自動化專業(yè)工程化模式實訓基地建設(shè)與實踐

高娟娟+楊娟霞+劉福才

[摘 要] 展示了燕山大學自動化專業(yè)實訓基地的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合“校企合作”的培養(yǎng)模式，對ABB傳動控制系統(tǒng)實訓平臺建設(shè)及實訓內(nèi)容進行了詳細闡述，并指出了在實訓基地建設(shè)中做出的重大改革和實踐實施效果。最后，提出了以培養(yǎng)優(yōu)秀工程技術(shù)人才為目標的實踐教學改革方案，以實現(xiàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量與社會需求的最大化吻合。

[關(guān)鍵詞] 實訓基地；自動化專業(yè)；校企合作

[中圖分類號] G71[文獻標識碼] A[文章編號] 1005-4634（2015）04-0102-04

0 引言

近年來，教育部組織實施“質(zhì)量工程”，這一舉措為加強高校教學的實踐性環(huán)節(jié)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。各大高校紛紛響應(yīng)，加強了對實踐基地的建設(shè)重視程度，加大教學實踐基地的建設(shè)力度，特別是對于工程實訓中心的建設(shè)尤為重視[1]。中國礦業(yè)大學采用西門子PLC，融入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計并搭建了綜合自動化實驗平臺，該平臺包含了各層次的自動化單元，并在此基礎(chǔ)上自制或訂做被控對象，以實現(xiàn)能夠更好地模擬工控現(xiàn)場[2]。南昌工程學院搭建了基于Kingview的網(wǎng)絡(luò)化PLC實訓室，并針對八個來自不同行業(yè)的典型工程項目，進行設(shè)計、制作、安裝與調(diào)試。每種實訓裝置的實訓內(nèi)容都有側(cè)重的與PLC課程教學的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，學生可以自由選擇不同的項目進行實訓，內(nèi)容可以為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與布線、軟件編程與調(diào)試、項目組態(tài)和分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計等[3]。西南交通大學與羅克韋爾自動化公司合作建立了實訓實驗室，為學生提供了一個全方位接觸、配置和使用先進的自動化產(chǎn)品的平臺[4]。實訓實驗室注重在真實設(shè)備上的動手能力和實踐訓練，幫助學生對自動化技術(shù)進行快速的理解和掌握，并最終運用到實際工作中。校內(nèi)實訓室不僅僅可以對學生進行專業(yè)技能訓練，還是學生養(yǎng)成職業(yè)道德、職業(yè)習慣、團隊意識、安全生產(chǎn)意識、成本意識和環(huán)保意識等各種職業(yè)素養(yǎng)的重要場所[5]，在工程技術(shù)人才的培養(yǎng)中具有重要作用。因此，探索實訓實驗室的建設(shè)規(guī)范和研究實踐環(huán)節(jié)的基本內(nèi)容顯得尤為迫切。

1 燕山大學自動化專業(yè)實訓基地建設(shè)現(xiàn)狀

燕山大學自動化專業(yè)依托河北省重點實驗室的設(shè)備資源及部分專項經(jīng)費的投入，多年來致力于實訓基地的建設(shè)。實訓采用校外參觀、校內(nèi)動手設(shè)計、安裝調(diào)試相結(jié)合的方式，校內(nèi)實習包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用和單片機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。經(jīng)過10年多的建設(shè)，自動化系校內(nèi)實訓基地現(xiàn)有自主研制的實訓平臺總數(shù)達到400多臺套，總價值120多萬元，可滿足自動化專業(yè)的校內(nèi)生產(chǎn)實習、本科生專業(yè)綜合訓練、本科生畢業(yè)設(shè)計、卓越班專業(yè)綜合實訓、專業(yè)碩士綜合訓練等實踐教學環(huán)節(jié)的要求。

PLC、觸摸屏、變頻器、全數(shù)字直流調(diào)速裝置和工業(yè)現(xiàn)場總線是企業(yè)自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用比較多的設(shè)備，因此讓學生在學校熟悉這些設(shè)備的特點及使用方法，可以大大縮短學生就業(yè)后在企業(yè)的實習培訓時間，增加就業(yè)機會。燕山大學自動化專業(yè)根據(jù)多年來與企業(yè)合作的經(jīng)驗，結(jié)合自身在電力拖動及其自動化研究方向的特色及實踐教學經(jīng)驗，通過提煉所完成的橫向科研課題的典型綜合自動化控制系統(tǒng)，自主研發(fā)了多組PLC實訓設(shè)備，主要包括：HMI+西門子S7-200PLC+臺達變頻器的實訓掛屏10套，HMI+三菱FX-2NPLC+松下變頻器的實訓掛屏10套，上位機Wincc+西門子S7-300PLC+遠端模塊ET200+西門子變頻器+DP網(wǎng)絡(luò)的實訓掛屏5套，西門子S7-400+TDC+西門子交流伺服的高級控制系統(tǒng)實訓裝置1套，全數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)實訓柜5套，ABB傳動控制系統(tǒng)實訓平臺10套。其中，全數(shù)字電力拖動自動控制系統(tǒng)實訓柜主要包括西門子6RA70、英國歐陸590P、芬蘭ABBDCS402、西門子6SE70等全數(shù)字式調(diào)速裝置，采用FX-2NPLC及HMI控制。全數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)實訓柜的設(shè)計及功率選擇以生產(chǎn)實際為背景；PLC的擴展模塊包括數(shù)字量輸入模塊DI、數(shù)字量輸出模塊DO、模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、高速計數(shù)單元HI等。

