自動化類課程實驗平臺及內(nèi)容體系提升

李 鵬， 陳 勇， 任文平， 苗愛敏， 蒙文強， 劉 吟

(1.云南大學(xué) a.信息學(xué)院， b.電子信息技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心,昆明 650504；2.西門子工廠自動化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030)

0 引 言

自動化技術(shù)已在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空航天、武器裝備及服務(wù)業(yè)等多個領(lǐng)域得到了不斷的發(fā)展，自動化類課程已成為大多數(shù)高校電子信息類專業(yè)本科生培養(yǎng)計劃中必不可少的內(nèi)容。該類課程除了需要學(xué)生掌握堅實的理論基礎(chǔ)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生較強的系統(tǒng)分析、設(shè)計和實踐能力，這也是高等教育培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才之所需。

國內(nèi)不少高校在自動化類課程實驗設(shè)備方面投入了大量的資金進行建設(shè)，加強了實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)力度，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新性且工程能力強的學(xué)生進行了不斷的探索。劉中等[1]提出了加大自動控制原理實踐教學(xué)的設(shè)計性實驗比重的方案；楊欣等[2]對自動化類課程的實驗?zāi)Ｊ胶拖到y(tǒng)進行了充實和提高，實現(xiàn)對自動化專業(yè)及不同工程專業(yè)學(xué)生的綜合實踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)；趙亦欣等[3]提出了基于建構(gòu)主義理論的自動化專業(yè)實驗教學(xué)改革的探索新方法和新思路；朱濤等[4]開發(fā)了仿真與原型實現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動化實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)實驗虛擬與現(xiàn)實環(huán)境的靈活切換。

但對于尚未開設(shè)自動化專業(yè)的地方綜合性大學(xué),由于實驗室建設(shè)的起步條件、資金投入及其他客觀因素所限,因此如何提升自動化類課程的實驗平臺及內(nèi)容體系,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力,成為值得探索的問題。本文以云南大學(xué)為例，重點分析了包括云南在內(nèi)的國內(nèi)高校自動化類課程實驗平臺及內(nèi)容體系存在的不足，提出了自主集成及研發(fā)半實物混合仿真實驗平臺的構(gòu)建方案和由淺入深、符合自動化技術(shù)發(fā)展潮流的實驗內(nèi)容教改方案，提升了云南大學(xué)自動化類課程實驗內(nèi)容的工程性及前瞻性，以及實驗設(shè)備的利用率及潛力。

1 實驗平臺及內(nèi)容體系現(xiàn)狀

我校作為地方綜合性重點大學(xué),雖尚未設(shè)立自動化本科專業(yè)，但自上世紀(jì)90年代以來，在相關(guān)的電子信息本科專業(yè)以及控制科學(xué)與工程研究生專業(yè)中，逐步開設(shè)了自動控制原理(本科)、可編程控制器技術(shù)(本科)、控制系統(tǒng)工程設(shè)計(本科)、現(xiàn)代控制理論(研究生)、現(xiàn)代控制系統(tǒng)(研究生)以及控制工程綜合與實踐(研究生)等多門自動化類課程，并于2013年9月與上海西門子工業(yè)自動化有限公司聯(lián)合建立了“控制工程實驗室”，即：“西門子—云南大學(xué)先進控制技術(shù)聯(lián)合實驗室”。

該實驗室擁有故障安全型自動化控制系統(tǒng)、先進運動控制系統(tǒng)(雙軸)、高級過程控制系統(tǒng)(PCS7)等實驗平臺5套，以及18套S7-200系列PLC。并配套了高級型過程控制綜合實驗平臺、普通型過程控制綜合實驗平臺、四旋翼飛行仿真器、多級倒立擺、運料小車實驗平臺、可編程序控制器教學(xué)實驗平臺等控制系統(tǒng)實驗對象(見圖1)。

控制工程實驗室的教學(xué)體系內(nèi)容基本滿足了自動化類專業(yè)核心課程和選修課程的實踐教學(xué)需求，也為控制科學(xué)與工程學(xué)科的相關(guān)科研實驗提供必要的平臺支撐，但還存在以下兩個方面的問題。

