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摘要 以学生职业技能提高为根本,研究网络化过程控制实验系统方案。该实践平台模拟一个数字化工厂,为实施“教、学、做、工融合”人才培养模式改革提供坚实的物质基础,投入运行以来,取得较好的教学效果。
关键词 网络化;过程控制;实验平台
中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)33-0083-02
Research and Construction on Network Process Control Experiment Platform//Chen Huaizhong, Han Chengjiang
Abstract To improve vocational skills of students, we study of network process control experimental plan. The platform simulates a digital factory and provides a solid foundation for the implementation of “teaching, learning, doing, industrial integration” reform. It has been put into operation and has achieved better teaching results.
Key words network; process control; experiment platform
Author’s address Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing, Zhejiang, 312000, China
工业自动化技术根据控制对象特性分为过程控制自动化和制造自动化2大方向。除了机械加工类企业外,很多行业都归入过程工业的范畴,如电力、石油、化工、纺织、冶金、水处理等,这些工厂应用大量的过程控制设备与系统,如PLC、DCS等。近年来,调查浙江省内一些钢铁制造、环保、金属矿山等企业,了解“过程控制自动化技术专业”高职毕业生岗位技能的需求情况。学生在过程控制行业里能够稳定地担任的职位有仪表安装和维护工、控制系统操作工和组态工。目前相关企业对过程控制自动化人才需求旺盛,动手能力强的毕业生受到企业较大的欢迎。
1 过程控制实践平台现状
过程控制课程是自动化类专业的重要专业课程之一,但我国目前多数高校该课程的实验设备都远落后于或脱离现场技术。通过对过程控制自动化人才培养实验室硬件、教学仪器生产厂家进行的调研,发现存在以下不足。
1.1 实践教学内容陈旧实验设备老化,实验教材仍采用过去的原化工机械专业的实验教材,实验设备缺少控制装置,远落后于现代工业企业的实用控制技术。另外,实验内容单一,验证性实验多,缺乏综合性与设计性实验。
1.2 没有体现现代过程控制设备的先进技术目前在使用的过程控制实验系统涉及智能仪表技术、PLC技术、计算机控制技术等常规过程控制技术,而集散控制技术、现场总线技术和工控网络技术却较少涉及。控制系统的计算机化、网络化和智能化已成为大势所趋,计算机控制系统已向DCS(集散控制系统)甚至FCS(基于现场总线的控制系统)方向发展。
1.3 实验项目不适合高职学生目前许多过程控制实验系统都是针对本科及研究生来设计实验项目的,没有用一线技术工人必须掌握的技术来设计实验项目,学生应掌握的核心知识点不明确,实验室缺乏必要的保证环节。
2 实践平台实施方案
2.1 实践平台建设目标研究建设一个网络化的过程控制实验系统,为高职自动化专业学生提供一个体现当前自动化与信息技术最新发展的硬件学习和实践平台。
整个过程控制实验室建设方向是模拟一个数字化工厂,在系统上体现数字化工厂的总体信息结构,在设备上应用典型自动化设备。在一个实验室实现多平台要求:为高职教育提供认知控制理论,实践自动化技术的基本实验平台;为学生教育及创新实践提供可组合的设计性实践平台;为教师科研提供体现当前自动化与信息技术最新发展的软硬件环境。系统方案考虑网络化特征,整个实验室系统建立在统一的工业以太网之上,体现自动化系统的多种网络发展,并为实验室网络信息化管理提供基础。控制系统实现多样化,实验室方案采用模块化设计,实现实验室设备的可组合性、开放性、可发展性。
2.2 实践平台建设硬件构成
1)装置层。由常规检测仪表与执行机构构成,带现场总线或其他协议接口的智能检测仪表与执行机构。在系统操作层,保证系统的开放性,支持光缆和双绞线,支持交换器工作方式和普通方式。
2)控制层。由常规仪表控制系统、DDC控制系统、PLC控制系统、DCS控制系统、FCS现场总线控制系统构成。体现PC自动化的系统,采用冗余的100 Mbps以太网,保证系统的可靠性;支持光缆以及双绞线。在现场信号处理层,采用1.5 mbps～12 mbps的Profibus-dp工业现场总线连接中央控制单元和I/O模件。此外,系统还提供标准的RS485、RS232通信协议,ModBus协议及通讯接口,与其他计算机和智能化单元如PLC、智能仪表等连接。
