工业网络自动控制综合实验系统科研项目申报.docx
《工业网络自动控制综合实验系统科研项目申报.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业网络自动控制综合实验系统科研项目申报.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
工业网络自动控制综合实验系统科研项目申报
立论依据（项目研究的理论价值和实践意义，国内外研究现状分析）
我院是以培养具有一定理论知识和较强实践能力，强调理论教学与实践训练并重，面向基层、生产、服务、管理第一线职业岗位的实用、技能型专门人才为目的的高等职业技术教育院校。
全面贯彻落实科学发展观，实现我院的快速发展，要把提高自主创新能力摆在突出位置。
提高自主创新能力，转变发展观念、创新发展模式、提高发展质量，把我院的发展转到依靠科技进步和创新、提高劳动者素质的道路上，努力把学院建成省内一流、国内有影响的高等职业学院。
为推动我院职业教育科学研究的自主创新能力，加强职教工作者对职业教育科学研究的参与程度，提高研究水平，重视实务知识的学习，从理论与实践相结合的高度开展应用研究，强化职业技能训练；为学生具备必要理论知识和科学文化基础，熟练掌握主干技术，侧重实际应用；根据“中国职业技术教育学会科研规划项目课题指南”中，开展“技能型（高技能）创新人才培养的方法与途径研究”；“教师队伍（双师型）培养与培训研究”；“高等职业教育产学研合作模式的实验研究”；“实训课程与实训教学方法改革研究”；“当前职业院校学生的学习特点与对策研究”；“教育教学质量保障体系与评价机制研究”；“学生实习实训质量的评价指标体系研究”；“职业院校开展科研工作的重点与难点研究”；“优化高技能人才培养途径的实验研究”；现申报自主创新研制“工业网络自动控制综合实验系统”科研项目，并在年内建设完成工业网络自动控制综合实验系统实验室。
自主创新研制项目及在年内建设完成综合实验系统实验室，实际投入的经费通常是买进同类设备投资的60%，在教学、维护和修理及改进设备等方面有无法比较的优势。
现代电子技术高速发展，对机电一体化、应用电子技术、计算机应用、机电应用、电气自动化等专业技能提出了更高的要求。
不但有实际的动手能力，而且有新技术的应用和一定的设计创新的复合型能力，为此教学内容要不断更新。
我院电子学科实验室设备大多是几年前购置的。
由于投入不足，实验设备不能及时更新，开不出新的实验内容，同国内外同类学科相比，缺少能完成大型的、综合性设计任务的实验教学环境，这就制约了学生理论和技能水平的提高，要培养一流的学生，必须具备优良的实验设备，开设综合性和设计性的实验内容，急需更新或增加实验设备。
特别是学校办学规模的不断扩大，每年招生人数的逐步递增、教学、实训工作任务的日趋紧迫，同类院校的发展以及上级领导对院校的评估、测评等事宜，使得加强硬件建设更加重要。
工业网络自动控制综合实验系统实验室的建设，可以把抽象的、复杂的、概念性的理论学习与实训、技能相结合，使学生从枯燥的理论学习中走出来，由教师出课题，高年级学生自己设计、研究制作项目，增加了学生的兴趣，增强了学生的动手能力和技能，同时与现代的电子技术接轨，使学生在应聘过程中或到了用人单位，能在短时间内适应工作，有利于提高我院的声誉。
烟台、威海的院校有些已在建或建成了较高水平的实验室。
在南方一些发达城市，各大职业学院，劳动就业培训基地、技师学院。
都把计算机、电子、电工这些专业作为主要学科，花费了较多的资金、人力、物力，建设一流的实验室，如宁波技师学院、上海劳动就业培训基地等都在积极筹建实验室。
我们申请的项目是目前国内先进的工业网络自动控制综合实验系统实验室。
有院领导的高瞻远瞩，我们职教工作者的努力奋斗，为了我院的发展，为了给社会创造高级型金蓝领人才，我们一定能够建设完成，工业网络自动控制综合实验系统实验室！
研究方案：
（建设目标和目的、建设方向、建设任务和内容、实验室模型、预计完成的成果形式、步骤及最终完成时间、经费预算）
建设目标和目的
监控网络化，机电一体化，管理远程化
把实验室建设成为机电一体化、应用电子技术、计算机应用、机电应用、电气自动化等专业，集教学、科研、试验、对外技术服务、产品设备鉴定等多功能于一体的具有综合能力的教学、科研机构。
在教学基础设施、工业计算机网络、自动化控制设备及检测、电气工程设备及检测，或相关领域的高新技术开发中发挥作用，成为省、市级重点实验室，同时也是教育、科研创新和培养高水平人才的基地。
争取达到具有电子技能特色的国内同类学科的先进水平。
培养学生实际动手操作能力和应用知识解决问题的能力，接触世界前沿自动化控制技术，提高学生综合素质；同时为教师科研工作提供良好实验环境；并为企业、科研部门培训操作人员。
建设方向
研究方向为控制网络、控制网络性能的研究、复杂系统的理论分析与研究、自动化复杂系统的建模与优化。
