自動化專業工程化模式實訓基地建設與實踐

高娟娟+楊娟霞+劉福才

[摘 要] 展示了燕山大學自動化專業實訓基地的發展現狀，結合“校企合作”的培養模式，對ABB傳動控制系統實訓平臺建設及實訓內容進行了詳細闡述，并指出了在實訓基地建設中做出的重大改革和實踐實施效果。最后，提出了以培養優秀工程技術人才為目標的實踐教學改革方案，以實現人才培養質量與社會需求的最大化吻合。

[關鍵詞] 實訓基地；自動化專業；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“質量工程”，這一舉措為加強高校教學的實踐性環節提出了新的要求和挑戰。各大高校紛紛響應，加強了對實踐基地的建設重視程度，加大教學實踐基地的建設力度，特別是對于工程實訓中心的建設尤為重視[1]。中國礦業大學采用西門子PLC，融入工業控制網絡結構，設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，并在此基礎上自制或訂做被控對象，以實現能夠更好地模擬工控現場[2]。南昌工程學院搭建了基于Kingview的網絡化PLC實訓室，并針對八個來自不同行業的典型工程項目，進行設計、制作、安裝與調試。每種實訓裝置的實訓內容都有側重的與PLC課程教學的內容相關聯，學生可以自由選擇不同的項目進行實訓，內容可以為硬件結構設計與布線、軟件編程與調試、項目組態和分布式結構設計等[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品的平臺[4]。實訓實驗室注重在真實設備上的動手能力和實踐訓練，幫助學生對自動化技術進行快速的理解和掌握，并最終運用到實際工作中。校內實訓室不僅僅可以對學生進行專業技能訓練，還是學生養成職業道德、職業習慣、團隊意識、安全生產意識、成本意識和環保意識等各種職業素養的重要場所[5]，在工程技術人才的培養中具有重要作用。因此，探索實訓實驗室的建設規范和研究實踐環節的基本內容顯得尤為迫切。

1 燕山大學自動化專業實訓基地建設現狀

燕山大學自動化專業依托河北省重點實驗室的設備資源及部分專項經費的投入，多年來致力于實訓基地的建設。實訓采用校外參觀、校內動手設計、安裝調試相結合的方式，校內實習包括PLC控制系統設計及應用和單片機控制系統設計及應用。經過10年多的建設，自動化系校內實訓基地現有自主研制的實訓平臺總數達到400多臺套，總價值120多萬元，可滿足自動化專業的校內生產實習、本科生專業綜合訓練、本科生畢業設計、卓越班專業綜合實訓、專業碩士綜合訓練等實踐教學環節的要求。

PLC、觸摸屏、變頻器、全數字直流調速裝置和工業現場總線是企業自動化生產線上應用比較多的設備，因此讓學生在學校熟悉這些設備的特點及使用方法，可以大大縮短學生就業后在企業的實習培訓時間，增加就業機會。燕山大學自動化專業根據多年來與企業合作的經驗，結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，自主研發了多組PLC實訓設備，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網絡的實訓掛屏5套，西門子S7-400+TDC+西門子交流伺服的高級控制系統實訓裝置1套，全數字交直流調速系統實訓柜5套，ABB傳動控制系統實訓平臺10套。其中，全數字電力拖動自動控制系統實訓柜主要包括西門子6RA70、英國歐陸590P、芬蘭ABBDCS402、西門子6SE70等全數字式調速裝置，采用FX-2NPLC及HMI控制。全數字交直流調速系統實訓柜的設計及功率選擇以生產實際為背景；PLC的擴展模塊包括數字量輸入模塊DI、數字量輸出模塊DO、模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、高速計數單元HI等。

2 ABB傳動控制系統實訓案例分析

2.1 ABB傳動控制系統實訓現狀及內容

ABB傳動控制系統實驗室組建于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公司相關技術人員的指導下，由燕山大學自動化專業的學生搭建完成。在該實訓平臺投入使用之前，為確保安全，ABB公司技術人員負責平臺的初次上電調試，并給燕山大學自動化相關教師做了技術培訓。

