面向卓越工程師培養(yǎng)的PLC—DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究

陳景召　忽曉偉　陳軍　陳瑞霞

摘 要 根據(jù)卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)科背景和知識(shí)體系，就如何更好地開(kāi)展自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)核心實(shí)踐課程等一系列問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)PLC-DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，將傳統(tǒng)可編程控制器課程和過(guò)程控制與集散系統(tǒng)課程實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成工業(yè)控制與系統(tǒng)集成方向具有特色的面向工程的實(shí)踐教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞 卓越工程師；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；PLC-DCS

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）08-0145-02

Research on PLC-DCS Training Platform for Cultivation of Excellent Engineers//CHEN Jingzhao， HU Xiaowei， CHEN Jun， CHEN Ruixia

Abstract According to the training objectives of Excellent Engineers，

combined with automation professional and academic background knowledge system， how to better carry out automation professional core curriculum practice， a series of problems， research and design of the PLC-DCS training platform， the traditional programmable controller course and process control and distributed control system of practice teaching platform of the organic combination， formed the

industrial control and systems integration direction with the charac-teristics of engineering oriented practice teaching system.

Key words excellent engineer； training platform； PLC-DCS

1 前言

2014年，世界工控行業(yè)迎來(lái)“工業(yè)4.0時(shí)代”，它的到來(lái)標(biāo)志著今后半個(gè)世紀(jì)工業(yè)控制領(lǐng)域的研究和發(fā)展方向必然走向高度集成化、智能化以及綜合化[1]。在此背景下，作為培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的普通高等院校，尤其是工科院校，更應(yīng)該大力加強(qiáng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的理論及實(shí)踐教學(xué)方法改革，以更好適應(yīng)新形勢(shì)下專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)及社會(huì)應(yīng)用人才的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能夠有效地向社會(huì)培養(yǎng)有技術(shù)、有能力、有眼光的高層次技術(shù)人才的目標(biāo)。

課題主要研究在新形勢(shì)下，普通高等院校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)，以可編程控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）等關(guān)鍵技術(shù)為核心的自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)裝備的拓展、創(chuàng)新、改革、研究與應(yīng)用。

2 PLC-DCS實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的研究背景

PLC-DCS實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的研究構(gòu)想基于普通高等院校電氣信息類(lèi)自動(dòng)化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的可編程邏輯控制器（PLC）、過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及集散控制系統(tǒng)等核心專(zhuān)業(yè)課的新型實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)研究，擬將傳統(tǒng)PLC實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)合當(dāng)前飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以“工業(yè)4.0時(shí)代”自動(dòng)化系統(tǒng)高度集成化為要求，研制新型PLC-DCS綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)裝置，使已有可編程控制器技術(shù)與分布式智能控制系統(tǒng)技術(shù)二者更加有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，更好滿(mǎn)足當(dāng)前自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的高需求。

國(guó)內(nèi)PLC相關(guān)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以單一學(xué)科實(shí)訓(xùn)裝置為主，具有典型代表性的主要有浙江天煌科技的THSM系列、上海華大的HD2系列等，這些實(shí)訓(xùn)裝置以單一品牌的工控產(chǎn)品為核心，能夠滿(mǎn)足PLC的基本教學(xué)任務(wù)，且裝置投入市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性和安全性較好。但其主要問(wèn)題在于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整體偏于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)不能很好滿(mǎn)足需求；系統(tǒng)核心模塊的可移植性較差，不能滿(mǎn)足新形勢(shì)下的實(shí)踐教學(xué)需求。加之國(guó)外實(shí)訓(xùn)裝置及設(shè)備較少，其功能性和實(shí)用性仍需進(jìn)一步考證，因此，就當(dāng)前形勢(shì)下，針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的改進(jìn)研究與開(kāi)發(fā)是必然趨勢(shì)。

3 PLC-DCS實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)基本方案

根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)將現(xiàn)有PLC實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行功能整合[2]，從整體結(jié)構(gòu)與原理上滿(mǎn)足當(dāng)前實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架，最大限度地接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，其基本內(nèi)容包括以下四個(gè)部分。

1）原有PLC及功能模塊的擴(kuò)展。根據(jù)最新主流品牌控制器產(chǎn)品，額外設(shè)計(jì)網(wǎng)孔板或掛件板，實(shí)現(xiàn)控制器的可更換性與拓展性。

2）原有被控對(duì)象的擴(kuò)展。其擴(kuò)展設(shè)計(jì)思路與控制器部分基本原理相同，需要格外重視現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的電氣接口滿(mǎn)足新技術(shù)，如工業(yè)以太網(wǎng)口、CC-Link接口等。

3）原有DCS控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)相應(yīng)接口的升級(jí)改造。

4）改造完成的PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的物理接口、電氣接口的匹配，以及被控對(duì)象的復(fù)雜性、多樣性設(shè)計(jì)。

