線上一樣做實驗——清華大學電機系推出“云”實驗
清華新聞網(wǎng)2月24日電 開課以來，電機系所有課程都按照課表時間要求有序進行。可是，作為工科生的同學們怎么能不做實驗?zāi)兀磕壳暗脑贫私虒W情景下，實驗怎么做呢？當然沒問題，快來看看電機系真材實料的實驗課吧！
“電路原理”：雷實驗
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，就是同學們可以基于便攜式實驗設(shè)備完成大量與理論課融合的實驗。為了及時了解同學們在課外完成實驗的情況，朱老師從2016年起就開始與雨課堂合作開發(fā)“雷實驗”（取自漢語拼音LEI，Lab of Electronic Intelligence）智慧實驗平臺。基于這一平臺，教師可以在手機端通過微信布置實驗、跟蹤學生實驗狀態(tài)、接收學生提交的實驗結(jié)果，學生也可以按照教師設(shè)定的實驗流程完成實驗，并對實驗中每個步驟進行截屏或拍照，最后自動生成實驗報告，提交實驗數(shù)據(jù)。開課前，朱老師把實驗設(shè)備（圖1）和配套的元器件通過快遞發(fā)給了同學們，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），課后很快就在手機上看到了全班同學當前的實驗進展狀況（圖3），同學們發(fā)過來的在家做實驗的照片（圖4）也說明大家相當投入。
圖1 雷實驗平臺
圖2 課堂上給學生講解設(shè)備的基本操作
圖3 教師手機端看到的當前全班實驗進展以及部分同學提交的實驗報告內(nèi)容
圖4 學生在家做實驗
“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”： 遠程實時實驗
于慶廣老師講授的“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”課程授課和實驗各占一半，所用清華大學-施耐德聯(lián)合教學實驗室位于清華西主樓一區(qū)215，Premium可編程控制器和ATV71變頻器等實驗裝置都具有以太網(wǎng)接口，可用于工業(yè)現(xiàn)場的遠程控制和監(jiān)測，實現(xiàn)“透明工廠”的泛在物聯(lián)網(wǎng)功能。
為了讓同學們在千里之外也能進行實驗，于老師和負責實驗的賈玉榮老師對實驗室服務(wù)器和路由器的配置進行了改造，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)。課程實驗2人一組，一位同學運行下位機可編程控制器組態(tài)軟件Unity XL Pr，完成控制邏輯編程，并通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠在清華的實驗設(shè)備，完成對電動機變頻運行的遠程實時控制；同組的另一位同學運行上位機組態(tài)軟件KingView，編程實現(xiàn)對變頻器系統(tǒng)狀態(tài)的遠程監(jiān)控和人機交互功能。為了讓同學們看到實驗室設(shè)備的真實動作情況，二位老師又在實驗室加裝了一臺網(wǎng)絡(luò)攝像機，同學們在手機上就可以實時對自己遠程控制的電動機等設(shè)備實現(xiàn)“云監(jiān)工”。
通過這種方式，學生們實現(xiàn)了真刀真槍做實驗，實驗室場景和每個小組的實驗裝置如圖5和圖6所示。
圖5 PLC實驗室全景
圖6 實驗裝置圖
2月17日第四節(jié)課，16個小組同時進行了首次實驗，效果非常好。第6組電72班姜智霖同學在河南商丘的家里順利完成對下位機可編程控制器的編程，實現(xiàn)遠程對電動機的變頻調(diào)速運行控制；電72班徐宇軒同學在四川成都的家里順利完成對上位機組態(tài)軟件的編程，實現(xiàn)了實時讀取電動機的運行速度。整個實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲及學生在家操作實驗的照片如圖7所示。
圖7 PLC實驗的網(wǎng)絡(luò)拓撲實例及學生在家實驗照片
“電力系統(tǒng)仿真”：虛擬仿真實驗
電機系加強并提升國家虛擬仿真實驗教學項目“基于云仿真的光儲微電網(wǎng)運行控制虛擬實驗”在線服務(wù)能力，通過云仿真和云實驗方式傳遞知識，讓在線教學形式更豐富、訓練更充分，使用更便捷。
學生訪問電機系創(chuàng)立的云仿真平臺（www.cloudpss.net），即可開展虛擬仿真試驗（可通過教育部網(wǎng)站www.ilab-x.com獲得訪問入口）。本虛擬實驗課程面向電氣工程及相關(guān)專業(yè)本科大三及以上學生，課程包含“光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行控制基礎(chǔ)知識”“光儲微電網(wǎng)仿真測試系統(tǒng)”以及“光儲系統(tǒng)PCC點管理控制實驗”三個子實驗，涉及并離網(wǎng)控制、充放電切換、負荷投切、功率平滑控制等關(guān)鍵知識點。虛擬實驗平臺支持學生對重要步驟和關(guān)鍵參數(shù)的自由構(gòu)建和自主設(shè)計，引導學生開展獨立仿真操作實踐和建模分析，以提高學生對微電網(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、便于學生理解及修改的特點。豐富的電氣及控制元件庫，支持學生對仿真算例進行擴展。學生可隨時隨地訪問虛擬仿真實驗平臺進行學習實踐。
供稿：電機系
編輯：李華山
審核：呂 婷
