和特点,选取了A-3000高级过程控制系统和金博士过程控制系统。其中,A-3000过程控制实验系统包括了容器、锅炉、管道、泵等典型设备, 还有若干手动阀门、管路快连接器以及各种检测元件、电动执行器等；另外还有供电系统、加热系统等, 从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。这套系统最具工程化特性,可以模拟各种工业现场,它是根据自动化、化工及相关专业的教学特点,结合国内外最新科技动态而推出的集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、现场总线技术、自动控制技术、现代控制技术为一体的多功能实验装置。金博士过程控制系统在具有A-3000特色外强调了非线性环节和滞后环节,便于更高层次科学研究。这2套系统都是按照要求采用标准的工业信号输入、输出,以便于整个系统的连接和维护。控制器的选择颇费周折,经多方考证,考虑到工业现场的实际情况和实验室建设的先进性, 结合教师的科研课题以及将来的发展方向,我们计划购买一套分布式控制系统( DCS) 。经过对国内外厂商的多方比较,我们最后选择浙大中控Supcon JX-300XP DCS系统和我们要求的相关板卡,并留出部分扩展接口,便于高级开发应用研究。真正把用于实际生产的大型DCS系统引入到实验室,把过去专人专管的大型精密仪器投入到本科教学第一线。为了增强学生实践效果,在控制对象满足的前提下,模拟工业现场我们配备了20套操作员站供学生使用。

(4) 在上述基础上,结合新引进的设备和资源,全新设计、安装、调试、开发,整合相互独立资源,构成一个符合现代工业标准的综合过程控制实验平台,最大限度地发挥各自系统的潜能,让与控制相关专业的学生更好地熟悉、了解、掌握、应用先进的自动控制系统,为培养高层次、高水平的实用复合型控制人才打下良好的基础。

2 发挥实验平台优势,改革实践教学体系

2.1 原有实践教学体系与特点

长期以来,本科生实验教学总体来说所使用的仪器设备陈旧、简陋、落后,实验教学手段比较单一,实验内容少、更新慢,而且验证性实验所占比例很大,特别是一些专业课的实验脱离生产实际较大,学生认为这些实验做了之后作用不大,大大降低了学生做实验的热情和积极性,学生做实验时是一种被动的状态,有的学生做完了实验甚至还不知道实验的原理及相关理论。通过多年的实践教学,我们发现许多学生理论知识比较扎实、考试成绩不错,然而动手能力较差,工程方面的知识更是显得非常不足,所学的理论知识不知道如何在实践中加以运用,这正是传统的实验教学留下的弊端[11]。

2.2 实践教学改革与创新

以发挥学生的主观能动性、培养学生的创造性思维为主要目的, 构建一体化、多层次、开放性的控制类实践教学体系,引入先进教学方法、探索开放性实验模式,提高实验教学效果和学生创新研究能力[12]。

2.2.1 构建一体化、多层次的控制类实验内容体系

对实验内容进行梳理,构建由浅及深、从基础到提高、从必修到选做的一体化多层次实验内容。

(1) 一些控制理论的基础知识、基本概念、控制系统的基本操作、实验项目预习部分内容等,通过“微课”和虚拟现实等形式,从低年级开始结合理论课在开放的虚拟仿真实验室可自由地重复学习,加深对控制系统的了解。

(2) 在前面所学的基础上,部分感兴趣的学生可进入开放的半实物仿真实验室,结合SMPT-1000高级多功能过程与控制实训系统进一步熟悉和模拟控制一些典型的工业过程系统,增强控制技能。如借助SMPT-1000 平台,以通用的水汽热能系统中的锅炉过程作为控制对象,并使用PCS 7(S7-400PLC) 进行控制,可完成整个锅炉运行过程:锅炉上汽包水位三冲量控制、燃烧系统及烟气含氧量闭环控制、过热蒸汽温度分程控制、炉膛负压控制、过热蒸汽出口流量单回路控制等。由于设备操作台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件都是真实的,而锅炉过程模型软件是稳定的,因此可操作性强,并且学生还可以学习PLC的编程和使用。通过系列训练可加深学生对工业锅炉过程控制和工艺机理的理解,进而加强学生对其他工业过程控制的理解,便于对专业学生开展控制技能的培养。