課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于將以往熟知的PLC技術(shù)與DCS技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置有機(jī)結(jié)合，提高在實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的更高要求；此外，由于改進(jìn)后的系統(tǒng)硬件基于原有系統(tǒng)，在保證較低系統(tǒng)成本的前提之下，仍保留了以往設(shè)備所支持的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，能夠滿(mǎn)足各層次人才的培養(yǎng)需求。

根據(jù)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用需求，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的基本情況，PLC-DCS一體化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)步驟主要包括三方面的內(nèi)容。

1）控制器的升級(jí)與改造，主要包括PLC模塊和DCS采集卡模塊的拓展改造。首先將以往控制器部分硬件電路進(jìn)行改造，使控制器能夠?qū)崿F(xiàn)自由更換；然后采購(gòu)當(dāng)前新型主流控制器作為增補(bǔ)模塊，設(shè)計(jì)掛件或網(wǎng)孔板，作為控制器模塊的載體。

2）被控對(duì)象的升級(jí)與改造。與控制器部分的改造方法不同，被控對(duì)象升級(jí)改造基本原則在于保持原有對(duì)象結(jié)構(gòu)不變的情況下，額外附加新對(duì)象，并最終保證改造完成的對(duì)象仍具有完整性和一體性。這一原則是基于以往的設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象實(shí)際情況所確立的。

3）接口技術(shù)的升級(jí)與改造：保留通用電氣接口，舍棄原設(shè)備廠(chǎng)家自行設(shè)計(jì)、在工程中應(yīng)用較少的通信接口及相關(guān)部件，引入近5～10年來(lái)的新型接口技術(shù)，以擴(kuò)充電氣系統(tǒng)的接口技術(shù)，確保系統(tǒng)的前瞻性。

4 PLC-DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)配套教學(xué)內(nèi)容與方法改革

由于本系統(tǒng)的最終落腳點(diǎn)是為學(xué)生提供更優(yōu)秀的、更貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，故使用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)或課程設(shè)計(jì)時(shí)，若仍然采用傳統(tǒng)的教學(xué)資源或方法，勢(shì)必會(huì)有諸多不便[3]。

如在進(jìn)行傳統(tǒng)PLC課內(nèi)實(shí)驗(yàn)“十字路口交通燈控制系統(tǒng)”時(shí)，教師無(wú)須將實(shí)際交通燈硬件電路進(jìn)行詳細(xì)介紹，僅需引導(dǎo)學(xué)生利用目前所學(xué)指令完成相應(yīng)程序并聯(lián)機(jī)調(diào)試即可。但是在以工程應(yīng)用為核心的PLC-DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)下，“十字路口交通燈控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)就有了明顯的不同，在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)著重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行面向整個(gè)系統(tǒng)的集成方法與可行性分析，以實(shí)際工程應(yīng)用的一般方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行討論，盡管最終的討論結(jié)果是“十字路口交通燈控制系統(tǒng)是以單片機(jī)配合外圍電路設(shè)計(jì)而成的專(zhuān)用控制器，而非靠PLC完成控制任務(wù)”之類(lèi)“顛覆性”的結(jié)果，但是在分析和討論中，學(xué)生對(duì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用與課內(nèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)均有了深刻的認(rèn)識(shí)。甚至可以這樣認(rèn)為，面向?qū)嶋H工業(yè)工程思路的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比課內(nèi)實(shí)驗(yàn)本身或是課程體系本身重要。

因此，為了能將研究的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)真正投入實(shí)踐教學(xué)尤其是卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃中去，需要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與方法的改革[4]，主要包括以下三方面內(nèi)容。

1）根據(jù)PLC-DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)的改編，將原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)壓縮或與部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)合并。

2）對(duì)現(xiàn)有教學(xué)軟件進(jìn)行及時(shí)升級(jí)，保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。如將原有西門(mén)子編程軟件STEP摒棄，用最新的TIA博途軟件取代，保證學(xué)生學(xué)習(xí)和就業(yè)軟件平臺(tái)的一致性。

3）在教學(xué)方法上，除了保持原有基礎(chǔ)課程講授之外，大力引入項(xiàng)目法教學(xué)和“分時(shí)段考核”制度，將理論扎實(shí)、動(dòng)手能力突出的學(xué)生從班級(jí)中選拔出來(lái)，成立卓越人才專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練組，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更加深層次的項(xiàng)目教學(xué)。

5 結(jié)語(yǔ)

卓越工程師計(jì)劃以培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才為目標(biāo)[5]，將此目標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)與“工業(yè)4.0”概念相契合的實(shí)際需求，本課題設(shè)計(jì)了PLC-DCS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，一方面拓展了原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能，另一方面向工程應(yīng)用方向側(cè)重，并在“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃中進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容與方法改革，走出一條“理論實(shí)踐一體化”且“面向工業(yè)系統(tǒng)集成”的具有特色的實(shí)踐育人體系。

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