针对计算机与自动控制领域朝着数字化、智能化、网络化发展，从控制手段、控制理论和系统等不同方面规划实验室。
以小批量、多品种形式提供多种控制手段和系统的多种组态形式。
作为开放实验室，机电一体化、应用电子技术、计算机应用、机电应用、电气自动化等专业课综合性教学实验、专业课程和毕业设计提供控制与信息技术的实践场所。
实验教学内容侧重于低成本、多样化的系统设计，注重学生综合性工程设计和实践能力的培养。
为学生建造设计实验选择和创新的条件，使学生完成从芯片到系统的实际能力的训练。
建设任务和内容
组态监控实验系统
计算机工业网络软件“组态王”，是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以WindowsXP/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系统作为操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。
该软件包由工程管理器（ProjManager）、工程浏览器（TouchExplorer）、画面运行系统（TouchVew）三部分组成。
ProjManager用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。
TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。
TouchVew是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换,通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，把变化的数据用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。
（照片参考其他院校）
系统软件功能
1．数据监测、显示
实现从实验操作台的手动阀门、开关等可操作单元，以及外挂控制器输出的模拟量及数字信号。
主要分为以下几项功能：
（1）数据点组态
提供数据点的组态画面，可以由学生自定义位号，并指定通道号、仪表上下限、报
警上下限（两级）等属性。
（2）数据采集
采集实时数据，并作数据的存储。
（3）流程图数据显示
对当前实验的流程显示，并提供在图上进行参数的调整。
（4）趋势图数据显示
对当前实验中涉及的数据由曲线图显示其趋势。
数据支持打印及导出。
（5）报警画面显示
当数据超出数据点组态中定义的报警限时，提供报警。
报警状态分为正常、报警以
及报警已确认三种状态。
（6）控制器画面
对学生自定义的控制器，提供PV、SP、OP以及手/自动状态等属性的显示或设置。
2．仿真虚拟工厂
运用动态定量仿真模型，模拟真实工艺流程，并提供各变量当前值。
具体分为以下流程的仿真模型：
（1）离心泵及特性仿真模型
（2）三级液位及传热仿真模型
（3）压力系统仿真模型
（4）溶液浓度值配制仿真模型
（5）热交换器过程仿真模型
（6）间歇反应仿真模型
（7）连续反应（CSTR）仿真模型
3．控制方案组态
提供类似SimuLink的图形化控制方案组态功能。
提供以下具体功能：
（1）提供常见的PID控制算法，允许学生配置参数
（2）控制方案的设计
允许学生自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及串级控制实验等。
（3）控制算法组态
提供两种方式的控制算法组态：
提供图形化控制算法组态工具，使学生可以对传递函数进行自定义;提供标准DLL工程，将学生用其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。
（4）信号发生器组态
提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。
（5）信号输出组态
提供信号输出显示、文件保存等功能，以进行信号后处理。
过程控制实验（主要）
过程控制综合实验系统（ProcessControlSystem，简称PCS），是模拟现代工业生产过程中的物理量，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律的教学实验设备。
是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成，结合工业现场过程控制实际，集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。
该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。
