工业计算机控制系统课程改革与实践——基于工程教育认证

汪德彪，胡文金，杨波，刘显荣，姚立忠

我国于2016年6月成为《华盛顿协议》的正式成员，标志着我国高等工程教育进入新阶段。随着“卓越工程师计划”与工程教育认证挂钩，我国工科专业参加工程教育认证的热度上升。工程教育认证遵循以学生为中心、产出导向和持续改进的理念。要在实质意义上满足工程教育认证要求，必须以这种理念构建专业人才培养方案，明确培养目标和毕业要求，而专业课程体系是培养目标和毕业要求的支撑基础［1-3］。计算机控制系统作为自动化专业的一门核心课程，对学生的专业素质培养和专业核心能力形成具有重要的作用。重庆科技学院自动化专业于2016年通过工程教育认证，为满足自动化专业工程教育认证需要，我们对工业计算机控制系统课程进行了深入改革，得出了一些基本经验。

一、自动化专业计算机控制系统课程教学目标

重庆科技学院自动化专业依据OBE（Outcome Based Education）理念制定人才培养方案，遵从工程教育认证理念，确定了自动化专业学生毕业5年左右要达到的5个方面的能力要求：一是具有工程伦理道德和正确的社会价值观，具有承担社会责任的能力；二是熟悉技术规范，具有跨文化交流、协同工作和管理的能力；三是具有利用自然科学和工程知识，识别和分析现场工程问题的基础能力；四是具有终身学习能力，具有运用新方法、新技术、新软件等现代工程技术和工具的能力；五是在多种现实约束条件下，具有协同解决现场工程问题所需的技术能力和业务能力。自动化专业根据5个方面的能力要求确定了12条毕业要求，根据毕业要求构建专业课程体系，课程体系中各课程教学目标的达成是毕业要求达成的基础，一般通过课程目标的达成度来支撑毕业要求的达成度［1-5］。

工业计算机控制系统作为自动化专业的核心课程之一，主要支撑毕业要求2-2、3-1、6-2和7-2指标点。指标点2-2：能识别和表示自动控制系统的主要环节、结构和参数；指标点3-1：能够根据用户需求确定自动化系统设计目标、设计依据和设计步骤；指标点6-2：了解与自动化系统相关的技术标准、产业政策和法律法规，尊重知识产权；指标点7-2：理解经济与社会可持续发展的意义，能针对实际自动化工程项目，评价其投入使用后对经济和社会可持续发展的影响。

在充分理解自动化专业人才培养目标和毕业要求的基础上，结合工业计算机控制系统课程的工程性和综合性特点，制定课程的教学目标，具体包括：（1）理解计算机控制系统的结构特点、主流技术、发展趋势等，理解使用计算机控制系统提升工业生产自动化水平的意义；（2）熟悉工业计算机、总线与接口技术，能熟练使用和维护工业计算机系统；（3）掌握过程通道的组成与实现技术，能分析过程通道中的典型单元电路，能正确应用典型的过程通道；（4）掌握计算机控制系统中的测量预处理方法和控制算法，会使用多种实现方案；（5）理解总线型网络与通信技术，能搭建计算机控制网络；（6）掌握计算机控制系统的软件实现方法，能够编写数据采集、PID运算和输出程序；（7）了解计算机控制系统设计方法、步骤和技术标准，能根据控制目标和要求，给出计算机控制系统的简要设计方案。

二、存在的问题

根据自动化专业人才培养目标和毕业要求，工业计算机控制系统课程的目标不仅有技术性要求，也有非技术性要求。目前工业计算机控制系统课程主要存在3个方面的问题。

第一，非技术性教学内容与技术性教学内容的融合不充分，甚至缺少非技术性教学内容。比如计算机控制的技术标准、管理规范、产业政策和法律法规、技术经济、环境保护等，这些非技术性内容涉及很少。即使有也只是从技术性教学内容中剥离出来，形成“两张皮”，没有与技术性教学内容有机融合，教学效果不佳。

