火電廠計算機(jī)控制課程移動學(xué)習(xí)研究

崔彥鋒，薛銳，王雨婷

（1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310007）

火電廠計算機(jī)控制課程移動學(xué)習(xí)研究

崔彥鋒1，薛銳1，王雨婷2

（1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310007）

在闡述火電廠計算機(jī)控制課程移動學(xué)習(xí)需求的基礎(chǔ)上，面向移動學(xué)習(xí)進(jìn)行了課程內(nèi)容解構(gòu)，明確了移動學(xué)習(xí)對象；對基于微信的移動學(xué)習(xí)平臺構(gòu)建和基于HTML5與Javascript的平臺開發(fā)進(jìn)行了闡述并簡述了該課程的移動學(xué)習(xí)效果。

計算機(jī)控制系統(tǒng)；移動學(xué)習(xí)；微信

火電廠計算機(jī)控制是熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生的主干課程之一，是火電廠生產(chǎn)過程自動化方向的核心課程，作為一門綜合性極強(qiáng)的課程，學(xué)生需要在掌握工程數(shù)學(xué)、電工電子、自動控制原理、微機(jī)原理以及火電廠專業(yè)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)過程通道、控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字PID控制、順序控制與保護(hù)等模塊的理論知識，并最后落地到火電廠分散控制系統(tǒng)的專門學(xué)習(xí)上。

與大部分專業(yè)課不同，火電廠計算機(jī)控制課程雖然體系明確、結(jié)構(gòu)清晰，但是由于集散控制系統(tǒng)依托知識點的跨度問題，其課程內(nèi)容具有明顯的分散性，章節(jié)之間缺少遞進(jìn)和過渡，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺在缺乏宏觀把握的同時對具體知識點的理解也不夠深入。這些問題的解決一方面需要對課程內(nèi)容進(jìn)行全面分析整合的基礎(chǔ)上加強(qiáng)工程實踐，另一方面也需要引入新的教學(xué)手段。移動學(xué)習(xí)正是針對知識點繁多、知識模塊分散、實踐結(jié)合困難課程的一種有效手段。

1 面向移動學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容解構(gòu)

移動學(xué)習(xí)在一般情況下是利用碎片時間進(jìn)行的，基于碎片化時間的學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)內(nèi)容有著與課堂學(xué)習(xí)不同的結(jié)構(gòu)要求，需要對課程內(nèi)容從學(xué)習(xí)持續(xù)時間的短時性、學(xué)習(xí)對象的概括性、難點重點的針對性等方面進(jìn)行二次規(guī)劃和設(shè)計。

1.1 過程通道

在本課程中，過程通道主要針對分散控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、輸出和過程抗干擾。在移動學(xué)習(xí)過程中，理論學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容是掌握逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理和工作工程，與實踐結(jié)合的重點內(nèi)容是讓學(xué)生明白過程通道在分散控制系統(tǒng)中并非抽象概念而是具體設(shè)備。

對于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以分解為二分法學(xué)習(xí)、二進(jìn)制數(shù)碼特征學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)換與查找關(guān)系理解、轉(zhuǎn)換（查找）工作流程等四個方面。對于雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，可以分解為積分器工作過程類比水池注水放水、振動次數(shù)與時間關(guān)系、轉(zhuǎn)換器位數(shù)與積分時間的標(biāo)定、反向積分斜率不變理解、轉(zhuǎn)換工作流程等五個方面。與實踐結(jié)合方面可以以研華的數(shù)采模塊為例，向?qū)W生展示典型研華模塊的技術(shù)手冊和模塊圖片，可以在建立感性認(rèn)識的同時通過理解技術(shù)參數(shù)檢驗學(xué)習(xí)的有效性。

進(jìn)一步的可以在手機(jī)上建立數(shù)據(jù)采集人工模擬轉(zhuǎn)換練習(xí)，學(xué)生選擇一個電壓，通過逐次運算給出每次偏大偏小情況反饋和每次從高位向地位逐次逼近的過程，將靜態(tài)教材上的文字描述轉(zhuǎn)換為動態(tài)的計算過程，更加便于學(xué)生學(xué)習(xí)理解。