3)企业层。由实时生产信息流的共享系统构成。在企业管理层采用标准的100 Mbps以太网(TCP/IP协议),可以与企业的管理网直接相连。
4)网络结构规划。系统实验室基于对数字化工厂的模拟,所有系统构建在工业以太网上,并包含现场总线等热点自动化技术。网络化过程控制实验室网络结构规划方案如图1所示。
经过综合考察,本实验室委托浙江中控教仪公司承担设备制作。配置分2大部分组成:第一部分为7套AE2000 A4常规控制综合实验系统,每套系统设有1个主监控站、6个从监控站;第二部分为1套AE2000 A8高级网络型DCS分布式集散控制系统,1个主监控站、6个从监控站。每个监控站实验台可安排1名学生实验,整个实验室可同时容纳49名学生实验实训。该装置通过多种智能仪表和控制装置能对温度、压力、流量、液位4个典型控制参数进行检测和控制,采用模块化设计,可以方便地组合成多种过程控制实验。网络化特征明显,可以几台计算机组成一个小网络,也可以全部计算机组成一个大网络进行实验管理和控制。目前,新的网络化过程控制实验室已建设完毕并投入使用。
3 实验内容改革
本课程要不断在教学实践中探索改革,逐步形成以过程控制与集散系统为主要内容,并与控制理论发展相结合,以及理论教学与实验教学相结合的较为完整的富有特色的课程体系。过程控制教学内容主要是基于古典控制理论的单参数控制,包括单回路串级、均匀、比值等控制方案,所讲内容强调理论,而培养的是过程控制高技能人才,因此要结合工程设计实际,提高学生的动手能力。在教学过程中注重课堂教学与实验教学相结合,在教学中充分发挥实验室的作用。训练学生的工程设计能力和操作技能通过3个层次完成:基本实验、应用型实验、综合设计型实验。充分利用网络化数字工厂动态模拟仿真系统,对学生进行计算机控制组态训练,以典型的石油化工过程的动态模型为对象自行设计控制方案,培养学生的过程控制计算机应用能力。
4 结论
计算机控制系统以网络为基础,已经成为当今自动化控制系统的趋势。随着计算机技术的不断发展和网络的普及,越来越多的过程控制企业采用先进的网络过程控制系统来代替以往相对独立的多台模拟式仪表为基础的控制方式。这为高职院校过程控制理论和实践教学提供了极大的方便,为学生动手能力的掌握提供了物质基础。目前该实验室已投入使用,效果较好,大大提高学生的动手能力和就业竞争能力。
参考文献
[1]曲丽萍.集散控制系统及其应用实例[M].北京:化学工业出版社,2005
[2]李双利.基于组态王的过程控制综合实验测控装置[J].仪器仪表,2005(6):147-148
[3]申亚芳.基于网络过程控制实验系统的开发[J].实验室技术与管理,2009(4):80-82
[4]方红.过程控制综合实验测控装置的研制[J].仪器仪表用户,2009(5):26-28
关键词 网络化;过程控制;实验平台
中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)33-0083-02
Research and Construction on Network Process Control Experiment Platform//Chen Huaizhong, Han Chengjiang
Abstract To improve vocational skills of students, we study of network process control experimental plan. The platform simulates a digital factory and provides a solid foundation for the implementation of “teaching, learning, doing, industrial integration” reform. It has been put into operation and has achieved better teaching results.
Key words network; process control; experiment platform
Author’s address Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing, Zhejiang, 312000, China
工业自动化技术根据控制对象特性分为过程控制自动化和制造自动化2大方向。除了机械加工类企业外,很多行业都归入过程工业的范畴,如电力、石油、化工、纺织、冶金、水处理等,这些工厂应用大量的过程控制设备与系统,如PLC、DCS等。近年来,调查浙江省内一些钢铁制造、环保、金属矿山等企业,了解“过程控制自动化技术专业”高职毕业生岗位技能的需求情况。学生在过程控制行业里能够稳定地担任的职位有仪表安装和维护工、控制系统操作工和组态工。目前相关企业对过程控制自动化人才需求旺盛,动手能力强的毕业生受到企业较大的欢迎。
1 过程控制实践平台现状
过程控制课程是自动化类专业的重要专业课程之一,但我国目前多数高校该课程的实验设备都远落后于或脱离现场技术。通过对过程控制自动化人才培养实验室硬件、教学仪器生产厂家进行的调研,发现存在以下不足。
