工程认证视角下自动化专业创新实验室建设

曹荣敏， 吴迎年， 陈雯柏， 王占杰， 刘学东

(1.北京信息科技大学 自动化学院,北京 100192;2.北京研华科技有限公司,北京 100085)

0 引 言

建立工程教育专业认证制度，是实现我国工程教育全面协调可持续发展的迫切需要，这已成为工程界教育界的广泛共识[1-2]。2016年6月中国工程教育正式成为《华盛顿协议》成员国，促进了我国工程师按照国际标准培养、提高工程技术人才培养质量的重要举措，是推进工程师资格国际互认的基础和关键，对我国工程技术领域应对国际竞争、走向世界具有重要意义[3-4]。

工程教育认证标准的核心内涵是构建“产出导向”人才培养体系，并持续改进之。其强调以学生为本，面向全体学生，以学生为中心，以学生学习产出为导向的OBE(Outcome Based Education)的理念[5-6]。自动化专业经过多年的积淀，把握时代对人才的需求，依据学校定位，借助于自动化专业卓越工程师计划校企合作契机，适时调整人才培养目标和定位，逐步打造成为具有信息与控制、物联网控制技术有机融合，突出应用型人才工程实践和创新能力培养为特色的专业。2016年申请工程教育专业认证并受理，2017年11月工程认证专家进校考查，2018年5月正式通过了工程教育专业认证。自动化专业在工程教育专业认证持续改进过程中，将不断科学合理设计实践教学体系，开展实践教学环节的评价，创建创新实验室，深化工程认证的核心内涵，保证工程教育专业认证持续改进的质量。

“中国制造2025”提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，根本目标在于改变中国制造业“大而不强”的局面。实现“中国制造2025”的宏伟目标是一个复杂的系统工程，但最重要的是创新型人才培养[7]。

学校围绕北京市中长期发展规划纲要确定的高技术产业、现代制造业、生产性服务业、城市管理、城市交通、城市安全，以新一代信息技术、物联网控制、云控制为培养特色，在工程教育认证和中国制造2025大背景下，培养具备自动化、信息化两化融合的高端型复合人才提供强有力的学习实践环境，开展自动化专业实践教学改革和创新实验室建设势在必行。

1 基于工程教育认证的实践教学体系的构建

1.1 实践教学改革的指导思想

建立以学生为本、以学习产出为导向的持续改进和反馈机制，是工程认证的核心思想和内容。也是实践教学改革的指导思想。质量持续改进课程是学校教学的基本活动，建立针对毕业要求的课程(包括实践环节)评价机制是内部质量保证的核心[8]。自动化专业遵循OBE思想，建立课程评价闭环反馈跟踪机制，构建双循环的质量保障体系。

校外循环部分，自动化专业毕业的学生是被控对象，学校对被控对象毕业5年后的能力进行采样和持续的跟踪反馈，以满足学生符合培养目标的控制要求，即学生是否符合培养目标的要求(培养目标是否达成)，是否符合社会需求，是否符合自动化相关行业发展和职场需求，是否符合学校工程特色和专业定位，不符合的部分，为控制偏差，根据偏差对毕业要求进行调整，进而进入校内循环。

校内循环部分的最终目标是毕业要求是否达成，设计工程认证标准的课程教学大纲,包括课程目标对毕业要求的支撑、基于OBE教学理念和目标导向进行教学设计、课程考核方案的设计、并开展课程目标合理性评价和达成度评价，形成总结报告，进行课程持续改进。因此校内反馈环的“控制算法”是对课程教学评价中督导结果、学生评课、评教或课程评价结果，从而形成课程教学质量评价与保障体系。

