面向培養(yǎng)卓越工程師的測控專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革

房澤平 張 謙

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 450007

面向培養(yǎng)卓越工程師的測控專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革

房澤平 張 謙

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 450007

面向培養(yǎng)卓越工程師，對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)進(jìn)行了改革。提出了對現(xiàn)有的實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行基于LabVIEW的改革，包括液位測控系統(tǒng)和電加熱爐溫度測控系統(tǒng)。成果表明，對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的卓越工程師培養(yǎng)，具有一定的參考價值。

卓越工程師；測控技術(shù)與儀器專業(yè)；實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)；改革

參照“卓越計劃”通用標(biāo)準(zhǔn)，“卓越計劃”在教學(xué)方法改革方面著力推行符合工程能力培養(yǎng)規(guī)律的學(xué)習(xí)方法。傳統(tǒng)的工科專業(yè)課程之間具有明顯的界限，課堂教學(xué)以講授為主，綜合性的案例與結(jié)合實(shí)際項目的教學(xué)不多[1]。根據(jù)“卓越計劃”的目的要求，針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)(簡稱測控專業(yè))學(xué)生制定適合的培養(yǎng)目標(biāo)，切實(shí)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的改革和建設(shè)，培養(yǎng)出具有很強(qiáng)工程崗位適應(yīng)能力的測控專業(yè)卓越工程師，是目前實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)需要加強(qiáng)研究的重點(diǎn)。為此，在分析現(xiàn)有測控專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，旨在培養(yǎng)適應(yīng)和掌握現(xiàn)代測控系統(tǒng)的卓越工程師，結(jié)合現(xiàn)代的先進(jìn)測控理論和技術(shù)，對測控專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)進(jìn)行改革與探索[2,3]。

1 實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革思路

目前，國內(nèi)很多高校的專業(yè)課實(shí)驗多處于驗證性、孤立性的實(shí)驗階段，購買的實(shí)驗裝置功能單一且封閉。在學(xué)校里，學(xué)生也不能接觸實(shí)際工業(yè)過程。面對實(shí)際的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)情況和目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢,特別是要實(shí)現(xiàn)高端就業(yè)，教師必須自主研發(fā)模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，讓學(xué)生掌握測控系統(tǒng)的真諦。基于LabVIEW對現(xiàn)有測控類相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行改革和開發(fā)新的實(shí)驗設(shè)備，有助于學(xué)生對現(xiàn)代先進(jìn)測控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和掌握，使學(xué)生掌握本專業(yè)最新科技動態(tài)，更好地適應(yīng)社會發(fā)展需求，有助于測控專業(yè)的卓越工程師培養(yǎng)。購買先進(jìn)的實(shí)驗設(shè)備，學(xué)校實(shí)驗設(shè)備經(jīng)費(fèi)所限。在原有實(shí)驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的測控技術(shù)，將其改進(jìn)為適合培養(yǎng)要求的測控系統(tǒng)，是確實(shí)可行的改革思路。

目前，我校測控專業(yè)開設(shè)虛擬儀器技術(shù)、過程控制與儀表和測控技術(shù)設(shè)計與系統(tǒng)課程。過程控制與儀表課程的實(shí)驗裝置是求是公司的PCT-I型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗裝置，該裝置采用基于組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件。測控技術(shù)設(shè)計與系統(tǒng)課程的實(shí)驗裝置是杭州求是科技有限公司的ACCT-1型計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗裝置，該裝置采用基于VBscript語言開發(fā)的監(jiān)控軟件。結(jié)合所開設(shè)的虛擬儀器技術(shù)課程的理論知識，對上述兩類實(shí)驗裝置的監(jiān)控軟件，開發(fā)基于LabVIEW的監(jiān)控軟件，將虛擬儀器技術(shù)引入現(xiàn)有的實(shí)驗裝置，原有的實(shí)驗裝置改進(jìn)為現(xiàn)代具有先進(jìn)技術(shù)的測控系統(tǒng)，一則解決實(shí)驗裝置經(jīng)費(fèi)所限問題；二則學(xué)以致用專業(yè)對口；三則不用出校園就可以讓學(xué)生接觸實(shí)際測控系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2 基于LabVIEW的液位測控系統(tǒng)

