面向卓越工程師培養的PLC—DCS實訓平臺研究

陳景召　忽曉偉　陳軍　陳瑞霞

摘 要 根據卓越工程師的培養目標，結合自動化專業的學科背景和知識體系，就如何更好地開展自動化專業核心實踐課程等一系列問題，研究并設計PLC-DCS實訓平臺，將傳統可編程控制器課程和過程控制與集散系統課程實踐平臺進行有機結合，形成工業控制與系統集成方向具有特色的面向工程的實踐教學體系。

關鍵詞 卓越工程師；實訓平臺；PLC-DCS

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：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，世界工控行業迎來“工業4.0時代”，它的到來標志著今后半個世紀工業控制領域的研究和發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，作為培養專業技術人員的普通高等院校，尤其是工科院校，更應該大力加強相關專業的理論及實踐教學方法改革，以更好適應新形勢下專業技術發展與市場及社會應用人才的發展趨勢，實現能夠有效地向社會培養有技術、有能力、有眼光的高層次技術人才的目標。

課題主要研究在新形勢下，普通高等院校電氣信息類專業，以可編程控制器（PLC）、分布式控制系統（DCS）以及網絡控制系統（NCS）等關鍵技術為核心的自動化實踐教學裝備的拓展、創新、改革、研究與應用。

2 PLC-DCS實踐教學平臺的研究背景

PLC-DCS實踐教學平臺的研究構想基于普通高等院校電氣信息類自動化及相關專業普遍開設的可編程邏輯控制器（PLC）、過程控制、計算機控制系統及集散控制系統等核心專業課的新型實踐教學平臺研究，擬將傳統PLC實訓平臺、DCS實訓平臺結合當前飛速發展的網絡控制系統，以“工業4.0時代”自動化系統高度集成化為要求，研制新型PLC-DCS綜合實驗、實訓裝置，使已有可編程控制器技術與分布式智能控制系統技術二者更加有機地結合起來，更好滿足當前自動化類專業實踐教學的高需求。

國內PLC相關實訓平臺以單一學科實訓裝置為主，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，這些實訓裝置以單一品牌的工控產品為核心，能夠滿足PLC的基本教學任務，且裝置投入市場應用時間較長，穩定性和安全性較好。但其主要問題在于實驗內容整體偏于基礎實驗，對于設計性實驗或創造性實驗來說不能很好滿足需求；系統核心模塊的可移植性較差，不能滿足新形勢下的實踐教學需求。加之國外實訓裝置及設備較少，其功能性和實用性仍需進一步考證，因此，就當前形勢下，針對現有傳統實訓平臺的改進研究與開發是必然趨勢。

3 PLC-DCS實踐教學平臺基本方案

根據卓越工程師培養目標，應將現有PLC實訓平臺和DCS實訓平臺進行功能整合[2]，從整體結構與原理上滿足當前實際工業控制系統的基本構架，最大限度地接近工業現場控制系統，其基本內容包括以下四個部分。

1）原有PLC及功能模塊的擴展。根據最新主流品牌控制器產品，額外設計網孔板或掛件板，實現控制器的可更換性與拓展性。

2）原有被控對象的擴展。其擴展設計思路與控制器部分基本原理相同，需要格外重視現場對象的電氣接口滿足新技術，如工業以太網口、CC-Link接口等。

3）原有DCS控制級和現場級相應接口的升級改造。

4）改造完成的PLC系統和DCS系統的物理接口、電氣接口的匹配，以及被控對象的復雜性、多樣性設計。

課題的創新點在于將以往熟知的PLC技術與DCS技術實訓裝置有機結合，提高在實踐教學中進行綜合設計性和開放性實驗對系統的更高要求；此外，由于改進后的系統硬件基于原有系統，在保證較低系統成本的前提之下，仍保留了以往設備所支持的基礎性實驗，能夠滿足各層次人才的培養需求。

根據實踐教學應用需求，根據現有設備的基本情況，PLC-DCS一體化綜合實訓平臺的設計步驟主要包括三方面的內容。

1）控制器的升級與改造，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行改造，使控制器能夠實現自由更換；然后采購當前新型主流控制器作為增補模塊，設計掛件或網孔板，作為控制器模塊的載體。

