基于ABB电力传动试验室的应用型人才培养模式

　  摘要：依托山东工商学院ABB电力传动实验室，以培养具有创新能力的工程应用型专业技术人才为目标，将课堂理论教学与实际工业控制系统相结合，走一条课堂理论教学，实验仿真验证，工业设备现场操作相结合的新型人才培养模式。
　　关键词：电力传动；工业设备；实践教学；人才培养

　　随着我国制造业由劳动密集型向知识密集型的转变，胶东半岛制造业基地不断升级与扩建，社会对电力传动领域的应用型技术人才需求急剧增加。与此同时，对应聘者的综合素质要求也不断提高，不仅要求应聘者具备扎实的专业理论基础，更重要的是具有一定的工程实践操作能力和开拓创新意识。
　　山东工商学院作为一所省属院校，秉着服务社会主义市场经济、支持胶东半岛企业发展，培养具有创新能力的应用型人才的办学理念，大力支持电气工程及其自动化专业的发展，在大力提高师资队伍水平的同时，积极引进国内外先进的工业技术设备。为增强学生工程实践能力、创新意识与创新能力，为了提高我校毕业生在电力传动领域的竞争力，特创建了ABB电力传动实验室。
　　一、实验室和专业课程的地位
　　“电力拖动自动控制系统”是电气工程及其自动化专业的一门核心专业课程，是“电机及拖动基础”、“电力电子技术”、“自动控制理论”和“可编程控制器”等几门专业基础课程综合运用的体现。[1，2]通过该课程的学习，学生对各类交、直流电机调速系统的调速原理有比较全面的了解。但是，现有的教材为了便于阐述清楚各种调速系统的构成及原理，通常采用传统的模拟检测装置与控制器，与现在工业上普遍采用的全数字控制系统有很大的区别。[3]
　　ABB电力传动实验室采用的是工业现场设备，是一种全数字控制电力传动系统，通过对该传动系统的学习，不但可以加深学生对交、直流调速系统的理解，还能将枯燥的理论学习与工业现场设备的实际操作相结合，极大地调动了学生学习的积极性，变被动学习为主动学习。更重要的是通过对现场设备的认识和了解，熟悉工业现场的传动系统的构成与操作，能帮助即将步入工作岗位的毕业生尽快掌握工业现场电力传动系统的操作与控制，并具有一定的系统设计能力，大大减少用人单位的岗前培训时间。
　　因此，“电力拖动自动控制系统”的理论教学与实验室的调速系统的实践操作是促使学生全面掌握调速系统的不可或缺的两个方面，理论学习指导实践操作，实践操作反过来加深对理论的认识。通过对工业设备的现场操作大大提高学生的实践动手能力，对工业调速系统有一个系统的、具体的认识，为今后的工作打下了坚实的基础。
　　二、实验室建设
　　实验室建设包括两个部分，一部分是基于天煌教仪的电力电子与电机控制实验室，另一部分是ABB电力传动实验室。由于课堂教学主要偏重于调速系统结构和运行理论，为实验和实践提供理论指导。电力电子与电机控制实验室主要是用于开设一些验证性实验，加深对交、直流调速系统运行原理的理解。ABB电力传动实验室主要是让学生熟悉各种工业现场设备及传动系统的构成，培训学生对工业现场常用的交、直流调速系统的操作，在此基础上实现一些较简单控制系统设计，培养学生的创新能力。
　　1.电力电子与电机控制实验室建设
　　电力电子与电机控制实验室拥有10台天煌教仪的DJDK-1型实验装置。该实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便；其次，实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；另外，该装置的控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实有效保护操作者的人身安全，为开放性的实验室创造了前提条件。通过该实验室，可以比较轻松地实现交、直流电机的各种控制策略。当前该实验室所开的实验有：单闭环不可逆直流调速系统、逻辑无环流直流调速系统、双闭环三相异步电机调压调速系统和SPWM变频变频调速实验等。这些实验对于加深学生对各类调速系统原理的理解具有十分重要的意义，但对于提高学生的实践动手能力和培养创新意识没有太大的帮助，因此有必要组建另外一个培养工程实践能力的实验室。
