面向卓越工程师培养的PLC—DCS实训平台研究

陈景召　忽晓伟　陈军　陈瑞霞

摘 要 根据卓越工程师的培养目标，结合自动化专业的学科背景和知识体系，就如何更好地开展自动化专业核心实践课程等一系列问题，研究并设计PLC-DCS实训平台，将传统可编程控制器课程和过程控制与集散系统课程实践平台进行有机结合，形成工业控制与系统集成方向具有特色的面向工程的实践教学体系。

关键词 卓越工程师；实训平台；PLC-DCS

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：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，世界工控行業迎来“工业4.0时代”，它的到来标志着今后半个世纪工业控制领域的研究和发展方向必然走向高度集成化、智能化以及综合化[1]。在此背景下，作为培养专业技术人员的普通高等院校，尤其是工科院校，更应该大力加强相关专业的理论及实践教学方法改革，以更好适应新形势下专业技术发展与市场及社会应用人才的发展趋势，实现能够有效地向社会培养有技术、有能力、有眼光的高层次技术人才的目标。

课题主要研究在新形势下，普通高等院校电气信息类专业，以可编程控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）以及网络控制系统（NCS）等关键技术为核心的自动化实践教学装备的拓展、创新、改革、研究与应用。

2 PLC-DCS实践教学平台的研究背景

PLC-DCS实践教学平台的研究构想基于普通高等院校电气信息类自动化及相关专业普遍开设的可编程逻辑控制器（PLC）、过程控制、计算机控制系统及集散控制系统等核心专业课的新型实践教学平台研究，拟将传统PLC实训平台、DCS实训平台结合当前飞速发展的网络控制系统，以“工业4.0时代”自动化系统高度集成化为要求，研制新型PLC-DCS综合实验、实训装置，使已有可编程控制器技术与分布式智能控制系统技术二者更加有机地结合起来，更好满足当前自动化类专业实践教学的高需求。

国内PLC相关实训平台以单一学科实训装置为主，具有典型代表性的主要有浙江天煌科技的THSM系列、上海华大的HD2系列等，这些实训装置以单一品牌的工控产品为核心，能够满足PLC的基本教学任务，且装置投入市场应用时间较长，稳定性和安全性较好。但其主要问题在于实验内容整体偏于基础实验，对于设计性实验或创造性实验来说不能很好满足需求；系统核心模块的可移植性较差，不能满足新形势下的实践教学需求。加之国外实训装置及设备较少，其功能性和实用性仍需进一步考证，因此，就当前形势下，针对现有传统实训平台的改进研究与开发是必然趋势。

3 PLC-DCS实践教学平台基本方案

根据卓越工程师培养目标，应将现有PLC实训平台和DCS实训平台进行功能整合[2]，从整体结构与原理上满足当前实际工业控制系统的基本构架，最大限度地接近工业现场控制系统，其基本内容包括以下四个部分。

1）原有PLC及功能模块的扩展。根据最新主流品牌控制器产品，额外设计网孔板或挂件板，实现控制器的可更换性与拓展性。

2）原有被控对象的扩展。其扩展设计思路与控制器部分基本原理相同，需要格外重视现场对象的电气接口满足新技术，如工业以太网口、CC-Link接口等。

3）原有DCS控制级和现场级相应接口的升级改造。

4）改造完成的PLC系统和DCS系统的物理接口、电气接口的匹配，以及被控对象的复杂性、多样性设计。

课题的创新点在于将以往熟知的PLC技术与DCS技术实训装置有机结合，提高在实践教学中进行综合设计性和开放性实验对系统的更高要求；此外，由于改进后的系统硬件基于原有系统，在保证较低系统成本的前提之下，仍保留了以往设备所支持的基础性实验，能够满足各层次人才的培养需求。

根据实践教学应用需求，根据现有设备的基本情况，PLC-DCS一体化综合实训平台的设计步骤主要包括三方面的内容。

1）控制器的升级与改造，主要包括PLC模块和DCS采集卡模块的拓展改造。首先将以往控制器部分硬件电路进行改造，使控制器能够实现自由更换；然后采购当前新型主流控制器作为增补模块，设计挂件或网孔板，作为控制器模块的载体。

