線上一樣做實(shí)驗(yàn)——清華大學(xué)電機(jī)系推出“云”實(shí)驗(yàn)

清華新聞網(wǎng)2月24日電 開課以來，電機(jī)系所有課程都按照課表時間要求有序進(jìn)行。可是，作為工科生的同學(xué)們怎么能不做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀磕壳暗脑贫私虒W(xué)情景下，實(shí)驗(yàn)怎么做呢？當(dāng)然沒問題，快來看看電機(jī)系真材實(shí)料的實(shí)驗(yàn)課吧！

 “電路原理”：雷實(shí)驗(yàn)

朱桂萍老師的“電路原理”小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的主要特色之一，就是同學(xué)們可以基于便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成大量與理論課融合的實(shí)驗(yàn)。為了及時了解同學(xué)們在課外完成實(shí)驗(yàn)的情況，朱老師從2016年起就開始與雨課堂合作開發(fā)“雷實(shí)驗(yàn)”（取自漢語拼音LEI，Lab of Electronic Intelligence）智慧實(shí)驗(yàn)平臺。基于這一平臺，教師可以在手機(jī)端通過微信布置實(shí)驗(yàn)、跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、接收學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生也可以按照教師設(shè)定的實(shí)驗(yàn)流程完成實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)中每個步驟進(jìn)行截屏或拍照，最后自動生成實(shí)驗(yàn)報告，提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。開課前，朱老師把實(shí)驗(yàn)設(shè)備（圖1）和配套的元器件通過快遞發(fā)給了同學(xué)們，并在課堂上通過視頻給大家講解了設(shè)備的基本操作（圖2），課后很快就在手機(jī)上看到了全班同學(xué)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展?fàn)顩r（圖3），同學(xué)們發(fā)過來的在家做實(shí)驗(yàn)的照片（圖4）也說明大家相當(dāng)投入。     

圖1 雷實(shí)驗(yàn)平臺

圖2 課堂上給學(xué)生講解設(shè)備的基本操作

圖3 教師手機(jī)端看到的當(dāng)前全班實(shí)驗(yàn)進(jìn)展以及部分同學(xué)提交的實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)容

圖4 學(xué)生在家做實(shí)驗(yàn)

“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”： 遠(yuǎn)程實(shí)時實(shí)驗(yàn)

于慶廣老師講授的“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”課程授課和實(shí)驗(yàn)各占一半，所用清華大學(xué)-施耐德聯(lián)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)室位于清華西主樓一區(qū)215，Premium可編程控制器和ATV71變頻器等實(shí)驗(yàn)裝置都具有以太網(wǎng)接口，可用于工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)“透明工廠”的泛在物聯(lián)網(wǎng)功能。

為了讓同學(xué)們在千里之外也能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，于老師和負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的賈玉榮老師對實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器和路由器的配置進(jìn)行了改造，把局域網(wǎng)的Premium可編程控制器和ATV71變頻器的以太網(wǎng)端口映射到公網(wǎng)。課程實(shí)驗(yàn)2人一組，一位同學(xué)運(yùn)行下位機(jī)可編程控制器組態(tài)軟件Unity XL Pr，完成控制邏輯編程，并通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)在清華的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成對電動機(jī)變頻運(yùn)行的遠(yuǎn)程實(shí)時控制；同組的另一位同學(xué)運(yùn)行上位機(jī)組態(tài)軟件KingView，編程實(shí)現(xiàn)對變頻器系統(tǒng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和人機(jī)交互功能。為了讓同學(xué)們看到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的真實(shí)動作情況，二位老師又在實(shí)驗(yàn)室加裝了一臺網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，同學(xué)們在手機(jī)上就可以實(shí)時對自己遠(yuǎn)程控制的電動機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)“云監(jiān)工”。

通過這種方式，學(xué)生們實(shí)現(xiàn)了真刀真槍做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室場景和每個小組的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5和圖6所示。

圖5 PLC實(shí)驗(yàn)室全景

 圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2月17日第四節(jié)課，16個小組同時進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)，效果非常好。第6組電72班姜智霖同學(xué)在河南商丘的家里順利完成對下位機(jī)可編程控制器的編程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對電動機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行控制；電72班徐宇軒同學(xué)在四川成都的家里順利完成對上位機(jī)組態(tài)軟件的編程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時讀取電動機(jī)的運(yùn)行速度。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皩W(xué)生在家操作實(shí)驗(yàn)的照片如圖7所示。 

圖7 PLC實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)例及學(xué)生在家實(shí)驗(yàn)照片

“電力系統(tǒng)仿真”：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

電機(jī)系加強(qiáng)并提升國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“基于云仿真的光儲微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬實(shí)驗(yàn)”在線服務(wù)能力，通過云仿真和云實(shí)驗(yàn)方式傳遞知識，讓在線教學(xué)形式更豐富、訓(xùn)練更充分，使用更便捷。

學(xué)生訪問電機(jī)系創(chuàng)立的云仿真平臺（www.cloudpss.net），即可開展虛擬仿真試驗(yàn)（可通過教育部網(wǎng)站www.ilab-x.com獲得訪問入口）。本虛擬實(shí)驗(yàn)課程面向電氣工程及相關(guān)專業(yè)本科大三及以上學(xué)生，課程包含“光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制基礎(chǔ)知識”“光儲微電網(wǎng)仿真測試系統(tǒng)”以及“光儲系統(tǒng)PCC點(diǎn)管理控制實(shí)驗(yàn)”三個子實(shí)驗(yàn)，涉及并離網(wǎng)控制、充放電切換、負(fù)荷投切、功率平滑控制等關(guān)鍵知識點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺支持學(xué)生對重要步驟和關(guān)鍵參數(shù)的自由構(gòu)建和自主設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生開展獨(dú)立仿真操作實(shí)踐和建模分析，以提高學(xué)生對微電網(wǎng)相關(guān)知識的理解和掌握水平。 

圖8 光儲微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)圖

上述的光儲微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)包含了三組光伏發(fā)電系統(tǒng)，一組儲能系統(tǒng)，一組可變負(fù)載系統(tǒng)以及單相交流電網(wǎng)。采用主功率回路與控制回路分離的構(gòu)建模式，具有結(jié)構(gòu)清晰、便于學(xué)生理解及修改的特點(diǎn)。豐富的電氣及控制元件庫，支持學(xué)生對仿真算例進(jìn)行擴(kuò)展。學(xué)生可隨時隨地訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。

供稿：電機(jī)系

編輯：李華山

審核：呂   婷