徐銀梅, 李 擎, 董 潔, 閻 群, 崔家瑞
(北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100083)
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自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)踐
徐銀梅, 李擎, 董潔, 閻群, 崔家瑞
(北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京100083)
為了滿足CDIO人才培養(yǎng)模式和“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求,研發(fā)了自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái),建成自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)訓(xùn)設(shè)備以實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)為原型,涵蓋完整的自動(dòng)化工廠實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。依托自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室,開設(shè)自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程,應(yīng)用主動(dòng)式教學(xué)理念,以學(xué)生為主體、以工業(yè)過程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程為依據(jù),兼顧學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng),可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力、工程管理能力和創(chuàng)新能力。該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的先進(jìn)性和通用性。
工程教育; 自動(dòng)化實(shí)訓(xùn); 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng); 主動(dòng)式教學(xué)
北京科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)是教育部CDIO國(guó)家級(jí)特色專業(yè),也是全?!白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)6個(gè)專業(yè)之一。CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作,它以產(chǎn)品從構(gòu)思研發(fā)到運(yùn)行的全生命過程為載體,培養(yǎng)學(xué)生的工程能力,包括個(gè)人的工程科學(xué)和技術(shù)知識(shí),學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和大系統(tǒng)調(diào)控等方面的能力[1-3]。“卓越計(jì)劃”重在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐潛能與興趣,加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng),提升學(xué)生工程素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力、工程管理能力和創(chuàng)新能力,同時(shí)尊重學(xué)生個(gè)性發(fā)展。實(shí)施“卓越計(jì)劃”和CDIO工程教育模式的根本都是在于對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),二者在學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)上是一致的,都是培養(yǎng)合格的工程型人才[4-7]。
為了有效實(shí)施“卓越計(jì)劃”,結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)CDIO培養(yǎng)模式,我校建成自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室,自主研發(fā)了自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)以實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)為原型,涵蓋完整的自動(dòng)化工廠實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),包括過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和制造自動(dòng)化的多個(gè)行業(yè)系統(tǒng),以及先進(jìn)工廠的集成網(wǎng)絡(luò)和集成信息系統(tǒng),可開展包含本專業(yè)主要核心課程和能力要求的項(xiàng)目,完整地、前后銜接地貫穿于整個(gè)本科教學(xué)階段,使學(xué)生得到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的系統(tǒng)訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力、工程管理能力和創(chuàng)新能力。
自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)涉及自動(dòng)控制理論、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)的行業(yè)系統(tǒng)以及集成網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)等內(nèi)容,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)
1.1行業(yè)對(duì)象系統(tǒng)
行業(yè)對(duì)象系統(tǒng)包括:1套多熱工參量控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(帶PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線);9套三容水箱過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);1套鋼鐵行業(yè)廢水處理系統(tǒng);8套磁粉制動(dòng)交流電機(jī)控制系統(tǒng);3套伺服驅(qū)動(dòng)平面倒立擺控制系統(tǒng);2套乒乓球氣流控制系統(tǒng);多質(zhì)量彈性扭矩系統(tǒng)、金屬板材張力測(cè)量和控制系統(tǒng)、七站柔性制造系統(tǒng)、機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)各1套。
張力控制系統(tǒng)描述了鋼鐵領(lǐng)域的軋機(jī)控制系統(tǒng);多熱工參量控制系統(tǒng)描述了化工領(lǐng)域的鍋爐熱工參數(shù)控制系統(tǒng);柔性制造系統(tǒng)描述了工業(yè)裝配一體化系統(tǒng);鋼鐵行業(yè)廢水處理系統(tǒng)描述了鋼鐵生產(chǎn)過程中廢水處理的混凝—沉淀—過濾—?dú)⒕に囘^程。通過各個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí),學(xué)生可以快速了解典型工業(yè)過程。
1.2集成網(wǎng)絡(luò)和信息安全系統(tǒng)
系統(tǒng)模擬工廠網(wǎng)絡(luò)包括6臺(tái)交換機(jī)(3臺(tái)用于環(huán)網(wǎng)的以太網(wǎng)交換機(jī),3臺(tái)用于冗余的以太網(wǎng)交換機(jī));6臺(tái)路由器;1臺(tái)具有路由功能的VPN防火墻設(shè)備;視頻服務(wù)器及集成監(jiān)控軟件系統(tǒng)。
1.3集成企業(yè)信息系統(tǒng)(MIS、ERP)
MIS工廠實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)是一個(gè)演示性的信息系統(tǒng),它通過服務(wù)器程序從組態(tài)軟件中收集相應(yīng)的信息,為工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的銷售、財(cái)務(wù)、采購(gòu)、經(jīng)理提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)信息,以使得他們能夠?qū)ψ约核鶓?yīng)該負(fù)責(zé)的各種計(jì)劃、監(jiān)測(cè)和控制活動(dòng)等做出及時(shí)、有效的決策。相對(duì)組態(tài)軟件運(yùn)行的軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控生產(chǎn)過程,而該系統(tǒng)針對(duì)的是高層管理信息,可以實(shí)現(xiàn)Web遠(yuǎn)程監(jiān)控。
ERP是一個(gè)演示性的資源管理系統(tǒng)。按照現(xiàn)代化工廠信息管理系統(tǒng)的典型模式,設(shè)置“總裁”、“技術(shù)總監(jiān)”、“財(cái)務(wù)總監(jiān)”和“市場(chǎng)總監(jiān)”4個(gè)管理工作站,模擬現(xiàn)代化工廠信息管理系統(tǒng)。
