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过程控制教育:实验室挑战与产学合作
第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会,俄罗斯下诺夫哥罗德,2012年工业硬件,过程控制和先进的自动化Tina Krausser,Lars Evertz,UlrichEpple过程控制工程/RTWH亚琛大学,Aachen,52064 Germany(电子邮件:{t.krausser,l.evertz,u.epple} @ plt.rwth-aachen.de)。翻译后摘要:过程控制领域包括一组广泛的功能,沿生命周期,并通过各级自动化系统金字塔。为了让学生了解过程控制的复杂性,重要的是提供自己尝试尽可能多的功能的可能性。这就是为什么工业相关硬件和软件的实践应该是控制教育的重要组成部分。除了讲座中给出的理论基础之外,到工业工厂和深化循环控制实验室的学习之旅沿着自动化金字塔的水平以及工厂的生命周期给学生提供了过程自动化的全貌。本文介绍了这样一个实验室的挑战,要求和概念。最终实验室工厂(M3P.AC)的介绍以及关于五年持续实验室的现场报告完成了论文。关键词:教育,产学合作,开环控制,闭环控制,PID,过程自动化,过程控制语言,动态平衡,资产管理1. 介绍实践经验对学习过程的积极影响得到了很好的研究。Kolb(1984)的经验学习理论从学习周期的角度总结了这一事实Hughes等人(1992)放大了这个循环,并假设了学习过程,如图1所示。根据这一点,实验室以及理论课应该是控制教育的一部分。此外,正如Abdulwahed和Nagy(2008)所强调的那样,有许多良好的远程实验室(如Urbas 等 人 ( 2005 年 ) 、 Balestrino 等 人 ( 2009年))。然而,正如Ma和Nickerson(2006)强调的那样,动手实验室是建立与技术接触的基本信心此外,即使动手实验室必须面对一系列挑战,例如潜在的更高投资,需要跟上技术,维护和安全成本以及有限的资源,动手实验室的好处甚至更高。特别是招聘以及教育的行动和反应,安全和维护方面的系统控制可以受益于一个动手实验室。本文描述了亚琛工业大学过程控制工程系教授的实验室。它说明了我们为这些挑战找到的解决方案--将它们与实践经验的好处进行交易。此外,本文还介绍了实验室是如何整合到控制教育中,以获得学习过程的有效帮助。本文首先从Hughes等人(1992)的学习过程理论出发,阐述了我们的整体教育观。之后,详细介绍了动手实验室的概念。将特别注意在过程控制教育领域的实际操作实验室的高效和有效分配。这是特别感兴趣的,因为动手实验室在时间和精力上受到很大限制。因此,该文件使M3P.AC感到高兴[ACPLT(2008)]– 它阐明了我们的方法,有关安全,同时使用的六个过程控制系统和工厂的资金。最后,我们反映的经验,我们可以在实验室内收集在过去的五年中,以及对正在进行的工作,但更有效的实验室的一个简短的看法2. 教育理念亚琛工业大学过程控制工程系的过程控制教育基于三大支柱:讲座、自学、指导实验室以及反思和讨论。根据Hughes等人(1992)的观点,过程控制教育的第一步必须是对主题的介绍性概述,然后是深入的讨论。因此,我们教育理念的第一步是经典讲座(见图1),根据以下主题向学生介绍过程控制:© 2012 IFAC 372 10.3182/20120619-3-RU-2024.000032012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会373用它!Fig. 1.学习过程基于Hughes et al. (1992年)过程测量在过程测量讲座中,介绍了物理测量技术的基本原理、测量数据的处理和验证的基本知识以及误差检测、校准和质量管理的分布函数。过程控制工程过程控制系统的介绍,包括施工(如工艺流程,管道和安装),开发和系统功能是讲座进一步的此外,提供了对用于自动化系统的标准通信系统的洞察过程控制工厂物流和生产调度是本次讲座的主要主题。重点是优化利用能力,包括调整工厂资产管理,性能监控和产品/对象识别。此外,还介绍了Agent系统、形式化分析与综合等新技术动态系统在讲座“动态系统”的技术系统与分布参数和他们的动态特性是erudied。