現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)在教學(xué)中的應(yīng)用

曾麗　王后能　李自成

摘 要：自動(dòng)化專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)課程是提高學(xué)生專業(yè)技能的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。在實(shí)踐教學(xué)課程的實(shí)際運(yùn)行中，由于條件限制，存在著綜合實(shí)踐課程與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)，實(shí)習(xí)過(guò)程中嚴(yán)禁學(xué)生操作而導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果欠佳等問(wèn)題。為了提高實(shí)踐教學(xué)效果，該校建設(shè)了現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)中心，將實(shí)訓(xùn)逐漸融入課堂教學(xué)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)實(shí)習(xí)中，增強(qiáng)了課程教學(xué)效果，較好地解決了學(xué)生在校期間理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問(wèn)題，提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)總線 實(shí)訓(xùn)中心 教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0166-02

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化控制手段不斷更新、自動(dòng)化對(duì)象不斷擴(kuò)大、自動(dòng)化控制理論不斷發(fā)展，企事業(yè)單位對(duì)自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生提出了更高的要求。高等院校正積極探索，把大學(xué)生培養(yǎng)成工程型、應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才以滿足社會(huì)的需求。自動(dòng)化專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能和獨(dú)立工作能力，提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)，因此備受關(guān)注。該校自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要有認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、相關(guān)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。但是，在實(shí)踐教學(xué)課程的實(shí)際運(yùn)行中，由于條件限制，存在著綜合實(shí)踐課程與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)嚴(yán)禁學(xué)生操作而導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果欠佳等問(wèn)題。為解決實(shí)踐教學(xué)欠佳的問(wèn)題，探索實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新內(nèi)容，該校建設(shè)了現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)基地，不斷將實(shí)訓(xùn)融入教學(xué)以增強(qiáng)課程教學(xué)效果，為學(xué)生盡快適應(yīng)實(shí)際工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 實(shí)訓(xùn)中心概況

現(xiàn)場(chǎng)總線與測(cè)控系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)中心包括自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線和化工過(guò)程控制裝置兩部分?？傉静捎貌僮髡?、可編程控制器（PLC）、自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線和化工過(guò)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線連接單元構(gòu)成基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將化工生產(chǎn)過(guò)程控制的模擬量與供配電控制的開關(guān)量、流水線傳動(dòng)控制的數(shù)字量有機(jī)結(jié)合起來(lái)。實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)之間、PLC與PLC之間、PLC與其它廠家可通信的低壓電器間、化工儀表間的控制和通信，達(dá)到信息的集中管理、功能的分散控制。PLC采用德國(guó)西門子S7-300系列產(chǎn)品。監(jiān)控級(jí)的主要設(shè)備有學(xué)生操作站（35點(diǎn)）、教師工作站（工程師站）。監(jiān)控組態(tài)軟件采用德國(guó)西門子WINCC產(chǎn)品。教師工作站可對(duì)該測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)置的工作站，通過(guò)控制組態(tài)可將不同的控制算法下載到不同的控制回路中，完成對(duì)不同對(duì)象的精確控制。學(xué)生操作站是學(xué)生與整個(gè)系統(tǒng)相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備。學(xué)生通過(guò)操作站來(lái)監(jiān)視和控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并且可以調(diào)整控制量以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干預(yù)。通過(guò)操作組態(tài)，不同的操作站完成不同的控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)過(guò)程?？刂萍?jí)采用二個(gè)PLC控制站，即自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線控制站和過(guò)程控制站，可以實(shí)現(xiàn)灌裝線和過(guò)程控制系統(tǒng)的總體控制和單獨(dú)控制?？傮w控制時(shí)，總線連接過(guò)程控制裝置和自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線設(shè)備，過(guò)程控制系統(tǒng)的產(chǎn)品液可通過(guò)自動(dòng)灌裝線自動(dòng)灌裝、檢測(cè)、加蓋、包裝、儲(chǔ)存，達(dá)到總體控制的效果。單獨(dú)控制時(shí)，斷開過(guò)程控制系統(tǒng)和自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線；過(guò)程裝置和自動(dòng)灌裝線都可通過(guò)單獨(dú)控制界面單獨(dú)控制。

