網絡化過程控制實驗平臺的研究與建設

陳懷忠 韓承江

摘要 以學生職業技能提高為根本,研究網絡化過程控制實驗系統方案。該實踐平臺模擬一個數字化工廠,為實施“教、學、做、工融合”人才培養模式改革提供堅實的物質基礎,投入運行以來,取得較好的教學效果。

關鍵詞 網絡化;過程控制;實驗平臺

中圖分類號:TP273 文獻標識碼:B 文章編號: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

Authors address Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing, Zhejiang, 312000, China

工業自動化技術根據控制對象特性分為過程控制自動化和制造自動化2大方向。除了機械加工類企業外,很多行業都歸入過程工業的范疇,如電力、石油、化工、紡織、冶金、水處理等,這些工廠應用大量的過程控制設備與系統,如PLC、DCS等。近年來,調查浙江省內一些鋼鐵制造、環保、金屬礦山等企業,了解“過程控制自動化技術專業”高職畢業生崗位技能的需求情況。學生在過程控制行業里能夠穩定地擔任的職位有儀表安裝和維護工、控制系統操作工和組態工。目前相關企業對過程控制自動化人才需求旺盛,動手能力強的畢業生受到企業較大的歡迎。

1 過程控制實踐平臺現狀

過程控制課程是自動化類專業的重要專業課程之一,但我國目前多數高校該課程的實驗設備都遠落后于或脫離現場技術。通過對過程控制自動化人才培養實驗室硬件、教學儀器生產廠家進行的調研,發現存在以下不足。

1.1 實踐教學內容陳舊實驗設備老化,實驗教材仍采用過去的原化工機械專業的實驗教材,實驗設備缺少控制裝置,遠落后于現代工業企業的實用控制技術。另外,實驗內容單一,驗證性實驗多,缺乏綜合性與設計性實驗。

1.2 沒有體現現代過程控制設備的先進技術目前在使用的過程控制實驗系統涉及智能儀表技術、PLC技術、計算機控制技術等常規過程控制技術,而集散控制技術、現場總線技術和工控網絡技術卻較少涉及。控制系統的計算機化、網絡化和智能化已成為大勢所趨,計算機控制系統已向DCS(集散控制系統)甚至FCS(基于現場總線的控制系統)方向發展。

1.3 實驗項目不適合高職學生目前許多過程控制實驗系統都是針對本科及研究生來設計實驗項目的,沒有用一線技術工人必須掌握的技術來設計實驗項目,學生應掌握的核心知識點不明確,實驗室缺乏必要的保證環節。

2 實踐平臺實施方案

2.1 實踐平臺建設目標研究建設一個網絡化的過程控制實驗系統,為高職自動化專業學生提供一個體現當前自動化與信息技術最新發展的硬件學習和實踐平臺。

整個過程控制實驗室建設方向是模擬一個數字化工廠,在系統上體現數字化工廠的總體信息結構,在設備上應用典型自動化設備。在一個實驗室實現多平臺要求:為高職教育提供認知控制理論,實踐自動化技術的基本實驗平臺;為學生教育及創新實踐提供可組合的設計性實踐平臺;為教師科研提供體現當前自動化與信息技術最新發展的軟硬件環境。系統方案考慮網絡化特征,整個實驗室系統建立在統一的工業以太網之上,體現自動化系統的多種網絡發展,并為實驗室網絡信息化管理提供基礎。控制系統實現多樣化,實驗室方案采用模塊化設計,實現實驗室設備的可組合性、開放性、可發展性。

2.2 實踐平臺建設硬件構成

1)裝置層。由常規檢測儀表與執行機構構成,帶現場總線或其他協議接口的智能檢測儀表與執行機構。在系統操作層,保證系統的開放性,支持光纜和雙絞線,支持交換器工作方式和普通方式。

2)控制層。由常規儀表控制系統、DDC控制系統、PLC控制系統、DCS控制系統、FCS現場總線控制系統構成。體現PC自動化的系統,采用冗余的100 Mbps以太網,保證系統的可靠性;支持光纜以及雙絞線。在現場信號處理層,采用1.5 mbps～12 mbps的Profibus-dp工業現場總線連接中央控制單元和I/O模件。此外,系統還提供標準的RS485、RS232通信協議,ModBus協議及通訊接口,與其他計算機和智能化單元如PLC、智能儀表等連接。

3)企業層。由實時生產信息流的共享系統構成。在企業管理層采用標準的100 Mbps以太網(TCP/IP協議),可以與企業的管理網直接相連。

4)網絡結構規劃。系統實驗室基于對數字化工廠的模擬,所有系統構建在工業以太網上,并包含現場總線等熱點自動化技術。網絡化過程控制實驗室網絡結構規劃方案如圖1所示。

經過綜合考察,本實驗室委托浙江中控教儀公司承擔設備制作。配置分2大部分組成:第一部分為7套AE2000 A4常規控制綜合實驗系統,每套系統設有1個主監控站、6個從監控站;第二部分為1套AE2000 A8高級網絡型DCS分布式集散控制系統,1個主監控站、6個從監控站。每個監控站實驗臺可安排1名學生實驗,整個實驗室可同時容納49名學生實驗實訓。該裝置通過多種智能儀表和控制裝置能對溫度、壓力、流量、液位4個典型控制參數進行檢測和控制,采用模塊化設計,可以方便地組合成多種過程控制實驗。網絡化特征明顯,可以幾臺計算機組成一個小網絡,也可以全部計算機組成一個大網絡進行實驗管理和控制。目前,新的網絡化過程控制實驗室已建設完畢并投入使用。

3 實驗內容改革

本課程要不斷在教學實踐中探索改革,逐步形成以過程控制與集散系統為主要內容,并與控制理論發展相結合,以及理論教學與實驗教學相結合的較為完整的富有特色的課程體系。過程控制教學內容主要是基于古典控制理論的單參數控制,包括單回路串級、均勻、比值等控制方案,所講內容強調理論,而培養的是過程控制高技能人才,因此要結合工程設計實際,提高學生的動手能力。在教學過程中注重課堂教學與實驗教學相結合,在教學中充分發揮實驗室的作用。訓練學生的工程設計能力和操作技能通過3個層次完成:基本實驗、應用型實驗、綜合設計型實驗。充分利用網絡化數字工廠動態模擬仿真系統,對學生進行計算機控制組態訓練,以典型的石油化工過程的動態模型為對象自行設計控制方案,培養學生的過程控制計算機應用能力。

4 結論

計算機控制系統以網絡為基礎,已經成為當今自動化控制系統的趨勢。隨著計算機技術的不斷發展和網絡的普及,越來越多的過程控制企業采用先進的網絡過程控制系統來代替以往相對獨立的多臺模擬式儀表為基礎的控制方式。這為高職院校過程控制理論和實踐教學提供了極大的方便,為學生動手能力的掌握提供了物質基礎。目前該實驗室已投入使用,效果較好,大大提高學生的動手能力和就業競爭能力。

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