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教学成果总结二
阅读人数: {浏览次数} 更新时间: 2007-10-30

成 果 名 称 生产过程控制实验平台创建与三大功能发挥
成 果完成人 吴建国、张培建、杨奕、堵俊、陆国平、陆平
成果完成单位 南通大学
推荐等级建议 二等奖
推荐时 间 2007 08 26
成果科类 工学
代 码 50
序 号
编 号 ____________________________
生产过程控制
实验平台创建与三大功能发挥
一、新的人才培养模式对实验平台提出的要求
  为了满足社会对自动化专业人才的需求,我们紧紧抓住自动化专业学生核心能力培养。自动化专业的学生的核心能力由核心知识(控制与系统)与关键能力(创新能力与工程实践能力)组成。为了实现这一新的人才培养要求,我们创造性的采用了让学生“在系统中学习系统”的人才培养模式,这种新型培养模式首先是把所讲授的知识单元构成一个与控制系统的模型,从而使学生不是孤立地学习某一门课程,而是通过系统把学生的知识单元串在一起(如图1所示),使学生在学习时把所学的课程有意识地与系统紧密结合起来。在整个课程系统中,我们又紧紧抓住核心知识,让学生学透。

图1 自动化专业控制知识层对应的知识领域与控制系统的关系
  新型培养模式的第二点是让学生在学习期间,尽可能多地接触实际的控制系统,尤其需要学生从进校开始就能接触真实的控制系统,从而激发学习兴趣,提高学习的主动性。显然要做到这一点,为学生营造一个与实际生产过程结合紧密的控制与系统氛围显得尤为重要。
  尽管下厂实习可以为学生提供接触实际系统的机会,但随着企业的改制,使得学生下厂实习变得越来越困难。即使有机会下厂,走马看花的现象十分严重,学生只能浮于表面。并且,学生下厂也只能是短暂的,实现不了尽可能多地让学生接触实际的控制系统的目标。因此,我们感到,要让学生“在系统中学习系统”的培养模式真正得以实施,在校内构造与生产实际紧密结合的系统实验室显得十分重要。
  因此,在2002年初我们结合实验室建设三年规划,开始探讨控制与系统实验室的建设问题,为实施自动化专业的学生的核心能力培养搭建硬件平台。
《过程控制系统》课程是自动化专业的一门重要的专业核心课程,它建筑在《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》、《自动控制理论》、《现代控制理论》、《传感器与检测技术》等众多专业基础课之上,重点研究流程工业过程的控制、运行。因此,结合《过程控制系统》课程构建控制与系统的实验室,可以与生产过程紧密结合,从而为学生营造一个准工业控制的实验环境。并且把目标定为国内高校中一流水平,除了具有人才培养的功能外,还应为科学研究提供平台,并承担一定的社会服务功能。
  因此,我们对生产过程控制实验平台的构想为,采用与工业现场一致的计算机控制装置(如DCS),尽可能多地将生产过程参数浓缩到实验装置中,另外坚持少花钱多办事的原则。
二、与国内大企业合作,构建高水平的生产过程控制系统实验室
  要构建与生产实际紧密结合的生产过程实验室就意味着要购买真实的工业控制系统,与实验教学设备相比,这些工业系统的价格要高的多,如计算机集散系统(简称DCS),每套一般都要几十万。如何解决经费问题,我们走了一条与国内大企业联合的道路。即寻求国内知名企业的支持,共建生产过程控制实验室。
  通过调研我们了解到,国内DCS生产厂家主要有浙大中控、北京和利时以及上海新华。浙大中控的应用领域主要集中在化工领域,而后两者只要在电厂、电站。浙大中控作为我国仪器仪表行业的排头兵,该公司生产的产品包含了工业现场的仪表、计算机控制装置、以及各种先进控制软件,可以提供企业综合自动化的整体解决方案。尤其是DCS,在国内的市场占有较大份额。另外,浙大中控有浙江大学的国家重点实验室的作为公司的技术支持。因此,我们选择浙大中控作为合作伙伴共同构建生产过程控制实验室。