2 ABB傳動控制系統(tǒng)實訓案例分析

2.1 ABB傳動控制系統(tǒng)實訓現(xiàn)狀及內(nèi)容

ABB傳動控制系統(tǒng)實驗室組建于2013年8月，是燕山大學與北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司合作共建實驗室，如圖1所示。實訓平臺是在ABB公司相關(guān)技術(shù)人員的指導下，由燕山大學自動化專業(yè)的學生搭建完成。在該實訓平臺投入使用之前，為確保安全，ABB公司技術(shù)人員負責平臺的初次上電調(diào)試，并給燕山大學自動化相關(guān)教師做了技術(shù)培訓。

如圖2所示，ABB傳動控制系統(tǒng)實訓平臺主要包括PLC、變頻器、觸摸屏等一系列ABB產(chǎn)品，每個平臺元器件的布局、接線等都嚴格遵循電氣標準。實訓平臺以PLC為控制器，變頻器為執(zhí)行環(huán)節(jié)，三相異步電動機為被控對象，編碼器為測量環(huán)節(jié)的交流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（如圖3所示），整個系統(tǒng)輸入給定和狀態(tài)監(jiān)控可由觸摸屏來實現(xiàn)。

實訓目的是讓學生在學習了“電氣控制及PLC”、“直流拖動控制系統(tǒng)”及“交流拖動控制系統(tǒng)”等相關(guān)課程的基礎(chǔ)上著手去接觸實際產(chǎn)品，根據(jù)實際項目（如冷彎成型生產(chǎn)線多電機同步控制、鑄造制芯生產(chǎn)線運輸小車加減速控制等）的工藝要求，從最初的控制系統(tǒng)設(shè)計、組裝、調(diào)試到最后實現(xiàn)控制等整個過程去模擬實際的工藝流程，通過實際動手操作，提高發(fā)現(xiàn)問題及解決實際問題的能力。為了充分激發(fā)學生學習的積極性和主動性，實訓采用“先觀摩后實踐”的方式，即先通過參觀或錄像圖片等形式向?qū)W生展示工程實例和科研項目成果，然后學生親自去動手操作，并采用教師責任制，由指導教師嚴格監(jiān)督把關(guān)，確保每一個學生都能夠真正的完成工程實訓項目。根據(jù)以往的實訓經(jīng)驗，為了科學合理的設(shè)置實訓學時，將ABB傳動控制系統(tǒng)實訓項目具體安排見表1。

在ABB傳動控制系統(tǒng)實訓平臺的建設(shè)過程中，ABB公司把企業(yè)氛圍、職業(yè)道德、技術(shù)要求、生產(chǎn)工藝、團隊合作和敬業(yè)精神等帶給學生，為學生將來的職業(yè)崗位起到示范性作用。同時，通過以上的ABB傳動控制系統(tǒng)實訓，為同學們創(chuàng)造了更多的動手實踐機會，將學習到的書本知識加以應(yīng)用，增強對知識的理解和應(yīng)用能力，為將來走上工作崗位儲備了必要的實際生產(chǎn)知識。

2.2 實訓室建設(shè)和教學改革

在不斷總結(jié)以往教學經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對實訓基地建設(shè)和實訓內(nèi)容做出了重大改革，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1）完全開放式的實訓設(shè)備。在以前的實踐教學過程中，所用實訓設(shè)備內(nèi)部都是封閉的，在這種條件下，學生只能夠機械地按照實驗步驟進行操作，觀察實驗現(xiàn)象，不能了解實訓設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及工作原理，這種教學模式不利于學生掌握知識和技能。鑒于此，自動化系在實訓設(shè)備的建設(shè)中要遵循完全開放性的原則，主要表現(xiàn)為：實訓設(shè)備上電氣元器件之間的接線采用直接連接方式，元器件布置以生產(chǎn)實際控制柜的布局為參考，這一點是與目前國內(nèi)現(xiàn)有教學儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的PLC實訓設(shè)備完全不同的。這樣，實訓設(shè)備上的所有元器件及線路都清晰可見，學生可以通過查線、校線及電氣原理圖的繪制等環(huán)節(jié)對實訓設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)及線路得到清晰的了解，同時對以工程實際為背景的實訓案例方案控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。

