陳衛(wèi)紅, 馬士騰, 鄧曉剛, 劉 寶

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

創(chuàng)建綜合實(shí)驗(yàn)平臺 培養(yǎng)新型控制人才

陳衛(wèi)紅, 馬士騰, 鄧曉剛, 劉 寶

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

創(chuàng)建一個(gè)符合現(xiàn)代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合過程控制的實(shí)驗(yàn)平臺,讓與控制類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生更好地熟悉、了解、掌握、應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng),結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺調(diào)整了原部分實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容,全方位、多角度培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。通過幾年實(shí)踐表明,學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了提高,達(dá)到了較為理想的預(yù)期效果。

實(shí)踐教學(xué)； 控制系統(tǒng)； 綜合實(shí)驗(yàn)平臺； 工程實(shí)踐能力； 教學(xué)改革

當(dāng)今,無論是經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級建設(shè)創(chuàng)新型國家,還是社會(huì)和諧可持續(xù)發(fā)展,都離不開科學(xué)技術(shù),離不開與經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用最接近的工程科技。我們目前面臨的實(shí)際情況是:在創(chuàng)新性工程科技人才成為未來10年戰(zhàn)略需求的大背景下,現(xiàn)有的人才培養(yǎng)模式單一,大學(xué)工科教育的工程性缺失,實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱,學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練不足[1]。雖然目前我國工程科技人員數(shù)量位居世界第一,但創(chuàng)新性不夠。

過程控制課程是高等學(xué)?？刂祁悓I(yè)的一門重要的專業(yè)課程,是銜接控制理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的課程。隨著該學(xué)科的逐步發(fā)展, 為了更好地完成過程控制課程的教學(xué)任務(wù), 國內(nèi)許多高等學(xué)校紛紛投資建立或改造原有的過程控制實(shí)驗(yàn)室, 用以支持該學(xué)科的教學(xué)和科研工作, 促進(jìn)本校該學(xué)科的發(fā)展。我校過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室以學(xué)校辦學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整為契機(jī),以全新理念重建,在建設(shè)的過程中重點(diǎn)考慮創(chuàng)建一個(gè)綜合性過程控制平臺,在完成過程控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí),還要兼顧到其他相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)(主要是改善這些課程的實(shí)驗(yàn)效果),并且還要為專題實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、開放訓(xùn)練、科研工作等提供支持；在發(fā)揮最大潛能的同時(shí),還要上規(guī)模、上水平,力爭成為多功能的工業(yè)自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)基地,進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。本文將就建設(shè)過程相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與規(guī)劃

1.1 設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺的目的

高等工程教育具有其基本特征和定位: 培養(yǎng)目標(biāo)是具有科學(xué)基礎(chǔ)人文精神和全球視野的工程科技人才,雖然強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力,但不是與市場完全對接的實(shí)用主義。工程教育的改革更重要的是要改革目前同生產(chǎn)脫節(jié)的人才培養(yǎng)模式[2-3],注重動(dòng)手能力的訓(xùn)練。這種訓(xùn)練與培養(yǎng)的重點(diǎn)就是不能脫離實(shí)際、封閉自我教育，學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)一定要與專業(yè)所對應(yīng)的當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)過程相結(jié)合,最好有一定的學(xué)科交叉。只有這樣學(xué)生的工程實(shí)踐能力才能得到切實(shí)有效的提升,否則只能是紙上談兵。

當(dāng)前控制、測控類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程能力的培養(yǎng),除了基礎(chǔ)課的課內(nèi)簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)課課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)以及一些專題實(shí)踐、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)外,還有學(xué)生課外科技項(xiàng)目和大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、智能小車比賽等載體。這些以提高自身的能力與素質(zhì)為目標(biāo)、開展科技制作和發(fā)明創(chuàng)新等形式的活動(dòng),是培養(yǎng)和提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力的有效途徑。但目前參加各類科技競賽和項(xiàng)目的畢竟只是一部分學(xué)生?？傮w感覺是資源有限,而我們的教育要關(guān)注的是絕大多數(shù)學(xué)生的成長,為學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)并提供指導(dǎo)。為了擴(kuò)大創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的受益面,因此只能從現(xiàn)有的學(xué)生實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)挖掘潛力,著力培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。在硬件更新的同時(shí)更注意更新教學(xué)思路, 改革實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容, 提高工業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟硬件質(zhì)量,這就是我們建設(shè)過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺的目的所在。