  为了获得浙大中控对我们的支持,2003年初,我们在南通市经贸委的协助下,先后多次赴浙大中控探讨实验室共建问题,并邀请公司领导来南通考察。通过交流,浙大中控对我校自动化专业人才培养模式给予充分肯定,并毅然赠送给我院价值100多万元的软硬件设备(3套DCS与18套组态软件),与我们共同组建了高水平的生产过程控制实验室,并把我院作为浙大中控的人才培养基地。
  我们又再接再厉,争取了上海麦杰公司的大力支持,由他们赠送价值60多万元的实时数据库及计算机服务器。
  我们基于浙大中控的3套DCS系统、18台工程师站,以及购置的常规过程控制实验装置、复杂生产过程装置、多变量实验对象、纯滞后实验对象,构建了以DCS为核心的生产过程控制控制系统。该控制系统可以作为流程工业综合自动化的过程控制层(PCS层,见图2,图3),其特点表现为:
  过程控制控制系统真实。测量与变送器、执行机构、DCS均为工业级产品。便于各类控制算法(包括先进控制算法)在与工业现场相吻合的条件下进行实验。
  生产过程控制对象灵活多变。过程控制实验装置由水塔、微型锅炉、双容容器以及管路组成,并配有大时滞的模型,通过管路的灵活调整,实现不同的控制对象组合,从而构造出各类控制回路。
  选取的生产工艺过程具有代表性。以温度、压力、流量和液位这些生产过程中典型的过程参数作为被控参数。
  控制方式多样化。利用被控参数之间的交联,可构成复杂控制方式。借助于DCS和过程控制实验装置,除了进行简单、复杂过程控制系统设计外,还可进行先进控制技术研究。
  在PCS层的基础上,我们还搭建了基于实时数据库的流程工业综合自动化的执行制造层(MES层)。MES层的构建,对于我们开展优化控制、数据挖掘、生产过程的管控一体化的教学活动的开展,以及科学研究提供了更高层次的平台。
  至此,在浙大中控和上海麦杰等公司的大力支持下,我们花少量的资金,完成了高水平生产过程实验平台的建设。为人才培养、科学研究、社会服务提供了平台。

图2 实验室DCS的硬件结构图
图3 生产过程控制实验室部分实验装置
三、平台在人才培养方面发挥功能
  生产过程控制实验室建成后,为学生提供了一个与实际工业生产系统相接近环境,使我们有条件实施让学生“在系统中学习系统”的人才培养模式。学生在实验室通过对控制系统的实际操作,亲身体验控制系统的工作过程,加深了对控制系统的了解,对课程的学习带来很大帮助。学生在校学习期间,我们经常安排学生进生产过程控制实验室,使他们接触控制系统不断线。
  新生一进校,我们就利用专业教育的机会,组织学生进生产过程控制实验室。为新生开设控制系统的演示实验,让新生亲临其境地感受生产过程控制系统,体验系统的奥妙。通过这些实验使学生对控制系统有一个初步了解,同时增添他们的学习兴趣。
  在第二学期的“电工电子实践初步”教学环节中,我们安排学生认识控制系统的内容。
  对于一些专业基础课,有意识增加自动控制系统的整体实验。如我们在自动控制理论课程的实验中,开设的第一个实验就是基于DCS的液位(或温度)的控制系统实验。通过实验,学生了解了整个控制系统的组成和调节原理,并通过控制器参数的改变,让学生体验控制器参数对控制性能的影响。这些抽象的概念,通过实际系统的操作,变的直观和易于理解。这种做法深受学生的欢迎。
  在专业课中,我们加强控制系统的实验内容。如过程控制课程,我们为学生开设的实验直接在真实的控制系统中进行(如系统建模、温度控制、液位控制、流量控制等)。
  为了解决“生产实习难”的问题,我们充分利用生产过程控制实验室的优势,采取了校外与校内结合的模式,让学生在实验室内的实际系统中进行操作。