圖1 控制工程實驗室課程體系及實驗平臺

(1) 實驗內(nèi)容側(cè)重理論仿真，工程性不強。自動控制原理、現(xiàn)代控制理論及現(xiàn)代控制系統(tǒng)等課程知識面廣、內(nèi)容多、理論性強，控制系統(tǒng)分析、設(shè)計過程涉及到各種分析方法和復(fù)雜的計算模型，內(nèi)容比較抽象，教學(xué)過程中難以讓學(xué)生將理論所描述的系統(tǒng)與各種實際的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，極易造成理論與實際脫節(jié)，所以教學(xué)時必須輔以足夠的課程實驗[5]。

在國內(nèi)各個高校，上述課程的實驗教學(xué)主要偏重于理論仿真。大部分學(xué)校借助于Matlab仿真軟件并結(jié)合應(yīng)用實例，將控制理論分析及工程設(shè)計方法滲入到實驗教學(xué)中[6]；也有學(xué)校采用實驗箱、Matlab和電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation,EDA)仿真三者相結(jié)合的方法[7]；或是基于OrCAD-PSpice仿真軟件進行控制系統(tǒng)綜合設(shè)計[8]；或是針對實驗箱工程性不強的缺陷，設(shè)計了基于Simulink/RTWT的半實物仿真實驗系統(tǒng)[9]。

目前，信息學(xué)院自動控制原理等課程的實驗教學(xué)，主要側(cè)重于基于Matlab Simulink工具箱的虛擬仿真。當(dāng)然，對于以實踐教學(xué)為主的可編程控制器技術(shù)、控制工程綜合與實踐等課程，已逐步增加了基于實際控制系統(tǒng)及控制對象的實驗內(nèi)容，但基本模式還處于“半實物仿真”的階段，離工程化的實驗還差一步之遙。

而作為工科專業(yè)的本科生及研究生，上述實驗?zāi)Ｊ郊皟?nèi)容已無法全面調(diào)動他們的主動性和積極性，不利于對他們創(chuàng)新能力和工程設(shè)計能力的培養(yǎng)。

(2) 實驗設(shè)備的利用率不夠，潛力尚未完全發(fā)揮。從實驗開展的數(shù)量層面上看，控制工程實驗室23套控制系統(tǒng)在春季及秋季兩個學(xué)期均向本科生和研究生開放使用，設(shè)備使用效率尚可。

但是，西門子的故障安全型自動化控制系統(tǒng)、先進運動控制系統(tǒng)(雙軸)、高級過程控制系統(tǒng)(PCS7)等實驗平臺5套設(shè)備均為目前工業(yè)領(lǐng)域非常先進的控制系統(tǒng)，它們?nèi)诤狭宋鏖T子全集成自動化的先進理念，也采用了西門子最先進的控制技術(shù)。若開展的實驗內(nèi)容主要以簡單的順序邏輯控制為主，則無法完全發(fā)揮上述實驗設(shè)備的潛力。

特別是當(dāng)今自動化領(lǐng)域已邁向了網(wǎng)絡(luò)化及智能化的工業(yè)4.0時代[10]，如何讓學(xué)生掌握和了解最先進的工業(yè)控制技術(shù)，為我國的智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)合格的工程師，是自動化類課程實驗需改進的方向。只有如此，才能極大地提高控制工程實驗室設(shè)備的實際利用率，滿足自動化技術(shù)的發(fā)展潮流。

2 實驗平臺及內(nèi)容體系提升方案

針對上述兩方面問題，對現(xiàn)有的自動化類課程實驗內(nèi)容體系及平臺進行研究、充實和提升，增強了實驗平臺的工程性為培養(yǎng)電子信息類本科學(xué)生以及控制科學(xué)與工程類研究生具備先進控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)實現(xiàn)以及理論驗證和能力創(chuàng)新，提供一個堅實的實踐基礎(chǔ)。具體方案及方法如下：

(1) 自主集成及研發(fā)實驗平臺，提高控制裝置的潛力。對于資金充裕的高校而言，直接購買控制系統(tǒng)和控制對象集成一體的實驗平臺是省力省時的上佳選擇。但由于控制系統(tǒng)不是自主集成和研發(fā)的，因此一旦需要擴展和提升實驗內(nèi)容及提高控制裝置的“潛力”，就會遇到極大的困難。