1.2 綜合實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案

1.2.1 設(shè)計(jì)思想和要求

當(dāng)前, 對實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)劃, 每所高校都結(jié)合自己學(xué)校的辦學(xué)理念和特點(diǎn)以及資金來源等具體情況提出了自己的建設(shè)方案。一般采用自主研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備、高等學(xué)校和企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)、購買現(xiàn)成的教學(xué)設(shè)備等幾大類的建設(shè)方案。但考慮到高等院校是教育場所而不是生產(chǎn)單位,加工能力和手段有限,因此有些好的設(shè)想無法實(shí)現(xiàn),或者勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)而由于制作精度原因無法達(dá)到設(shè)計(jì)效果和實(shí)現(xiàn)自己獨(dú)特的理念,企業(yè)的產(chǎn)品可能不能滿足教學(xué)的要求等,各種方案各有利弊,單一方案不能滿足需求。

結(jié)合我?？刂品较?qū)W生主要面向石油、石化等生產(chǎn)過程的具體情況,在早期(1983年)我們用鐵制的水罐和氣罐加管道模擬當(dāng)時(shí)的工業(yè)流程,配備了Ⅱ型檢測和控制儀表(后來換成了Ⅲ型表),模擬工業(yè)現(xiàn)場控制室和生產(chǎn)過程分開的場景,組建了當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,可以對液位、流量、壓力等工業(yè)參數(shù)進(jìn)行檢測和控制,對較為典型的工業(yè)控制方案都可以正常實(shí)施(如單回路、串級、前饋等)[4]。這對當(dāng)時(shí)學(xué)生的實(shí)踐能力鍛煉起到了相當(dāng)重要的作用,培養(yǎng)了一大批控制人才,如今在石油、石化戰(zhàn)線成為各單位的技術(shù)骨干或領(lǐng)導(dǎo)。但由于時(shí)代的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)日新月異,為了適應(yīng)當(dāng)前形勢,同時(shí)結(jié)合中國石油大學(xué)辦學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整,我們準(zhǔn)備在青島異地重建新的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,首先考慮的是定位問題。傳統(tǒng)的過程控制實(shí)驗(yàn)室只為本科生的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù),專題實(shí)踐環(huán)節(jié)也較少,面向的學(xué)生也少；為了適應(yīng)新形勢、新任務(wù),結(jié)合我校的具體情況,我們考慮建成一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專題實(shí)踐訓(xùn)練、創(chuàng)新培養(yǎng)、科學(xué)研究相結(jié)合的綜合性、開放性實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)平臺,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)、實(shí)踐、創(chuàng)新、科研很好的結(jié)合。具體設(shè)計(jì)思想和要求是:

(1) 內(nèi)容豐富、形式多樣,方便各年級學(xué)生學(xué)習(xí)和使用；

(2) 接近實(shí)際,過程真實(shí),讓學(xué)生在接近工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境下進(jìn)行非常真實(shí)的控制技能學(xué)習(xí)；

(3) 控制系統(tǒng)中的被控對象要含有典型的化工生產(chǎn)過程和設(shè)備, 如: 水泵、換熱器、鍋爐、管道等；

(4) 被控對象要能實(shí)現(xiàn)變化多樣的組態(tài)實(shí)驗(yàn)流程,組態(tài)成各簡單、復(fù)雜的控制系統(tǒng),并且部分參數(shù)要求有非線性環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié),有豐富的對象特性類型,為學(xué)生開展設(shè)計(jì)型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造條件；

