三位一體的“水電站自動(dòng)化”教學(xué)改革與實(shí)踐

1、三位一體的“水電站自動(dòng)化”教學(xué)改革與實(shí)踐基金項(xiàng)目：本文系江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究省級(jí)課題（課題編號(hào)： JXJG-08-18-7 ）、南昌工程學(xué)院校級(jí)教改課題“新形式下有效組織熱能與動(dòng)力專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)”的研究成果。隨著通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，水電站綜合自動(dòng)化也得到了迅速發(fā)展，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)涵蓋廠級(jí)、現(xiàn)地單元，涉及到機(jī)械、電氣和控制三個(gè)方面，構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)從業(yè)人員的要求也越來(lái)越高。為了應(yīng)對(duì)就業(yè)市場(chǎng)的變化，提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)力，南昌工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我?！保崮芘c動(dòng)力工程專業(yè)，擴(kuò)展了“水電站自動(dòng)化”課程教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)建了水電站自動(dòng)化知識(shí)模塊培養(yǎng)體系，提出“理論教學(xué)、課程

2、設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)訓(xùn)”三位一體的教學(xué)模式。一、專業(yè)知識(shí)模塊構(gòu)建“水電站自動(dòng)化”課程是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的骨干課程之一，也是一門專業(yè)技術(shù)課程。它在機(jī)械方面涉及到水力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、水力發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備及其系統(tǒng)布置等；電氣方面涉及到同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性、電廠電氣主接線形式、繼電保護(hù)以及電子元件特性等；計(jì)算機(jī)控制方面涉及自動(dòng)控制理論、單片機(jī)理論、可編程控制器原理及應(yīng)用等。在內(nèi)容上來(lái)看，同步發(fā)電機(jī)的同期、勵(lì)磁等相關(guān)理論，不僅難教、難學(xué)，也不便于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，同時(shí)單一的理論教學(xué)也讓學(xué)生很難和實(shí)際操作相聯(lián)系。因此，“水電站自動(dòng)化”課是機(jī)、電、計(jì)算機(jī)三者的有機(jī)結(jié)合，具有知識(shí)點(diǎn)分散、內(nèi)容抽象、軟硬

3、件結(jié)合、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了優(yōu)化教學(xué)改革，筆者對(duì)往屆畢業(yè)生和就業(yè)單位進(jìn)行了抽樣調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，在“水輪機(jī)”、“水輪機(jī)調(diào)速器”和“水電站自動(dòng)化”三門骨干專業(yè)課程之間，就業(yè)單位對(duì)“水電站自動(dòng)化”的要求和建議也是最多的，主要集中在如何增強(qiáng)實(shí)用性，如何將知識(shí)化繁為簡(jiǎn)。面對(duì)這種情況，在原有的培養(yǎng)計(jì)劃上，有針對(duì)性地創(chuàng)建了水電站自動(dòng)化知識(shí)模塊，在刪減一些課程的基礎(chǔ)上，保留“水電站自動(dòng)化”的主體地位，開(kāi)設(shè)“水電站微機(jī)監(jiān)控”作為教學(xué)輔助，同時(shí)設(shè)立水電站自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)、水電站仿真運(yùn)行實(shí)訓(xùn)、電廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)，構(gòu)建“理論教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)訓(xùn)”三位一體的培養(yǎng)模式（見(jiàn)表1）。在兩年的實(shí)踐中，取得了較好的教學(xué)

4、成果。二、理論教學(xué)水電站自動(dòng)化的理論教學(xué)主要分為“水電站自動(dòng)化”和“水電站微機(jī)監(jiān)控”兩門課程，前者依據(jù)水力發(fā)電的生產(chǎn)過(guò)程和特點(diǎn)，講授水電站正常運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)控制，比如同期裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置等的工作原理及相關(guān)操作；后者則主要講述水電站監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等內(nèi)容，課程以“水電站自動(dòng)化”為主，突出它的骨干課程地位。在教學(xué)內(nèi)容上，采用過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，突出重點(diǎn)，聯(lián)系實(shí)際，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，選擇最優(yōu)教學(xué)方案。以“水電站自動(dòng)化”為例，可以將授課內(nèi)容分為：水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)控制理論、工況監(jiān)控、輔助設(shè)備自動(dòng)控制、自動(dòng)化裝置四部分內(nèi)容。在教學(xué)方法上，應(yīng)該依據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，采取不同的教學(xué)方法。多媒體技