实践教学模式改革和创新实验室建设是校内循环中课程体系达成不可缺少的软硬件支持条件。

1.2 创新实践教学模式设计

实践教学模式改革是教学质量保障校内循环中课程体系达成不可缺少的软件支持条件。

自动化专业在2016培养方案修订中，基于工程教育专业认证的标准，开展面向全体学生的创新创业实践教学改革，充分依托专业引领实战训练、开放实验、学科竞赛、“实培计划”“高水平交叉培养计划”“大创项目”“研究生科技创新项目”等，把创新创业教育融入人才培养体系，改革教育教学内容方法，改进实践课程评价机制，强化创新创业实践教学。让创新教育从新生入学开始，分层次融入4年的学习全过程。通过深入了解工程原理，综合运用多门课程知识，并平衡多方面因素满足题目要求，实现学生解决复杂工程问题能力的培养。实践课程精选了专业各类项目及学科竞赛，涉及专业理论技术范围广，综合性强，通过竞争形式的学习交流，提高学生对自动化专业理论技术的应用能力，培养学生积极向上的探索与意识创新创业中的团队合作能力[9-11]。2016培养方案修订中增加的实践选修环节如表1所示。

表1 实践类选修课程

2 自动化专业创新实验室的构建

2.1 创新实验室建设思路

创新实验室建设是教学质量保障体系校内循环中课程体系实践教学部分达成不可缺少的硬件支持条件。创新实验室建设为学生提供创新开发平台与直观展示平台，为创业型人才的培养提供条件。

在自动化专业卓越合作企业北京研华科技有限公司的支持下开展创新实验室建设。“先进智慧工厂实训平台”结合国家当前的制造业升级潮流，响应“中国制造2025”的发展方向。该实训平台整合了智能制造的核心思想，将智慧工厂在学校实验室呈现，让学生学习智能工厂的先进知识，并根据所学知识进行创新实践。为培养具备自动化、信息化融合的高端型复合人才提供强有力的学习实践环境，让学生对《中国制造2025》《工业4.0》现代化制造业知识进行学习与认知，促进学生的良好就业，同时开展工程教学，创新、创业的教学新模式，提供培养学生解决复杂工程问题能力的综合实验环境[12-14]。

创新实验室的建设为“专业开放实验”“自动化专业科技创新与科研训练项目实战”“创新创业竞赛实战”“物联网技术应用与开发”“毕业设计”等课程提供实战环境。学生还可基于实战平台开展自主创新、创业实践。

2.2 先进智慧工厂实训平台”组成及功能

实训平台是基于“中国制造2025”的全集成自动化实训系统，融合了教育信息化、工业信息化的产品，包括了虚拟仿真技术、计算机控制技术、工业网络与信息安全技术、监控技术、软件技术、互联网技术、电子商务技术等，是目前最先进、最复杂、一体化的综合的实训平台，结合了工程和研究的特性，为自动化专业培养多层次的创新人才提供硬件保障。该实训平台由两大部分组成。

(1) 工艺对象。针对智慧工厂概念，以及自动化专业特性。设计了两个仿真实验工厂。①半实物仿真的生物农药化工厂实验系统，②智慧制造生产线。前者属于过程自动化，后者属于制造自动化，更加具有突出中国制造2025特性。

(2) 车间网络信息系统。包括工业以太网组网，冗余网络，信息安全(攻击与防范)，融合信息系统，视频监控，大屏幕监控。实训平台组成框架如图1所示。

2.3 实训系统实现的功能

(1) 系统涵盖了最新、最先进的智慧制造概念，引入从现场级、车间级、工厂级、客户级的全集成信息系统。

(2) 提供给学生综合的、整体化的“中国制造2025”展示平台、实训实验平台。

图1 中国制造2025的全集成自动化实训系统

(3) 融合工业工艺、控制器、人机界面、执行系统、管控一体化、企业资源计划、电子商务、物流、到客户智慧服务全系列的创新平台，形成一个中国制造2025实战整体平台。

