基于OBE的PLC實踐課程教學設計研究

劉魏宏 向禮丹

[摘 要] 該文從工程教育專業認證畢業要求出發，以PLC課程設計課題“MSBR池控制系統設計”為例，貫徹工程教育專業認證OBE理念，對課程設計的教學環節進行教學設計。分析和研究工程的技術和運行管理現狀，分析工藝流程和生產運行需求，通過技術經濟分析，確定設計方案。從復雜工程系統中提煉出子系統和復雜工程問題，學生在實踐過程中提升工程設計能力。設計成果證明，學生工程能力提高顯著。

[關鍵詞] 可編程邏輯控制器;改良式序列間歇反應器;基于產出的教育;組態監控

[基金項目] 2016年度湘潭大學第九批校級教學改革研究項目“基于工程教育專業認證的生產實習改革與實踐”

[作者簡介] 劉魏宏（1970—），男，碩士，湘潭大學信息工程學院講師，主要從事信息技術、信息工程教學與研究。

[中圖分類號] G642.42 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）17-0281-02 ? ?[收稿日期] 2019-09-04

現代工程是涉及科學、技術、人文、社會、經濟、管理、倫理、道德、法律等內容的復雜系統工程，必須運用現代科學知識和技術手段，在社會、經濟、資源、環境和時間等因素的限制范圍內，為滿足社會經濟需要而創造的過程。現代工程對工程師的綜合素質要求越來越高，對工程教育的要求也越來越高。近年來，工程教育專業認證普遍開展，工程教育專業認證通用標準中的畢業要求正是基于對現代工程師的能力素質要求制定的[1]。2016年，湘潭大學自動化專業首次通過了工程教育專業認證，專業認真貫徹認證OBE基本理念，積極探索實踐教學改革。本文以PLC課程設計為例，結合課題“MSBR池控制系統設計”，以工程教育的視角，闡述基于OBE理念的教學環節設計過程。

一、深入工程背景調研，積極評價工程的社會價值和可持續發展的意義

自動化技術廣泛用于工業、農業、軍事、科學研究、交通運輸、商業、醫療、服務和家庭等方面，為控制對象或工藝流程服務，并且構成一個完整系統。因此要做好自動化工程，就要深入學習和掌握工程背景知識。

我國是淡水資源匱乏的國家，隨著城市化和工業化進程的加快，城市污水產生量不斷增加，導致嚴重的水污染，并加劇水資源的短缺。因此，污水處理工程就是解決人民生活和可持續發展問題的民生工程，工程的社會價值、對環境與可持續發展的意義顯著。工程的技術現狀分析上，國家就城市污水處理問題頒布了一系列政策及技術規定，近年來我國城市污水處理飛速發展。工程的經濟價值分析上，污水處理工程涉及環境和水資源，工程建設投資規模大和投資回報周期長等特點，在發展過程中出現過多種投資經營模式：建設—經營—移交模式、移交—經營—移交模式、設計—建設—經營模式和委托經營模式。在投資、建設和運營中，各方利益訴求不同，是現代復雜工程系統的特點。滿足相關方的共同利益，是確定工程建設方案的必要條件。

二、深入分析工藝流程，培養需求分析能力

需求分析是設計計劃階段的重要活動，分析系統在功能上需要實現什么。需求分析的目標是把被控對象提出的要求或需要進行分析與整理，形成描述完整、清晰與規范的文檔。

首先，與工程師的職業能力接軌，培養學生樹立職業道德和職業規范意識，掌握污水處理的國家標準規范，工程設計出水水質應符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級B標準。其次，認真分析MSBR池工藝流程。MSBR反應池是污水處理的核心工藝，擔負著降低BOD（生化需氧量）、COD（化學需氧量）、SS（懸浮固體）及除磷脫氮的任務。MSBR池內分泥水分離池（2#）、預缺氧池（3#）、厭氧池（4#）、缺氧池（5#）、好氧池（6#）、SBR池（1#和7#）。曝氣沉砂池出水經MSBR池配水井進入4#池，與3#池的回流污泥混合，富含磷污泥在4#池吸收低分子有機物同時進行磷的充分釋放后，進入5#池;污水與從6#池回流至此的混合液充分混合，完成生物脫氮過程，5#池出水進入6#池后進行有機物氧化降解、硝化、磷吸收反應，然后進入1#序批池或7#序批池[2]。

