基于SMPT的過程控制實驗教學研究

李強(山東理工職業(yè)學院，山東 濟寧 272067)

0 引言

化工過程控制是化工自動化類高職專業(yè)的一門學科交叉、工程實踐性很強的課程。如果只是在課堂上進行單純理論講解，學生是無法真正理解并掌握的。因此教師必須要重視過程控制實驗教學，讓學生真正的去動手實踐，“做中學，學中做”，理論知識與實驗過程相融合才能真正達到人才培養(yǎng)目標[1]。過程控制實驗教學的目的是要能讓學生理解生產(chǎn)過程工藝及自動控制要求，提高解決控制工程實際問題的能力，培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力。為此高職院校需要根據(jù)崗位能力要求提供相應(yīng)的實驗教學條件，來滿足教學需要。如果缺少實驗教學裝置，缺少真實的實驗環(huán)境，就很難培養(yǎng)出滿足企業(yè)需要的人才。但由于過程控制技術(shù)主要應(yīng)用在化工、石油、制藥等行業(yè)的控制系統(tǒng)上。而這些行業(yè)企業(yè)所涉及的過程控制流程相對復(fù)雜，生產(chǎn)過程往往存在化學反應(yīng)，因此很難把實際生產(chǎn)裝置直接移植到實驗室。那么如何既能滿足企業(yè)對過程控制技能人才的需求，又能高效安全的進行實驗，對高職院校過程控制實驗教學提出了更高要求。選擇合適的實驗裝置，實施有效的過程控制實驗教學，對于培養(yǎng)高職學生過程控制技能具有重要意義。

1 過程控制實驗裝置現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)過程控制實驗裝置

高職院校傳統(tǒng)的過程控制實驗普遍采用小型化實物裝置。這些裝置雖然用的是真實儀器儀表，具有體積緊湊、結(jié)構(gòu)簡單和外形直觀的特點[2]，但無法實現(xiàn)與工業(yè)真實裝置一樣的功能，存在明顯不足。比如實驗對象往往采用以水槽或儲罐為主，造成實驗項目單一。除了進行流量、液位與傳熱實驗外，無法完成復(fù)雜的過程控制控制實驗。另外在實驗過程中儀器儀表會被頻繁使用，甚至超量程使用，以及實驗過程中難以避免的誤操作甚至亂操作，會導(dǎo)致性能下降甚至損壞，同時實驗重復(fù)性差，很難保證控制效果，對學生學習造成困擾。

1.2 純仿真過程控制實驗裝置

隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，很多高校開始把仿真技術(shù)引入到過程控制實驗教學。例如MATLAB是一個高級的數(shù)學分析與運算軟件，可以用作動態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的建模與仿真[3]。但利用MATLAB進行仿真實驗，必須熟悉過程控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。對于數(shù)學基礎(chǔ)好、抽象思維能力相對強的本科生來說，使用這種仿真系統(tǒng)學習過程控制理論知識有一定的作用。但對于高職院校的學生，數(shù)學基礎(chǔ)薄弱，無法理解其中的含義，對仿真過程毫無興趣，對仿真結(jié)果只是停留在表面觀察上，因此這類實驗裝置反而會打擊高職學生的學習積極性。

1.3 半實物過程控制仿真實驗裝置

半實物過程控制仿真實驗裝置是比較先進的實驗系統(tǒng)，有多種實現(xiàn)方式。其中一種是采用三維軟件建立虛擬三維對象，而硬件采用真實的控制系統(tǒng)。學生可以在虛擬場景中基于仿真對象進行實驗，但由于現(xiàn)場儀表都是虛擬對象，學生只能在計算機上模擬控制和訓練操作，無法獲得真實操作體驗，不利于未來進行現(xiàn)場系統(tǒng)的維護調(diào)試工作。