第二，教学内容陈旧，与当今主流技术脱节。先进成熟的计算机控制技术进入课堂是工业计算机控制系统课程教学追求的目标，只有这样才能满足工程教育认证要求。当今国内计算机控制系统课程的教材或多或少存在教材内容与工程应用实际脱节的问题，一些已经在工程应用中不再使用的技术仍然占据教材的不少篇幅，与现代计算机控制技术的现状存在差距。

第三，教学内容的工程性不强，理论成分多，工程理念体现不充分。比如PID算法工程化处理与编程实现问题、实验对象与真实对象存在较大差距，大学教学与工程应用“最后一公里路程”始终不能贯通。

三、工程教育认证下的教学对策

（一）教师必须透彻理解自动化专业的培养目标和毕业要求

教师不应只简单讲授工业计算机控制系统课程的基本知识，而应把该课程融入到自动化专业的课程体系中，站在自动化专业人才培养的全局去思考该课程的教学问题，准确界定该课程的边界和自动化专业课程体系中各门课程之间的关系。只有这样才能在教学中明确工程教育认证标准强调的复杂工程问题的针对性，凸显核心课程的教学地位，才能抓住课程的本质，形成人才培养合力，为毕业要求的达成提供支撑。为了充分发挥教师的关键性作用，在自动化专业负责人的引领下，在控制理论与控制技术课程小组内对工业计算机控制系统课程进行研讨。研讨内容涉及自动化专业核心能力、课程如何达成相关能力、课程教学内容的取舍与实施方法等。经过讨论达成的共识在实际教学活动中具有更好的执行力，能确保课程目标的实现。

（二）非技术性内容融入技术性内容教学

从工业计算机控制系统课程支撑自动化专业毕业要求指标点看出，该课程需要支撑许多非技术性指标。为此，将控制与环境、控制与效益、规范与法律等非技术性内容融入到技术性内容中，使课程教学显得立体而丰满，从而推进课程目标的完整实现。

第一，充分利用案例教学手段。将控制与环境、控制与效益的内容纳入案例分析中，主要体现在2个教学内容上：一是在计算机控制系统基本概念和性能分析章节，以造纸厂的技术改造为案例，从经济成本上分析，用计算机控制取代传统控制需要一次性投入的经费预算，采用计算机控制后，估算劳动力节省和能源与资源消耗减少的成本，将投资与收益对比，计算收回投入需要的时间。从环境保护与社会责任上分析，造纸企业是污染排放大户，主要是水污染，污水必须经过处理才能排放。对当今社会来讲，排放达标与否是企业生存的基本前提，生态污染后的修复和造成的生态影响难以用金钱来衡量，生态环境效益是无价的。从产品质量提升上分析，产品质量提升不仅能提升经济效益，也能对产品品牌的形成和企业形象的改善提供支持。在分析时列出具体的指标数据，并深入分析其深刻内涵，为后续技术性内容的学习指明方向，建立起非技术性内容与计算机控制相关技术性内容之间的联系，展现非技术性内容在计算机控制中的重要性。二是将计算机控制系统设计与案例分析章节安排在课程教学的末尾。通过1～2个具体案例，以计算机控制系统工程设计与应用的流程为线索，即控制需求分析→方案论证→硬件选型与系统搭建→软件平台选择→系统设计→调试与运行→工程验收与用户培训→技术资料归档。在实际工程项目中，自动控制通常处于从属地位，它必须服从工艺和设备的要求。从工程合同的甲乙双方来讲，从事自动控制的人员往往处于乙方的角色。在控制需求分析这一环节，站在合同乙方的视角去分析合同甲方的控制需求，分析控制的约束性和非约束性指标以及特色需求，分析满足这些指标需要的技术手段与方法如何选取，这些分析为控制系统方案的设计奠定基础。在控制方案选择时，不仅要考虑控制系统的先进性，还必须考虑控制系统的实用性与技术继承性。在控制方案论证中，要充分分析控制系统与环境适应性和控制系统实施的法律风险，比如会不会造成环境污染、运行事故应急处理措施的完善程度、控制系统的安全处理措施能否规避法律风险等。在控制系统成本核算方面，指出工程成本是如何计算的，硬投入成本和软投入成本的计算方法应该怎样进行，为此将技术经济与管理课程的一些知识贯穿进来。通过这种立体化的案例分析使学生学会从工程实际出发去分析和解决问题，增强了学生的专业技术能力和非技术能力。