模型分析和模型生成用于借助微分方程(普通/偏微分方程,线性/非线性)描述技术系统。介绍了微分方程的解析解法优化方法本讲座提供了一个洞察过程优化的可能性,从一个或多个变量的非线性问题开始动态优化问题。介绍了标准的优化方法,并将其应用于实际问题中.讲座之后是一个指导性的自学阶段,提供了过程控制的概述和深化理论。自主学习有助于学生对已有知识进行再加工,并获得新知识。它本身分为两个部分:根据讲座进行的考试和问卷的指导回答。特别是后者,重新组织了主题的结构,从而帮助学生在一个新的背景下掌握理论部分。借助最新的图二.自动化系统金字塔科学论文、在线教程、视频和课堂笔记,学生们必须找到一组与实验室相关的问题的答案,并准备他们的结果的演示。最后,实验室提供实践,并伴随着对方法和结果的不断反思和讨论。正如Gomes和Bogosyan(2009年)所强调的那样,必须支持学习者,因此,实验室的概念基于这样一个原则,即学生可以几乎没有限制地进行任何实验。我们不减少实验工作的乐趣相反,实验室工厂的设备是以这样一种方式,它是安全的尝试。这三重概念的讲座,自学和指导实验室与反映组件和讨论是在过去几年中与学生的对话现在大多数学生给我们的反馈是,实验室是教育的一个重要组成部分,因为它帮助他们理解理论和理解上下文。3. 实验室理论和背景过程控制实验室的目标亚琛工业大学的过程控制工程专业,旨在为本科生和研究生提供过程控制范围的见解。而不是一个纯粹的循环控制实验室的目的是提供元素沿几乎所有层次的自动化系统金字塔假设波尔克(1994年)和沿生命周期的工厂。图2的灰色部分描绘了在实验室中完成的一组过程控制功能。实验室概念设计的主要方面是团队合作、讨论、试错和反思。学生根据课程材料(包括系统的工作说明和手册)以三人或四人为一组进行工作。作为戈麦斯和Bogosyan(2009)提出了一个“逐步指导[...]实验室作业”。新出现的问题在小组内讨论,与其他小组和导师。解决方案可以很容易地在系统中试用,这样学生就可以立即得到成功或失败的反馈。广泛的过程控制功能,进行规划、模拟和实施意味着,主要的实现已经预先给出。对该条文得到反馈反思和调整试用看看了解更多ERPMES工艺历史、配方处理、工厂优化、资产管理过程控制级控制策略,FBD,SFC,PID,HMI,报警管理,联锁,软测量外地一级AI/AO/DI/DO配置,传感器,执行器资产需求规范、HART协议、P ID、接触平面图、接线讲座实验室自学2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会374根据需求。植物模拟理解不同信号(例如,阀门的设定点、过程值和误差信号)的第一步是模拟执行器和传感器。在Matlab/Simulink中进行了仿真。它可以被编译,并且稍后连接到不同的过程控制系统,以测试其他模块的实现的控制逻辑。(a) N18规划(b)ABB Freelance(c)Emerson DeltaV图三.泵控制的规划和实施(N18)因此,学生不必为系统中的每个传感器和执行器实现基本的自动化功能相反,他们从头开始实现每个有趣的控制函数的一个实例,而其余的是预先实现的,但对学生来说是不可见的。实验室的概念意味着学生们从事工业相关的硬件和软件工作。因此,我们使用过程控制系统市场上主要参与者的过程控制系统:ABB,Emerson,Honeywell,Invensys,Siemens,Yokogawa(顺序订购)。此外,M3P.AC本身也是由工业相关硬件构建的这对于实验室期间的真实感受很重要该工厂配备了来自多个供应商的传感器和执行器,这一事实意味着有可能让学生面对随之而来的挑战,并证明多供应商工厂是可能的。如表1和表2所示,不同的连接类型以及不同的测量方法可在工厂中使用,以支持过程测量的实践教育。该实验室分为七个模块,可以根据学生的兴趣组合:过程控制系统第一步是让学生熟悉过程控制系统。因此,概括了过程控制系统的结构,并将其应用于实验室可用的六个过程控制系统(见第4节)。分析了自动化系统金字塔的层次规划方法在第二个模块中实践了植物发育的步骤。这包括工艺流程图、管道和仪表图、接触平面图以及选择适当的传感器和执行器过程控制从简单的泵控制开始,包括联锁和检查逻辑,过程控制模块提供了过程控制系统中编程语言的实践经验除了泵控制的基于FBD的实现之外,还必须实现温度的基于SFC的前馈控制与其他模块一样,该模块的实现是双重的(见图1)。