網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗平臺的研究與建設(shè)

陳懷忠 韓承江

摘要 以學(xué)生職業(yè)技能提高為根本,研究網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗系統(tǒng)方案。該實踐平臺模擬一個數(shù)字化工廠,為實施“教、學(xué)、做、工融合”人才培養(yǎng)模式改革提供堅實的物質(zhì)基礎(chǔ),投入運行以來,取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)化;過程控制;實驗平臺

中圖分類號:TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)33-0083-02

Research and Construction on Network Process Control Experiment Platform//Chen Huaizhong, Han Chengjiang

Abstract To improve vocational skills of students, we study of network process control experimental plan. The platform simulates a digital factory and provides a solid foundation for the implementation of “teaching, learning, doing, industrial integration” reform. It has been put into operation and has achieved better teaching results.

Key words network; process control; experiment platform

Authors address Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing, Zhejiang, 312000, China

工業(yè)自動化技術(shù)根據(jù)控制對象特性分為過程控制自動化和制造自動化2大方向。除了機(jī)械加工類企業(yè)外,很多行業(yè)都?xì)w入過程工業(yè)的范疇,如電力、石油、化工、紡織、冶金、水處理等,這些工廠應(yīng)用大量的過程控制設(shè)備與系統(tǒng),如PLC、DCS等。近年來,調(diào)查浙江省內(nèi)一些鋼鐵制造、環(huán)保、金屬礦山等企業(yè),了解“過程控制自動化技術(shù)專業(yè)”高職畢業(yè)生崗位技能的需求情況。學(xué)生在過程控制行業(yè)里能夠穩(wěn)定地?fù)?dān)任的職位有儀表安裝和維護(hù)工、控制系統(tǒng)操作工和組態(tài)工。目前相關(guān)企業(yè)對過程控制自動化人才需求旺盛,動手能力強(qiáng)的畢業(yè)生受到企業(yè)較大的歡迎。

1 過程控制實踐平臺現(xiàn)狀

過程控制課程是自動化類專業(yè)的重要專業(yè)課程之一,但我國目前多數(shù)高校該課程的實驗設(shè)備都遠(yuǎn)落后于或脫離現(xiàn)場技術(shù)。通過對過程控制自動化人才培養(yǎng)實驗室硬件、教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家進(jìn)行的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)存在以下不足。

1.1 實踐教學(xué)內(nèi)容陳舊實驗設(shè)備老化,實驗教材仍采用過去的原化工機(jī)械專業(yè)的實驗教材,實驗設(shè)備缺少控制裝置,遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的實用控制技術(shù)。另外,實驗內(nèi)容單一,驗證性實驗多,缺乏綜合性與設(shè)計性實驗。

1.2 沒有體現(xiàn)現(xiàn)代過程控制設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)目前在使用的過程控制實驗系統(tǒng)涉及智能儀表技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)等常規(guī)過程控制技術(shù),而集散控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和工控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)卻較少涉及?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化已成為大勢所趨,計算機(jī)控制系統(tǒng)已向DCS(集散控制系統(tǒng))甚至FCS(基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng))方向發(fā)展。

1.3 實驗項目不適合高職學(xué)生目前許多過程控制實驗系統(tǒng)都是針對本科及研究生來設(shè)計實驗項目的,沒有用一線技術(shù)工人必須掌握的技術(shù)來設(shè)計實驗項目,學(xué)生應(yīng)掌握的核心知識點不明確,實驗室缺乏必要的保證環(huán)節(jié)。

2 實踐平臺實施方案

2.1 實踐平臺建設(shè)目標(biāo)研究建設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)化的過程控制實驗系統(tǒng),為高職自動化專業(yè)學(xué)生提供一個體現(xiàn)當(dāng)前自動化與信息技術(shù)最新發(fā)展的硬件學(xué)習(xí)和實踐平臺。

整個過程控制實驗室建設(shè)方向是模擬一個數(shù)字化工廠,在系統(tǒng)上體現(xiàn)數(shù)字化工廠的總體信息結(jié)構(gòu),在設(shè)備上應(yīng)用典型自動化設(shè)備。在一個實驗室實現(xiàn)多平臺要求:為高職教育提供認(rèn)知控制理論,實踐自動化技術(shù)的基本實驗平臺;為學(xué)生教育及創(chuàng)新實踐提供可組合的設(shè)計性實踐平臺;為教師科研提供體現(xiàn)當(dāng)前自動化與信息技術(shù)最新發(fā)展的軟硬件環(huán)境。系統(tǒng)方案考慮網(wǎng)絡(luò)化特征,整個實驗室系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)之上,體現(xiàn)自動化系統(tǒng)的多種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展,并為實驗室網(wǎng)絡(luò)信息化管理提供基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)實現(xiàn)多樣化,實驗室方案采用模塊化設(shè)計,實現(xiàn)實驗室設(shè)備的可組合性、開放性、可發(fā)展性。