高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT是將全數(shù)字仿真技術(shù)與實物外觀模擬裝置相結(jié)合，集多種實驗功能于一體的半實物仿真實驗裝置[4]。實驗裝置由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件又由上下兩部分組成，下面安裝有接口硬件電氣設(shè)備以及嵌入式工控機，上面是為用戶提供工藝設(shè)備的實物模型以及可以對工藝流程進行操作的調(diào)節(jié)閥和顯示工藝參數(shù)的仿真儀表。實驗裝置軟件系統(tǒng)包括了可以用于進行實驗項目管理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)視以及控制系統(tǒng)組成等實驗功能的上位機軟件，完成實時動態(tài)工藝過程仿真計算及數(shù)據(jù)管理仿真引擎系統(tǒng)，還有其他用于軟、硬件通信的接口軟件。采用高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT能夠模擬出由鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程。因此與其他實驗裝置相比，SMPT實驗裝置工程化背景強，實驗對象的工藝流程來源于實際生產(chǎn)裝置，設(shè)備與工藝參數(shù)及特性都與實際裝置一致。所有的變送器、執(zhí)行機構(gòu)均具有真實外觀并分布在實際位置，可直接觀察，演示作用明顯。實驗環(huán)境能給學生以全真實的位置、操作和時間特性感覺。實驗裝置具有良好的擴展性，設(shè)備對象參數(shù)可自定義，能夠滿足開展創(chuàng)新性和綜合性的過程控制實驗。我院擁有五套SMPT實驗裝置，運行可靠，能夠滿足過程控制實驗教學需要，是比較理想的過程控制實驗裝置。

隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提升，化工企業(yè)開始引入DCS系統(tǒng)進行過程控制。高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT還配有S7-400PLC，支持德國西門子公司推出的新一代DCS產(chǎn)品—PCS7系統(tǒng)。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和分布式IO之間，分布式IO與在現(xiàn)場控制級AS站(自動化站)之間的通信從而能夠?qū)崿F(xiàn)把現(xiàn)場設(shè)備集成到過程控制系統(tǒng)中。如圖1所示，西門子PCS7可以支持實現(xiàn)三級結(jié)構(gòu)的過程控制系統(tǒng)。其中位于最上層的控制級包括了主要有用于系統(tǒng)設(shè)計、編程與維護的工程師站(ES)和用于監(jiān)控的操作員站(OS)，工程師站和操作員站需要配置相關(guān)的DCS系統(tǒng)軟件，因此在實驗室環(huán)境中進行系統(tǒng)實施時可以通過設(shè)置使兩個工作站在同一臺上位機工作?，F(xiàn)場控制級由西門子S7-400PLC承擔，包括了電源、CPU和通信模塊等?，F(xiàn)場設(shè)備級主要由SMPT實驗裝置提供仿真被控對象，用于模擬仿真在實際工程中所使用的化工裝備、儀器儀表和執(zhí)行器等。過程控制級與現(xiàn)場控制級之間采用TCP/IP協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行連接?，F(xiàn)場控制級與仿真裝置之間采用現(xiàn)場總線的方式進行連接通信。由于SMPT實驗裝置屬于半實物仿真裝置，所有的仿真對象參數(shù)、特性和過程數(shù)據(jù)都由工控機軟件按照模型算法產(chǎn)生。因此實驗裝置上位機通過串口與通訊模塊PM125進行連接，PM125能夠?qū)崿F(xiàn)串口轉(zhuǎn)PROFIBUS的功能，然后利用PROFIBUS總線與CPU的DP口連接。在PCS7系統(tǒng)中可以構(gòu)建如圖2所示為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。

圖1 SMPT實現(xiàn)的三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 PCS7系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2 過程控制實驗教學現(xiàn)狀

2.1 重理論，輕實驗

高職院校過程控制實驗裝置普遍采購數(shù)量不足，并且傳統(tǒng)的過程控制實驗存在實驗內(nèi)容和步驟比較多、系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)試耗時長等一系列問題，造成教師無法在有限的課時里開展有效實驗教學。教師會用更多的時間進行過程控制原理的理論教學，并且傳統(tǒng)過程控制實驗主要是驗證性實驗，只是用于驗證分析控制結(jié)果，在很多教師看來這種實驗可做可不做。因此有的教師甚至于不再安排學生做實驗，而是采取用圖片、動畫和視頻方式代替實驗去演示說明控制原理。事實上由于高職學生普遍存在基礎(chǔ)薄弱，抽象思維差的情況，這種教學方式最終只會造成學生對于控制理論的掌握只是停留聽的層面，過程控制技能水平幾乎為零。對于高職教育，不僅要加大實驗教學，而且要提高實驗的層次，除了基本驗證實驗，還需要加大創(chuàng)新自主實驗。