2）“教學做”一體化。在以前的教學計劃中，理論教學與實踐教學是分離的?！半姎饪刂萍癙LC”、“直流拖動控制系統(tǒng)”及“交流拖動控制系統(tǒng)”等課程僅僅是在課堂講授一些理論知識，這樣的授課方式只是讓學生機械地去記憶和理解相關(guān)專業(yè)知識，沒有實踐動手操作的機會，看不到實質(zhì)的教學效果。為了讓學生對書本知識有更深刻的理解，與工程實際背景相結(jié)合，燕山大學自動化專業(yè)將“電氣控制及PLC”、“直流拖動控制系統(tǒng)”及“交流拖動控制系統(tǒng)”等課程在工程實訓室開展或增加相關(guān)的實踐教學環(huán)節(jié)。教學過程中，教師可根據(jù)實際教學要求循序漸進、由淺入深、由簡入繁，可選擇教材中幾個環(huán)節(jié)進行培訓，也可分不同的時間段完成教材中全部內(nèi)容的實訓。這樣在課堂上，教師將書本知識講解完畢，學生就可以親自去動手操作，加強對理論知識的理解，培養(yǎng)動手操作和解決實際問題的能力。

3 工程化模式實訓實施效果及意義

3.1 教學效果普遍提高

實訓題目與冷彎成型生產(chǎn)線多電機同步控制、鑄造制芯生產(chǎn)線運輸小車加減速控制及型材軋輥剪切控制等工程實際背景相結(jié)合，在實訓過程中，實行組建項目組、學生自我管理和老師從旁指導的方式，將三名學生分成一組，分別負責HMI界面設(shè)計、PLC編程調(diào)試和變頻器參數(shù)設(shè)置部分，一方面培養(yǎng)學生設(shè)計、實施、分析及解決工程實際問題的專業(yè)技能，另一方面培養(yǎng)學生的團隊合作精神。通過實訓過程中學生的表現(xiàn)及考核環(huán)節(jié)反饋回來的信息，可以清晰的看到，學生通過實訓不僅僅了解和掌握了交直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路與控制回路設(shè)計，PLC的工作原理、編程方法、PLC與觸摸屏之間的通訊，以及變頻器的工作原理及參數(shù)設(shè)置等專業(yè)知識，同時在遇到問題時，也學會通過文獻檢索或查詢相關(guān)資料解決問題。更為重要的是，學生除了這些能力的提高外，還掌握了如何根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)計一個完整控制系統(tǒng)和調(diào)試該系統(tǒng)的方法。

通過工程化模式實訓教學環(huán)節(jié)的開展，實現(xiàn)了“教學做”一體化的全新教學格局，充分調(diào)動了學生學習的積極性和主動性，激發(fā)了學生的學習熱情和實踐探索精神，讓學生自發(fā)的成為學習的主體，而不是被動的接受，培養(yǎng)了學生的工程意識、團隊合作精神、組織協(xié)調(diào)能力及實踐創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)，教學效果得到了明顯提高，對學生今后的工作學習大有裨益。

3.2 教學與科研互動

教師將自己多年來與企業(yè)合作的經(jīng)驗，結(jié)合自身在電力拖動及其自動化研究方向的特色及實踐教學經(jīng)驗，通過提煉所完成橫向科研課題的典型綜合自動化控制系統(tǒng)，研發(fā)多組PLC實訓設(shè)備，并將自己的科研課題項目引入到工程實訓過程中。例如，在實訓過程中，可以通過錄像或圖片等形式向?qū)W生展示工程實例和科研項目成果，讓學生直觀的感受到自己所學專業(yè)的價值，并結(jié)合自身的工程項目經(jīng)歷，說明項目實施過程與本專業(yè)需要掌握知識和技能的結(jié)合點，鼓勵學生通過實訓完成與實際科研工程項目相類似的實訓課題，要大膽探索創(chuàng)新，激發(fā)學習本專業(yè)知識技能的興趣和熱情，提高學生的工程實踐和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

實踐證明，自動化專業(yè)工程化模式實訓平臺的建設(shè)和實訓教學管理的改革，對燕山大學的課程教學和實踐教學都起到了非常重要的作用。實訓考核和畢業(yè)生就業(yè)情況證明學校的教學改革已經(jīng)取得了較好的效果，也進一步說明高校要適應(yīng)社會經(jīng)濟形勢的發(fā)展，創(chuàng)設(shè)有特色的實訓教學模式。今后我們將繼續(xù)積極探索實踐教學改革模式，以培養(yǎng)優(yōu)秀工程技術(shù)人才為目標，改進人才培養(yǎng)模式，將工程環(huán)境、行業(yè)標準、企業(yè)的考核辦法引入實踐教學，以貼近學業(yè)、貼近企業(yè)、貼近就業(yè)，與崗位零距離等目標而努力，建設(shè)符合自身特色的實訓教學模式。

參考文獻

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