轨道车辆装备与控制系统综合实践课程的开发

都丽杰+张新华+刘志明+周素霞

摘要：为完善轨道车辆专业《卓越工程师》培训体系，提高学生的综合素质，培养学生具有工程师的研究能力与动手能力，设计开发适用的轨道车辆装备与控制系统综合实践课程，以任务为导向，以工作组的方式，要求学生完成从方案设计到硬件系统搭建到软件设计及系统调试的全过程任务，充分发掘学生的自主学习能力与创造能力，真正具备卓越工程师的潜质。

关键词：轨道车辆装备；控制系统；综合实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0122-03

2012年国家基于提高工程技术人才竞争力的需求，提出了《卓越工程师》培养体系，本校轨道车辆专业由于之前的悠久历史、行业领先的业绩有幸首批入选该体系中。

综合实践课程是培养卓越工程师的非常重要的环节与手段，故此轨道车辆专业在教学培养计划上增加了轨道车辆装备综合实践、轨道车辆控制系统综合实践、轨道车辆测试技术综合实践、轨道车辆设计综合实践、轨道车辆制造与修理综合实践等实践性教学环节。轨道车辆技术的发展在近些年突飞猛进，技术更新非常快，以前的实验设备、实验规程均不能很好地满足综合实践的要求，因此開发适用的综合实践课程内容、研发适用的综合实践设备是摆在轨道车辆实验室面前的非常重要而紧迫的任务[1]。2015年学院自行开发的一套完整的、在最大程度上保证实验原理高度一致的基于网络控制技术的现代轨道车辆综合实验平台系统已经投入使用，并已经完成了2012级轨道车辆专业学生《轨道车辆装备综合实践》（16学时）、《轨道车辆控制综合实践》（16学时）的教学任务，通过实践教学，学生的动手能力、编程能力、对元器件及设备的认知都有了很大的提高[2]。

一、轨道车辆装备与控制系统综合实践的目的

在此实践训练中需要综合应用课堂所学基本理论和技术，应用平时实验已掌握的软硬件的基本设计、调试的方法，完成一个综合了多种设计技术、具有一定实用背景的应用系统的设计。通过这一设计过程，使学生熟悉和掌握轨道车辆装备与控制系统应用系统设计的基本方法，加深对课堂所学理论知识的理解，进一步提高学生的实践动手能力。

二、轨道车辆装备与控制系统综合实践的要求

1.基本要求。学生应在实践环节中完成一个轨道车辆装备应用系统的方案设计、软硬件系统设计与制作，系统功能综合调试，提交设计报告并完成系统功能演示。

2.阶段任务与要求。（1）选题。学生自由组合成设计小组，选择本实践环节中给出的基本题目作为小组设计题目。（2）方案设计。学生围绕小组的题目检索收集资料，进行调研，提出系统总体方案设计，选择最优方案。（3）软硬件系统设计与调试。总体方案确定后，设计完成硬件电路原理图，设计并连接好硬件系统。设计完成软件程序流程，并编写出相应的程序。完成软硬件系统的联机调试，实现选题的设计功能。（4）设计报告的编写。学生根据本小组的题目及设计过程撰写综合实践报告，陈述设计思想和系统工作原理，剖析解决问题的方案、方法，画出系统电路原理图、程序流程图；写出调试结果及分析；附参考文献。（5）答辩及演示。答辩内容应包括所设计题目的基本任务要求，系统总体方案设计，软硬件系统综合设计与调试，系统功能演示、总结。

三、备选的工作任务

根据轨道车辆装备与控制系统的基本组成模块，设计了五项任务，并制作综合试验箱，准备了相关的元器件、PC机及开发环境、数据采集卡等，学生可以自行选择任一任务来完成。

1.空调器致冷/致热转换控制实践[3]。（1）实践目的。①掌握半导体致冷器、电磁继电器、固态继电器的工作原理及应用方法。②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输出程序设计原理及半导体致冷器的致冷/致热转换控制实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②实验用到的半导体致冷器、散热片、散热风扇、电磁继电器、固态继电器、接线端子、面包板、导线。③PLC或通用数据采集器一个。（3）综合实践要求。本综合实践的内容为设计、搭建一能够根据用户操作进行空调器致冷/致热功能转换的控制装置。该控制装置要求如下[4]：①打开空调器的同时，必须打开通风机的开关，如通风机未打开，则空调器不能运行。②打开通风机时可以不必使空调器投入运行。③设置一转换开关，可由用户进行操作进行空调器致冷/致热/通风功能转换，根据空调器性能的要求，在从致冷工况向致热工况或致热工况向致冷工况转换时在两个工况之间必须自动加入若干时间的延时，以保护设备。④根据空调致冷/致热转换控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）步骤。①仔细阅读实践要求，并依照要求进行电路设计。②按照已经完成的电路图对电路板进行联接。③编写程序，按照实验要求对系统进行调试。（5）实践报告。①写出实践内容及要求；②画出程序流程图；③写出程序清单，并加以注释；④写出程序执行结果及调试过程。（6）系统电路图（参考）。