(3) 结合自动控制原理、过程控制实验教学,在过程控制实验室以水为介质进行真实实际控制技能训练。实验课程开发与设置应充分体现综合性。在基本不放弃传统课程实验的同时,增加综合性实验和设计性实验的比重,以此使学生养成利用所学知识和技能综合认识和解决问题的意识和能力。大多传统实验课程完全依附于理论课程,是理论教学的辅助手段,属验证性的实验教学,这种实验教学忽略了实验内容之间的外在逻辑关系,实验课程本身没有自成体系；新的实验课程体系是层次递进关系所形成的链式结构。这种实验课程体系由传统验证性实验课程、交叉性实验课程、综合性实验课程、设计性(创新性) 实验课程等组成。

(4) 对过程控制工程等一些应用型的专业课,减少常规控制系统的验证性实验,增加实验平台+DCS组合的先进控制系统综合性实验,进一步提高学生对所学知识的应用能力,同时对学科的前沿也有了一定的了解,培养学生的创造能力及丰富学生的想象能力,增强学生综合应用所学理论解决比较复杂实际问题的能力,开阔学生的视野,提高学生的科研素质和实验设计能力。结合过程控制工程精品课程的建设,改革实验项目,循序渐进地安排实验内容,将实验项目分为必做实验和选做实验。必做实验项目有常规控制对象(单容水箱、双容水箱、三容水箱)特性测试实验、单回路(单容水箱、双容水箱、三容水箱)液位控制系统实验、流量—液位串级控制系统实验、均匀控制系统实验等。这些项目为教学大纲规定的实验内容,实验的时间与班级均为固定的。通过实验,学生能够对整个过程控制实验装置有一定的了解,结合过程控制理论了解过程控制对象的特性情况,掌握了系统设计的基本步骤,初步了解Supcon DCS系统的结构和简单使用。这部分实验以教师引导为主,通过实验帮助学生掌握基本的理论知识,训练基本的实践能力和实验技能。选做实验项目有特定控制对象(非线性容积水箱、锅炉与加热器对象、滞后管对象等)特性测试实验、单回路(锅炉、换热器)温度控制系统实验、闭环双水箱液位串级控制实验、闭环流量比值控制系统实验、前馈反馈控制系统实验等。选做实验可充分发挥学生自主性和创造性,这部分实验强调学生的主体作用,为学生提供一个大胆思维、不受约束、能充分发挥个性的空间和条件。学生根据自己的兴趣和特长独立拟定实验方案,组成合作团队,设计实验技术路线,独立操作完成实验过程。指导教师对整个实验不进行任何干预,只有在学生提出请求时,才到实验现场给予必要的启发与引导。选做实验采用开放式教学的新模式。

(5) 增加专题实践环节,注重学生能力培养[13]。在专题实践中,由于时间相对实验课较为充足,我们让学生根据综合实验平台的实际物理装置,亲自设计、调试控制系统,内容有:根据所学的理论知识建立不同类型被控对象的数学模型；调节阀的选型与计算；画控制系统的施工图(包括控制台规格、仪表安装、端子排的安装、控制面板的设计；仪表的选型与校验；信号线的敷设和连接方法等)；系统的初始工作状态调试和投运过程；控制回路的联校；根据不同的流程拟定合理的控制方案,并独立完成复杂控制系统的设计及具体实施步骤(如各种仪表连接、信号传输等)；学习DCS系统各功能软件的使用,并实施前面设计好控制策略方案等完整控制系统设计过程,完成后采用DCS控制,让学生领会DCS系统集中管理、分散控制的特点,在此基础上对系统进行参数整定与优化、记录过程曲线、干扰分析、实验结果分析等一整套锻炼,至此,学生对控制系统有一个全面的认识、了解和应用,实际动手能力得到了普遍的提高。

(6) 通过毕业设计环节,加强学生开发创新能力。在毕业设计过程中,结合综合实验平台侧重于培养学生对复杂系统(高阶系统、非线性系统、大滞后系统等难点控制问题)控制策略研究,DCS控制技术的开发、使用及维护能力。这也是未来过程控制岗位的需要。在毕业设计期间,学生在教师的指导下在DCS系统上作一些先进控制优化、网络通信、先进控制算法研究等方面的工作,例如通过C语言编程、OPC技术可以把各种先进的控制算法如预测控制、自适应控制等应用到DCS系统中,通过实验数据与常规PID控制相比较验证其使用效果,为将来解决工业生产过程中的一些实际问题打下良好的基础。这样一方面开拓了学生的视野,提高了学生对新型控制的掌握能力,另一方面也充分发挥和利用了DCS系统的资源优势。