5、術(shù)的發(fā)展，給教學(xué)方法帶來(lái)了重要的變革，比如采用動(dòng)畫(huà)、 音頻等多媒體技術(shù)增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)；水力發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁過(guò)程，由于學(xué)生想象不出整機(jī)的構(gòu)造，教師可以利用水力發(fā)電機(jī)組模型，讓學(xué)生邊聽(tīng)邊看，同時(shí)利用多媒體播放勵(lì)磁動(dòng)畫(huà)。通過(guò)多種教學(xué)方法的優(yōu)化，學(xué)生對(duì)勵(lì)磁理論就有了一個(gè)立體的、動(dòng)態(tài)的、感性的認(rèn)識(shí)。但并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都適合多媒體教學(xué)，要靈活地運(yùn)用教學(xué)方法，以期獲得最優(yōu)的教學(xué)效果。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的參與、師生之間的互動(dòng)，也是提高教學(xué)效果的最佳途徑之一。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，有時(shí)候可以成為教學(xué)的主體，這種角色互換可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺(jué)性、主動(dòng)性。如在學(xué)習(xí)水輪發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同期和自同期并列的概念時(shí)，它們之間有

6、哪些區(qū)別呢 ?把這個(gè)問(wèn)題擺在學(xué)生面前，使學(xué)生感到疑問(wèn)的復(fù)雜性，引起學(xué)生積極地參與，主動(dòng)地闡述各自的見(jiàn)解。這樣，學(xué)生就會(huì)從各種情況出發(fā)，進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組的并列操作方式的選定、操作程序、機(jī)組并列的條件是否滿足等內(nèi)容的大討論。讓學(xué)生在討論、辯論中，將問(wèn)題搞清楚，在無(wú)形中學(xué)習(xí)到了知識(shí)。采用優(yōu)化的教學(xué)手段，進(jìn)行教學(xué)改革之后，最終的教學(xué)效果如何，還需要有一個(gè)評(píng)價(jià)體系。通過(guò)評(píng)教，學(xué)生將教學(xué)效果的相關(guān)信息反饋給教師，教師便可以及時(shí)地調(diào)整教學(xué)模式，不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高自身教學(xué)能力和素質(zhì)，逐步提高教學(xué)質(zhì)量，更好地完成理論教學(xué)任務(wù)。三、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)理論教學(xué)是為學(xué)生提供專業(yè)所需的知識(shí)信息，而課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)

7、則是檢驗(yàn)學(xué)生是否能夠熟練掌握知識(shí)，并且合理應(yīng)用知識(shí)的重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識(shí)和工程設(shè)計(jì)能力的重要手段，是提高學(xué)生素質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。水電站自動(dòng)化方面的設(shè)計(jì)，可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龊陀?jì)算，理解和掌握水力發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行特性；通過(guò)組織學(xué)生討論提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型、安全性的措施和途徑，對(duì)提高他們的實(shí)際動(dòng)手能力是十分必要的。實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中的水電站自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，從內(nèi)容上可以分為兩個(gè)方向：一個(gè)方向是結(jié)合實(shí)際電廠的水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行規(guī)程，分析機(jī)組啟動(dòng)條件和方法，設(shè)計(jì)機(jī)組啟動(dòng)停止步驟，或者對(duì)典型的故障案例進(jìn)行簡(jiǎn)要的事故分析；另一方向是以 Matlab 軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)建單元

8、自動(dòng)控制模型，仿真模擬自動(dòng)控制特點(diǎn)，總結(jié)機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。例如：有一水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其簡(jiǎn)化的方框圖如圖 1 所示，當(dāng) Ta+Tb=5， en=0.25 ， Tw=1， Ty=0.2 時(shí)：（ 1）選定調(diào)節(jié)器參數(shù) Tn、Td 和 bt ，并利用 Matlab 控制系統(tǒng)工具箱所提供的相關(guān)函數(shù)，了解繪制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性曲線（伯德圖）和確定開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的相位裕量與增益裕量的方法。（ 2）改變調(diào)節(jié)器參數(shù) Tn、Td 和 bt ，使得開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的相位裕量 45°，增益裕量6 分貝。（ 3）繪制系統(tǒng)在你選定調(diào)節(jié)器參數(shù)下的伯德圖和奈奎斯特曲線，并利用 Simulink 仿真工具求閉環(huán)系統(tǒng)在階躍輸入

