基于SMPT的过程控制实验教学研究

李强(山东理工职业学院，山东 济宁 272067)

0 引言

化工过程控制是化工自动化类高职专业的一门学科交叉、工程实践性很强的课程。如果只是在课堂上进行单纯理论讲解，学生是无法真正理解并掌握的。因此教师必须要重视过程控制实验教学，让学生真正的去动手实践，“做中学，学中做”，理论知识与实验过程相融合才能真正达到人才培养目标[1]。过程控制实验教学的目的是要能让学生理解生产过程工艺及自动控制要求，提高解决控制工程实际问题的能力，培养学生的工程创新能力。为此高职院校需要根据岗位能力要求提供相应的实验教学条件，来满足教学需要。如果缺少实验教学装置，缺少真实的实验环境，就很难培养出满足企业需要的人才。但由于过程控制技术主要应用在化工、石油、制药等行业的控制系统上。而这些行业企业所涉及的过程控制流程相对复杂，生产过程往往存在化学反应，因此很难把实际生产装置直接移植到实验室。那么如何既能满足企业对过程控制技能人才的需求，又能高效安全的进行实验，对高职院校过程控制实验教学提出了更高要求。选择合适的实验装置，实施有效的过程控制实验教学，对于培养高职学生过程控制技能具有重要意义。

1 过程控制实验装置现状

1.1 传统过程控制实验装置

高职院校传统的过程控制实验普遍采用小型化实物装置。这些装置虽然用的是真实仪器仪表，具有体积紧凑、结构简单和外形直观的特点[2]，但无法实现与工业真实装置一样的功能，存在明显不足。比如实验对象往往采用以水槽或储罐为主，造成实验项目单一。除了进行流量、液位与传热实验外，无法完成复杂的过程控制控制实验。另外在实验过程中仪器仪表会被频繁使用，甚至超量程使用，以及实验过程中难以避免的误操作甚至乱操作，会导致性能下降甚至损坏，同时实验重复性差，很难保证控制效果，对学生学习造成困扰。

1.2 纯仿真过程控制实验装置

随着计算机和信息技术的发展，很多高校开始把仿真技术引入到过程控制实验教学。例如MATLAB是一个高级的数学分析与运算软件，可以用作动态系统系统的建模与仿真[3]。但利用MATLAB进行仿真实验，必须熟悉过程控制系统的数学模型。对于数学基础好、抽象思维能力相对强的本科生来说，使用这种仿真系统学习过程控制理论知识有一定的作用。但对于高职院校的学生，数学基础薄弱，无法理解其中的含义，对仿真过程毫无兴趣，对仿真结果只是停留在表面观察上，因此这类实验装置反而会打击高职学生的学习积极性。

1.3 半实物过程控制仿真实验装置

半实物过程控制仿真实验装置是比较先进的实验系统，有多种实现方式。其中一种是采用三维软件建立虚拟三维对象，而硬件采用真实的控制系统。学生可以在虚拟场景中基于仿真对象进行实验，但由于现场仪表都是虚拟对象，学生只能在计算机上模拟控制和训练操作，无法获得真实操作体验，不利于未来进行现场系统的维护调试工作。

高级多功能过程控制仿真实验装置SMPT是将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合，集多种实验功能于一体的半实物仿真实验装置[4]。实验装置由硬件和软件两部分组成。其中硬件又由上下两部分组成，下面安装有接口硬件电气设备以及嵌入式工控机，上面是为用户提供工艺设备的实物模型以及可以对工艺流程进行操作的调节阀和显示工艺参数的仿真仪表。实验装置软件系统包括了可以用于进行实验项目管理、实时数据监视以及控制系统组成等实验功能的上位机软件，完成实时动态工艺过程仿真计算及数据管理仿真引擎系统，还有其他用于软、硬件通信的接口软件。采用高级多功能过程控制仿真实验装置SMPT能够模拟出由锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程。因此与其他实验装置相比，SMPT实验装置工程化背景强，实验对象的工艺流程来源于实际生产装置，设备与工艺参数及特性都与实际装置一致。所有的变送器、执行机构均具有真实外观并分布在实际位置，可直接观察，演示作用明显。实验环境能给学生以全真实的位置、操作和时间特性感觉。实验装置具有良好的扩展性，设备对象参数可自定义，能够满足开展创新性和综合性的过程控制实验。我院拥有五套SMPT实验装置，运行可靠，能够满足过程控制实验教学需要，是比较理想的过程控制实验装置。