自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用模塊化思想設(shè)計(jì),可根據(jù)需要由各個(gè)基本單元搭建成基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊和綜合實(shí)訓(xùn)模塊[8],基礎(chǔ)模塊主要完成小型自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn),主要包括小型過程控制系統(tǒng)、熱工參數(shù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng),基于基礎(chǔ)模塊開設(shè)的課程“控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)小型控制系統(tǒng),并集成到該平臺(tái)中。
綜合實(shí)訓(xùn)模塊是在基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊的基礎(chǔ)上“結(jié)合真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目需求”,可對(duì)應(yīng)于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的中型控制系統(tǒng)。該部分對(duì)學(xué)生要求較高,除了能夠完成相關(guān)的功能設(shè)計(jì)還需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的異常處理和系統(tǒng)的健壯性。基于綜合模塊開設(shè)了“自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)”課程,實(shí)訓(xùn)過程模擬了復(fù)雜工程問題的解決流程,在這一過程中,學(xué)生要利用具有的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程知識(shí),綜合分析獲得被控對(duì)象模型,并選擇適當(dāng)控制算法,通過系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證、解決實(shí)際工程問題。
組成各個(gè)模塊的基本單元,可作為專業(yè)課配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用,如多熱工參量控制系統(tǒng)的傳感器單元,可以作為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)“現(xiàn)代傳感器技術(shù)”課程的部分傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用;三容水箱過程控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件部分可以作為自動(dòng)化專業(yè)“工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用;磁粉制動(dòng)和交流電機(jī)控制系統(tǒng)既可以作為“可編程序控制器”課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用,又可以作為“電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制”課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用。
目前自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程如表1所示。

表1 自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
為了滿足CDIO人才培養(yǎng)模式和“卓越計(jì)劃”對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求,依托自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái),自動(dòng)化專業(yè)本科開設(shè)了自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程。實(shí)訓(xùn)采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式,引入主動(dòng)式教學(xué)理念[9-10],以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),在實(shí)訓(xùn)過程中,將學(xué)生定位為“工程師”,教師提出具體的項(xiàng)目需求,由學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的分析與設(shè)計(jì),完成教師提出的項(xiàng)目需求的解決方案,并完成項(xiàng)目的實(shí)施與調(diào)試。教師在學(xué)生設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中給予技術(shù)支持與指導(dǎo),針對(duì)學(xué)生因工程經(jīng)驗(yàn)不足產(chǎn)生的問題進(jìn)行引導(dǎo),調(diào)試結(jié)束時(shí)針對(duì)學(xué)生存在的問題進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)。通過項(xiàng)目進(jìn)程中一步一步引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)具體的項(xiàng)目問題進(jìn)行項(xiàng)目需求分析、項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)方案設(shè)計(jì),并總結(jié)解決問題的思路和方法,可以有效地培養(yǎng)學(xué)生分析、提出方案并解決工程實(shí)際問題的能力及產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的能力。
下面以自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)——多容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例,說明如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。
多容水箱是較為典型的非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)延對(duì)象,工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成多容水箱的數(shù)學(xué)模型,具有很強(qiáng)的代表性。多容水箱的數(shù)學(xué)建模及控制策略的研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義,例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制等[11-12]。
針對(duì)這一具有復(fù)雜特性和一定工程背景的實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生深入分析多容水箱系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)特性,根據(jù)多容水箱液位控制精度的要求,選擇合適的檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu),應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理,利用機(jī)理模型來(lái)表達(dá)多容水箱系統(tǒng)模型;之后設(shè)計(jì)高精度液位控制系統(tǒng),包括控制系統(tǒng)選型、設(shè)計(jì)開發(fā)滿足需要的控制算法,并在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)系統(tǒng)安全性,確保達(dá)到快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制水箱水位的目的。
實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求控制指標(biāo)為:衰減比為4∶1~10∶1、超調(diào)量Mp<5%、調(diào)節(jié)時(shí)間Ts<45s、穩(wěn)態(tài)誤差<1cm。在實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生針對(duì)機(jī)理模型參數(shù)辨識(shí)與控制算法及其參數(shù)整定設(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn),并分析和解釋多容水箱系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù),通過信息綜合得到相應(yīng)結(jié)論;要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)掌握多容水箱系統(tǒng)建模相關(guān)知識(shí),并在建?;A(chǔ)上利用仿真工具(如Matlab)進(jìn)行多容水箱的模擬與仿真,從而為大滯后復(fù)雜對(duì)象的預(yù)測(cè)控制積累相應(yīng)知識(shí);要求學(xué)生查閱文獻(xiàn),掌握實(shí)際工程中多容水箱系統(tǒng)模型的具體應(yīng)用,并說明多容水箱安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型中應(yīng)該考慮的相關(guān)因素,從而了解該系統(tǒng)解決方案可能對(duì)社會(huì)、健康、安全等的影響。
多容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目流程如圖2所示。

圖2 水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目流程