9、xc 和 mg0分別作用下的輸出響應(yīng)。（ 4）在選定調(diào)節(jié)器參數(shù)下， 增加水流加速時(shí)間常數(shù) Tw，說(shuō)明水流加速時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。針對(duì)這樣一個(gè)題目，學(xué)生不僅要考慮調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)，還需要有扎實(shí)的自動(dòng)控制知識(shí)，還需要特別熟悉水力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行特性，通過(guò)這個(gè)題目，更能引發(fā)學(xué)生對(duì)水電生產(chǎn)過(guò)程的思考，了解流量等對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。因此，通過(guò)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)較綜合的設(shè)計(jì)工作，不僅達(dá)到強(qiáng)化已學(xué)知識(shí)、指導(dǎo)學(xué)生合理利用知識(shí)的目的；對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考能力的提高也是一種鍛煉。四、仿真實(shí)訓(xùn)水電站生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度高，可靠性高，其安全運(yùn)行影響區(qū)域電網(wǎng)乃至整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，故對(duì)操作的

10、準(zhǔn)確性要求高，沒(méi)有一定的熟練操作技能是不行的。在實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)仿真手段強(qiáng)化訓(xùn)練各種運(yùn)行的操作技能等。仿真實(shí)訓(xùn)是學(xué)生直接了解水電站自動(dòng)化的方式之一，采用水電站仿真機(jī)，利用物理仿真和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方式，讓學(xué)生面對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及水電站，進(jìn)行事故分析、處理、故障消除；給學(xué)生提供最直觀的感性認(rèn)識(shí)，為工作之后的崗位操作技能訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。我校在 2000 年就開(kāi)始建立水電站仿真實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室中的仿真機(jī)原型是一座小型水電站，它仿真了水力發(fā)電生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程，仿真了原型電站的各種正常運(yùn)行及各系統(tǒng)、各主要設(shè)備在運(yùn)行中常發(fā)生的各種故障和事故，相關(guān)結(jié)果都能以曲線、表格、畫(huà)面等形式輸出，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又使

11、分析工作一目了然。仿真的實(shí)現(xiàn)主要由軟件來(lái)模擬和控制，應(yīng)用軟件主要由五個(gè)部分組成：過(guò)程控制軟件、對(duì)象模型軟件、輸入輸出通信軟件、圖形軟件和二次開(kāi)發(fā)的支持軟件。仿真實(shí)訓(xùn)的主要內(nèi)容包括：（1）水力發(fā)電廠的基本知識(shí)和運(yùn)行規(guī)程的學(xué)習(xí) （仿真機(jī)的規(guī)程學(xué)習(xí)界面） ；（2）水力發(fā)電機(jī)組開(kāi) / 停機(jī)；（3）水力發(fā)電廠的運(yùn)行工況； （ 4）正常的油、水、氣系統(tǒng)的監(jiān)視和操作；（ 5）正常的電氣倒閘操作； （ 6）設(shè)備的事故過(guò)程處理。為了讓學(xué)生對(duì)水力發(fā)電有更主觀的認(rèn)識(shí)，在水電站自動(dòng)化課程學(xué)習(xí)期間，還開(kāi)設(shè)了水電站生產(chǎn)實(shí)習(xí)，帶領(lǐng)學(xué)生來(lái)到水力發(fā)電生產(chǎn)第一線，一方面和電廠有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行直接交流，另一方面也實(shí)地地參觀中控室、現(xiàn)地單元等電廠設(shè)備，感受現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作，樹(shù)立水電生產(chǎn)的概念。五、結(jié)語(yǔ)為了適應(yīng)我國(guó)水力發(fā)電對(duì)實(shí)踐