还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为学生过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。
过程控制综合实验系统选取用智能化的工业用仪器仪表，使用安全，运行稳定，维护简便。
（照片参考其他院校）
学生通过综合实验后可掌握以下内容：
（1）传感器特性的认识和零点迁移；
（2）自动化仪表的初步使用；
（3）变频器的基本原理和初步使用；
（4）电动调节阀的调节特性和原理；
（5）测定被控对象特性的方法；
（6）单回路控制系统的参数整定；
（7）串级控制系统的参数整定；
（8）复杂控制回路系统的参数整定；
（9）控制参数对控制系统的品质指标的要求；
（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；
（11）各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。
列举实验内容
1、单溶液位的控制及动态特性测试实验（一阶系统）
2、双溶液位的控制及动态特性测试实验
3、双溶串级控制实验
4、冷液加热系统的性能测试及PID控制实验
5、流量测量与PID控制实验
6、水箱水位的变频控制实验
7、带扰动的双溶水箱系统水位的PID控制实验
8、流量比值固定的跟随系统实验
9、流量计特性及实验标定
10、液位变送器特性及实验标定
11、温度变送器特性及实验标定
12、运用仪表的通讯功能与计算机平台连接，对实验对象进行监控、数据采集、存储与动态静态特性曲线显示，并可实现计算机控制。
系统的平台，可进行二次实验内容开发，不断扩展和丰富实验内容。
（照片参考其他院校）
4．实验管理
对每一项实验提供工程管理，便于学生选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。
具体分为以下功能：
（1）实验开始、暂停、恢复功能
（2）实验切换
（3）实验项目快照存储
（4）参数运行时动态改变
（5）多画面切换
系统硬件功能
●叠加干扰信号
在4～20mA输出通道上可以叠加若干种干扰信号。
●硬件组态
15组数据显示单元（5组棒图和10组液晶），每个显示单元都有一个数据输入插孔。
另外在设备和管道上布置了若干个数据输出插孔。
通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔，则完成了对单元显示数据内容的确定。
5组自动阀门控制输出插孔，可以连接任意的阀门控制输入插孔。
连接后该阀门设定为自动阀，手动操作不能改变阀门位置。
●硬件单元的自摘除
系统可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。
没有通过组态软件定义数据采集点，不能进行数据采集，设备在试验进行的过程中不投入使用。
没有通过硬件组态定义数据采集点的数据不显示，同时也不能输出模拟信号。
没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。
所有投入使用的阀门如果没有连接控制信号输出插孔，则自动设定为手动阀门。
系统运行中发生故障的硬件单元自动退出运行，不影响其它硬件单元的正常工作。
人机界面系统实验
电阻式、电容式、红外线式、表面声波触摸屏原理、触摸屏软件、触摸屏驱动、触摸屏通讯。
（照片参考其他院校）
触摸屏是新的电脑输入设备，是目前简单、方便、自然的一种人机交互方式。
触摸屏在中国市场上只有短短几年的时间，还没有被许多人接触和了解。
触摸屏易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们越来越感到使用触摸屏的优越性。
从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业看，触摸屏是使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统新的面貌，是全新多媒体交互设备。
发达国家和我国的系统设计师们已经清楚的知道，触摸屏是计算机各种应用领域必不可少的设备。
它简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。
网络控制系统实验
以太网、控制网、设备网、串行通讯、光纤通讯
目前全球企事业用户的90％以上都采用以太网接入，是主导接入方式。
采用以太网接入的主要原因，是以太网已有巨大的网络基础和长期的经验、目前所有流行的操作系统和应用也都与以太网兼容。
以太网接入采用异步工作方式，很适于处理IP突发数据流，技术已有重要变化和突破（LAN交换、星形布线、大容量MAC地址存储以及管理性等）。