(5) 考慮到目前工廠實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的先進(jìn)性, 其上位機(jī)部分一定要突出“先進(jìn)和實(shí)用”；

(6) 整個(gè)系統(tǒng)要維護(hù)方便,具有較高的“開出率”。

1.2.2 具體實(shí)施方案

過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺的定位、設(shè)計(jì)思想和要求確定后,結(jié)合我校的實(shí)際情況,經(jīng)過了大量的考查評估后,我們確立了部分自制開發(fā)、部分校企聯(lián)合研發(fā)、部分購買廠家成品、自己整合—開發(fā)—集成的方式,圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)—半實(shí)物仿真—實(shí)際控制層層推進(jìn)的思路,以多個(gè)相關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室群的形式來創(chuàng)建綜合實(shí)驗(yàn)平臺。

(1) 建立虛擬仿真開放實(shí)驗(yàn)室,面向全部學(xué)生。微課作為一種新型的教育信息資源形式就以其“主題突出、短小精悍、交互性好、應(yīng)用面廣”等特點(diǎn)被廣泛認(rèn)可,在教育領(lǐng)域迅速傳播,相關(guān)實(shí)踐和應(yīng)用也迅速展開。我們采用Camtasia Studio制作部分微課,講解自動(dòng)控制的相關(guān)知識、原理、過程等[5-6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真(VR)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到國防、工業(yè)等方面, 極大地降低了開發(fā)成本。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的多種感知能力、交互性和沉浸感等特點(diǎn),通過虛擬環(huán)境產(chǎn)生視、 聽、 觸覺等作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境的感覺；因此將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)具有較高的應(yīng)用前景,我們采用Unity、3D Max、Matlab等開發(fā)部分控制系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目[7-9],展現(xiàn)各典型工業(yè)過程控制系統(tǒng)的工作過程,增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

(2) 建立半實(shí)物仿真先進(jìn)控制實(shí)驗(yàn)室,也是一個(gè)面向測控類學(xué)生開放的實(shí)驗(yàn)室。由于工業(yè)生產(chǎn)多樣化,生產(chǎn)過程復(fù)雜性,生產(chǎn)規(guī)模差異性,傳統(tǒng)的數(shù)字仿真培訓(xùn)模式因缺乏感官的真實(shí)性,造成被培訓(xùn)人員在實(shí)際操作中仍然難以很快進(jìn)入角色。因此,構(gòu)建一種模擬復(fù)雜控制流程的半實(shí)物仿真模型系統(tǒng)[10], 不但可以使被培訓(xùn)人員得到一種更為真實(shí)的操作體驗(yàn)；而且為其提供了一種模擬現(xiàn)場的驗(yàn)證環(huán)境。為此我們購置了10套SMPT-1000高級多功能過程與控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),供學(xué)生操作使用。SMPT-1000被控對象針對工業(yè)常見的鍋爐與蒸發(fā)器構(gòu)成的水汽熱能系統(tǒng),廣泛見于石油、化工、冶金、制藥、食品、生物、電力等過程工業(yè)的生產(chǎn)裝置中。同時(shí),由于難以提供多種被控對象,運(yùn)用工業(yè)級高精度動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),采用高端S7-400控制器,針對西門子卓越工程人才能力模型全部內(nèi)容所開發(fā)的過程控制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以滿足不同類型的教學(xué)需求。SMPT-1000 根據(jù)工業(yè)裝置實(shí)際數(shù)據(jù)校正的動(dòng)態(tài)仿真引擎,將實(shí)際工業(yè)裝置的各種對象特性用數(shù)字化手段完整地在小型化半實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝置上得到再現(xiàn)。設(shè)備外觀設(shè)計(jì)運(yùn)用真實(shí)的立體管路和空間分布,來源于真實(shí)工藝過程和數(shù)據(jù),真實(shí)信號的儀表接線、故障排除,為學(xué)生提供真實(shí)的空間位置感和操作力度感。