2.2 重演示，輕效果

由于過程控制實驗不僅要了解生產(chǎn)工藝，而且要熟悉使用各種軟硬件資源，對學生提出了很高要求。為防止學生損壞實驗裝置、提高實驗效率，很多院校的過程控制實驗變成了教師的示范演示。由于傳統(tǒng)化工過程控制課程教學，課堂教學與實驗教學是分離的。實驗教學計劃的安排也會由于各種原因?qū)е潞驼n堂教學進程不一致。實驗教學時，教師雖然很認真細致地演示，而學生可能無法理解，只能機械地記憶。教師任務(wù)完成了而留給學生的時間也最多僅能按照實驗手冊規(guī)定的實驗步驟和教師的示范演示進行簡單的模仿重復(fù)。導(dǎo)致學生動手機會非常少，實驗過程索然無味，實驗報告互相抄襲，實驗成績無法客觀評價，不利于學生自主設(shè)計與創(chuàng)新實踐的能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)過程控制實驗的評價主要依據(jù)學生完成的實驗報告特別是被控變量的監(jiān)控曲線和分析計算相關(guān)的質(zhì)量指標進行。但由于實驗時間緊張，加之學生的應(yīng)付心理，教師也沒有足夠的時間進行審核實驗結(jié)果，很多時候下課了實驗也就結(jié)束了，缺少實驗評價。

2.3 重課程，輕應(yīng)用

近年來，國家更加強調(diào)高職院校應(yīng)當突出培養(yǎng)學生的工程能力，對實驗環(huán)節(jié)提出更高層次的目標與要求。但傳統(tǒng)過程控制實驗主要圍繞課程教材內(nèi)容展開，根據(jù)課程知識點與實驗裝置情況而不是根據(jù)崗位實際能力需求去設(shè)計實驗項目，導(dǎo)致實驗項目缺少應(yīng)用背景。學生通過實驗雖然能夠達到理解課程內(nèi)容的目的，但不能夠切實提高工程能力，不能靈活運用所學知識去解決實際問題。

3 過程控制實驗教學改革

3.1 采用線上線下、理實一體混合教學

利用 SMPT實驗裝置提供的SMPT Lab軟件可以方便地完成實驗項目的管理、實時數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常實驗功能。同時實驗裝置由于采用了虛實結(jié)合的設(shè)計理念，在進行過程控制實驗時不需要進行過多的接線甚至不需要接線，而且對于執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥的操作支持多種操作模式。充分利用SMPT Lab軟件功能將大大節(jié)省實驗時間，但由于過程控制系統(tǒng)中物料供給、化學反應(yīng)、產(chǎn)物累積等都需要一定的時間。同時為了能夠幫助學生更好更及時地理解過程控制原理，在有限的課時內(nèi)能進行更多的實驗可以采用線上線下、理實一體混合教學。通過利用智慧職教平臺，搭建課程教學平臺。教師可以課前在線上布置實驗項目，提供相關(guān)資料，讓學生提前根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計控制回路，制定初步的實驗方案。課中采取在實訓室進行理實一體化教學，重點講解相關(guān)控制原理的難點部分，討論實驗方案是否合理，讓學生修改完善實驗方案并自主測試。課后讓學生根據(jù)實驗測試的結(jié)果優(yōu)化控制方案，對相關(guān)原理進行總結(jié)。教師可以把相關(guān)的實驗演示過程作為資源，供學生隨時自主觀看學習，保證學生實驗前預(yù)習有充足的資源做好知識和技能準備工作，并根據(jù)自己的學習情況查缺補漏，從而能節(jié)省更多時間用于線下動手實驗，提高實驗效率。