　　2.ABB电力传动实验室的建设
　　ABB电力传动实验室采用的是瑞典ABB公司为工业传动而生产的成熟产品。由于该实验室采用与工业应用完全一致的产品线和设计结构，确保教学实验与实际工业应用的无缝连接，有助于解决电气传动的课堂教学与实践相脱节的问题。考虑到当前工业电力传动控制，既有高性能的交流传动控制，也有传统的直流传动控制，因此我们采购的控制系统有交流传动的ACS800标准低压DTC变频调速系统、ACS800 IV象限DTC变频调速系统、ACS550风机/水泵专用变频调速系统，直流传动的DCS800 12脉直流调速系统。ABB电力传动实验室所开出的实验涵盖了一些常见的工业应用领域，学生通过对该系统的实际操作，能够了解和掌握目前工业领域，尤其矿山领域中绝大多数变频调速系统的工艺和操作，很好地解决了当前毕业生普遍缺乏工程实践动手能力的问题。
　　三、教学内容和体系的完善
　　由于专业课的授课课时和实验课时均很有限，而各种新的控制思想和控制方法不断出现，并且社会对人才培养提出了更高的要求，在这种情况下，如何提高课程的教学质量和有效利用实验课时已成为“电力拖动控制系统课程”教学任务中不容回避的重要问题。[4]
　　1.修改教学大纲，增加现代调速内容
　　随着电力电子技术的发展，全数字的PWM交流控制系统已成为当前工业控制主流，而教科书中的直流调速、基于晶闸管的交流控制仍然占据很大的篇幅，因此有必要修改教学大纲。修订后的教学大纲减少直流调速的内容，保留原有的交流电机变频调速的基本原理、感应电动机变频调速的机械特性以及感应电动机变频调速系统，重点分析基于转子磁场定向的矢量控制（VC）和基于定子磁场定向的直接转矩控制（DTC），最后介绍自控变频同步电动机控制系统、无刷直流电动机和永磁同步电动机的自控变频控制系统。
　　2.强化实验环节，深化对调速系统的理解
　　实验是学好电力传动不可缺少的一个环节，根据实际情况将实验课分为两个部分，一部分实验课是随着课程教学进度而开设的验证性实验，该实验在电力电子与电机拖动控制实验室进行。此类实验的目的是加深学生对各类调速系统的调速原理的理解。另外一部分实验课时是安排在学期末为期一周的课程设计。课程设计的目的是在学生对电力拖动自动控制系统已经有了比较全面了解的基础上，对矢量控制系统和直接转矩控制系统进行仿真。由于电机拖动实验室的实验平台不能满足这类实验的要求，因此将此课程设计安排在装有MATLAB软件的计算机房。MATLAB是工业控制领域常用的仿真软件，其中Simulink\SimPowerSystems工具箱为搭建电力拖动控制系统提供丰富的模型。[5]利用软件提供的电机模型、逆变器模型等，按照矢量控制策略和直接转矩控制策略分别搭建控制系统模型，并进行仿真。[5]利用软件仿真还有一个优点就是可以很方便地修改参数和查看仿真结果。例如在矢量控制器设计过程中，需要反复修改PI控制器参数，直到系统满足各项指标。
　  这个课程设计的目的有两个：一是让学生学会运用MATLAB搭建电力拖动控制系统模型；二是要了解交流调速系统的矢量控制和直接转矩控制的结构和原理，为下一阶段的交流调速系统的操作打下坚实的基础。
　　3.加强实践环节，培养实际操作能力和创新能力