以太网容量分为10／100／1000Mbit／s三级，按需64kbit／s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽直至1Gbit／s，特别是1Gbit／s和10Gbit／s以太网技术直接与光技术结合后，由于省掉了中间的ATM层和SDH层，可以使总的投资成本减少30％，而总的所有权（Ownershipcost）成本降低40％。
EtherNET/IP工业以太网及相关技术问题，自动化从信息层到控制层到设备层，最早是从信息层开始，时间大约在1996年到1997年，目前为止差不多上了几十万个节点。
控制层，是从ControlNET开始，1999年推出Logix平台之后，已经有了几十万个安装的实例了。
设备层DeviceNet，是比较新的，已经有了超过100万个节点，现在，发展是基于IP的I/O控制技术，这是目前发展最快的一个技术，实施于I/O层，每年都有好几万个实施应用的机会。
为学生开设以三层网络和通信软件组成完整的工业控制网络系统的网络及控制系统实验。
串行通讯技术（CAN总线、RS232/485/422通讯协议）、光通讯技术、光纤收发器的应用。
单片机系统实验（照片参考其他院校）
进行计算机与计算机、计算机与单片机、单片机与单片机在有关通讯协议下的网络实验。
单片机内部功能实验、单片机、微机常用接口与应用实验。
单片机实验装置是由双面印刷线路板、内置直流稳压电源、漏电断路器等组成。
是集51、96、系列CPU于一体实验系统。
内置仿真器（51、96），构成51/96单片机实验开发系统。
实验系统软、硬件配置完善，仿真软件支持WinXP/2000等操作系统，并支持汇编语言和C语言的开发，实验内容丰富，是单片机、微机原理和接口教学的理想平台。
提供多种总线类型的实验模块,包括并行总线、RS232串行线、RS485串行线、SPI串行线、USB总线、CAN总线、1-WIRE总线和以太网接口。
学生可通过实验台内置的仿真器联PC机调试、运行所有的实验程序,也可不联PC机独立运行。
（一）、单片机内部功能实验：
1、单片机内部定时／计数器实验（脉冲计数）
2、单片机内部定时／计数器实验、中断控制综合实验（电脑时钟）
3、单片机串行口实验（双机通信）
4、单片机串行口实验（单片机与电脑联机通信实验）
5、单片机I／O口实验
6、单片机最小系统实验
7、4×6键盘
8、串并转换（74LS164），扩展六位8段码LED数码管显示器
9、并串转换（74LS165）实验
10、v／F转换实验
（二）、单片机、微机常用接口与应用实验
11、8位8路A／D转换ADC0809实验
12、8位1路D／A转换DAC0832实验
13、定时／计数器8253A实验
14、串行通信接口控制电路8251／8250实验
15、I／O口（74LS273／74LS244）扩展实验
16、并行口扩展实验8255／8155
17、地址译码（3-8译码器74LS138）实验
18、打印机接口控制实验（打印机选配）
19、继电器控制实验
20、音乐控制实验
21、语音录放实验
22、步进电机（4相）控制
23、十字路口交通灯模型控制实验
（三）、单片机新型总线控制接口实验
24、I2C串行RAM24C02读写实验
25、12C串行10位D/ATL5615D/A转换实验
26、I2C串行8位A/DTL549A/D转换实验
27、I2C串行实时时钟PCF8563T应用实验
28、I-WIRE总线数字温度传感器DS18B20应用实验
29,CAN控制器STA1000,CAN收发器TJA1050T应用实验
30、以太网络接口RTL8019AS应用实验
31、RS232/485通信接口实验
32、USB总线接口实验
（四）、单片机、微机控制应用小系统实验
33、直流电机闭环控制实验
34、温度测量控制（PID调节闭环控制）
（五）、微机接口实验
35、8237DMA数据传送实验
36、8259中断控制器实验
37、8279键盘输入、LED显示输出实验
38、8255、8251等扩展接口实验
（六）、自行扩展实验
通过IC扩展区用户可自行扩展各种数字电路、单片机应用实验。
另可提供下列功能实验模块：
⑴接触式、非接触式IC卡实验模块
⑵线性V/F、F/V变换模块
⑶半导体温度传感器实验
⑷K型热电偶传感器实验
⑸霍尔传感器实验
⑹湿敏传感器实验
⑺热敏传感器实验
⑻气体传感器实验
⑼重力传感器实验
⑽USB2.0总线接口实验,CAN总线接口实验和TCP/IP以太网实验.
⑾CPU在线编程
⑿10位串行D/A转换（TLC5615）
⒀8位串行A/D转换（TLC549）
⒁18B20数字温度传感器
⒂红外线收发模块
⒃PWM转换电路
⒄I2C串行时钟日历电路（PCF8563）
⒅MAX813看门狗复位电路模块
光纤通信系统实验
根据光纤通信原理、光纤光学、光通信器件与系统的相关课程新开发教学实验，使学生了解光纤通信原理、系统、器件、测试方法的理想实验，紧密结合现代光纤通信的实际，充分体现光纤通信的现状与发展趋势，是学生理论结合实际的最佳选择。
