线上一样做实验——清华大学电机系推出“云”实验


清华新闻网2月24日电 开课以来,电机系所有课程都按照课表时间要求有序进行。可是,作为工科生的同学们怎么能不做实验呢?目前的云端教学情景下,实验怎么做呢?当然没问题,快来看看电机系真材实料的实验课吧!

 “电路原理”:雷实验

朱桂萍老师的“电路原理”小班完全翻转课堂的主要特色之一,就是同学们可以基于便携式实验设备完成大量与理论课融合的实验。为了及时了解同学们在课外完成实验的情况,朱老师从2016年起就开始与雨课堂合作开发“雷实验”(取自汉语拼音LEI,Lab of Electronic Intelligence)智慧实验平台。基于这一平台,教师可以在手机端通过微信布置实验、跟踪学生实验状态、接收学生提交的实验结果,学生也可以按照教师设定的实验流程完成实验,并对实验中每个步骤进行截屏或拍照,最后自动生成实验报告,提交实验数据。开课前,朱老师把实验设备(图1)和配套的元器件通过快递发给了同学们,并在课堂上通过视频给大家讲解了设备的基本操作(图2),课后很快就在手机上看到了全班同学当前的实验进展状况(图3),同学们发过来的在家做实验的照片(图4)也说明大家相当投入。     

图1 雷实验平台

图2 课堂上给学生讲解设备的基本操作

图3 教师手机端看到的当前全班实验进展以及部分同学提交的实验报告内容

图4 学生在家做实验

“可编程控制器及变频器系统”: 远程实时实验

于庆广老师讲授的“可编程控制器及变频器系统”课程授课和实验各占一半,所用清华大学-施耐德联合教学实验室位于清华西主楼一区215,Premium可编程控制器和ATV71变频器等实验装置都具有以太网接口,可用于工业现场的远程控制和监测,实现“透明工厂”的泛在物联网功能。

为了让同学们在千里之外也能进行实验,于老师和负责实验的贾玉荣老师对实验室服务器和路由器的配置进行了改造,把局域网的Premium可编程控制器和ATV71变频器的以太网端口映射到公网。课程实验2人一组,一位同学运行下位机可编程控制器组态软件Unity XL Pr,完成控制逻辑编程,并通过网络访问远在清华的实验设备,完成对电动机变频运行的远程实时控制;同组的另一位同学运行上位机组态软件KingView,编程实现对变频器系统状态的远程监控和人机交互功能。为了让同学们看到实验室设备的真实动作情况,二位老师又在实验室加装了一台网络摄像机,同学们在手机上就可以实时对自己远程控制的电动机等设备实现“云监工”。

通过这种方式,学生们实现了真刀真枪做实验,实验室场景和每个小组的实验装置如图5和图6所示。

图5 PLC实验室全景

 图6 实验装置图

2月17日第四节课,16个小组同时进行了首次实验,效果非常好。第6组电72班姜智霖同学在河南商丘的家里顺利完成对下位机可编程控制器的编程,实现远程对电动机的变频调速运行控制;电72班徐宇轩同学在四川成都的家里顺利完成对上位机组态软件的编程,实现了实时读取电动机的运行速度。整个实验系统的网络拓扑及学生在家操作实验的照片如图7所示。 

图7 PLC实验的网络拓扑实例及学生在家实验照片

“电力系统仿真”:虚拟仿真实验

电机系加强并提升国家虚拟仿真实验教学项目“基于云仿真的光储微电网运行控制虚拟实验”在线服务能力,通过云仿真和云实验方式传递知识,让在线教学形式更丰富、训练更充分,使用更便捷。

学生访问电机系创立的云仿真平台(www.cloudpss.net),即可开展虚拟仿真试验(可通过教育部网站www.ilab-x.com获得访问入口)。本虚拟实验课程面向电气工程及相关专业本科大三及以上学生,课程包含“光储微电网结构和运行控制基础知识”“光储微电网仿真测试系统”以及“光储系统PCC点管理控制实验”三个子实验,涉及并离网控制、充放电切换、负荷投切、功率平滑控制等关键知识点。虚拟实验平台支持学生对重要步骤和关键参数的自由构建和自主设计,引导学生开展独立仿真操作实践和建模分析,以提高学生对微电网相关知识的理解和掌握水平。 

图8 光储微电网仿真系统图

上述的光储微电网仿真系统包含了三组光伏发电系统,一组储能系统,一组可变负载系统以及单相交流电网。采用主功率回路与控制回路分离的构建模式,具有结构清晰、便于学生理解及修改的特点。丰富的电气及控制元件库,支持学生对仿真算例进行扩展。学生可随时随地访问虚拟仿真实验平台进行学习实践。

供稿:电机系

编辑:李华山

审核:吕   婷

2020年02月24日 10:59:38  清华新闻网

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