實(shí)訓(xùn)課程中學(xué)生以項(xiàng)目組的形式開展項(xiàng)目研究,項(xiàng)目組包括負(fù)責(zé)人和組員,按照各自身份參與項(xiàng)目實(shí)施,輪換項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和組員身份,保證每個(gè)學(xué)生都參與過負(fù)責(zé)人的角色,注重學(xué)生個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。
實(shí)訓(xùn)課程要求學(xué)生按實(shí)際工程項(xiàng)目方案形式撰寫報(bào)告,要求工程方案設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括:系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成、工程實(shí)施方案(包括控制方案組態(tài)及仿真測(cè)試、響應(yīng)曲線及性能分析等)。
這種實(shí)訓(xùn)過程實(shí)際上就是模擬了復(fù)雜工程問題的解決流程,學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)課程的訓(xùn)練,不僅了解了工業(yè)生產(chǎn)工藝流程,提升了專業(yè)認(rèn)同感,而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。
2015年,基于自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),“自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研制”項(xiàng)目獲校實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果特等獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成果主要表現(xiàn)在以下幾方面:
(1) 本科生教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近2年的實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn),不斷改進(jìn)和完善,已在自動(dòng)化專業(yè)11級(jí)和12級(jí)本科生的專業(yè)必修課“自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)”及智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)12級(jí)和13級(jí)“控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程中使用2個(gè)學(xué)年。經(jīng)過2個(gè)學(xué)年的運(yùn)行,實(shí)訓(xùn)效果明顯。同時(shí)為相關(guān)專業(yè)課程開設(shè)實(shí)驗(yàn)。2年來(lái)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)合計(jì)近17 000,本科生20余人利用自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。
(2) 本科生學(xué)科競(jìng)賽。通過該課程的學(xué)習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力,為學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽提供了基礎(chǔ)條件和實(shí)訓(xùn)基地,在2013年和2015年的全國(guó)大學(xué)生相關(guān)競(jìng)賽中,取得了多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。2013 至2015年全國(guó)大學(xué)生“西門子杯”工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽,共獲得全國(guó)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng),華北區(qū)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)。2014年英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽,獲全國(guó)三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
(3) 研究生和教師科研。為了有效發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)室的效益,學(xué)院實(shí)施了實(shí)驗(yàn)室開放政策,研究生和教師可以利用該平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的學(xué)術(shù)研究。基于該平臺(tái),已發(fā)表SCI檢索、EI檢索及中文核心期刊論文6篇。
(4) 教材編寫?;谠撈脚_(tái),申請(qǐng)了我校2014年度校級(jí)“十二五”規(guī)劃教材卓越計(jì)劃項(xiàng)目“工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程”,并獲得資助。
(5) 接待參觀。接待國(guó)內(nèi)外包括法國(guó)圖爾工程師學(xué)院、德國(guó)工程師協(xié)會(huì)、日本高知縣立大學(xué)、臺(tái)灣科技大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、黑龍江大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的10余所大學(xué)和機(jī)構(gòu)參觀考察。
自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建成,強(qiáng)化了教學(xué)體系當(dāng)中的工程實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié),使學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題,并深入了解典型工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程,為自動(dòng)化專業(yè)的相關(guān)專業(yè)課程、課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的訓(xùn)練環(huán)節(jié),通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)型主動(dòng)教學(xué)方式的自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié),有效地培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。
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Constructionandimplementationofautomationtraininglaboratory
XuYinmei,LiQing,DongJie,YanQun,CuiJiarui
(SchoolofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)
InordertomeettherequirementofCDIOmodeofteachingandthe“ExcellentEngineerEducationandTrainingProgram”tocultivatethestudentsengineeringpracticeability,thisarticleresearchesanddevelopstheautomationproductionlinetrainingplatform,andconstructstheautomationtraininglaboratory.Theprototypeoftrainingequipmentistheactualindustrialsystem,coveringcompleteautomaticplanttrainingsystem.Automaticproductionlinetrainingcoursesapplyactiveteachingmethod,takingstudentsasthemainbody,basedonthestudents’comprehensivequalityoftraining,toeffectivelycultivatestudents’engineeringpracticeability,designability,engineeringmanagementabilityandinnovationability.Theconstructionofthelaboratoryhascertainadvancementanduniversality.
engineeringeducation;automationtraining;project-driven;activeteaching
DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.064
2016- 01- 27修改日期:2016- 02- 29
北京市高等學(xué)校教育教學(xué)改革面上項(xiàng)目(2014-ms028);北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究重點(diǎn)項(xiàng)目(JG2015Z09)
徐銀梅(1969—),女,河北遷西,碩士,工程師,研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程.
E-mail:xym_wym@sina.com
G482
B
1002-4956(2016)5- 0240- 05