面向卓越工程師培養(yǎng)的PLC—DCS實訓平臺研究

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，結(jié)合自動化專業(yè)的學科背景和知識體系，就如何更好地開展自動化專業(yè)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(tǒng)可編程控制器課程和過程控制與集散系統(tǒng)課程實踐平臺進行有機結(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踐教學體系。

關(guān)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(yè)迎來“工業(yè)4.0時代”，它的到來標志著今后半個世紀工業(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)專業(yè)技術(shù)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(guān)專業(yè)的理論及實踐教學方法改革，以更好適應新形勢下專業(yè)技術(shù)發(fā)展與市場及社會應用人才的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)能夠有效地向社會培養(yǎng)有技術(shù)、有能力、有眼光的高層次技術(shù)人才的目標。

課題主要研究在新形勢下，普通高等院校電氣信息類專業(yè)，以可編程控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）以及網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS）等關(guān)鍵技術(shù)為核心的自動化實踐教學裝備的拓展、創(chuàng)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(gòu)想基于普通高等院校電氣信息類自動化及相關(guān)專業(yè)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(tǒng)及集散控制系統(tǒng)等核心專業(yè)課的新型實踐教學平臺研究，擬將傳統(tǒng)PLC實訓平臺、DCS實訓平臺結(jié)合當前飛速發(fā)展的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，以“工業(yè)4.0時代”自動化系統(tǒng)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(shù)與分布式智能控制系統(tǒng)技術(shù)二者更加有機地結(jié)合起來，更好滿足當前自動化類專業(yè)實踐教學的高需求。

國內(nèi)PLC相關(guān)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(chǎn)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(wěn)定性和安全性較好。但其主要問題在于實驗內(nèi)容整體偏于基礎(chǔ)實驗，對于設計性實驗或創(chuàng)造性實驗來說不能很好滿足需求；系統(tǒng)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(xiàn)有傳統(tǒng)實訓平臺的改進研究與開發(fā)是必然趨勢。

3 PLC-DCS實踐教學平臺基本方案

根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)目標，應將現(xiàn)有PLC實訓平臺和DCS實訓平臺進行功能整合[2]，從整體結(jié)構(gòu)與原理上滿足當前實際工業(yè)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架，最大限度地接近工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，其基本內(nèi)容包括以下四個部分。

1）原有PLC及功能模塊的擴展。根據(jù)最新主流品牌控制器產(chǎn)品，額外設計網(wǎng)孔板或掛件板，實現(xiàn)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(xiàn)場對象的電氣接口滿足新技術(shù)，如工業(yè)以太網(wǎng)口、CC-Link接口等。

3）原有DCS控制級和現(xiàn)場級相應接口的升級改造。

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，以及被控對象的復雜性、多樣性設計。

課題的創(chuàng)新點在于將以往熟知的PLC技術(shù)與DCS技術(shù)實訓裝置有機結(jié)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(tǒng)的更高要求；此外，由于改進后的系統(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，仍保留了以往設備所支持的基礎(chǔ)性實驗，能夠滿足各層次人才的培養(yǎng)需求。

根據(jù)實踐教學應用需求，根據(jù)現(xiàn)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(nèi)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?qū)崿F(xiàn)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(wǎng)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(jié)構(gòu)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(jīng)驗以及工業(yè)現(xiàn)場對象實際情況所確立的。

3）接口技術(shù)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(guān)部件，引入近5～10年來的新型接口技術(shù)，以擴充電氣系統(tǒng)的接口技術(shù)，確保系統(tǒng)的前瞻性。

4 PLC-DCS實訓平臺配套教學內(nèi)容與方法改革

由于本系統(tǒng)的最終落腳點是為學生提供更優(yōu)秀的、更貼近工業(yè)現(xiàn)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(tǒng)的教學資源或方法，勢必會有諸多不便[3]。

如在進行傳統(tǒng)PLC課內(nèi)實驗“十字路口交通燈控制系統(tǒng)”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(lián)機調(diào)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(tǒng)”實驗的側(cè)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(tǒng)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(tǒng)進行討論，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(jié)果，但是在分析和討論中，學生對實際工業(yè)應用與課內(nèi)驗證性實驗均有了深刻的認識。甚至可以這樣認為，面向?qū)嶋H工業(yè)工程思路的培養(yǎng)遠遠比課內(nèi)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(yǎng)計劃中去，需要進行教學內(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(xiàn)有教學軟件進行及時升級，保證教學內(nèi)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(yè)軟件平臺的一致性。

3）在教學方法上，除了保持原有基礎(chǔ)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(jù)實際情況進行更加深層次的項目教學。

5 結(jié)語

卓越工程師計劃以培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才為目標[5]，將此目標作為出發(fā)點，根據(jù)自動化專業(yè)與“工業(yè)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(cè)重，并在“卓越工程師”培養(yǎng)計劃中進行相應的教學內(nèi)容與方法改革，走出一條“理論實踐一體化”且“面向工業(yè)系統(tǒng)集成”的具有特色的實踐育人體系。

參考文獻

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