随着我国工业自动化水平的不断提升，化工企业开始引入DCS系统进行过程控制。高级多功能过程控制仿真实验装置SMPT还配有S7-400PLC，支持德国西门子公司推出的新一代DCS产品—PCS7系统。通过PROFIBUS现场总线技术可以实现现场设备和分布式IO之间，分布式IO与在现场控制级AS站(自动化站)之间的通信从而能够实现把现场设备集成到过程控制系统中。如图1所示，西门子PCS7可以支持实现三级结构的过程控制系统。其中位于最上层的控制级包括了主要有用于系统设计、编程与维护的工程师站(ES)和用于监控的操作员站(OS)，工程师站和操作员站需要配置相关的DCS系统软件，因此在实验室环境中进行系统实施时可以通过设置使两个工作站在同一台上位机工作。现场控制级由西门子S7-400PLC承担，包括了电源、CPU和通信模块等。现场设备级主要由SMPT实验装置提供仿真被控对象，用于模拟仿真在实际工程中所使用的化工装备、仪器仪表和执行器等。过程控制级与现场控制级之间采用TCP/IP协议，通过工业以太网进行连接。现场控制级与仿真装置之间采用现场总线的方式进行连接通信。由于SMPT实验装置属于半实物仿真装置，所有的仿真对象参数、特性和过程数据都由工控机软件按照模型算法产生。因此实验装置上位机通过串口与通讯模块PM125进行连接，PM125能够实现串口转PROFIBUS的功能，然后利用PROFIBUS总线与CPU的DP口连接。在PCS7系统中可以构建如图2所示为系统网络组态。

图1 SMPT实现的三级系统结构

图2 PCS7系统网络组态

2 过程控制实验教学现状

2.1 重理论，轻实验

高职院校过程控制实验装置普遍采购数量不足，并且传统的过程控制实验存在实验内容和步骤比较多、系统调节调试耗时长等一系列问题，造成教师无法在有限的课时里开展有效实验教学。教师会用更多的时间进行过程控制原理的理论教学，并且传统过程控制实验主要是验证性实验，只是用于验证分析控制结果，在很多教师看来这种实验可做可不做。因此有的教师甚至于不再安排学生做实验，而是采取用图片、动画和视频方式代替实验去演示说明控制原理。事实上由于高职学生普遍存在基础薄弱，抽象思维差的情况，这种教学方式最终只会造成学生对于控制理论的掌握只是停留听的层面，过程控制技能水平几乎为零。对于高职教育，不仅要加大实验教学，而且要提高实验的层次，除了基本验证实验，还需要加大创新自主实验。

2.2 重演示，轻效果

由于过程控制实验不仅要了解生产工艺，而且要熟悉使用各种软硬件资源，对学生提出了很高要求。为防止学生损坏实验装置、提高实验效率，很多院校的过程控制实验变成了教师的示范演示。由于传统化工过程控制课程教学，课堂教学与实验教学是分离的。实验教学计划的安排也会由于各种原因导致和课堂教学进程不一致。实验教学时，教师虽然很认真细致地演示，而学生可能无法理解，只能机械地记忆。教师任务完成了而留给学生的时间也最多仅能按照实验手册规定的实验步骤和教师的示范演示进行简单的模仿重复。导致学生动手机会非常少，实验过程索然无味，实验报告互相抄袭，实验成绩无法客观评价，不利于学生自主设计与创新实践的能力培养。传统过程控制实验的评价主要依据学生完成的实验报告特别是被控变量的监控曲线和分析计算相关的质量指标进行。但由于实验时间紧张，加之学生的应付心理，教师也没有足够的时间进行审核实验结果，很多时候下课了实验也就结束了，缺少实验评价。

2.3 重课程，轻应用

近年来，国家更加强调高职院校应当突出培养学生的工程能力，对实验环节提出更高层次的目标与要求。但传统过程控制实验主要围绕课程教材内容展开，根据课程知识点与实验装置情况而不是根据岗位实际能力需求去设计实验项目，导致实验项目缺少应用背景。学生通过实验虽然能够达到理解课程内容的目的，但不能够切实提高工程能力，不能灵活运用所学知识去解决实际问题。