　　具有创新能力的应用型人才培养，不仅要使学生具有较扎实的调速理论知识，同时还要有系统思维、工程实践能力和创新意识。而电力电子与电机拖动实验室的现有的教学仪器和MATLAB软件显然不能完全满足我们的人才培养要求，因此ABB电力传动实验室的建设就显得很有必要。工程实践能力和创新意识的培养主要安排在大四第二学期，此时学生的理论学习已基本完成。接下来将电气工程及其自动化专业的学生分为两个方向：一个是电力传动及其自动化方向，一个是电力系统及其自动化方向。电力传动及其自动化方向的学生必须要参加ABB电力传动实验室的培训。这一阶段的培训按调速系统的构成分为三个模块：DCS800直流调速系统；ACS550变频调速系统；ACS800变频调速系统。在进行操作之前要对各调速系统的硬件、软件作一个详细的介绍。这里以DCS800直流调速系统为例，其硬件包括DCS800 12脉串联直流传动系统、12脉移相变压器、ABB AC800M PLC系统和ABB Panel PP836四个部分。软件包括DCS800直流传动系统固件、AC800M PLC编程软件CBM和PP836编程软件Panel Builder 800。在对系统的各部分有了充分了解的基础上，就可以开始进行现场操作培训。操作控制包括用操作面板操作变流器、用DriveWindow操作变流器、用柜门按钮操作变流器、用PLC和PP836操作变流器，在掌握好这四种现场操作的基础上接下来再进行通信方式切换操作、12脉传动系统和6脉传动系统的切换操作、再生制动现场操作等。通过这种循序渐进的培训，学生基本上掌握了工业现场直流调速系统的构成和操作，其实践动手能力有了显著提高。由于有了这一阶段的培训，大大节省了用人单位的岗前培训时间，提高了毕业生实践动手能力。
　　创新能力的培养主要通过学生的毕业设计来实现。首先，为了让学生更好地了解工业现场情况和一些常见的控制系统要求，ABB电力传动实验室提供了一些视频资料供学生们学习，并给出了部分控制工程的解决案例。这些资料对于今后从事电力传动的学生具有十分重要的参考意义。电力传动控制毕业设计的被控对象一般为实验室的30kW的电机，根据控制要求设计一套合适的控制程序，在实验室完成对这个被控对象的控制。例如：要求学生按照控制要求要求编写一套PLC控制程序，包括起、制动时间的限制，按要求加减速等。毕业答辩时需要把该程序下载到AC800M PLC，检验该控制系统能否达到预先给定的要求。
　　通过对电力传动系统为期一年的学习，学生们基本上掌握了交、直流传动的运行原理及其特性、调速系统的构成以及工业调速系统的操作和开发，大大增强了学生的实践动手能力和创新意识，为今后的工作打下了坚实的基础。
　　四、结束语
　　以“ABB电力传动实验室”为依托，以“电力拖动自动控制系统”为理论指导，以培养具有创新意识的应用型人才为目标。这种基于工业现场设备的人才培养模式，不但可以极大地提高学生的学习积极性，同时也能更有针对性地促进教学改革，将各专业基础课有效地结合起来，形成一个有机的整体。这种新的人才培养模式对于缓解半岛制造企业和矿山企业所需的大批电力传动专业技术人才紧缺，提高当前毕业生解决实际工程问题的动手能力都具有十分重要的意义，同时也为学校赢得了较好的声誉。

　　参考文献：
　　[1]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2010.
　　[2]王成元,夏加宽,杨俊友,等.电机现代控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008.
　　[3]曾岳南,邓则名,章云,等.电力电子与电力传动实验教学[J].实验室研究与探索,2005,(24):141-142.
　　[4]钱晓耀,陈卫民,蔡慧.“电力拖动自动控制系统”课程教学改革探讨[J].中国电力教育.2009,(13):61-63.
　　[5]木合亚提·伊克山."电力拖动自动控制系统"课程实验的改革[J].实验室研究与探索,2010,12(29):131-133.