控制裝置專業(yè)實驗室系統(tǒng)建設探索

印 江， 白學林， 來長勝

(太原電力高等?？茖W校 自動化系，山西 太原 030013)

0 引 言

控制裝置主要包括構(gòu)成控制系統(tǒng)的現(xiàn)場傳感器與測量儀表、現(xiàn)場執(zhí)行器、控制器、控制系統(tǒng)人機界面(HMI)。學習和掌握控制裝置是自動化、電氣、熱動等涉電專業(yè)學生必備的知識和技能。按照“校企合作、工學結(jié)合”模式建設覆蓋涉電專業(yè)的控制裝置專業(yè)實驗室系統(tǒng)，探索一條實踐育人路徑是實驗室建設的初衷[1-2]。2000年學校劃歸地方實行“省部共建”，2005年第一筆專項資金到位，拉開了我?？刂蒲b置實驗室系統(tǒng)建設的序幕。

1 構(gòu)思與設計

(1) 總體規(guī)劃設計，分階段設計實施。 控制裝置實驗室系統(tǒng)建設在“省部共建”專項資金來源可以預計的前提下，按照工學結(jié)合模式，根據(jù)“涉電專業(yè)學生職業(yè)技能進階模型”(見圖1)對控制裝置專項實驗室、綜合實訓基地進行“一攬子”整體規(guī)劃設計，分主題、分階段實施，滾動推進[3]。計劃2005年申報和實施自動化基本技能實訓基地項目，旨在充實自動化儀表專項實驗室的基礎上組建自動控制系統(tǒng)實訓綜合基地；2007年申報和實施控制原理與控制系統(tǒng)基礎實驗項目，控制裝置實驗室系統(tǒng)建設方面旨在建設現(xiàn)場執(zhí)行器專項實驗室和PLC、分散控制系統(tǒng)(DCS)實訓基地；2009年申報和實施工業(yè)數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)場總線項目，旨在引進工業(yè)數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)場總線實驗實訓裝備與已有的PLC、DCS系統(tǒng)進行集成，進一步擴充DCS系統(tǒng)數(shù)量；2012年申報和實施火電機組自動控制工程訓練中心項目，旨在引進汽輪機電液控制系統(tǒng)(DEH)，同時引進液壓與氣動技術(shù)基礎實驗平臺，充實現(xiàn)場執(zhí)行器的實驗教學。

圖1 涉電專業(yè)學生職業(yè)技能進階模型

(2) 實驗設備裝備與電站自動化裝置一致。隨著我國火電主力機組向300、600 MW及以上級發(fā)展，火電機組控制裝置系統(tǒng)逐步形成如下格局：鍋爐、汽機、電氣等主機控制系統(tǒng)的控制器以分散控制系統(tǒng)(DCS)為標準配置[4-6]；水處理、輸煤、除灰等輔助與公用系統(tǒng)的控制器以PLC系統(tǒng)為標準配置；現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠應用條件逐步成熟[7]。

(3) 合理布局。 實驗室布局按照“理實一體”教學模式進行[8]，為在教學過程中展示控制裝置細節(jié)，在配置常規(guī)多媒體系統(tǒng)的基礎上加配實物視頻展臺。

(4) 加強師資培養(yǎng)。 為保障實驗室建成后盡快投入運行，在實驗師資力量培養(yǎng)方面，采用專業(yè)教師在實驗室建設過程中全程跟進學習與赴廠家專業(yè)培訓相結(jié)合的方式進行[9-10]。

(5) 建立激勵機制。鼓勵教師結(jié)合電站控制系統(tǒng)實際對新購置系統(tǒng)進行二次開發(fā)，鍛煉師資隊伍，充分發(fā)揮設備效能[11]。

2 實施與運行

2005年申報中央與地方共建高校項目“自動化基礎基本技能實訓基地”分項，在參與現(xiàn)場工程項目所獲經(jīng)驗的基礎上[12]，調(diào)研了障山電廠(300 MW機組)、平朔煤矸石電廠(300 MW循環(huán)硫化床機組)、兆光電廠(600 MW機組)等骨干等企業(yè)，仔細了解了單元機組控制裝置的技術(shù)裝備水平；與上述企業(yè)人力資源及技術(shù)主管研討形成了基于工學結(jié)合人才培養(yǎng)模式的“涉電專業(yè)學生職業(yè)技能進階模型”(簡稱“進階模型”)。根據(jù)“進階模型”和實驗室分階段建設規(guī)劃，分常規(guī)控制裝置實驗室系統(tǒng)和以PLC、DCS為核心的先進控制系統(tǒng)工程中心兩大模塊進行建設。