3)。首先,必须开发一个基于纸张的概念,然后在其中一 个 过 程 控 制 系 统 中 实 施 , 或 者 在Matlab/Simulink中实施仿真模块。回路控制前馈控制的知识由该模块中的闭环控制来补充。为了加深前馈和环路控制之间的差异,在第一步,必须实现简单的两级控制器。此外,该模块概括了PID控制器的结构和功能。PID控制器的组装、行为和调整是主要的主题。讨论了有关最优调谐问题的主题调试和资产管理本模块再次采用自动化金字塔的结构,并将前面的主题与大图联系起来传感器的调试包括布线、过程控制系统的调试、控制面板和面板的实现以及传感器资产管理的设置都在该模块中进行。学生们讨论并尝试了远程IO、直接布线、HART协议和总线系统等概念动态天平“动态平衡”模块涉及状态监测、资产管理、优化和软传感器等主题。对严格模型和经验模型的生成方法进行了深入研究,并将其实现为软测量,并进行了比较。此外,实现了用于检测泄漏的平衡通用模块集可以是过程控制、回路控制和动态平衡的组合,也可以是整套模块。4. 实验室设备(M3P.AC)为了使实验室尽可能真实,我们决定建立一个具有工业相关硬件和软件的工厂。M3P.AC模拟了科隆附近的一个废水处理厂,在那里对废水进行预处理Tank_B1.LLT12.PVN13.OnN13.fbOnT15.PVY16.SPY16.PVY16.chkb打开Y16.chkb关闭F17.PVF17.报警N18.打开N18.打开T20.PVY21.SPY21.PVY21.chkb打开在安托龙DOut5秒。&ilProtectionilStartilStop&N18.OutN18.On&&>1&T23.PVY24.chkbOpenY24.chkbClosedY25.chkbOpenY25.chkb ClosedTank_B2.HHT27.PVN29.OnY30.SPF31.PVL32.PVT33.PVTank_B3.HHTank_B2.LLN36.OnY37.SPN38.On&&>1&单元TU10.N18 -KSB 泵编辑器于 立 勇 , Ste fa n Sch m itz日期2008年 6 月 11 日2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会3755流速MID、科里奥利、涡流、压差8个温度PT1002质量电导率2压力差压5水平指示器雷达,流体静力学,制导微波,超声波,振动nr传感器类型如果它超过预定的污染率,则在初级澄清中。在M3P.AC中,通过水温模拟进水的污染水平。这导致具有三个技术单位(TU)的设备:章节角色TU 10城镇/下水道系统在热交换器的帮助下加热水,并模拟与冷水混合的降雨。TU20预处理水的冷却模拟预处理,然后是沉淀。TU30沉淀池水的冷却模拟沉淀。见图4。M3P.AC的P图4描绘了工厂的PID。实现的是一个3米长的可滚动循环水流,可以连接到六个不同的过程控制系统。为了保证过程控制系统的独立性,我们使用200针连接器(使用150针)将每个系统与工厂连接起来(图1)。5)。而不是使用现场总线Nr类型25模拟输入7模拟输出25数字输入18数字输出150整体电线表1.M3P.AC中的I/O表2. M3P.AC中的传感器类型Profibus连接卡的通用接线为我们提供了演示这两种情况的机会:通用接线以及借助远程IO的基于总线的通信此外,由于我们有未实现的现场总线传感器,我们可以讨论和证明所有三种方法的优点和缺点。此外,可以测试和实践HART协议等主题。最后是数字传输和模拟传输的区别(见表1)。1)可分别通过电压表和电流表直接测量和监测。为了让学生了解不同测量方法的优点和缺点,我们为物理值实施了不同类型的传感器(见表1)。2)。在实践实验室中使用泵送系统伴随着一系列广泛的挑战,这些挑战始于安全问题,例如使M3P.AC安全免受损坏以及使过程控制系统安全免受过程控制逻辑的删除/破坏、病毒等。此外,由于同时使用过程控制系统以及有效利用可用资源而带来的挑战也最后但并非最不重要的是,必须讨论这样一个工厂的财务问题和维护问题。在接下来的章节中,我们将展示我们应对这些挑战的解决方案。图五.连接点...4.1 安全使用M3P.AC进行无约束试错的概念意味着我们只使用水,并有大型容器来确保容器溢出。