  “毕业设计”环节中,许多学生的课题都是结合DCS开展一些理论结合实际的研究。课题既有理论深度(如先进控制算法的研究),又结合实际(在实际的控制系统中开展研究)。因此毕业设计的质量高,每年在该实验室进行毕业设计的学生,获得优秀成绩的比例高,自动化专业2000级学生葛曹敏的“纯滞后系统研究与应用”毕业设计荣获江苏省优秀毕业设计三等奖。自动化专业2002级学生孟晶的“一类非线性离散系统的状态估计”毕业设计荣获江苏省优秀毕业设计三等奖。2003级学生肖巍的“智能预测函数控制的研究与应用”在获得南通大学优秀毕业设计一等奖的基础上,被推荐到江苏省优秀毕业设计评选。近年来,我们围绕生产过程控制实验室开展的毕业设计课题共60多项,其中18人被评为校级以上的优秀毕业设计。
  通过生产过程控制实验平台所培养的学生,自动化专业的核心知识掌握的扎实,创新能力和工程实践能力强,许多学生在校生在全国、省市各类的竞赛活动获奖。在第九届“挑战杯”飞利浦全国大学生课外学术科技作品竞赛中,自动化专业的两件作品获三等奖。在第五届“挑战杯”飞利浦中国大学生创业计划竞赛中,自动化专业又有两件作品获银奖。毕业生中每年约10%左右的学生考取硕士研究生。用人单位普遍反映我们培养的学生基础理论扎实,专业面宽,对专业的核心知识掌握牢固,上手快、能力强。目前,在浙大中控工作的学生近十名,许多学生一毕业就能胜任仪表与DCS方面的工作,成为技术骨干。
四、 平台在科学研究方面发挥功能
  生产过程控制实验室的建立,为南通大学在复杂生产过程先进控制研究方面构筑了平台。复杂生产过程先进控制研究是江苏省重点学科----控制理论与控制工程学科的研究方向之一。
在此以前,这方面的研究主要依赖计算机仿真。由于手段的缺乏,造成理论研究与实际相脱离。目前,我们利用该实验室,搭建了复杂生产过程的研究平台,围绕以下几方面的先进控制技术开展研究:
  模糊控制技术;纯滞后控制算法;数据的挖掘;模型预测控制技术。
  通过计算机的仿真研究,以及在JX-300X系统中的实际运行,我们已掌握部分先进控制技术的控制算法,并取得一些成功的应用案例。目前,这些算法都具备一定的工程应用基础,可以方便地应用到工业现场中。这些控制技术将会对我市DCS的高水平应用,在企业推广先进控制技术、优化控制,以几企业综合自动化奠定基础。图4为先进控制技术的控制算法实际应用情况。
  近三年来,研究人员承担国家自然科学基金项目一项,国家攻关课题的子课题一项,江苏省教育厅自然科学基金项目三项,南通市经贸委项目一项,以及企业委托项目多项。公开发表学术论文40多篇,其中多篇被SCI、EI等收录。
图4 先进控制算法的实验曲线
五、 平台在 服务社会 方面发挥的功能
  2003年初,南通市启动了信息化带动工业化的工程(简称300工程),即在三年的时间内,在全市的300家企业中,推广应用ERP、CAD/CAM/CAPP和DCS。为了使这项工程顺利开展,南通市经贸委将我院的生产过程控制实验室被定为“南通市信息化带动工业化-----生产过程计算机应用技术服务中心”,这是南通市唯一的DCS应用方面的技术中心,从而平台承担起服务社会功能。
1、进行DCS的普及教育
要推广应用DCS,首先要使大家了解什么是DCS。因此我们为全市流程工业企业的负责人和技术负责人组织了专场报告会,宣讲在流程工业使用DCS的必要性,共有100多人参加该活动。
2、开展DCS专业培训
企业要开展好DCS应用,关键要有一支专业技术队伍。2003年来,我们以JX-300X系统为主要培训的内容,为我市50多家企业培养DCS专业人才100多人。
3、为企业技术咨询
2003年来,我们深入几十家企业,帮助企业制订技术方案,提供相应的技术咨询,使企业坚定了走信息化道路的决心。同时,落实了具体的实施步骤。对一些实施DCS有困难的企业我们提供直接的技术支持(见表一、表二)。
表一:平台所服务的企业基本情况表
序号