(3) 建立實(shí)際控制的過程控制實(shí)驗(yàn)室,主要面向控制類高年級學(xué)生開放。系統(tǒng)中被控對象結(jié)合石油、石化、化工生產(chǎn)過程和特點(diǎn),選取了A-3000高級過程控制系統(tǒng)和金博士過程控制系統(tǒng)。其中,A-3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括了容器、鍋爐、管道、泵等典型設(shè)備, 還有若干手動(dòng)閥門、管路快連接器以及各種檢測元件、電動(dòng)執(zhí)行器等；另外還有供電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等, 從而組成了一個(gè)只需接受外部標(biāo)準(zhǔn)控制信號的完整、獨(dú)立的現(xiàn)場環(huán)境。這套系統(tǒng)最具工程化特性,可以模擬各種工業(yè)現(xiàn)場,它是根據(jù)自動(dòng)化、化工及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn),結(jié)合國內(nèi)外最新科技動(dòng)態(tài)而推出的集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。金博士過程控制系統(tǒng)在具有A-3000特色外強(qiáng)調(diào)了非線性環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié),便于更高層次科學(xué)研究。這2套系統(tǒng)都是按照要求采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號輸入、輸出,以便于整個(gè)系統(tǒng)的連接和維護(hù)?？刂破鞯倪x擇頗費(fèi)周折,經(jīng)多方考證,考慮到工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的先進(jìn)性, 結(jié)合教師的科研課題以及將來的發(fā)展方向,我們計(jì)劃購買一套分布式控制系統(tǒng)( DCS) 。經(jīng)過對國內(nèi)外廠商的多方比較,我們最后選擇浙大中控Supcon JX-300XP DCS系統(tǒng)和我們要求的相關(guān)板卡,并留出部分?jǐn)U展接口,便于高級開發(fā)應(yīng)用研究。真正把用于實(shí)際生產(chǎn)的大型DCS系統(tǒng)引入到實(shí)驗(yàn)室,把過去專人專管的大型精密儀器投入到本科教學(xué)第一線。為了增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐效果,在控制對象滿足的前提下,模擬工業(yè)現(xiàn)場我們配備了20套操作員站供學(xué)生使用。

(4) 在上述基礎(chǔ)上,結(jié)合新引進(jìn)的設(shè)備和資源,全新設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、開發(fā),整合相互獨(dú)立資源,構(gòu)成一個(gè)符合現(xiàn)代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合過程控制實(shí)驗(yàn)平臺,最大限度地發(fā)揮各自系統(tǒng)的潛能,讓與控制相關(guān)專業(yè)的學(xué)生更好地熟悉、了解、掌握、應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng),為培養(yǎng)高層次、高水平的實(shí)用復(fù)合型控制人才打下良好的基礎(chǔ)。

2 發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺優(yōu)勢,改革實(shí)踐教學(xué)體系

2.1 原有實(shí)踐教學(xué)體系與特點(diǎn)

長期以來,本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體來說所使用的儀器設(shè)備陳舊、簡陋、落后,實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段比較單一,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少、更新慢,而且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比例很大,特別是一些專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)脫離生產(chǎn)實(shí)際較大,學(xué)生認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)做了之后作用不大,大大降低了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的熱情和積極性,學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)是一種被動(dòng)的狀態(tài),有的學(xué)生做完了實(shí)驗(yàn)甚至還不知道實(shí)驗(yàn)的原理及相關(guān)理論。通過多年的實(shí)踐教學(xué),我們發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生理論知識比較扎實(shí)、考試成績不錯(cuò),然而動(dòng)手能力較差,工程方面的知識更是顯得非常不足,所學(xué)的理論知識不知道如何在實(shí)踐中加以運(yùn)用,這正是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)留下的弊端[11]。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新

以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維為主要目的, 構(gòu)建一體化、多層次、開放性的控制類實(shí)踐教學(xué)體系,引入先進(jìn)教學(xué)方法、探索開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng)新研究能力[12]。