3 过程控制实验教学改革

3.1 采用线上线下、理实一体混合教学

利用 SMPT实验装置提供的SMPT Lab软件可以方便地完成实验项目的管理、实时数据的监视、控制系统的组态等日常实验功能。同时实验装置由于采用了虚实结合的设计理念，在进行过程控制实验时不需要进行过多的接线甚至不需要接线，而且对于执行器调节阀的操作支持多种操作模式。充分利用SMPT Lab软件功能将大大节省实验时间，但由于过程控制系统中物料供给、化学反应、产物累积等都需要一定的时间。同时为了能够帮助学生更好更及时地理解过程控制原理，在有限的课时内能进行更多的实验可以采用线上线下、理实一体混合教学。通过利用智慧职教平台，搭建课程教学平台。教师可以课前在线上布置实验项目，提供相关资料，让学生提前根据任务要求设计控制回路，制定初步的实验方案。课中采取在实训室进行理实一体化教学，重点讲解相关控制原理的难点部分，讨论实验方案是否合理，让学生修改完善实验方案并自主测试。课后让学生根据实验测试的结果优化控制方案，对相关原理进行总结。教师可以把相关的实验演示过程作为资源，供学生随时自主观看学习，保证学生实验前预习有充足的资源做好知识和技能准备工作，并根据自己的学习情况查缺补漏，从而能节省更多时间用于线下动手实验，提高实验效率。

3.2 采用“一线两阶”的项目化教学法

只是进行控制原理验证性的实验，是无法真正提高学生工程实践能力。项目化教学已经在高职教学中得到了广泛推广和应用，并且取得了明显成效。SMPT实验装置能够根据系统自带的工程项目文件实现对各种过程控制任务的模拟仿真，并且所有实验项目实施都可以支持使用SMPT Lab和SIMATIC PCS7软件实现。因此可以采用以SMPT的过程控制项目实施为主线，分两个阶段分别使用两款软件作为控制组态工具进行项目实施的“一线两阶”教学。SMPT的控制项目可以根据五大典型被控变量—液位、流量、温度、压力和组分，结合SMPT的硬件组成，依托不同设备单元进行多种类、多层次的控制系统实验项目。课程前半阶段采用SMPT Lab进行项目实施，主要完成各类控制方案的设计与实施为主，使学生打好过程控制的基础。课程后半阶段采用SIMATIC PCS7进行项目实施，以在SIMATIC PCS7上进行工程实践为主，使学生掌握DCS系统工程实施技能。图3为“一线两阶”项目设计框图。

图3 “一线两阶”项目设计框图

3.3 创新评价方法，激发学习动力

SMPT实验装置上位机中的SMPT Lab软件提供了评分功能。教师可以根据实验项目要求设置相应详细评分规则，比如：系统运行时间、参数安全指标、公用工程消耗指标等。系统运行时间结束后，会对学生控制方案实施结果自动作出评分，并给出完整的评分表。这样不仅有利于对学生实验效果进行量化评价，而且通过各评分项得分情况能让学生发现控制方案的不足，同时也会激发出学生挑战更高分数的动力。采用这种评价方法，能节省教师更多时间，用于对学生进行查缺补漏。

3.4 以赛促学，拓展能力

SMPT实验装置是CIMC(中国智能制造挑战赛)智能制造工程设计与应用类赛项，流程行业自动化方向比赛用指定设备。近年来，该赛项都是依据在化工类企业中常见的某化学反应工艺为背景，让参赛人员进行工艺对象和控制要求的分析，进行开车步骤及控制方案的设计，完成控制系统的实施与优化。图4为2021年CIMC大赛工艺流程简图。与日常实验项目相比，赛项所涉及项目更加接近真实控制系统，工艺机理相对复杂，而且容易忽略的生产原料循环使用、公用工程消耗、设备出现抽空或满罐等工程要素在比赛中都有考查。因此通过鼓励学生参加技能比赛，不仅可以使学生参与赛项相关的培训，得到更多的学习机会，而且能够开拓视野，进一步提高工程实践能力。同时，在实验教学中，可以把往年赛题作为拓展项目，提供给学有余力、有兴趣的学生，达到分层教学的目标。

图4 某工艺流程简图

4 结语

高职院校要培养出满足企业需要，具有过程控制技能的人才，就需要重视过程控制实验教学。在教学中，要依据“必需、够用”的原则，开展理论与实践教学。让学生在动手实践中，掌握过程控制原理与技能。理想的实验装置能够为人才培养起到极大的助力。相关高职院校应该积极更新实验装置，在此基础上，积极进行教学改革探索。SMPT实验装置是比较理想的过程控制实验装置，装置设计理念先进，运行可靠，为过程控制实验提供了丰富的功能支持，能够适应培养出满足工业企业对过程控制技能人才的不同要求。充分利用SMPT实验装置，及时引入新的教学理念，对改进过程控制实验教学质量具有重要意义。