1.1 实践教学内容陈旧实验设备老化,实验教材仍采用过去的原化工机械专业的实验教材,实验设备缺少控制装置,远落后于现代工业企业的实用控制技术。另外,实验内容单一,验证性实验多,缺乏综合性与设计性实验。
1.2 没有体现现代过程控制设备的先进技术目前在使用的过程控制实验系统涉及智能仪表技术、PLC技术、计算机控制技术等常规过程控制技术,而集散控制技术、现场总线技术和工控网络技术却较少涉及。控制系统的计算机化、网络化和智能化已成为大势所趋,计算机控制系统已向DCS(集散控制系统)甚至FCS(基于现场总线的控制系统)方向发展。
1.3 实验项目不适合高职学生目前许多过程控制实验系统都是针对本科及研究生来设计实验项目的,没有用一线技术工人必须掌握的技术来设计实验项目,学生应掌握的核心知识点不明确,实验室缺乏必要的保证环节。
2 实践平台实施方案
2.1 实践平台建设目标研究建设一个网络化的过程控制实验系统,为高职自动化专业学生提供一个体现当前自动化与信息技术最新发展的硬件学习和实践平台。
整个过程控制实验室建设方向是模拟一个数字化工厂,在系统上体现数字化工厂的总体信息结构,在设备上应用典型自动化设备。在一个实验室实现多平台要求:为高职教育提供认知控制理论,实践自动化技术的基本实验平台;为学生教育及创新实践提供可组合的设计性实践平台;为教师科研提供体现当前自动化与信息技术最新发展的软硬件环境。系统方案考虑网络化特征,整个实验室系统建立在统一的工业以太网之上,体现自动化系统的多种网络发展,并为实验室网络信息化管理提供基础。控制系统实现多样化,实验室方案采用模块化设计,实现实验室设备的可组合性、开放性、可发展性。
2.2 实践平台建设硬件构成
1)装置层。由常规检测仪表与执行机构构成,带现场总线或其他协议接口的智能检测仪表与执行机构。在系统操作层,保证系统的开放性,支持光缆和双绞线,支持交换器工作方式和普通方式。
2)控制层。由常规仪表控制系统、DDC控制系统、PLC控制系统、DCS控制系统、FCS现场总线控制系统构成。体现PC自动化的系统,采用冗余的100 Mbps以太网,保证系统的可靠性;支持光缆以及双绞线。在现场信号处理层,采用1.5 mbps～12 mbps的Profibus-dp工业现场总线连接中央控制单元和I/O模件。此外,系统还提供标准的RS485、RS232通信协议,ModBus协议及通讯接口,与其他计算机和智能化单元如PLC、智能仪表等连接。
3)企业层。由实时生产信息流的共享系统构成。在企业管理层采用标准的100 Mbps以太网(TCP/IP协议),可以与企业的管理网直接相连。
4)网络结构规划。系统实验室基于对数字化工厂的模拟,所有系统构建在工业以太网上,并包含现场总线等热点自动化技术。网络化过程控制实验室网络结构规划方案如图1所示。
经过综合考察,本实验室委托浙江中控教仪公司承担设备制作。配置分2大部分组成:第一部分为7套AE2000 A4常规控制综合实验系统,每套系统设有1个主监控站、6个从监控站;第二部分为1套AE2000 A8高级网络型DCS分布式集散控制系统,1个主监控站、6个从监控站。每个监控站实验台可安排1名学生实验,整个实验室可同时容纳49名学生实验实训。该装置通过多种智能仪表和控制装置能对温度、压力、流量、液位4个典型控制参数进行检测和控制,采用模块化设计,可以方便地组合成多种过程控制实验。网络化特征明显,可以几台计算机组成一个小网络,也可以全部计算机组成一个大网络进行实验管理和控制。目前,新的网络化过程控制实验室已建设完毕并投入使用。
3 实验内容改革
本课程要不断在教学实践中探索改革,逐步形成以过程控制与集散系统为主要内容,并与控制理论发展相结合,以及理论教学与实验教学相结合的较为完整的富有特色的课程体系。过程控制教学内容主要是基于古典控制理论的单参数控制,包括单回路串级、均匀、比值等控制方案,所讲内容强调理论,而培养的是过程控制高技能人才,因此要结合工程设计实际,提高学生的动手能力。在教学过程中注重课堂教学与实验教学相结合,在教学中充分发挥实验室的作用。训练学生的工程设计能力和操作技能通过3个层次完成:基本实验、应用型实验、综合设计型实验。充分利用网络化数字工厂动态模拟仿真系统,对学生进行计算机控制组态训练,以典型的石油化工过程的动态模型为对象自行设计控制方案,培养学生的过程控制计算机应用能力。
4 结论
计算机控制系统以网络为基础,已经成为当今自动化控制系统的趋势。随着计算机技术的不断发展和网络的普及,越来越多的过程控制企业采用先进的网络过程控制系统来代替以往相对独立的多台模拟式仪表为基础的控制方式。这为高职院校过程控制理论和实践教学提供了极大的方便,为学生动手能力的掌握提供了物质基础。目前该实验室已投入使用,效果较好,大大提高学生的动手能力和就业竞争能力。
参考文献
[1]曲丽萍.集散控制系统及其应用实例[M].北京:化学工业出版社,2005
[2]李双利.基于组态王的过程控制综合实验测控装置[J].仪器仪表,2005(6):147-148
[3]申亚芳.基于网络过程控制实验系统的开发[J].实验室技术与管理,2009(4):80-82
[4]方红.过程控制综合实验测控装置的研制[J].仪器仪表用户,2009(5):26-28