2.2.1 構(gòu)建一體化、多層次的控制類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行梳理,構(gòu)建由淺及深、從基礎(chǔ)到提高、從必修到選做的一體化多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(1) 一些控制理論的基礎(chǔ)知識、基本概念、控制系統(tǒng)的基本操作、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)習(xí)部分內(nèi)容等,通過“微課”和虛擬現(xiàn)實(shí)等形式,從低年級開始結(jié)合理論課在開放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可自由地重復(fù)學(xué)習(xí),加深對控制系統(tǒng)的了解。

(2) 在前面所學(xué)的基礎(chǔ)上,部分感興趣的學(xué)生可進(jìn)入開放的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室,結(jié)合SMPT-1000高級多功能過程與控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)一步熟悉和模擬控制一些典型的工業(yè)過程系統(tǒng),增強(qiáng)控制技能。如借助SMPT-1000 平臺,以通用的水汽熱能系統(tǒng)中的鍋爐過程作為控制對象,并使用PCS 7(S7-400PLC) 進(jìn)行控制,可完成整個(gè)鍋爐運(yùn)行過程:鍋爐上汽包水位三沖量控制、燃燒系統(tǒng)及煙氣含氧量閉環(huán)控制、過熱蒸汽溫度分程控制、爐膛負(fù)壓控制、過熱蒸汽出口流量單回路控制等。由于設(shè)備操作臺、數(shù)字式軟儀表與接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件都是真實(shí)的,而鍋爐過程模型軟件是穩(wěn)定的,因此可操作性強(qiáng),并且學(xué)生還可以學(xué)習(xí)PLC的編程和使用。通過系列訓(xùn)練可加深學(xué)生對工業(yè)鍋爐過程控制和工藝機(jī)理的理解,進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生對其他工業(yè)過程控制的理解,便于對專業(yè)學(xué)生開展控制技能的培養(yǎng)。

(3) 結(jié)合自動(dòng)控制原理、過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué),在過程控制實(shí)驗(yàn)室以水為介質(zhì)進(jìn)行真實(shí)實(shí)際控制技能訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)課程開發(fā)與設(shè)置應(yīng)充分體現(xiàn)綜合性。在基本不放棄傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的同時(shí),增加綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重,以此使學(xué)生養(yǎng)成利用所學(xué)知識和技能綜合認(rèn)識和解決問題的意識和能力。大多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程完全依附于理論課程,是理論教學(xué)的輔助手段,屬驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)教學(xué),這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)忽略了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的外在邏輯關(guān)系,實(shí)驗(yàn)課程本身沒有自成體系；新的實(shí)驗(yàn)課程體系是層次遞進(jìn)關(guān)系所形成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。這種實(shí)驗(yàn)課程體系由傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程、交叉性實(shí)驗(yàn)課程、綜合性實(shí)驗(yàn)課程、設(shè)計(jì)性(創(chuàng)新性) 實(shí)驗(yàn)課程等組成。

(4) 對過程控制工程等一些應(yīng)用型的專業(yè)課,減少常規(guī)控制系統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),增加實(shí)驗(yàn)平臺+DCS組合的先進(jìn)控制系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步提高學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用能力,同時(shí)對學(xué)科的前沿也有了一定的了解,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力及豐富學(xué)生的想象能力,增強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)理論解決比較復(fù)雜實(shí)際問題的能力,開闊學(xué)生的視野,提高學(xué)生的科研素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。結(jié)合過程控制工程精品課程的建設(shè),改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,循序漸進(jìn)地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)。必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有常規(guī)控制對象(單容水箱、雙容水箱、三容水箱)特性測試實(shí)驗(yàn)、單回路(單容水箱、雙容水箱、三容水箱)液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、流量—液位串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、均勻控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。這些項(xiàng)目為教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與班級均為固定的。通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠?qū)φ麄€(gè)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置有一定的了解,結(jié)合過程控制理論了解過程控制對象的特性情況,掌握了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟,初步了解Supcon DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和簡單使用。這部分實(shí)驗(yàn)以教師引導(dǎo)為主,通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生掌握基本的理論知識,訓(xùn)練基本的實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)技能。選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有特定控制對象(非線性容積水箱、鍋爐與加熱器對象、滯后管對象等)特性測試實(shí)驗(yàn)、單回路(鍋爐、換熱器)溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、閉環(huán)雙水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn)、閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。選做實(shí)驗(yàn)可充分發(fā)揮學(xué)生自主性和創(chuàng)造性,這部分實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用,為學(xué)生提供一個(gè)大膽思維、不受約束、能充分發(fā)揮個(gè)性的空間和條件。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和特長獨(dú)立擬定實(shí)驗(yàn)方案,組成合作團(tuán)隊(duì),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線,獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)過程。指導(dǎo)教師對整個(gè)實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行任何干預(yù),只有在學(xué)生提出請求時(shí),才到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo)。選做實(shí)驗(yàn)采用開放式教學(xué)的新模式。