根據(jù)控制工程實驗室的現(xiàn)狀，已經(jīng)購置的23套西門子控制系統(tǒng)且基本滿足了順序邏輯控制的實驗需求，但是復(fù)雜過程控制對象比較缺乏。此時若再添置集成了控制系統(tǒng)的復(fù)雜過程控制實驗對象，則會造成部分控制系統(tǒng)的閑置，且集成好的實驗對象難于進行二次開發(fā)，無法滿足實驗教學(xué)內(nèi)容向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的需求。

因此，本著節(jié)約成本與便于二次開發(fā)，選擇了自主研發(fā)實驗平臺的方案，如圖2所示。即：利用已購置的不含控制系統(tǒng)的實驗對象，包括諸如雙容水箱、運料小車等簡單過程對象，以及帶加熱爐的三容水箱系統(tǒng)等復(fù)雜過程對象，利用現(xiàn)有的西門子S7-200、S7-300及PCS7控制系統(tǒng)進行集成，基于Kingview或Wincc,自主研發(fā)控制系統(tǒng)的人機接口軟件。

圖2 集成及研發(fā)的實驗平臺

另一方面，還設(shè)計了基于西門子S7-200/300PLC的半實物半仿真的混合實驗平臺，如圖3所示。該實驗平臺基于西門子現(xiàn)場總線和PLC控制控制系統(tǒng)，結(jié)合KingView組態(tài)軟件以及Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)造了一個半實物、實際與虛擬相結(jié)合、涵蓋優(yōu)化層、監(jiān)控層及過程層的工業(yè)過程控制混合仿真平臺[11-12]。該平臺可針對鍋爐系統(tǒng)、精餾塔、加料機等過程虛擬對象，建立先進過程控制(APC)控制策略模型，并基于以太網(wǎng)及OPC通信，實現(xiàn)控制器、虛擬對象、組態(tài)系統(tǒng)及優(yōu)化模型之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互傳。

圖3 半實物實驗仿真平臺

上述兩方面的工作為自動化類課程中開展復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的工程實驗奠定堅實的平臺基礎(chǔ)。

(2) 完善實驗內(nèi)容體系，由淺入深地提高學(xué)生工程實踐能力。為了提高學(xué)生的工程實踐能力，制定了“簡單、復(fù)雜、智能、網(wǎng)絡(luò)化”4個層次的實驗內(nèi)容，如表1所示。

第1、2層次的簡單及復(fù)雜控制系統(tǒng)仿真與工程設(shè)計實驗，主要培養(yǎng)學(xué)生運用經(jīng)典控制理論進行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的能力，授課對象主要為電子信息類本科生；第3、4層次的智能及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真與工程設(shè)計實驗，主要培養(yǎng)學(xué)生運用現(xiàn)代控制及智能控制理論進行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的能力，授課對象主要為電子信息類卓越工程師班本科生以及控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生。

上述4個層次的實驗內(nèi)容體系安排，目的在于由淺入深地引導(dǎo)、提高學(xué)生工程實踐能力。學(xué)生除了要完成基于Matlab的控制系統(tǒng)仿真實驗外，還要基于運料小車、加熱爐、多容液位系統(tǒng)等實際過程控制對象，循序漸進地把簡單、復(fù)雜、智能及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的理論仿真結(jié)果應(yīng)用于實際的控制系統(tǒng)中，從而在提高了學(xué)生的工程實踐能力，同時也初步培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計智能控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的能力。

表1 實驗內(nèi)容體系方案

3 結(jié) 語

如何提升自動化類課程的實驗平臺及內(nèi)容體系，培養(yǎng)符合智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+國家發(fā)展戰(zhàn)略需求的工程師，是大學(xué)實驗教學(xué)值得探索的問題。本文以云南大學(xué)為例，分析了國內(nèi)高校特別是地方綜合性大學(xué)在自動化類課程實驗方面存在的不足；提出了自主集成及研發(fā)實驗平臺，提高實驗裝置潛力的平臺建設(shè)解決方案；以及由淺入深的制定了“簡單、復(fù)雜、智能、網(wǎng)絡(luò)化”4個層次的實驗內(nèi)容體系，在逐步提升學(xué)生工程實踐能力的同時，也為培養(yǎng)具備智能、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)特征的專門人才進行了初步的探索。