2.1 常規(guī)控制裝置實驗室系統(tǒng)

由實自動化儀表、現(xiàn)場執(zhí)行器、液壓與氣動技術(shù)3個專項實驗室和自動控制系統(tǒng)綜合實訓基地[13]構(gòu)成。

自動化儀表專項實驗室在擁有10套溫度測量實驗裝置的基礎上，充實了與現(xiàn)場技術(shù)水平一致的羅斯蒙特3051C壓力變送器整定系統(tǒng)6套、SOR壓力開關(guān)整定系統(tǒng)10套(見圖2)、旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速、振動檢測儀表系統(tǒng)4套。滿足了“進階模型”自動化儀表校驗、整定實驗實訓項目對設備的要求。

圖2 3051壓力變送器(上)校驗臺、 SOR壓力開關(guān)(下)校驗臺

現(xiàn)場執(zhí)行器專項實驗室，充實了與現(xiàn)場裝備一致的電動閥門及其控制系統(tǒng)4套(見圖3(上))；新建了液壓與氣動技術(shù)基礎專項實驗室，購置了4套力士樂液壓技術(shù)基礎實驗裝置和6套氣動技術(shù)基礎實驗臺。上述三個專項實驗室建設可以滿足“進階模型”對電動、氣動、液動執(zhí)行器安裝調(diào)試實驗實訓需求。

自動控制系統(tǒng)綜合實訓基地購置了采用EFAT-II型過程控制實訓系統(tǒng)6套(見圖3(下))。EFAT-II系統(tǒng)裝有工業(yè)級測量儀表、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、智能調(diào)節(jié)器，可滿足“進階模型”常規(guī)過程控制系統(tǒng)實訓和變頻器安裝調(diào)試實驗需求。

常規(guī)控制裝置實驗室系統(tǒng)率先通過山西省人力資源與社會保障廳組織的考核驗收，成為電站熱工儀表工種中級、高級工職業(yè)技能鑒定實操考核定點實驗室。

圖3 電動閥門(上)、 EFAT-II過程控制實訓系統(tǒng)(下)

2.2 先進控制系統(tǒng)工程中心

以PLC、分散控制系統(tǒng)(DCS)為核心的先進控制系統(tǒng)工程中心是在充分醞釀、構(gòu)思和技術(shù)準備的基礎上建設的。面對不同電廠DCS、PLC和現(xiàn)場總線儀表五花八門的局面，分別向業(yè)內(nèi)專家及控制裝置廠商進行技術(shù)咨詢和論證，最終西門子公司提供的基于TIA集成架構(gòu)的系統(tǒng)解決方案以最優(yōu)的性價比通過專家論證。TIA集成架構(gòu)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的編程組態(tài)、統(tǒng)一的通訊為核心，通過統(tǒng)一編程軟件包PCS7，以Step by Step的學習方式讓學生完成從PLC、HMI、現(xiàn)場總線到DCS的技術(shù)進階過程，在短暫的在校學習期間得以接受到較為深入的電站控制工程訓練，而不是浮于表面，忙于適應不同品牌產(chǎn)品的應用界面。

西門子教育合作部門(SCE)[14]介紹了德國西門子技術(shù)學院辦學理念及特色[15]，按照“理實一體”教學模式，結(jié)合“進階模型”高端能力培養(yǎng)對實驗實訓設備要求，對控制工程中心400余m2實驗場地進行了整體布局規(guī)劃。中心以“西門子先進自動化聯(lián)合示范實驗中心”命名，在SCE支持下進行了三期建設，先后購置了18套S7-315F教育培訓包及配套實驗臺；兩套FESTO公司MPS205氣動流水線系統(tǒng)；S7-400控制器系統(tǒng)屏、Profibus DP、ProfiNet總線系統(tǒng)屏各4套[16](屏座裝有萬向輪，方便移動)；DEH系統(tǒng)控制屏、Profibus PA過程控制系統(tǒng)和SMPT1000半實物仿真過程控制系統(tǒng)各1套；計算機120臺及配套網(wǎng)絡系統(tǒng)；3套多媒體教學設施。