2 自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線

自動(dòng)生產(chǎn)線減少生產(chǎn)過(guò)程的人力，降低了生產(chǎn)成本，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用很廣泛。該文以自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線控制站為例來(lái)介紹實(shí)訓(xùn)中心在教學(xué)中的應(yīng)用。灌裝生產(chǎn)線是利用多種機(jī)械傳動(dòng)方式模擬完成液體灌裝過(guò)程的系統(tǒng)，展現(xiàn)了實(shí)際工業(yè)的典型部分，如Profibus總線、PLC、觸摸屏、傳感器（包含光電傳感器、壓力變送器、溫度變送器、液位傳感器、電磁閥等）等。

自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線共包括獨(dú)立的10個(gè)分站，分別是自動(dòng)上瓶機(jī)械手、高壓洗瓶機(jī)、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、烘干單元、灌裝機(jī)構(gòu)、液位檢測(cè)單元、加蓋單元、噴碼單元、自動(dòng)下瓶機(jī)械手、存儲(chǔ)單元（碼垛和倉(cāng)儲(chǔ)）。各個(gè)分站有各自的PLC控制系統(tǒng)，各個(gè)分站間由現(xiàn)場(chǎng)總線連接控制。上瓶機(jī)械手將空瓶從箱子中取出，由傳送帶送到高壓洗瓶單元進(jìn)行清洗。清洗干凈的瓶子由視覺(jué)檢測(cè)單元檢測(cè)合格后，送烘干單元烘干，不合格為廢品。然后灌裝機(jī)構(gòu)灌裝產(chǎn)品液，再進(jìn)行液位檢測(cè)，不合格為廢品，合格加裝瓶蓋，之后由噴碼單元噴上生產(chǎn)日期。最后下瓶機(jī)械手將產(chǎn)品取出，由碼垛單元送倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)。

學(xué)生通過(guò)自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線可以深入地學(xué)習(xí)各種機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、PLC控制、傳感器、觸摸屏、變頻器、氣動(dòng)等技術(shù)，并可通過(guò)系統(tǒng)提供的穩(wěn)壓電源及波形發(fā)生器進(jìn)行電子課程的實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)。

3 主要應(yīng)用

灌裝生產(chǎn)線是融合了機(jī)、光、電、氣的綜合性教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，為自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)、科研及相關(guān)實(shí)踐教學(xué)提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)中心設(shè)備優(yōu)勢(shì)，從轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念入手，調(diào)動(dòng)教、學(xué)兩方面積極性，將實(shí)訓(xùn)貫穿于課堂教學(xué)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)之間，較好地解決了學(xué)生在校期間理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問(wèn)題。

3.1 應(yīng)用于課堂教學(xué)

由于自動(dòng)化專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，學(xué)生在專業(yè)課的學(xué)習(xí)階段，如果沒(méi)有接觸專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，缺乏感性認(rèn)識(shí)，實(shí)際動(dòng)手能力將會(huì)欠缺，這就對(duì)傳統(tǒng)的課堂教學(xué)提出了新的要求。利用現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)中心設(shè)備優(yōu)勢(shì)，教師可積極探索教學(xué)方法的改革。和自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線相關(guān)的PLC、電機(jī)與拖動(dòng)、測(cè)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、過(guò)程控制儀表及裝置等課程，都可以采用工程控制案例教學(xué)方式貫穿于課堂教學(xué)。學(xué)生通過(guò)工程實(shí)例可以了解專業(yè)方向的實(shí)際應(yīng)用、技術(shù)需求和具體技術(shù)性能指標(biāo)、工藝流程，發(fā)展趨勢(shì)、新技術(shù)及研究熱點(diǎn)等，對(duì)未來(lái)將從事的工作建立初步的感性認(rèn)識(shí)。

比如在PLC課程教學(xué)中，可選擇上瓶機(jī)械手為控制對(duì)象，使抽象、枯燥的理論變得具體、生動(dòng)。讓學(xué)生在這個(gè)系統(tǒng)中找出系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、類型來(lái)練習(xí)PLC的選型；設(shè)定上瓶機(jī)械手功能讓學(xué)生來(lái)練習(xí)PLC梯形圖的編程。在電機(jī)與拖動(dòng)課程教學(xué)中，選擇生產(chǎn)線的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、洗瓶機(jī)水泵系統(tǒng)，讓學(xué)生比較多種調(diào)速方式，尋求最佳方法滿足系統(tǒng)要求。這樣的工程實(shí)例能引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生更愿意接受新知識(shí)，更快更好掌握課堂知識(shí)。

3.2 應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)