如圖2所示，ABB傳動控制系統實訓平臺主要包括PLC、變頻器、觸摸屏等一系列ABB產品，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，變頻器為執行環節，三相異步電動機為被控對象，編碼器為測量環節的交流閉環調速系統（如圖3所示），整個系統輸入給定和狀態監控可由觸摸屏來實現。

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”及“交流拖動控制系統”等相關課程的基礎上著手去接觸實際產品，根據實際項目（如冷彎成型生產線多電機同步控制、鑄造制芯生產線運輸小車加減速控制等）的工藝要求，從最初的控制系統設計、組裝、調試到最后實現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，提高發現問題及解決實際問題的能力。為了充分激發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學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，由指導教師嚴格監督把關，確保每一個學生都能夠真正的完成工程實訓項目。根據以往的實訓經驗，為了科學合理的設置實訓學時，將ABB傳動控制系統實訓項目具體安排見表1。

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

2.2 實訓室建設和教學改革

在不斷總結以往教學經驗基礎上，對實訓基地建設和實訓內容做出了重大改革，主要體現在以下兩方面。

1）完全開放式的實訓設備。在以前的實踐教學過程中，所用實訓設備內部都是封閉的，在這種條件下，學生只能夠機械地按照實驗步驟進行操作，觀察實驗現象，不能了解實訓設備內部的結構及工作原理，這種教學模式不利于學生掌握知識和技能。鑒于此，自動化系在實訓設備的建設中要遵循完全開放性的原則，主要表現為：實訓設備上電氣元器件之間的接線采用直接連接方式，元器件布置以生產實際控制柜的布局為參考，這一點是與目前國內現有教學儀器設備公司生產的PLC實訓設備完全不同的。這樣，實訓設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節對實訓設備的硬件結構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的設計提供了依據。

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。“電氣控制及PLC”、“直流拖動控制系統”及“交流拖動控制系統”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專業知識，沒有實踐動手操作的機會，看不到實質的教學效果。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合，燕山大學自動化專業將“電氣控制及PLC”、“直流拖動控制系統”及“交流拖動控制系統”等課程在工程實訓室開展或增加相關的實踐教學環節。教學過程中，教師可根據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節進行培訓，也可分不同的時間段完成教材中全部內容的實訓。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線多電機同步控制、鑄造制芯生產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界面設計、PLC編程調試和變頻器參數設置部分，一方面培養學生設計、實施、分析及解決工程實際問題的專業技能，另一方面培養學生的團隊合作精神。通過實訓過程中學生的表現及考核環節反饋回來的信息，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速系統的主回路與控制回路設計，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設置等專業知識，同時在遇到問題時，也學會通過文獻檢索或查詢相關資料解決問題。更為重要的是，學生除了這些能力的提高外，還掌握了如何根據生產工藝要求設計一個完整控制系統和調試該系統的方法。

通過工程化模式實訓教學環節的開展，實現了“教學做”一體化的全新教學格局，充分調動了學生學習的積極性和主動性，激發了學生的學習熱情和實踐探索精神，讓學生自發的成為學習的主體，而不是被動的接受，培養了學生的工程意識、團隊合作精神、組織協調能力及實踐創新能力等綜合素質，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合作的經驗，結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，研發多組PLC實訓設備，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學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的價值，并結合自身的工程項目經歷，說明項目實施過程與本專業需要掌握知識和技能的結合點，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，要大膽探索創新，激發學習本專業知識技能的興趣和熱情，提高學生的工程實踐和創新能力。

4 結束語

實踐證明，自動化專業工程化模式實訓平臺的建設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。實訓考核和畢業生就業情況證明學校的教學改革已經取得了較好的效果，也進一步說明高校要適應社會經濟形勢的發展，創設有特色的實訓教學模式。今后我們將繼續積極探索實踐教學改革模式，以培養優秀工程技術人才為目標，改進人才培養模式，將工程環境、行業標準、企業的考核辦法引入實踐教學，以貼近學業、貼近企業、貼近就業，與崗位零距離等目標而努力，建設符合自身特色的實訓教學模式。

參考文獻

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