PCT-I型過程控制實(shí)驗裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，它集自動化儀表技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗裝置。系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)壓力單回路、液位單回路、液位串級等多種過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)。以設(shè)計基于LabVIEW的液位測控系統(tǒng)為例[4]。

2.1 液位測控系統(tǒng)組成原理

液位測控系統(tǒng)組成原理，如圖1所示。該系統(tǒng)由過程對象單容水箱、PCI-6014、執(zhí)行器和計算機(jī)等組成。PCI-6014將采集到的液位數(shù)值經(jīng)PCI總線傳至計算機(jī)，并由LabVIEW軟件處理；計算機(jī)發(fā)出的命令經(jīng)由PCI-6014去控制電動調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)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(jiān)控，并配以PID控制算法等，就可以實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。

圖1 基于labVIEW的液位測控系統(tǒng)框圖

2.2 V/I變換

在圖1的液位測控系統(tǒng)中，液位測量采用基于工業(yè)用的擴(kuò)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(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號。電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1中采用智能電動調(diào)節(jié)閥，控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行I/V變換，對于從PCI-6014輸出到電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號進(jìn)行V/I變換。在本系統(tǒng)中采用集成電路芯片XTR110實(shí)現(xiàn)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(tǒng)

3.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)的被控對象為ACCT-1型計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗裝置的電加熱爐。電加熱爐的溫度測控系統(tǒng)原理框圖(如圖3所示)。PCI-6014采集溫度數(shù)據(jù)并送至計算機(jī)顯示和處理。溫度調(diào)節(jié)命令經(jīng)由PCI-6014改變PWM溫度調(diào)節(jié)電路，進(jìn)而調(diào)節(jié)電加熱爐的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制。

圖3 基于LabVIEW的電加熱爐的溫度測控系統(tǒng)框圖

3.2 前面板與程序設(shè)計

基于LabVIEW設(shè)計的前面板主要包括：溫度實(shí)時曲線、溫度控制曲線、溫度設(shè)定面板、PID控制面板、溫度數(shù)據(jù)顯示與保存等。程序主要包含溫度數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通道設(shè)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(tǒng)除具有溫度數(shù)字調(diào)節(jié)、溫度圖形化顯示的功能外，還可以存儲歷史溫度數(shù)據(jù)、超限報警等功能，方便使用。

圖4 程序組成結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

針對測控專業(yè)，對實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)進(jìn)行幾點(diǎn)改革。對現(xiàn)有的實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行基于LabVIEW的改革，主要包括組建單回路液位測控系統(tǒng)和電加熱爐溫度測控系統(tǒng)；通過改革，將先進(jìn)的現(xiàn)代測控技術(shù)引入測控專業(yè)的卓越工程師培養(yǎng)中，能夠使高校的教學(xué)內(nèi)容緊跟時代的發(fā)展，能夠使高校培養(yǎng)出符合“卓越計劃”標(biāo)準(zhǔn)要求的具有創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才，對高校實(shí)驗教學(xué)改革是一個新的發(fā)展方向。改革的成果是實(shí)施卓越工程師培養(yǎng)的一個參考思路，對培養(yǎng)卓越工程師具有重要意義。

[1] 林健.談實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”引發(fā)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(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國電力教育,2010,34:136-139.

[3] 楊帆,程雯.測控技術(shù)與儀器專業(yè)三位一體的教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2010,2:98-102.

[4] 張帥.基于MSP430和LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,8:472-475.

[5] 劉志強(qiáng),龍海南.電壓/電流變換器XTR110及其應(yīng)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(xué)院校級教學(xué)改革項目(2011)“基于LabVIEW的測控專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、方法改革與實(shí)踐”。