2.供电网缺相故障检测断电控制实践。（1）实践目的。①掌握三相供电网缺相检测工作原理及对应处理方法；②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输入、输出程序设计原理及缺相检测编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器一个、课程设计实验电路板一块。③三相变压器（无中性线）、整流模块、滤波电容、手动开关等。（3）实践要求。本实践的内容为设计一个能够在三相供电系统中有某一相掉电时辨识缺失的相位信息并同步断电的装置。该装置要求如下：①在三相供电系统中无中性线，任意相掉电，检测装置应能够检测出掉电的相位信息并同步断电。②根据缺相检测控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）系统电路图（参考）。

3.设备供电线路接地故障检测实践。（1）实践目的。①掌握设备供电线路接地故障检测工作原理及对应处理方法。②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输入、输出程序设计原理及电路电流平衡检测控制实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③三相变压器（无中性线）、整流模块、滤波电容、手动开关、直流漏电流传感器。（3）实践要求。①本实践的内容为设计一个能够在三相供电系统中有某一相供电线路故障接地时实时检测信息并同步断电的装置。该装置要求如下：能够在无漏电的情况下，无论电流多大，漏电指示装置无动作，用电设备的供电线路出现大于10mA漏电的情况下，迅速给出漏电信息并切断供电线路的装置。②根据供电线路故障接地检测控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）系统电路图（参考）。

4.直流电动机调速控制实践。（1）实践目的。①掌握直流电动机调速控制工作原理。②掌握PLC或通用数据采集器模拟输出程序设计原理与实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③直流电源与PWM调压电源模块/变频器、直流电机、测速电机、继电器。（3）实践要求。①本实践的内容为设计、搭建一个能够通过控制软件与相关硬件组成的调速控制系统来对直流电动机进行开环调速控制[5]。该装置要求如下：通过软/硬操作面板上的控制开关可对电动机进行起停进行控制，通过软/硬操作面板上的調速旋钮可对电动机的转速进行控制。②根据电机调速控制系统要求设计相关的控制电路图。

5.轨道车辆温度自动测试系统综合实践。（1）实践目的。①掌握温度测试系统工作原理。②掌握PLC或通用数据采集器采集模拟输入程序设计原理与实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③24V稳压电源、PT-100温度传感器、温度变送器（4—20mA恒流输出）、终端电阻，控制器（PLC或通用数据采集器）、半导体变温系统、标准温度表。（3）实践要求。①本实践的内容为设计、搭建一以PT-100温度传感器为基础的自动温度测试系统。系统要求如下：轴承的温度测量范围设定在0℃—100℃之间，车内温度的测量范围设定在0℃—50℃之间，车外温度测量范围设定在-50℃—50℃之间，在显示界面上显示当前测量温度，测量数据以每5秒钟的间隔存入硬盘，数据格式包括通道号（位置）、测量时间、测量数据（数据格式为电子报表格式，需对原始数据进行修正）。②根据温度测试系统要求设计相关的测试电路图。

2014、2015年完成的综合实践课程已取得了良好的效果，学生对于系统的构建、软硬件知识和应用都有了很大的提高，一部分学生对应用系统的开发产生了浓厚的兴趣，综合实践课程取得了良好的效果。

在总结经验的基础上，2016年对综合实践的硬件准备又进行了系统化的改进，设计开发并制作了更为完善的综合实训设备作为实践课程的基础，学生可根据自己所选任务方向、小组所确定的方案设计自行选择硬件模块和备选元器件，来搭建自己的硬件环境。2016年14级轨道车辆在校生将会使用更为完善的教学设备完成综合实践课程，综合实践会成为培养卓越工程师的有效而有趣的课程。

参考文献：

[1]宋瑞刚，杨检，方宇.城市轨道车辆电力牵引实验台测控系统设计[J].传感器与微系统，2012，31（9）：90-95.

[2]刘志明.霍凯轨道车辆控制实验与实践教程[M].北京：科学出版社，2016.

[3]杨琳.列车空调实验台监控系统[J].工业控制计算机，2004，17（4）：23-24.

[4]张宝霞.铁道车辆制冷与空气调节[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[5]郝允志，林毓培，薛荣生：基于虚拟仪器技术的内燃机综合实验台设计[J].西南师范大学学报：自然科学版，2008，33（4）：117-122