該校自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，與專業(yè)相關(guān)的主要實(shí)踐課程有：認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、相關(guān)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。但是，在實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際運(yùn)行中，由于種種客觀因素的影響，組織學(xué)生到生產(chǎn)一線去參觀實(shí)習(xí)往往時(shí)間有限，只能走馬觀花；或者理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生不易理解實(shí)際生產(chǎn)和專業(yè)的聯(lián)系而達(dá)不到理想效果。

為提高實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，將實(shí)習(xí)分兩步：實(shí)訓(xùn)+實(shí)習(xí)。實(shí)習(xí)過(guò)程中，首先結(jié)合實(shí)訓(xùn)中心自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)，同時(shí)學(xué)生通過(guò)學(xué)生操作站來(lái)監(jiān)視和控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。理論加實(shí)踐，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)空洞說(shuō)教的不足。然后學(xué)生進(jìn)入工廠下車間跟班實(shí)習(xí)，了解實(shí)際應(yīng)用。比如認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)時(shí)結(jié)合自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)學(xué)生參觀可口可樂(lè)生產(chǎn)線、精倫電子生產(chǎn)線等；結(jié)合實(shí)訓(xùn)中心電機(jī)傳動(dòng)、供電設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)學(xué)生參觀實(shí)習(xí)湖北臥龍電機(jī)廠、武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司、武漢高電壓研究所等。這樣逐漸深入，很好的銜接，學(xué)生更易接受。當(dāng)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)有用武之地時(shí)，學(xué)生就會(huì)有一種成就感，會(huì)更加明確自己的學(xué)習(xí)方向。

在自動(dòng)化專業(yè)課程學(xué)習(xí)中，會(huì)有相關(guān)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)。學(xué)生在做此相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，如果設(shè)計(jì)得不到驗(yàn)證的話，學(xué)生可能無(wú)法真正學(xué)會(huì)如何滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，將來(lái)不能很快地投入到實(shí)際工作中去。自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的縮小版本，有十個(gè)部分，每個(gè)部分都可以成為一個(gè)實(shí)際的、獨(dú)立的課題。實(shí)訓(xùn)中心是對(duì)學(xué)生敞開大門的，學(xué)生在設(shè)計(jì)中，遇到問(wèn)題或者需要檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)是否有效，可以隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)、實(shí)踐、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。13、14年該校20名學(xué)生在此實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)此實(shí)訓(xùn)基地的部分項(xiàng)目進(jìn)行了研究和改進(jìn)。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了自己的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了他們的自信，激發(fā)了他們對(duì)學(xué)習(xí)的熱情，使他們可以盡快地適應(yīng)實(shí)際工作。

3.3 應(yīng)用于科技活動(dòng)

利用實(shí)訓(xùn)基地的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，教師可以組織科技創(chuàng)新、學(xué)科競(jìng)賽、或者進(jìn)行二次實(shí)踐項(xiàng)目開發(fā)。比如PLC課程學(xué)習(xí)中，組織PLC應(yīng)用競(jìng)賽。以上瓶機(jī)械手系統(tǒng)為例，學(xué)生可以設(shè)計(jì)不同的選瓶方式，去研究或改進(jìn)這個(gè)裝置。通過(guò)這樣的訓(xùn)練能提高學(xué)生技能水平，增強(qiáng)學(xué)生未來(lái)求職競(jìng)崗的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)選拔，對(duì)有能力的學(xué)生可以鼓勵(lì)參加相關(guān)賽事，增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，增加與兄弟院校、知名企業(yè)的交流機(jī)會(huì)。2014年該校學(xué)生參加博創(chuàng)杯嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)大賽、飛思卡爾智能車大賽、挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽能都獲得了可喜的成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

將現(xiàn)場(chǎng)總線與測(cè)控系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)融入到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，幫助學(xué)生更好了解專業(yè)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用、技術(shù)需求和具體技術(shù)性能指標(biāo)、研究熱點(diǎn)等，對(duì)未來(lái)將從事的工作建立初步的感性認(rèn)識(shí)；通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)的校企結(jié)合，真正培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，對(duì)培養(yǎng)“工程型、應(yīng)用型和創(chuàng)新型”的本科畢業(yè)生起到重要的推動(dòng)作用。當(dāng)然，在今后的實(shí)踐教學(xué)中還需進(jìn)一步探索工程實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)規(guī)范、創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使實(shí)訓(xùn)基地成為學(xué)生從學(xué)校進(jìn)入企業(yè)的一座橋梁。

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