此外,所有泵均通过联锁装置进行固定,以避免在阀门关闭或无水情况下进行泵送因此,M3P.AC和过程控制逻辑的设计方式是,在工厂上进行免费实验不会造成任何伤害。此外,如果M3P.AC是针对故障操作的安全,实验室的想法要求教育负责任的接触过程控制设备。这包括我们希望让学生意识到这样一个事实,即必须测试过程控制逻辑我们决定使用普通的导线技术将传感器和致动器连接到过程控制系统。由于我们所有的六个过程控制系统都至少有一个并对其进行了详细的分析,然后才能应用于工厂控制。因此,对于所实现的过程控制逻辑的阿尔法测试,每个过程控制系统(PCS)ESOS里约150焊丝ESOS里约ESOS里约150焊丝150焊丝6°CPLCPLCPLC2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会376可以连接到一个模拟。由于仿真包括执行器、传感器以及远程I/O(RIO),因此可以通过Profibus(图6)直接连接到可编程逻辑控制器(PLC)。旁边见图6。仿真概念工厂硬件的安全在这样的实验室环境中出现另一个安全问题。由于过程控制逻辑以及工程站上的操作系统的至少一部分的自由操纵是可能的,因此必须实现备份机制过程控制系统采用两级备份。其中第一级仅包括每个过程控制系统的数据库转储。第二层是整个操作系统的映像。数据库转储意味着可以轻松设置实验室。4.2 并行开发过程科学助理可以深入了解最先进的过程控制系统以及相关的维护和安全方面。这些知识提高了每个参与助理的科学研究的影响5. 经验正如Ma和Nickerson(2006)在一个大型集合中所回顾的那样,实践、远程和模拟实验室的主要教育目标是专业技能和概念理解。值得注意的是,设计和社交技能被忽视了,特别是在远程和模拟实验室中(见图5)。我们发现,特别是设计和社交技能的提升也会导致其他技能的更高和更可持续的发展。在动手实验室中,讨论和对结果的反思由于在社会能力要求高的实验环节中需要进行论证和概括,因此结果更符合学生的逻辑,也更容易掌握。我们经常得到(b)模拟实验室引入可插入的模拟的一个好的副作用是并行工作的可能性。由于alpha测试可以在模拟上完成,因此实际工厂可以在所有六个过程控制系统之间共享,以进行最终测试。此外,泵站只在演习的相反,过程控制系统本身包括必须(a) 动手实验室(c)远程实验室由学生解决,包括。人机界面的配置、接线和设置传感器等。因此,在大多数情况下,这些组可以在自己的过程控制系统上工作,而不会与其他组发生冲突。4.3 财务挑战当我们提出这样一个实验室工厂的计划时,供应商愿意通过捐赠现场硬件和过程控制系统来支持我们。此外,我们在安装和实施以及为我们的教育人员提供课程方面得到了广泛的支持。由于实验室专注于过程控制的基本持久相反,如何建立和维护一个过程工厂的原则在很长一段时间内保持不变。此外,目前的许多工厂仍然以与M3P.AC相同的技术方式进行装备。维护和安全调查的必要性是不可否认的。为了从这种需要中受益,我们将工作分配给几个由技术助理支持的科学助理。这迫使图第七章教育目标(cf。Ma和Nickerson(2006))实践经验帮助学生理解先前给出的理论的反馈详细和上下文。此外,使用多供应商工厂与工业相关设备以及工业中使用的过程控制系统的概念给学生的感觉不只是玩,但学习的东西,可能需要在以后的工作生活。除了在教育中使用M3P.AC外,它还用于推广和大学预科教育。在这种情况下,15至18岁的学生接受实验室。在女孩的D a y或“S c h üleruni”(S c h ol儿童大学)期间,对技术感兴趣的年轻男孩和女孩有机会实施他们的第一个为此,我们改变了HMI一家布丁生产厂在学生开始工厂自动化之前,我们按照食谱烹饪真正的布丁。之后,他们必须使用顺序功能图(SFC)执行相同的步骤。最后,学生可以测试他们的SFC的帮助下,循环水流。大部分小学生甚至不知道什么是过程控制和过程控制系统之前仿真ESOS里约150焊丝6°C150焊丝里约6°CPLC2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会377表3.自2008年支持大学的实践实验室。除了在即将到来的过程控制工程师和管理人员的教育积极存在的支持,也可以加上研究项目,随着直接他们来找我们在这样一个事件结束时,很难让他们离开系统,因为他们想进行实验,想更多地了解相互关系。