第二，实施综合性大作业，促使学生利用各种资源进行探究式学习，将非技术性内容涵盖其中。例如，“以生活供热用的小型锅炉煤改气为例，请分析进行计算机控制改造的主要内容，以及实施改造的成本分析和投资回报时间分析，并分析实施计算机控制后的供热质量、经济效益、环境保护等方面的进步，尽量以数据说明。”该作业题给学生提供了广泛的发挥空间，学生利用网络和图书资源搜集相关信息，得出的答案也多种多样，有些答案的信息和数据比较充实，有些答案的数据少，表达不够具体。但不管回答的质量好与不好，都能使学生对非技术性内容有一定的认识，进而促使学生综合素质的形成。

通过案例教学将非技术性内容与技术性内容结合起来，使之成为工业计算机控制系统课程的有机整体。

（三）加强工业计算机教学内容

工业控制计算机（IPC），是计算机控制系统的硬件基础，它随着计算机技术的进步以及计算机在工业控制中应用的不断深入而不断发展。计算机控制系统课程的传统教学内容只注重总线型工业计算机，很好地兼容了普通商用计算机的软硬件资源，受到了业界的欢迎，但可编程控制器（PLC）、嵌入式控制器（EC）、智能调节器（ICM）、远程实时控制单元（RTU）、分布式控制系统（DCS/FCS）等工业控制装置没有很好地体现在课程教学中。为此，我们将计算机控制技术基础和工业计算机2门课程整合为工业计算机控制系统课程，重新制定课程教学大纲。各种各样的工业计算机在其他课程中也有涉及，特别是PLC和DCS还有相应的课程安排，如何将这些工业计算机有机地连接成一个完整的计算机控制系统是计算机控制系统课程的基本任务。为此，在工业计算机教学内容上除了增强ISA、PCI板卡分析与应用，还补充了控制系统的基本架构。一是IPC+过程板卡的单机架构，二是IPC+远程I/O模块或IPC+PLC或IPC+RTU或IPC+ICM的小型分布式或上下位机架构，三是以DCS/FCS为核心的大型分布式计算机控制系统架构，形成了递进式的教学内容。

为了突出教学内容的效果，实行非标准答案课程考核方式。答案不是唯一的，只要学生对自己的观点和控制方案有合理的分析，论据充分，都给予认可。如“请比较IPC和PLC这2种工业控制计算机各自的特点和优势，你认为两者之间有无取代的可能性，如果让你选择，你更愿意使用IPC还是PLC？为什么？”IPC和PLC都是当今主流的工业控制计算机，学生的答案一般有3种：一是认为IPC和PLC各有优缺点，相互补充，互不取代，并逐渐走向融合，这是主流答案，占80%以上；二是认为IPC会取代PLC，给出的理由是IPC更灵活，资源更丰富，此类答案占比在5%左右；三是认为PLC会取代IPC，给出的理由是PLC更适应工业环境，此类答案占比在10%左右。又如“有一燃气加热炉计算机控制系统，通过调节燃气供给量来达到控制炉膛温度的目的。在该系统中还需要检测炉膛压力和烟囱排放气体中的氧气含量，在炉膛压力过高时应该开启放散阀。请统计控制系统的过程信号，搭建控制系统硬件方案，并配用适当文字阐述该控制方案。”学生选择的控制系统方案主要有4种形式：一是IPC+PCI板卡模式，这种模式为单机计算机控制系统；二是IPC+ICM模式，这种模式为小型分布式控制系统；三是IPC+ADAM模块模式，这也是一种小型分布式控制系统；四是IPC+PLC模式，这种模式为上下位机系统。4种模式都是这种小型系统的主要模式，在学生的答案中有在硬件配置上列出具体型号的，也有不明确具体参数的，回答质量有高有低。