MSBR工藝靈活，生產中需要根據實時的水質檢測數據，調整工藝參數。為了滿足生產經營的需要，確定控制系統的設計目標：（1）實時采集各種檢測數據;（2）實時監控生產過程;（3）實時調整生產工藝參數;（4）實時現場操作生產設備。

三、總體方案設計，培養技術經濟分析和決策能力

根據設計目標，設計總體方案，并進行技術經濟分析和經濟決策，是工程建設中的重要環節。在校學生缺乏對行業和市場的了解，因此具有工程經驗的指導教師對工程設計方案的指導是必不可少的。經過對比較成熟的幾個方案進行經濟決策分析，確定總體控制方案由三部分組成：（1）中央控制室監控方案主要是對多條生產線的PLC采集的數據信息進行實時匯總和監控，采用WINCC進行編程設計。（2）現場組態監控方案，采用每個MSBR池采用觸摸屏進行工藝參數的調整設置和運行狀態的監控。（3）PLC控制系統方案，包括動力柜、脫水機控制柜和MSBR池控制柜，系統采用s7-300系列PLC，遠程I/O以及光纖工業以太網通信。

四、提煉復雜工程問題，培養工程設計能力

MSBR污水處理控制系統是一個復雜工程系統，指導老師從中提煉出“MSBR池控制系統設計”作為課程設計的課題。MSBR池控制系統設計包括PLC控制系統設計和組態監控系統設計，從工程背景調研、需求分析、設計目標和總體方案設計貫穿而來的，以培養學生的工程設計能力。

PLC控制系統設計對MSBR池7個單元格設備的電氣控制，包括序批工藝流程的邏輯控制、精確曝氣的閉環變頻控制和調節閥的閉環控制[3]。組態監控系統的設計，采用觸摸屏顯示MSBR池生產線實時的檢測數據、進行生產工藝參數調整和設備操作。組態界面設計包括動態工藝、運行狀態、序批參數、系統操作、設備操作、儀表信息和歷史報警，在每一個界面的下面都有主菜單，便于選擇切換[4]。本文簡要展示MSBR池反應狀態，如表1所示。表中斜體、加粗部分是實時生產工藝狀態，表中斜體加粗的參數是可調整的工藝參數。

五、結論

MSBR污水控制系統是一個復雜的工程系統，復雜性并不是僅僅體現在技術上，而是因為涉及人文、社會、經濟、管理、倫理、道德、法律等各種制約因素。課程設計的教學環節設計與實際的工程建設流程有“形似”之處，指導老師只有從實際工程設計中提煉出復雜工程問題，學生只有深入理解工程與社會、工程與環境、可持續發展之間的關系，樹立工程中的職業道德和職業規范意識，努力做好每個設計環節，才能與實際工程設計“神似”，真正提高解決復雜工程問題的能力。

參考文獻

[1]工程教育認證標準[Z].中國工程教育專業認證協會，www.ceeaa.org.cn.

[2]杜英豪.MSBR工藝的運行管理實踐[J].中國給水排水，2006，22（2）：90-92.

[3]張曉燕，馮國良，等.基于PLC的精確曝氣控制在污水廠的研究與應用[J].自動化儀表，2013，（11）：71-75.

[4]韋文東，王會敏.基于PLC的污水廠MSBR池控制[J].可編程控制器與工廠自動化，2011，（6）：83-85.

Abstract：This paper start from graduation requirement of engineering education Accreditation，as PLC course design topic《design of MSBR tank control system》for example，implementing OBE concept of engineering education Accreditation，the teaching link of course is designed.Analysis and research present situation of technique and operation and management，In-depth analysis the requirement of process and operation management，By technical and economic analysis，determine the design schemes.Subsystems and complex engineering problems are extracted from complex engineering system，Students engineering design ability have been improved in the process of practice.The design results show that the students abilities of engineering have been greatly improved.

Key words：PLC（Programmable Logic Control）;MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）;OBE（outcome based education）;Configuration monitoring