每年,他们中的一些人作为学生回来,参加实验室,并为他们已经使用过这些系统而感到自豪。虽然这不是M3P.AC的初衷,也对研究产生了积极的影响,亚琛工业大学过程控制工程系主任。由于植物本身结构比较简单,但比较完整,是一个很好的应用植物研究课题。因此,我们可以测试像uniform现场总线(UniFeBu,[Krausser et al.(2008)]),流路控制[Quir'os(2011)]和基于规则的工程[Krausser etal. (2011)]。随着学生人数的增加(见表)。3),我们的积极经验,最后但并非最不重要的是学生的反馈,我们计划进一步两个工厂的动手实验室。第一个是M4P.AC [ACPLT(2012 b)],这是一个模块化工厂,其中涉及批处理,通信概念和分散化等主题此外,FCE [ACPLT(2012 a)],一种重整器燃料电池将在未来几个月内建成。从这个工厂的强耦合系统的动态控制的教育将受益。这两个工厂都是为了教育毕业生以及研究生。6. 结论本文首先介绍了教育理念,特别是对亚琛工业大学过程控制工程系的实验室和实验室工厂的见解。我们可以证明,即使存在挑战,建立这样一个动手实验室也是可行的。此外,我们可以证明,有科学助理的资格和测试以前没有考虑过的研究课题的可能性等优势。此外,我们可以证明,通过实施安全方面的自然推动实验可以得到支持。这再次支持了对过程控制系统的恐惧的丧失。当工厂由学生自己实施的程序控制时,积极的反馈大大改善了学习过程。此外,在实验室的讨论和反思我们还可以证明,一个稍微适应的动手实验室也可以用来获取和激励过程控制系统领域的新学生。除了远程或模拟实验室外,我们还将鼓励教育部门在动手实验室中进行调查,此外,我们希望激励过程控制系统和过程控制设备的供应商,为供应商提供积极的产出。作为一个总结,我们将结束以下引述玛丽居里:实验室里的科学家不仅仅是一个技术人员:他也是一个面对自然现象的孩子,这些现象给他留下了深刻的印象,就像童话故事一样。它可以直接映射到学生在动手实验室和经验的技术现象。确认感谢所有在实验室实现过程中支持我们的人。特别感谢过程控制系统供应商(ABB、Emerson、Honey-well、Invensys、Siemens和Yokogawa)和过程 控 制 设 备 供 应 商 ( ABB 、 E+H 、 Emerson 、Flowserve、Grundfos、Krohne、KSB、Masoneilan、Samson、Siemens、Somas、Vega和Yokogawa)的贡献和支持。引用Abdulwahed,M.和Nagy,Z.K.(2008年)。走向建构主义的实验室教育:过程控制实验室的案例研究.2008年FIE。第38届年会,S1 B 9-14。非洲地方贸易促进委员会(2008年)。M3P.AC多经验工厂。 网址http://m3p.ac。非洲地方贸易中心(2012年a)。FCE- 燃料电池发电厂 URLhttp://www.plt.rwth-aachen.de/fce的网站。非洲地方贸易咨询委员会(2012年b)。 M4P.AC-模块化多供应商,多PCS,多经验工厂。网址http://m4p.ac。Balestrino,A.,Caiti,A.,和Crisostomi,E.(2009年)。从远程实验到基于Web的学习对象:机器人和控制系统的先进远程实验室。IEEE TIE,56(12),4817戈梅斯湖和Bogosyan,S.(2009年)。远程实验室的当前趋势。IEEE TIE,56(12),4744休斯,C.,图希,S.,和Hatherly,S.(1992年)。发展以学习为中心的培训师和辅导员。继续教育研究,14(1),14科尔布检察官(1984年)。经验学习:经验作为学习和发展的源泉。普伦蒂斯·霍尔Krausser,T.,埃普尔,美国,和Haus,C.(2008年)。UniFeBu- 一 个 宇 宙 销 售 员 Feldbuszugang 。 InFortschritts-berichte,volume 2032,309Krausser , T. , Quir'os , G. , Epple , U. 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