面向培養卓越工程師的測控專業實踐環節教學改革

房澤平 張 謙

中原工學院電子信息學院 河南鄭州 450007

面向培養卓越工程師的測控專業實踐環節教學改革

房澤平 張 謙

中原工學院電子信息學院 河南鄭州 450007

面向培養卓越工程師，對測控技術與儀器專業的實踐環節教學進行了改革。提出了對現有的實驗設備進行基于LabVIEW的改革，包括液位測控系統和電加熱爐溫度測控系統。成果表明，對測控技術與儀器專業的卓越工程師培養，具有一定的參考價值。

卓越工程師；測控技術與儀器專業；實踐環節教學；改革

參照“卓越計劃”通用標準，“卓越計劃”在教學方法改革方面著力推行符合工程能力培養規律的學習方法。傳統的工科專業課程之間具有明顯的界限，課堂教學以講授為主，綜合性的案例與結合實際項目的教學不多[1]。根據“卓越計劃”的目的要求，針對測控技術與儀器專業(簡稱測控專業)學生制定適合的培養目標，切實加強實踐環節教學的改革和建設，培養出具有很強工程崗位適應能力的測控專業卓越工程師，是目前實踐環節教學需要加強研究的重點。為此，在分析現有測控專業實踐環節教學培養方案的基礎上，旨在培養適應和掌握現代測控系統的卓越工程師，結合現代的先進測控理論和技術，對測控專業的實踐環節教學進行改革與探索[2,3]。

1 實踐環節教學改革思路

目前，國內很多高校的專業課實驗多處于驗證性、孤立性的實驗階段，購買的實驗裝置功能單一且封閉。在學校里，學生也不能接觸實際工業過程。面對實際的實踐環節教學情況和目前嚴峻的就業形勢,特別是要實現高端就業，教師必須自主研發模擬實際工業現場控制系統，讓學生掌握測控系統的真諦?；贚abVIEW對現有測控類相關實踐環節教學內容、方法進行改革和開發新的實驗設備，有助于學生對現代先進測控系統的學習和掌握，使學生掌握本專業最新科技動態，更好地適應社會發展需求，有助于測控專業的卓越工程師培養。購買先進的實驗設備，學校實驗設備經費所限。在原有實驗設備的基礎上，結合現代先進的測控技術，將其改進為適合培養要求的測控系統，是確實可行的改革思路。

目前，我校測控專業開設虛擬儀器技術、過程控制與儀表和測控技術設計與系統課程。過程控制與儀表課程的實驗裝置是求是公司的PCT-I型過程控制系統實驗裝置，該裝置采用基于組態軟件開發的監控軟件。測控技術設計與系統課程的實驗裝置是杭州求是科技有限公司的ACCT-1型計算機控制技術實驗裝置，該裝置采用基于VBscript語言開發的監控軟件。結合所開設的虛擬儀器技術課程的理論知識，對上述兩類實驗裝置的監控軟件，開發基于LabVIEW的監控軟件，將虛擬儀器技術引入現有的實驗裝置，原有的實驗裝置改進為現代具有先進技術的測控系統，一則解決實驗裝置經費所限問題；二則學以致用專業對口；三則不用出校園就可以讓學生接觸實際測控系統，培養學生的工程實踐能力。

2 基于LabVIEW的液位測控系統

PCT-I型過程控制實驗裝置是基于工業過程物理模擬對象，它集自動化儀表技術、計算機技術、通信技術、自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。系統包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數，可實現壓力單回路、液位單回路、液位串級等多種過程控制系統的實驗教學。以設計基于LabVIEW的液位測控系統為例[4]。

2.1 液位測控系統組成原理

液位測控系統組成原理，如圖1所示。該系統由過程對象單容水箱、PCI-6014、執行器和計算機等組成。PCI-6014將采集到的液位數值經PCI總線傳至計算機，并由LabVIEW軟件處理；計算機發出的命令經由PCI-6014去控制電動調節閥，進而調節進入水箱的水流量，通過改變水箱的液位，可以完成對水箱液位的監控，并配以PID控制算法等，就可以實現液位的自動控制。