（四）将工程化理念融入教学内容

将计算机控制的基本理论、基本技术和基本方法用于解决工程实际问题是工业计算机控制系统课程教学的使命所在。在教学过程中始终坚持灌输工程化理念，注重在课堂教学中联系工程实际，从工程应用中提出对计算机控制的要求，主要对以下教学内容进行改革。

第一，PID算法工程化处理。PID算法是应用最广泛的控制算法，对该算法的工程化处理极其重要。PID算法表达式虽然简单，但在实际工程中的应用却十分复杂，如何让PID算法适应多样化的工程应用就是一个典型的工程化问题。PID算法工程化可分为给定值、测量值、偏差量、控制算法实现、控制量和手/自动无扰切换6个方面［6］。以手/自动无扰切换处理为例，一是回答计算机控制系统为什么要保留手动操作方式的问题，主要理由是系统调试需要手动方式，以及计算机系统出现故障时需要手动操作进行应急处理；二是回答硬手动和软手动的区别与应用场景的问题，所谓硬手动是脱离计算机系统的手动操作方式，而软手动是经过计算机系统的手动操作方式。显然在计算机出现故障后需要硬手动操作，而软手动是在调试或在运行期间人干预计算机控制的一种操作方式，在工程实际中二者都需要；三是回答无扰切换的工程意义以及如何实现的问题，PID算法输出是通过执行器完成控制的，如果手/自动切换时形成控制量的“阶梯”，可能对生产过程造成“破坏性”扰动，让学生明白工业生产过程是不允许过大的扰动。至于无扰切换的实现就是在手/自动模式下，相互跟踪或记忆控制量，在模式切换时不会出现控制量“阶梯”现象。PID算法工程化处理的其他几个方面也采取相应的措施，使教学与工程应用对接，这些措施的采取有利于提升学生的工程意识。为了进一步将PID算法的工程化落到实处，将西门子S7-300系列PLC中的PID算法模块FB41在课堂上展现出来，借助于典型工控产品中的PID算法块来分析PID算法工程化处理的实现过程。

第二，工程量的标定与校准处理。工程量是客观存在的物理量，通过变换和转换才能在计算机中以一定的数字量来表示。这个变换和转换的过程隐含了一系列工程问题，例如，数字量与物理量之间的关系、计算机内部运算和I/O处理问题、控制量与各种类型执行器的对应关系、A/D和D/A分辨率与数据的关系、大信号与小信号之间的对比关系等。以标准数处理为例，一是计算机控制系统中的物理量有大有小，不能将数的大小作为直接比较与判断依据，因为它们代表不同的物理意义。比如一个0～1 000℃温度系统与一个0～5 m的液位系统，显然将2个系统的数据进行比较时不能直接比较2个系统的参数大小，如果在一起运算则小信号的地位得不到体现，甚至会造成错误。就上述系统而言，2.5这个数对于温度系统而言是一个微不足道的小数据，而对于液位系统来讲则是50%的液位高度，如果把过程参数折算成0～1的标准数，就可避免错误的产生；二是标准数0～1在控制输出时代表控制阀门0～100的开度，比如输出4～20 mA电流去控制阀门，采用12位D/A转换器进行数/模转换，则要将“0”转换成“819”输出，将“1”转换成“4 095”输出，0～1 被线性地折算成 819～4 095的整数。计算机控制系统中涉及广泛的数据处理问题，这些问题的产生与工程实际密切相关，将对这些问题的工程化分析和与工程实际联系起来是教学过程融合工程化理念的具体体现。

四、结语

工程教育认证是一个持续改进和不断深化的过程，学校类型和学生差异使得计算机控制系统的课程教学千姿百态，不可千校一面。重庆科技学院作为应用型普通高等学校，具有较悠久的应用型人才培养历史，自动化专业也是重庆科技学院办学历史最长的专业之一，积累了丰富的经验，计算机控制课程历经了计算机控制技术基础、工业计算机系统+计算机控制技术和工业计算机控制系统3个阶段，深入融合工业计算机、计算机控制技术、工程化案例和计算机控制非技术性内容。通过几年的教学实践，这种融合不断完善，但随着社会需求的不断变化、自动化专业培养目标的不断优化、计算机控制技术的不断发展，工业计算机控制系统课程教学仍然需要持续改进。