2）被控对象的升级与改造。与控制器部分的改造方法不同，被控对象升级改造基本原则在于保持原有对象结构不变的情况下，额外附加新对象，并最终保证改造完成的对象仍具有完整性和一体性。这一原则是基于以往的设备维护经验以及工业现场对象实际情况所确立的。

3）接口技术的升级与改造：保留通用电气接口，舍弃原设备厂家自行设计、在工程中应用较少的通信接口及相关部件，引入近5～10年来的新型接口技术，以扩充电气系统的接口技术，确保系统的前瞻性。

4 PLC-DCS实训平台配套教学内容与方法改革

由于本系统的最终落脚点是为学生提供更优秀的、更贴近工业现场的实训平台，故使用该平台进行实践教学或课程设计时，若仍然采用传统的教学资源或方法，势必会有诸多不便[3]。

如在进行传统PLC课内实验“十字路口交通灯控制系统”时，教师无须将实际交通灯硬件电路进行详细介绍，仅需引导学生利用目前所学指令完成相應程序并联机调试即可。但是在以工程应用为核心的PLC-DCS实训平台下，“十字路口交通灯控制系统”实验的侧重点就有了明显的不同，在进行实践教学时，教师应着重引导学生进行面向整个系统的集成方法与可行性分析，以实际工程应用的一般方法对系统进行讨论，尽管最终的讨论结果是“十字路口交通灯控制系统是以单片机配合外围电路设计而成的专用控制器，而非靠PLC完成控制任务”之类“颠覆性”的结果，但是在分析和讨论中，学生对实际工业应用与课内验证性实验均有了深刻的认识。甚至可以这样认为，面向实际工业工程思路的培养远远比课内实验本身或是课程体系本身重要。

因此，为了能将研究的实训平台真正投入实践教学尤其是卓越人才培养计划中去，需要进行教学内容与方法的改革[4]，主要包括以下三方面内容。

1）根据PLC-DCS实训平台进行实训指导书的改编，将原有验证性实验压缩或与部分设计性实验合并。

2）对现有教学软件进行及时升级，保证教学内容的先进性。如将原有西门子编程软件STEP摒弃，用最新的TIA博途软件取代，保证学生学习和就业软件平台的一致性。

3）在教学方法上，除了保持原有基础课程讲授之外，大力引入项目法教学和“分时段考核”制度，将理论扎实、动手能力突出的学生从班级中选拔出来，成立卓越人才专项训练组，并根据实际情况进行更加深层次的项目教学。

5 结语

卓越工程师计划以培养创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才为目标[5]，将此目标作为出发点，根据自动化专业与“工业4.0”概念相契合的实际需求，本课题设计了PLC-DCS实训平台，一方面拓展了原有实验平台的功能，另一方面向工程应用方向侧重，并在“卓越工程师”培养计划中进行相应的教学内容与方法改革，走出一条“理论实践一体化”且“面向工业系统集成”的具有特色的实践育人体系。

参考文献

[1]李立国.工业4.0时代的高等教育人才培养模式[J].清

华大学教育研究，2016，37（1）：6-15，38.

[2]初红霞，谢忠玉，王希凤，等.“卓越工程师教育培养计划”下应用型电类本科人培养自动化专业课程改革[J].中国现代教育装备，2016（9）：102-104.

[3]许仙珍，单长考，邹萍，等.面向卓越工程师培养的PLC控制技术理论与实践课程教学改革探索与实践[J].中国教育技术装备，2016（8）：148-150.

[4]杨艳，周振，王登贵，等.基于卓越计划的PLC工程实训教学改革与实践[J].实验科学与技术，2016，14（1）：136-139.

[5]林健.“卓越工程师教育培养计划”专业培养方案研究[J].清华大学教育研究，2011，32（2）：47-55.