企业名称
企业地理区域
服务内容
企业联系人
1
南通醋酸纤维有限公司
南通市区
DCS子项目1实施
姜建军
2
南通醋酸纤维有限公司
南通市区
DCS子项目2实施
姜建军
3
南通瑞普化学有限公司
南通港闸区
DCS项目实施
李武林
4
如皋污水处理厂
如皋市
DCS项目实施
瞿国庆
5
南通醋酸化工厂
南通港闸区
DCS项目实施
企业综合自动化指导
薛建民
6
江苏海安飞亚化工厂
海安
DCS控制的优化
曹宏生
7
江苏金轮针布有限公司
海门
DCS项目实施指导
周建平
8
南通炜赋电机制造有限公司
开发区
DCS项目实施
成友贤
9
江苏宏信化工厂
南通市区
DCS项目实施指导
企业综合自动化指导
朱峰
10
南通醋酸纤维有限公司
南通市区
企业综合自动化指导
周庆
11
南通江山农药有限公司
南通市区
企业综合自动化指导
引导企业实施先进控制技术
陶坤山
12
南通斯恩特
南通市区
DCS项目实施指导
企业综合自动化指导
朱国华
13
如皋烟草机械厂
如皋市
生产过程计算机控制指导
倪亚军
14
如皋恒祥化工厂
如皋市
DCS项目实施指导
邱国梁
15
如东泰和化工厂
如东
企业综合自动化指导
周升波
16
南通京源水工自动化设备公司
南通市区
CTM冷却塔监控仪开发
李武林
17
南通京源水工自动化设备公司
南通市区
先进控制技术
李武林
18
南通电熔爆有限公司
南通市区
铝基钢带生产线设备检修、设计与工艺调试
姜剑国
表二:我们直接参与和协助实施计算机控制装置的企业所产生的成效
序号
企业名称
项目名称
实施效果
备注
1
南通醋酸化工厂
双乙稀酮DCS项目
每年直接经济效益200多万元
独立实施
2
南通醋酸纤维有限公司
图像处理监控与给粉控制(DCS子系统)
每年节省运行成本22万元。
独立实施
3
南通炜赋电机制造有限公司
大功率高压电机智能试验系统研制
直接经济效益200多万元
独立实施
4
南通京源水工自动化设备公司
先进控制技术
控制效果提高
独立实施
5
江苏宏信化工厂
企业生产信息管理系统
提高管理水平
独立实施
6
南通京源水工自动化设备公司
CTM冷却塔监控仪研制
新产品开发
独立实施
7
南通电熔爆有限公司
铝基钢带生产线设备检修、设计与工艺调试
闲置的生产线得以起死回生。
独立实施
8
南通瑞普化学有限公司
1000吨烟酸DCS项目
新增销售收入2000多万元
独立实施
9
南通醋酸纤维有限公司
绞龙电控DCS子系统
每年节省运行成本15万元。
独立实施
  通过生产过程的计算机控制技术的采用,企业显著地提高生产过程控制的自动化水平,改善工人的劳动强度,提高产品质量和产量,降低消耗,提高生产过程运行的安全性,提升企业的管理水平,最终提高了企业的经济效益,提升了企业的核心竞争力。
4、协助有关企业积极推广新技术
  这些年来,我们利用地域的优势协助浙大中控技术公司、中控软件公司、上海麦杰公司、北京和利时公司等企业先后去南通醋酸纤维公司、南通醋酸化工有限公司、南通江山农药股份有限公司,以及通州、如东地区的企业进行技术交流。与此同时,我们也组织相关的企业来浙大中控实地考察。这些活动的开展,使这些企业对生产过程控制的新技术、新产品有更深入的了解。从而推动了流程工业的信息化在南通推广应用。
5、参与编辑企业信息化应用实践丛书
我们参与了由南通市经贸委牵头组织的《企业信息化实践》一书中的生产过程自动化部分内容的编写工作。该书既是南通市“300工程”的总结,又是南通市信息化工作的指南。
六、示范作用
  近三年来,平台接待了省、市等领导和国内外百余单位几百人次参观指导。许多高校前来学习实验室建设的经验,以及如何发挥人才培养、科学研究、社会服务等方面的作用。上海大学、江苏科技大学、江苏工业学院、苏州大学应用技术学院等高校也参照这一模式构建了生产过程控制实验室。平台起了很好的示范作用。