2）被控對象的升級與改造。與控制器部分的改造方法不同，被控對象升級改造基本原則在于保持原有對象結構不變的情況下，額外附加新對象，并最終保證改造完成的對象仍具有完整性和一體性。這一原則是基于以往的設備維護經驗以及工業現場對象實際情況所確立的。

3）接口技術的升級與改造：保留通用電氣接口，舍棄原設備廠家自行設計、在工程中應用較少的通信接口及相關部件，引入近5～10年來的新型接口技術，以擴充電氣系統的接口技術，確保系統的前瞻性。

4 PLC-DCS實訓平臺配套教學內容與方法改革

由于本系統的最終落腳點是為學生提供更優秀的、更貼近工業現場的實訓平臺，故使用該平臺進行實踐教學或課程設計時，若仍然采用傳統的教學資源或方法，勢必會有諸多不便[3]。

如在進行傳統PLC課內實驗“十字路口交通燈控制系統”時，教師無須將實際交通燈硬件電路進行詳細介紹，僅需引導學生利用目前所學指令完成相應程序并聯機調試即可。但是在以工程應用為核心的PLC-DCS實訓平臺下，“十字路口交通燈控制系統”實驗的側重點就有了明顯的不同，在進行實踐教學時，教師應著重引導學生進行面向整個系統的集成方法與可行性分析，以實際工程應用的一般方法對系統進行討論，盡管最終的討論結果是“十字路口交通燈控制系統是以單片機配合外圍電路設計而成的專用控制器，而非靠PLC完成控制任務”之類“顛覆性”的結果，但是在分析和討論中，學生對實際工業應用與課內驗證性實驗均有了深刻的認識。甚至可以這樣認為，面向實際工業工程思路的培養遠遠比課內實驗本身或是課程體系本身重要。

因此，為了能將研究的實訓平臺真正投入實踐教學尤其是卓越人才培養計劃中去，需要進行教學內容與方法的改革[4]，主要包括以下三方面內容。

1）根據PLC-DCS實訓平臺進行實訓指導書的改編，將原有驗證性實驗壓縮或與部分設計性實驗合并。

2）對現有教學軟件進行及時升級，保證教學內容的先進性。如將原有西門子編程軟件STEP摒棄，用最新的TIA博途軟件取代，保證學生學習和就業軟件平臺的一致性。

3）在教學方法上，除了保持原有基礎課程講授之外，大力引入項目法教學和“分時段考核”制度，將理論扎實、動手能力突出的學生從班級中選拔出來，成立卓越人才專項訓練組，并根據實際情況進行更加深層次的項目教學。

5 結語

卓越工程師計劃以培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才為目標[5]，將此目標作為出發點，根據自動化專業與“工業4.0”概念相契合的實際需求，本課題設計了PLC-DCS實訓平臺，一方面拓展了原有實驗平臺的功能，另一方面向工程應用方向側重，并在“卓越工程師”培養計劃中進行相應的教學內容與方法改革，走出一條“理論實踐一體化”且“面向工業系統集成”的具有特色的實踐育人體系。

參考文獻

[1]李立國.工業4.0時代的高等教育人才培養模式[J].清

華大學教育研究，2016，37（1）：6-15，38.

[2]初紅霞，謝忠玉，王希鳳，等.“卓越工程師教育培養計劃”下應用型電類本科人培養自動化專業課程改革[J].中國現代教育裝備，2016（9）：102-104.

[3]許仙珍，單長考，鄒萍，等.面向卓越工程師培養的PLC控制技術理論與實踐課程教學改革探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2016（8）：148-150.

[4]楊艷，周振，王登貴，等.基于卓越計劃的PLC工程實訓教學改革與實踐[J].實驗科學與技術，2016，14（1）：136-139.

[5]林健.“卓越工程師教育培養計劃”專業培養方案研究[J].清華大學教育研究，2011，32（2）：47-55.