2.2 實踐平臺建設(shè)硬件構(gòu)成

1)裝置層。由常規(guī)檢測儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成,帶現(xiàn)場總線或其他協(xié)議接口的智能檢測儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在系統(tǒng)操作層,保證系統(tǒng)的開放性,支持光纜和雙絞線,支持交換器工作方式和普通方式。

2)控制層。由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、DDC控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成。體現(xiàn)PC自動化的系統(tǒng),采用冗余的100 Mbps以太網(wǎng),保證系統(tǒng)的可靠性;支持光纜以及雙絞線。在現(xiàn)場信號處理層,采用1.5 mbps～12 mbps的Profibus-dp工業(yè)現(xiàn)場總線連接中央控制單元和I/O模件。此外,系統(tǒng)還提供標(biāo)準(zhǔn)的RS485、RS232通信協(xié)議,ModBus協(xié)議及通訊接口,與其他計算機(jī)和智能化單元如PLC、智能儀表等連接。

3)企業(yè)層。由實時生產(chǎn)信息流的共享系統(tǒng)構(gòu)成。在企業(yè)管理層采用標(biāo)準(zhǔn)的100 Mbps以太網(wǎng)(TCP/IP協(xié)議),可以與企業(yè)的管理網(wǎng)直接相連。

4)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃。系統(tǒng)實驗室基于對數(shù)字化工廠的模擬,所有系統(tǒng)構(gòu)建在工業(yè)以太網(wǎng)上,并包含現(xiàn)場總線等熱點自動化技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃方案如圖1所示。

經(jīng)過綜合考察,本實驗室委托浙江中控教儀公司承擔(dān)設(shè)備制作。配置分2大部分組成:第一部分為7套AE2000 A4常規(guī)控制綜合實驗系統(tǒng),每套系統(tǒng)設(shè)有1個主監(jiān)控站、6個從監(jiān)控站;第二部分為1套AE2000 A8高級網(wǎng)絡(luò)型DCS分布式集散控制系統(tǒng),1個主監(jiān)控站、6個從監(jiān)控站。每個監(jiān)控站實驗臺可安排1名學(xué)生實驗,整個實驗室可同時容納49名學(xué)生實驗實訓(xùn)。該裝置通過多種智能儀表和控制裝置能對溫度、壓力、流量、液位4個典型控制參數(shù)進(jìn)行檢測和控制,采用模塊化設(shè)計,可以方便地組合成多種過程控制實驗。網(wǎng)絡(luò)化特征明顯,可以幾臺計算機(jī)組成一個小網(wǎng)絡(luò),也可以全部計算機(jī)組成一個大網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實驗管理和控制。目前,新的網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗室已建設(shè)完畢并投入使用。

3 實驗內(nèi)容改革

本課程要不斷在教學(xué)實踐中探索改革,逐步形成以過程控制與集散系統(tǒng)為主要內(nèi)容,并與控制理論發(fā)展相結(jié)合,以及理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合的較為完整的富有特色的課程體系。過程控制教學(xué)內(nèi)容主要是基于古典控制理論的單參數(shù)控制,包括單回路串級、均勻、比值等控制方案,所講內(nèi)容強(qiáng)調(diào)理論,而培養(yǎng)的是過程控制高技能人才,因此要結(jié)合工程設(shè)計實際,提高學(xué)生的動手能力。在教學(xué)過程中注重課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合,在教學(xué)中充分發(fā)揮實驗室的作用。訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計能力和操作技能通過3個層次完成:基本實驗、應(yīng)用型實驗、綜合設(shè)計型實驗。充分利用網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字工廠動態(tài)模擬仿真系統(tǒng),對學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)控制組態(tài)訓(xùn)練,以典型的石油化工過程的動態(tài)模型為對象自行設(shè)計控制方案,培養(yǎng)學(xué)生的過程控制計算機(jī)應(yīng)用能力。

4 結(jié)論

計算機(jī)控制系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),已經(jīng)成為當(dāng)今自動化控制系統(tǒng)的趨勢。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及,越來越多的過程控制企業(yè)采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)過程控制系統(tǒng)來代替以往相對獨立的多臺模擬式儀表為基礎(chǔ)的控制方式。這為高職院校過程控制理論和實踐教學(xué)提供了極大的方便,為學(xué)生動手能力的掌握提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前該實驗室已投入使用,效果較好,大大提高學(xué)生的動手能力和就業(yè)競爭能力。

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