微型抽油機實驗教學平臺的改造

摘要：機械專業人才的培養必須緊密結合實際，強化專業特色，具有創新精神。為配合機電一體化專業的教學與實驗，通過改造微型抽油機實驗教學研究平臺，使該平臺既能進行專業課程的教學實驗，又能進行專業知識的綜合應用與研究。本文介紹了平臺的組成，平臺在實驗教學中的具體應用以及取得的教學效果。

關鍵詞：抽油機 實驗教學 綜合實驗

機電一體化技術是機械技術、液壓技術和微電子技術的有機結合。它是在融合了機械、液壓、電子、計算機、傳感器、自動控制等學科技術的基礎上發展起來的一門新興學科，目前已廣泛應用于石油機械的各個方面，并代表著機械領域技術發展的主流[1]。

現代石油機械正朝著高效、安全、節能等方向發展，石油企業也對機械類人才的要求也日趨復合化。機電一體化人才是應用型技術人才，在學校的培養過程中要十分注重理論與實踐的結合。除加強實踐教學環節，到相關的油田、企業參加生產實踐外，更多的應以本院校的實踐基地為主，加強學生的實踐認識過程[2]。為緊密結合實際，強化專業特色，培養具有創新精神的高素質人才，我院開展了微型抽油機實驗室的改造工作。實驗室的改造緊密結合專業課程，在原有機械結構的前提下，構建了以測控、節能為核心的實驗教學平臺，為理論教學、實驗技能、課程設計、畢業設計等提供了一個可靠、方便的實驗平臺。

實驗教學平臺的建立。在原有微型抽油機實驗平臺上，應用計算機技術、傳感器技術，進行機電一體化改造，使得實驗平臺具有抽油機遠程狀態監測功能、故障診斷功能、節能功能等。

1.實驗教學平臺建立的總體思想。我校多年來人才培養主要面向石油行業。在幾十年的辦學過程中，已形成了自己的行業特色及優勢。面對市場經濟條件下日益激烈的競爭，我校機電一體化專業方向應保持幾十年來在石油機械行業中的特色，并以此為基礎設置電液控制、計算機應用以及與行業發展相關的實驗室建設，力求理論與實際相結合，增加相關學科知識，擴充專業內涵，加強實踐教學環節建設，為造就具有創新能力的復合型人才奠定基礎。

2.實驗教學平臺硬件組成。基于總體設計思想，實驗教學平臺主要由計算機、測控系統等組成，將傳統石油機械與現代測控技術緊密結合。平臺具備測控系統的共同性，同時也與石油機械緊密結合，以滿足不同測控實驗的需要。實驗教學平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 實驗教學平臺結構框圖

(1)多功能數據采集系統。由單片機構成的數據采集系統具有很高的靈活性，功能強大，且結構簡單。系統采用帶有CAN總線的C8051F040高性能單片機，該單片機具有64個數字I/O引腳，集成了一個CAN2.0B控制器，有12位、100ksps的ADC，使得數據采集的結構更加簡單。(2)傳感器。根據平臺中被測物理量的特點，主要配置了應變片、振動傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器和流量傳感器。(3)可編程程控增益放大器。將接收的傳感器信號進行放大、濾波、線性化補償、隔離、保護等措施進行調整，采用模塊化設計[3]。(4)電動機及其功率驅動。抽油機很重要的一點就是節能，主要采用PWM技術對電動機進行驅動，從而達到節約電能的目的。

3.開發工具。結合專業軟件語言學習特點，選擇匯編語言、C語言、LabWindows/CVI等作為開發工具。語言學習與實際應用緊密結合，提高了語言的實驗教學效果。采用虛擬儀器的軟件開發工具，讓學生更加了解現代儀器的發展方向。

平臺教學實驗。結合本專業目前開設的課程，如檢測技術與傳感器、單片機原理與接口技術、機電一體化系統設計、機電傳動與控制、機械原理課程設計等，本實驗教學平臺主要用于實驗教學，包括傳感器及數據采集、單片機實驗、電動機控制實驗、機電一體化綜合實驗等。現將主要實驗介紹如下。

1.實時數據采集與處理實驗。本實驗主要實現下位單片機實現數據采集、通信、上位計算機完成數據處理。按實驗目的和要求，由傳感器、信號調理電路、單片機、CAN總線、計算機組成典型的數據采集系統。具體任務如下：單片機采集溫度、流量、轉速等數據；計算機實現對數據的初步時域、頻域分析，并顯示圖形，數據處理軟件采用LabWindows/CVI編寫。通過實驗訓練，做到理論與實踐相結合，要求熟練地操作單片機并進行數據采集，正確地檢測、控制外部信號，分析采集信號，近一步加深學生對測控理論和傳感器等儀器設備工作原理的理解，為下一步學習工作打下扎實的基礎。

2.電動機控制實驗。基于平臺，可以利用繼電器、晶閘管、IJBT管的控制電動機，同時利用單片機進行自動控制。實驗系統由單片機、繼電器、小功率電機等組成，可以完成電動機的正反轉和自動啟停控制。同時可以選做由IJBT管構成的電動機節能控制實驗[4]，讓學生了解抽油機節能技術。通過實驗，讓學生更加清晰的了解電動機的繼電器控制，加深了學生對機電傳動與控制課程的認識，了解電機的節能控制技術及其在抽油機上的應用，為今后工作打下基礎。

3.與實踐課程教學結合。抽油機的機構設計與分析是我院機械原理課程設計的重要內容，同時，抽油機作為主要的采油設備，歷來是我院畢業設計的亮點。基于平臺，學生進行實驗更加方便，學生的課程設計與畢業設計的實驗數據更加接近實際。

實驗組織及效果。在組織學生實驗時，由老師提出實驗要求，在老師輔導下，學生根據要求設計實驗方案，自己動手進行實驗，做出實驗結果。

實驗的受益面寬，實驗的開出率為100%，有效地培養了學生的綜合素質、創新能力和創新意識，博得了學生的廣泛好評。同時，該平臺積極為機械創新設計大賽提供實驗平臺。

本實驗平臺合理利用現有資源，一方面有利于學生實踐，培養現代化建設的應用人才。平臺重技能鍛煉，重能力培養，重工程應用，可方便地在同一實驗臺上完成多個實驗。學生通過綜合性實驗的訓練，直接接觸到多學科的相互交叉滲透，培養了綜合分析問題和解決問題的能力，通過這樣培養訓練，學生在不同的工作環境中的適應能力和處理問題的能力得到很大提高。平臺實驗方便靈活，知識覆蓋面廣，實踐性強，在多年科研工作和教學實踐中較好地完成了測控技術實驗教學。另一方面有利于為科研和生產服務，同時機電一體化是也是現代石油機械的發展方向。

湖北省高等學校教學研究項目（編號：20060243）。

參考文獻：

[1]劉麗華.機電一體化專業系列課程建設與實踐[J].交通高教研究，2004.4.

[2]趙燕，阮祥發.機電一體化實驗室建設的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，1999.4.

[3]李正美等.生物醫學工程專業測控技術實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索，2006.3.

[4]郭登明等.游梁式抽油機的節能改造[J].鉆采工藝，2002.3.

[5]趙燕，阮祥發.機電一體化實驗室建設的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，1999.4.

作者單位：長江大學機械工程學院湖北荊州