圖1 基于labVIEW的液位測控系統框圖

2.2 V/I變換

在圖1的液位測控系統中，液位測量采用基于工業用的擴散硅壓力變送器和不銹鋼隔離膜片的液位變送器，將水箱的液位值轉換為4～20 mA的電流信號。電動調節閥對控制回路流量進行調節。圖1中采用智能電動調節閥，控制單元與電動執行機構一體化，電動執行機構直接接受4～20 mA，輸出4～20 mA的閥位信號。本過程控制采用日本三菱FR-S520變頻器，4～20 mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制。由于PCI-6014卡的模擬輸入和輸出均為電壓信號，所以，對于輸入到PCI-6014的信號進行I/V變換，對于從PCI-6014輸出到電動調節閥等執行機構的信號進行V/I變換。在本系統中采用集成電路芯片XTR110實現V/I變換，原理圖如圖2所示[5]。

圖2 XTR110電壓/電流變換原理圖

3 基于LabVIEW的電加熱爐的溫度測控系統

3.1 系統原理

該系統的被控對象為ACCT-1型計算機控制技術實驗裝置的電加熱爐。電加熱爐的溫度測控系統原理框圖(如圖3所示)。PCI-6014采集溫度數據并送至計算機顯示和處理。溫度調節命令經由PCI-6014改變PWM溫度調節電路，進而調節電加熱爐的溫度，實現溫度的自動控制。

圖3 基于LabVIEW的電加熱爐的溫度測控系統框圖

3.2 前面板與程序設計

基于LabVIEW設計的前面板主要包括：溫度實時曲線、溫度控制曲線、溫度設定面板、PID控制面板、溫度數據顯示與保存等。程序主要包含溫度數據采集與處理模塊、通道設置模塊、溫度顯示與存儲、報警模塊和PID溫度控制模塊等(如圖4所示)。系統除具有溫度數字調節、溫度圖形化顯示的功能外，還可以存儲歷史溫度數據、超限報警等功能，方便使用。

圖4 程序組成結構圖

4 結束語

針對測控專業，對實踐環節教學進行幾點改革。對現有的實驗設備進行基于LabVIEW的改革，主要包括組建單回路液位測控系統和電加熱爐溫度測控系統；通過改革，將先進的現代測控技術引入測控專業的卓越工程師培養中，能夠使高校的教學內容緊跟時代的發展，能夠使高校培養出符合“卓越計劃”標準要求的具有創新能力、創新意識和工程實踐能力的優秀人才，對高校實驗教學改革是一個新的發展方向。改革的成果是實施卓越工程師培養的一個參考思路，對培養卓越工程師具有重要意義。

[1] 林健.談實施“卓越工程師培養計劃”引發的若干變革[J].中國高等教育,2010,17:30-32.

[2] 牛群峰,王威.虛擬儀器在測控技術與儀器專業教學中的應用探討[J].中國電力教育,2010,34:136-139.

[3] 楊帆,程雯.測控技術與儀器專業三位一體的教學改革研究與實踐[J].武漢工程大學學報,2010,2:98-102.

[4] 張帥.基于MSP430和LabVIEW的溫度控制系統設計[J].哈爾濱商業大學學報,2010,8:472-475.

[5] 劉志強,龍海南.電壓/電流變換器XTR110及其應用[J].國外電子元器件,2004,9:69-71.

Reform of practical training courses of the speciality of measurement and control technology and instrument oriented to training excellent engineers

Fang Zeping, Zhang Qian
Zhongyuan institute of technology, Zhengzhou, 450007, China

Oriented to training excellent engineers, this article put forward and researched several reform schemes of practical training courses of the speciality of measurement and control technology and instrument. In this article, existing experimental equipment were carried on the reform on labVIEW, including the system of liquid level measurement and control and the temperature control system of electric heating furnace. The results show that the reform has certain important referrence value to training excellent engineers of measurement and control technology and instrument students.

excellent engineer; measurement and control technology and instrument; practical training course; reform

2011-12-06

房澤平，碩士，講師。張謙，碩士，教授，主任。

中原工學院校級教學改革項目(2011)“基于LabVIEW的測控專業實踐教學內容、方法改革與實踐”。