在S7-315F PLC實驗臺和MPS205系統(tǒng)上(見圖4)，學生通過“理實一體”教學過程，可以完成PLC硬件組態(tài)與指令系統(tǒng)練習(初階)、開關(guān)量控制系統(tǒng)設計與構(gòu)化編程(中階)、順序控制與保護系統(tǒng)設計、編程與系統(tǒng)調(diào)試實訓(高階)訓練；WinCC HMI畫面組態(tài)及系統(tǒng)動態(tài)連接與調(diào)試實驗實訓。工程中心通過山西省人力資源與社會保障廳組織的考核驗收，成為省內(nèi)首批“可編程序控制系統(tǒng)設計師”職業(yè)技能鑒定實操考核定點實驗室，也是電力行業(yè)“程控保護工”工種中級、高級工職業(yè)技能鑒定實操考核定點實驗室。2012年，通過西門子公司對實驗室設備和教師資格考核，獲得學生培訓合作伙伴授權(quán)。

圖4 S7-315F PLC實驗臺(上)、MPS205系統(tǒng)(下)

在S7-400控制器系統(tǒng)屏和配套過程控制系統(tǒng)上(見圖5(左))，學生可以完成分散控制系統(tǒng)(DCS)硬件組態(tài)；Profibus PA儀表組態(tài)；測點組態(tài)；CFC、SFC控制策略組態(tài)與系統(tǒng)調(diào)試；監(jiān)控畫面組態(tài)等系列實驗實訓內(nèi)容。2013年在DCS系統(tǒng)受訓的學生參加教育部“西門子杯”全國大學生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽，以?？平M第一名的成績獲得特等獎。

Profibus DP、ProfiNet總線系統(tǒng)屏(見圖5(右))與S7-315F PLC實驗臺配合，可以完成現(xiàn)場總線系統(tǒng)組網(wǎng)、I/O組態(tài)、總線變頻驅(qū)動系統(tǒng)組態(tài)、通信與控制、總線系統(tǒng)故障診斷等實驗實訓內(nèi)容。

為了保證實驗室的及時投運，先后派出12名教師在跟進實驗室建設學習的基礎上教師赴西門子北京、上海培訓中心進行了PCS7、PLC、WinCC等專業(yè)課程培訓并取得了資格證書。積極鼓勵教師根據(jù)電力行業(yè)特點對實驗系統(tǒng)進行二次開發(fā)，約30余項實驗實訓項目得到行業(yè)專家認可，并獲得不同程度獎勵。

2013年購置并投運了西門子電站自動化系統(tǒng)公司新一代汽輪機電液控制系統(tǒng)T3000 DEH，至此，“西門子先進自動化聯(lián)合示范實驗中心”建設工作圓滿完成，中心全景見圖6。

3 結(jié) 語

通過近10年有計劃、分批次的控制裝置實驗室系統(tǒng)建設和運行探索取得良好成效，表現(xiàn)在以下方面：

圖5 S7-400控制器系統(tǒng)屏(左)、Profibus總線系統(tǒng)屏(右)

圖6 太原電專西門子先進自動化聯(lián)合示范實驗中心全景

(1) 通過控制裝置實驗室系統(tǒng)的系列實驗實訓，學生對控制裝置的學習和運用有了循序漸進的“Step by Step”進階過程，對控制裝置的了解和實踐技能的鍛煉達到相當深度，也逐漸獲得用人單位的認可，在高校涉電專業(yè)擴招而就業(yè)疲軟的形勢下，太原電專涉電專業(yè)保持較高的就業(yè)率和較高的高考招生分數(shù)。

(2) 控制裝置實驗室系統(tǒng)裝備水平獲得電力行業(yè)和社會認可，多次通過山西省人力資源與社會保障廳組織的考核驗收，成為職業(yè)技能鑒定實操考核定點實驗室，2012年獲得西門子學生培訓合作伙伴授權(quán)。

(3) 專業(yè)教師跟進實驗室建設和接受培訓，保障了實驗室建成后迅速投入運行。根據(jù)電力行業(yè)特點開發(fā)實驗實訓項目，得到行業(yè)專家認可，資隊伍得到鍛煉。專業(yè)教師經(jīng)常為企業(yè)提供技術(shù)咨詢、技術(shù)服務、承接企業(yè)技改項目，產(chǎn)學合作走上良性發(fā)展的軌道。

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