1.2 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)部分涉及的通信與網(wǎng)絡(luò)知識背景很多，但是在本課程中需要把握好熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)邊界，在有限時間內(nèi)過于深入的學(xué)習(xí)反而不利于學(xué)生掌握該部分知識。因此該部分采用“輕理論、重應(yīng)用”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)，重點在于使學(xué)生能夠掌握火電廠常用的串行異步通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。串行異步通信是學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)概念的載體，本部分可以分為電平與數(shù)據(jù)位的關(guān)系、信息幀格式、數(shù)據(jù)檢驗方法、波特率等四個方面，通過在手機(jī)端展示串行異步通信相關(guān)的設(shè)備（如雙絞線、232-485轉(zhuǎn)換器）、結(jié)合先修的編程語言課程介紹COM通信組件的使用方法并演示火電廠現(xiàn)場串行異步通信過程，將理論知識點轉(zhuǎn)換為“看得見“的設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生完成通信實踐并理解對于本專業(yè)而言比較空泛的知識點。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分重點在于理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的“語義、語法、定時關(guān)系”三要素，如果按照傳統(tǒng)課堂教學(xué)的方式進(jìn)行，學(xué)生將只能記住三要素并不能理解其在火電廠的通信過程中如何發(fā)揮作用。因此本部分結(jié)合工控系統(tǒng)中最為常見的Modbus協(xié)議來進(jìn)行分解，首先引導(dǎo)學(xué)生理解控制系統(tǒng)中的通信要求（模擬量與開關(guān)量的輸入輸出），然后以開關(guān)量為范例，通過“01代表請求開關(guān)量狀態(tài)、05代表強(qiáng)制開關(guān)量狀態(tài)”使學(xué)生理解語義，通過“從站號+指令碼+操作對象+操作值+校驗碼”的排布順序使學(xué)生理解語法、通過“返回的指令碼與請求的指令碼”一致使學(xué)生理解定時關(guān)系。進(jìn)一步通過簡化的火電廠時間同步模型，指導(dǎo)學(xué)生建立自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并進(jìn)行通信。

1.3 模擬量控制

模擬量控制部分主要是數(shù)字PID算法的學(xué)習(xí)和數(shù)字PID的工程實現(xiàn)。對于數(shù)字PID算法的推演和理解，并不適合在移動終端上進(jìn)行，但是其中積分與微分改進(jìn)算法的原理與過程則可以通過碎片化時間進(jìn)行預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)和強(qiáng)化。數(shù)字PID的工程實現(xiàn)部分由于其偏工程化的特點，非常適合在移動終端進(jìn)行學(xué)習(xí)。

數(shù)字PID算法的積分和微分改進(jìn)，可以分解為積分分離算法積分閾值取值不當(dāng)比較、變速積分算法積分速度控制與典型分段函數(shù)、預(yù)限削弱積分法計算過程、消除積分不靈敏區(qū)的誤差放大原因、一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)到離散化算式的公式特點等五個部分。

數(shù)字PID的工程實現(xiàn)可以分解為工程實現(xiàn)整體環(huán)節(jié)、報警死區(qū)與FSSS中火檢器火焰判斷的類比、各類計算結(jié)果補償、微分方式的工程化處理等四個部分。

1.4 分散控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)部分的學(xué)習(xí)一方面建立在對各支撐技術(shù)的基礎(chǔ)之上，另一方面需要結(jié)合具體的工程和現(xiàn)場情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，主要包括現(xiàn)場工程師站、操作員站和控制站的理解。該部分以補充拓展材料的方式進(jìn)行，介紹Ovation、Symphony、I/A Series等典型DCS的功能與特點。

2 基于微信的移動學(xué)習(xí)平臺構(gòu)建

移動學(xué)習(xí)是數(shù)字學(xué)習(xí)的自然延伸，這種學(xué)習(xí)方式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者可以在任何時間、任何地點通過手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備并借助移動網(wǎng)絡(luò)獲取學(xué)習(xí)資源、執(zhí)行學(xué)習(xí)行為。近年來，移動終端、移動網(wǎng)絡(luò)以及移動開發(fā)技術(shù)的發(fā)展深刻影響了移動學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建和移動學(xué)習(xí)的落地。