2.2.2 引入先进教学方法,提高实验教学效果

传统的教学方法是教师讲解实验内容和实验要求,学生进行实验操作,教师进行实验指导。这种模式下,学生在有限的时间内了解的实验内容较少,无法开展深入的思考。因此有必要改革现有的教学方法,引入虚拟仿真技术,探索自主式、研究式教学方法,解决本实验项目教学中的问题,从而提高教学效果[18]。

(1) 在必做实验过程中,就一些实验现象和实验过程中出现的种种问题,一定要注重课程理论与实际应用的联系,引导学生在已学过的专业知识基础上理解、分析过程控制的具体问题，即练好基本功。

(2) 采用虚拟仿真与实际操作相融合的实验教学方法。一方面要求利用“微课”、虚拟仿真等多媒体形式对实验项目的原理、内容以及相应的仪器设备的使用操作进行预习,能够在实验课堂上把更多的时间和精力用于实际操作；另一方面,要求学生将实际操作结果与仿真模拟结果进行对比分析,并在实验报告中分析理论与实际操作的差异,同时为后面开放性实验教学创造了的条件[15]。

(3) 基础实验知识学习与创新研究能力提高并重的实验教学手段。在实验过程中,要做到“有所为、有所不为”。注重向学生讲解基础实验知识和实验操作,保证学生可以很快进入角色,完成基本实验内容；同时不能剥夺学生的独立分析机会,要充分给学生留下“独立、创新、研究”的空间。

(4) 实验成绩采用预习、纪律、互动、实验过程、结果、报告等有机结合、综合测评考核方式。新的实验考核模式更加科学、合理,激发了学生的实验兴趣,达到了提高学生综合素质的目的。

2.2.3 探索开放性实验模式,提高学生创新研究能力

在前面必做实验的基础上,选作实验主要培养学生的动手能力和创新能力,实验教师要付出更多的精力和时间放在引导上,既要循循善诱,又不能使学生产生依赖思想,教师的主要职责侧重于从实验研究和解决问题的思路、方法等方面给予学生指导。在整个开放实验过程中,教师只是起着辅助的作用。

选做实验采用开放性实验模式,学生根据自己的兴趣爱好选择合适的实验项目,相对独立操作完成实验过程,指导教师对整个实验干预较少,当学生遇到问题无法解决提出请求时,才给予学生必要的启发与引导。针对部分开放性实验项目,学生自主预约实验时间,自主设计实验内容,由实验教师审查后,结合实验装置独立拟定实验方案,组成合作团队,设计实验技术路线,独立操作完成实验过程。利用开放式教学模式,通过选做实验让学生利用现有的资源和所学过的专业知识,独立思考,培养学生潜在的实验开拓创新能力。

3 结语

通过综合实验平台的创建,虚与实的完美结合,学生学习过程和内容的科学设置,它不但能很好地模拟各实际生产过程,实现许多典型实际生产过程在实验室的一个缩影,在丰富实践内容的同时还可以很好地帮助学生理解抽象的理论知识，有利于学生更好地理解实际工业生产过程。不仅能提高学生的动手能力、理论联系实践的能力,同时也提高了学生的综合设计和开发能力以及创新能力,为将来进入社会开展工作奠定了良好的基础。

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[15] 王洪.教学实验室信息化管理研究与建设[J].中国教育技术装备,2012(2):20-22.

Constructing an integrated experimental platform and cultivating new control talents

Chen Weihong, Ma Shiteng, Deng Xiaogang, Liu Bao

(College of information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580, China)

According to the requirements of social economic development and the knowledge structure, skill characteristics of automation specialty, an industry-standard integrated process control experiment platform is constructed, which can help the students of automation or related majors to be more familiar with and apply advanced automatic control system better. Combined with the experimental platform, some original contents of the practical teaching are adjusted, in order to cultivate the students’ practical ability in engineering from multiple perspectives. After several years of practice, their engineering practical ability has been improved and the ideal expected effect has been achieved.

practical teaching； control system； comprehensive experimental platform； engineering practical ability； teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.006

2016-09-23

山东省2015年本科教学改革项目(2015M016)；中国石油大学(华东)2014年教学改革重点项目(SY-A201407;JY-A201412)；中国石油大学(华东)信息与控制工程学院2015年教学改革项目.

陈卫红(1967—),男,湖北武穴,硕士,高级实验师,研究方向为自动控制与测控类实践教学理论与方法、大型精密仪器开发使用与维护.

G642.0；G482

A

1002-4956(2017)3-0020-05