(5) 增加專題實(shí)踐環(huán)節(jié),注重學(xué)生能力培養(yǎng)[13]。在專題實(shí)踐中,由于時(shí)間相對實(shí)驗(yàn)課較為充足,我們讓學(xué)生根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)際物理裝置,親自設(shè)計(jì)、調(diào)試控制系統(tǒng),內(nèi)容有:根據(jù)所學(xué)的理論知識建立不同類型被控對象的數(shù)學(xué)模型；調(diào)節(jié)閥的選型與計(jì)算；畫控制系統(tǒng)的施工圖(包括控制臺規(guī)格、儀表安裝、端子排的安裝、控制面板的設(shè)計(jì)；儀表的選型與校驗(yàn)；信號線的敷設(shè)和連接方法等)；系統(tǒng)的初始工作狀態(tài)調(diào)試和投運(yùn)過程；控制回路的聯(lián)校；根據(jù)不同的流程擬定合理的控制方案,并獨(dú)立完成復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及具體實(shí)施步驟(如各種儀表連接、信號傳輸?shù)?；學(xué)習(xí)DCS系統(tǒng)各功能軟件的使用,并實(shí)施前面設(shè)計(jì)好控制策略方案等完整控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程,完成后采用DCS控制,讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)DCS系統(tǒng)集中管理、分散控制的特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定與優(yōu)化、記錄過程曲線、干擾分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等一整套鍛煉,至此,學(xué)生對控制系統(tǒng)有一個(gè)全面的認(rèn)識、了解和應(yīng)用,實(shí)際動(dòng)手能力得到了普遍的提高。

(6) 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),加強(qiáng)學(xué)生開發(fā)創(chuàng)新能力。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,結(jié)合綜合實(shí)驗(yàn)平臺側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜系統(tǒng)(高階系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)等難點(diǎn)控制問題)控制策略研究,DCS控制技術(shù)的開發(fā)、使用及維護(hù)能力。這也是未來過程控制崗位的需要。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下在DCS系統(tǒng)上作一些先進(jìn)控制優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)通信、先進(jìn)控制算法研究等方面的工作,例如通過C語言編程、OPC技術(shù)可以把各種先進(jìn)的控制算法如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制等應(yīng)用到DCS系統(tǒng)中,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與常規(guī)PID控制相比較驗(yàn)證其使用效果,為將來解決工業(yè)生產(chǎn)過程中的一些實(shí)際問題打下良好的基礎(chǔ)。這樣一方面開拓了學(xué)生的視野,提高了學(xué)生對新型控制的掌握能力,另一方面也充分發(fā)揮和利用了DCS系統(tǒng)的資源優(yōu)勢。

2.2.2 引入先進(jìn)教學(xué)方法,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求,學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。這種模式下,學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)了解的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少,無法開展深入的思考。因此有必要改革現(xiàn)有的教學(xué)方法,引入虛擬仿真技術(shù),探索自主式、研究式教學(xué)方法,解決本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中的問題,從而提高教學(xué)效果[18]。