基本实验内容：
光纤跳线的识别实验（多模，单模）；光纤的几何光学特性：
纤芯、包裹层、涂覆层结构的观察；光纤损耗测试；（注：
括号内容暂不研制。
模式滤除实验；光源的P-I特性曲线测试；模拟光发送机的调制度；数字光发送机的平均光功率；数字光发送机的消光比；光线路码实验；数字光接收机的时钟；光接收机灵敏度测试；动态范围测试；模拟光接收机的非线性失真实验；接收机的暗电流测试；光纤连接器的型号识别和使用注意事项；光纤适配器型号识别和使用注意事项；光纤连接器的活动连接实验；光纤连接器的插损测试、回损测试；光源与光纤耦合方法实验；光纤分束器件特性与参数测试实验；光耦合器实验；WDM器件的串扰、隔离度、中心波长、带宽实验；WDM器件的合波分波实验；光衰减器衰减特性；模拟话音光传输实验；模拟话音PCM光纤传输；计算机数据光纤传输；2M数字光传输实验；图像光纤传输实验；点到多点的光纤通信实验；波分复用光纤传输；）。
可编程控制器系列系统实验（照片参考其他院校）
集可编程控制器、编程软件、工控组态软件、模拟控制实验板等于一体，可直观地进行PLC的基本指令练习，多个PLC实际应用的模拟实验及实物实验。
所有实验均有组态棒图进行动态跟踪，装置配备的主机采用三菱公司系列编程器，可完成基本指令实验、开关量实验、组态棒图实验等。
实验模板如下：
1、电动机自控系统
2、电动机星/角启动运行控制系统
3、模拟电视发射塔
4、自动送料装车系统
5、多液体自动控制系统
6、自动十字路口交通灯控制系统
7、自动冲压机系统
8、
自动售货机系统
9、自控成型系统
10、电梯自动控制系统（电动仿真）
11、邮件自动分拣系统
12、自动洗衣机系统
13、电镀系统
14、继电器控制系统
15、水塔自动供水系统
16、八段译码
17、机械手
18、自动轧钢机系统
19、步进电动机模拟控制系统
变频器系统实验（照片参考其他院校）
集变频器、工控组态软件于一体，装置采用当今世界最优秀的获国际标准认证的西门子公司的变频器多功能FRA系列变频器为主机，内置FRA5AP，外配脉冲控制与电机制动控制系统。
整台设备能够完成开环与闭环系统实验以及变频调速器的所有实验。
敞开式的结构，能让学生综合地学习和掌握变频调速器结构原理、容量选择、选项配置、应用技术、安装操作以及检查维护。
另外还独家推出变频器的485通讯功能，用PC机监控变频器的运行状态。
实验项目
1、变频器的基本操作
2、变频器的PU开环与闭环运转
3、变频器的组合和程序运转
4、变频器的频率跳变操作和多段速度运转
根据具体的实验、课程安排，制作9个常用的模块（其他模块可后继开发）。
实验室模型（照片参考其他院校）
1．多功能实验台（20台）
此实验台是我们自行开发设计的供学生实验用的多功能实验台，旨在锻炼学生的实际动手能力。
实验台结构简单，易操作，目前可以为学生开设过程控制综合实验、工业计算机网络、组态王、可编程控制器的逻辑控制及电机调速等十几个实验。
同时通过实验台上的通讯模块实验台可以接入到三层网络，通过网络控制实验台。
2.电梯模型（10套）
实验室的电梯模型完全遵照实际电梯的结构设计。
在设计中达到仿真，以反映实际电梯的控制过程。
该模型控制系统的搭建基于三层网络控制平台，利用编程软件进行梯形图编程，进行控制运行，并采用仿真软件制作的控制界面进一步实现真实效果。
同时，通过电梯模型运行和仿真研究来验证多电梯协调运行的最优控制算法，即“电梯群控”。
3．交直流调速装置（5套）
目前，随着交流变频技术在工业生产中的日臻成熟，交流变频调速技术越来越来受人们的重视。
交直流调速装置动态性能实验平台主要用于测试变频器的动态调速性能。
4．二层水箱过程控制系统（5套）
生产和生活中，常常要求交流电机的启动和停止达到良好的性能指标。
这样不仅可以减少对电网的冲击，同时也有利于保护其它设备。
水泵软启动实验装置就是能调节交流电机启动和停止性能指标的实验模型。
该模型有手动和自动两种控制方式，其中自动方式是网络控制方式（主要是设备网）。
使用SMC实现电机的软启动。
通过调节它的参数可以使电机的启动平滑，同时停止也非常迅速，达到工业生产的要求。
该装置以热水锅炉为对象，配以高位水箱、液位水槽、循环水泵以及相应的检测仪表、执行机构、调节装置等。
本套装置可以进行几十种调节系统的自由组合，将逻辑控制和回路控制集成在一起，构成自动化系统中的基础控制。
然后通过工业控制网络和以太网将基础控制和生产过程控制联系起来，基础控制接收并执行过程控制级的各种指令，并把过程参数、设备状态等数据传送给过程监控系统。
运用数字PID控制，流量、压力、液位、温度的多变量解耦技术，以及神经元控制方法，实现对过程控制级的优化设定。
5．电阻炉温度控制系统（10套）
该模型以管形电加热炉为研究对象。
可编程控制器，网络
升级会员 