國內(nèi)的移動學(xué)習(xí)平臺在2015年之前主要以移動應(yīng)用程序和移動教學(xué)網(wǎng)站為主，但由于平臺的多樣化和終端設(shè)備的碎片化，移動應(yīng)用的方式存在開發(fā)成本高、升級難度大、更新進(jìn)度慢等問題。2015年之后，微信作為通訊與社交工具在國內(nèi)大規(guī)模的展開應(yīng)用，隨著微信應(yīng)用的廣泛展開，其同步增加了開放平臺的延伸功能，微信公眾平臺是運營者通過公眾號方式為微信用戶提供資訊和服務(wù)的平臺，該平臺提供了通用的開發(fā)接口和一致的界面標(biāo)準(zhǔn)，這些接口和標(biāo)準(zhǔn)可以大幅的降低開發(fā)難度，克服平臺碎片化帶來的軟件開發(fā)困難，協(xié)助開發(fā)者高效的建立專用移動化平臺。

在面向移動化學(xué)習(xí)對火電廠計算機(jī)控制課程內(nèi)容進(jìn)行解構(gòu)之后，結(jié)合微信平臺提供的開發(fā)功能，可以建立有效的課程移動化學(xué)習(xí)平臺。火電廠計算機(jī)控制移動學(xué)習(xí)平臺的功能模塊如表1所示。

本文獲南京工程學(xué)院教學(xué)改革項目支持，項目編號JG201317。

表1 火電廠計算機(jī)控制系統(tǒng)移動學(xué)習(xí)平臺功能模塊

3 基于HTML5和Javascript的平臺開發(fā)

微信公眾號的開發(fā)主要基于微信所提供的各類接口和微信內(nèi)嵌頁面，微信公眾平臺開發(fā)者文檔提供了菜單定制、消息管理、頁面開發(fā)包、素材管理、用戶管理、賬號管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)接口，基于這些接口并結(jié)合HTML5與Javascript語言，即可開發(fā)出應(yīng)用平臺。

3.1 HTML5技術(shù)棧

HTML5是HTML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）的最新版本，在該版本中引入了新的語義、本地存儲、設(shè)備兼容、網(wǎng)絡(luò)連接、網(wǎng)頁多媒體、三維與圖形以及用以強(qiáng)化效果的CSS3等特性，這些新的特性使開發(fā)者可以在移動端微信中嵌入與本地應(yīng)用體驗相同的功能。

3.2 基于jQuery的Javascript開發(fā)

HTML5用來進(jìn)行頁面渲染，但應(yīng)用的可交互性是通過Javascript來實現(xiàn)的，但是原生的Javascript語言在程序編制、頁面元素控制以及終端平臺適配方面需要編制大量代碼，使用jQuery類的開發(fā)框架，可以進(jìn)一步降低微信平臺的開發(fā)難度，提升頁面應(yīng)用的開發(fā)效率。

3.3 基于二維碼技術(shù)的微信平臺互動功能

二維碼是嵌入了數(shù)據(jù)符號信息的平面圖形，其中可以包含特定的字符信息，該支付信息可以引導(dǎo)用戶進(jìn)行交互式的應(yīng)用?；谖⑿诺囊苿訉W(xué)習(xí)平臺可以利用微信提供的二維碼掃描功能，由教師提前制作好教材內(nèi)容和課堂講授內(nèi)容所對應(yīng)的二維碼，學(xué)生可以隨時將移動學(xué)習(xí)平臺與教材和課堂對接，實現(xiàn)無學(xué)學(xué)習(xí)方式切換邊界的移動學(xué)習(xí)。

4 結(jié)論

通過在火電廠計算機(jī)控制課程中引入移動學(xué)習(xí)手段，建立移動學(xué)習(xí)平臺，可以使學(xué)生在正常的學(xué)習(xí)途徑之外，將學(xué)習(xí)融入到生活中，隨時隨地的進(jìn)行靈活的自主學(xué)習(xí)，并可進(jìn)一步的加強(qiáng)教與學(xué)的互動，在實際教學(xué)過程中是一種促進(jìn)教學(xué)效果的有效手段。

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TM621；TP311.52

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1671-0711（2017）03（上）-0128-03