(1) 在必做實(shí)驗(yàn)過程中,就一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的種種問題,一定要注重課程理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系,引導(dǎo)學(xué)生在已學(xué)過的專業(yè)知識基礎(chǔ)上理解、分析過程控制的具體問題，即練好基本功。

(2) 采用虛擬仿真與實(shí)際操作相融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。一方面要求利用“微課”、虛擬仿真等多媒體形式對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理、內(nèi)容以及相應(yīng)的儀器設(shè)備的使用操作進(jìn)行預(yù)習(xí),能夠在實(shí)驗(yàn)課堂上把更多的時(shí)間和精力用于實(shí)際操作；另一方面,要求學(xué)生將實(shí)際操作結(jié)果與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析理論與實(shí)際操作的差異,同時(shí)為后面開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了的條件[15]。

(3) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究能力提高并重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。在實(shí)驗(yàn)過程中,要做到“有所為、有所不為”。注重向?qū)W生講解基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識和實(shí)驗(yàn)操作,保證學(xué)生可以很快進(jìn)入角色,完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；同時(shí)不能剝奪學(xué)生的獨(dú)立分析機(jī)會(huì),要充分給學(xué)生留下“獨(dú)立、創(chuàng)新、研究”的空間。

(4) 實(shí)驗(yàn)成績采用預(yù)習(xí)、紀(jì)律、互動(dòng)、實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果、報(bào)告等有機(jī)結(jié)合、綜合測評考核方式。新的實(shí)驗(yàn)考核模式更加科學(xué)、合理,激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,達(dá)到了提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。

2.2.3 探索開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?提高學(xué)生創(chuàng)新研究能力

在前面必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選作實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,實(shí)驗(yàn)教師要付出更多的精力和時(shí)間放在引導(dǎo)上,既要循循善誘,又不能使學(xué)生產(chǎn)生依賴思想,教師的主要職責(zé)側(cè)重于從實(shí)驗(yàn)研究和解決問題的思路、方法等方面給予學(xué)生指導(dǎo)。在整個(gè)開放實(shí)驗(yàn)過程中,教師只是起著輔助的作用。

選做實(shí)驗(yàn)采用開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,相對獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)過程,指導(dǎo)教師對整個(gè)實(shí)驗(yàn)干預(yù)較少,當(dāng)學(xué)生遇到問題無法解決提出請求時(shí),才給予學(xué)生必要的啟發(fā)與引導(dǎo)。針對部分開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,由實(shí)驗(yàn)教師審查后,結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置獨(dú)立擬定實(shí)驗(yàn)方案,組成合作團(tuán)隊(duì),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線,獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)過程。利用開放式教學(xué)模式,通過選做實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生利用現(xiàn)有的資源和所學(xué)過的專業(yè)知識,獨(dú)立思考,培養(yǎng)學(xué)生潛在的實(shí)驗(yàn)開拓創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)建,虛與實(shí)的完美結(jié)合,學(xué)生學(xué)習(xí)過程和內(nèi)容的科學(xué)設(shè)置,它不但能很好地模擬各實(shí)際生產(chǎn)過程,實(shí)現(xiàn)許多典型實(shí)際生產(chǎn)過程在實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)縮影,在豐富實(shí)踐內(nèi)容的同時(shí)還可以很好地幫助學(xué)生理解抽象的理論知識，有利于學(xué)生更好地理解實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程。不僅能提高學(xué)生的動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)踐的能力,同時(shí)也提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和開發(fā)能力以及創(chuàng)新能力,為將來進(jìn)入社會(huì)開展工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

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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

山東省2015年本科教學(xué)改革項(xiàng)目(2015M016)；中國石油大學(xué)(華東)2014年教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(SY-A201407;JY-A201412)；中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院2015年教學(xué)改革項(xiàng)目.

陳衛(wèi)紅(1967—),男,湖北武穴,碩士,高級實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制與測控類實(shí)踐教學(xué)理論與方法、大型精密儀器開發(fā)使用與維護(hù).

G642.0；G482

A

1002-4956(2017)3-0020-05