3.2 采用“一線兩階”的項目化教學法

只是進行控制原理驗證性的實驗，是無法真正提高學生工程實踐能力。項目化教學已經(jīng)在高職教學中得到了廣泛推廣和應(yīng)用，并且取得了明顯成效。SMPT實驗裝置能夠根據(jù)系統(tǒng)自帶的工程項目文件實現(xiàn)對各種過程控制任務(wù)的模擬仿真，并且所有實驗項目實施都可以支持使用SMPT Lab和SIMATIC PCS7軟件實現(xiàn)。因此可以采用以SMPT的過程控制項目實施為主線，分兩個階段分別使用兩款軟件作為控制組態(tài)工具進行項目實施的“一線兩階”教學。SMPT的控制項目可以根據(jù)五大典型被控變量—液位、流量、溫度、壓力和組分，結(jié)合SMPT的硬件組成，依托不同設(shè)備單元進行多種類、多層次的控制系統(tǒng)實驗項目。課程前半階段采用SMPT Lab進行項目實施，主要完成各類控制方案的設(shè)計與實施為主，使學生打好過程控制的基礎(chǔ)。課程后半階段采用SIMATIC PCS7進行項目實施，以在SIMATIC PCS7上進行工程實踐為主，使學生掌握DCS系統(tǒng)工程實施技能。圖3為“一線兩階”項目設(shè)計框圖。

圖3 “一線兩階”項目設(shè)計框圖

3.3 創(chuàng)新評價方法，激發(fā)學習動力

SMPT實驗裝置上位機中的SMPT Lab軟件提供了評分功能。教師可以根據(jù)實驗項目要求設(shè)置相應(yīng)詳細評分規(guī)則，比如：系統(tǒng)運行時間、參數(shù)安全指標、公用工程消耗指標等。系統(tǒng)運行時間結(jié)束后，會對學生控制方案實施結(jié)果自動作出評分，并給出完整的評分表。這樣不僅有利于對學生實驗效果進行量化評價，而且通過各評分項得分情況能讓學生發(fā)現(xiàn)控制方案的不足，同時也會激發(fā)出學生挑戰(zhàn)更高分數(shù)的動力。采用這種評價方法，能節(jié)省教師更多時間，用于對學生進行查缺補漏。

3.4 以賽促學，拓展能力

SMPT實驗裝置是CIMC(中國智能制造挑戰(zhàn)賽)智能制造工程設(shè)計與應(yīng)用類賽項，流程行業(yè)自動化方向比賽用指定設(shè)備。近年來，該賽項都是依據(jù)在化工類企業(yè)中常見的某化學反應(yīng)工藝為背景，讓參賽人員進行工藝對象和控制要求的分析，進行開車步驟及控制方案的設(shè)計，完成控制系統(tǒng)的實施與優(yōu)化。圖4為2021年CIMC大賽工藝流程簡圖。與日常實驗項目相比，賽項所涉及項目更加接近真實控制系統(tǒng)，工藝機理相對復(fù)雜，而且容易忽略的生產(chǎn)原料循環(huán)使用、公用工程消耗、設(shè)備出現(xiàn)抽空或滿罐等工程要素在比賽中都有考查。因此通過鼓勵學生參加技能比賽，不僅可以使學生參與賽項相關(guān)的培訓，得到更多的學習機會，而且能夠開拓視野，進一步提高工程實踐能力。同時，在實驗教學中，可以把往年賽題作為拓展項目，提供給學有余力、有興趣的學生，達到分層教學的目標。

圖4 某工藝流程簡圖

4 結(jié)語

高職院校要培養(yǎng)出滿足企業(yè)需要，具有過程控制技能的人才，就需要重視過程控制實驗教學。在教學中，要依據(jù)“必需、夠用”的原則，開展理論與實踐教學。讓學生在動手實踐中，掌握過程控制原理與技能。理想的實驗裝置能夠為人才培養(yǎng)起到極大的助力。相關(guān)高職院校應(yīng)該積極更新實驗裝置，在此基礎(chǔ)上，積極進行教學改革探索。SMPT實驗裝置是比較理想的過程控制實驗裝置，裝置設(shè)計理念先進，運行可靠，為過程控制實驗提供了豐富的功能支持，能夠適應(yīng)培養(yǎng)出滿足工業(yè)企業(yè)對過程控制技能人才的不同要求。充分利用SMPT實驗裝置，及時引入新的教學理念，對改進過程控制實驗教學質(zhì)量具有重要意義。