(4) 提供创新解决方案及复杂工程问题，促进学生将技术产品化、产业化智慧工厂全平面的搭建，实训系统涵盖了过程控制(仿真生物医药加工厂)、柔性离散控制(仿真实训灌装产线)、信息系统、网络系统、集中监控系统、调度中心系统等现代化智慧工厂主流技术的应用。

3 真实与虚拟的仿真实训系统

实训系统包括虚拟的生物农药化工厂仿真系统，智慧生产线仿真系统。

3.1 半实物仿真系统及真实实验系统

由于化工厂具有高温高压，以及腐蚀，防爆等特点，所以使用虚拟仿真技术来实现。从而具有安全、绿色、节能等特点。利用仿真输入输出模块，使用真实的控制系统来控制虚拟农药化工厂的过程自动化。

生物农药化工厂采用FLASH制作，通过接口软件，提供与可编程控制器PLC的仿真接口，实现全部虚拟的仿真控制。学生可以连接半实物仿真接口输入输出模块，从而连接真实PLC进行实验。可以通过按钮，快速设置工艺，进行特定实验。

3.2 智慧生产线真实与仿真系统

智慧生产线包括了生物药品配方混合过程自动化系统、立体仓库系统、罐装系统、加盖旋盖系统、质检系统、物流搬运系统以及喷码机7个工作站组成。可以通过PLC控制各个过程。学生可以在实验设备上进行实验，也可以在虚拟仿真系统进行实验。

通过混合反应单元来实现药水配方(成分比例)，两种原料的流量比值控制，加热温度控制，液位控制，罐装压力控制。

立体仓库提供瓶子选择，包括瓶子颜色，材质。码垛机把符合用户要求的瓶子送到出口，由传送站送往罐装单元物料台，完成罐装操作后，把罐装好的工件送往加盖旋盖单元的物料台，然后把不同颜色，不同材质的盖子夹到瓶子上。通过旋盖机构，拧紧，完成罐装后的成品送往质检单元分拣输出，最后通过机器人进行纸箱分装。立体仓库在启动后，会自动扫描库位的内容，形成库存表。

用户可以通过手机、PAD、计算机等，通过网页下单，选择不同的配方药水、不同瓶子、不同盖子，系统通过M2C、ERP、MES系统，让系统依据学生用户的定制来生产。

4 实训平台中车间网络与信息系统

采用路由器进行车间级和工厂级网络的隔离，并进行不同网段的互联。学生可以设计不同路由器之间的各种路由，实现各种协议。采用防火墙，进行Internet隔离，VPN通信。实现网络信息安全。通过这部分的学习，使学生将自动化与信息化结合，并学习网络安全方面的知识[15-16]。

4.1 大屏幕墙系统

大屏幕投影显示关键参数，时钟信息等。例如显示反应过程中的累积比例、温度、压力、PH值等参数，也可以提供告警信息。

4.2 工业网络与信息安全

工业以太网交换机可以实现车间级双冗余网络，实现组态系统间两条物理网络的连接，以防单一网络系统中网络出现故障则所有站点瘫痪的弊端。对于网络的任意一个站点均安装2块网卡，并分别设置在2个网段内。当主网线路中断时，组态网络通信自动切换到从网，并由从网监视主网线路状态，在主网线路恢复正常时，组态通信自动切换到主网线路，系统恢复到正常状况。

5 实训平台中国制造2025集成信息系统

5.1 MES演示系统

MES是工厂实时信息系统与执行系统，也是中国制造2025的重要组成部分。包括ERP对接模块，集成监控对接模块，以及MES核心模块。实现ERP系统与生产线系统之间的通信。

通过服务器程序从监控软件中收集相应的信息．为工厂级网络中的销售,财务，采购，以及经理们提供实时的生产信息,以使得不同岗位能够对自己所应该负责的各种计划，监测和控制活动等做出及时、有效的决策。相对组态软件运行的软件系统负责监控生产过程，而该系统针对的是高层管理信息。

MES也是执行系统，通过对订单进行分析，包括原材料库存，废品率等分析。然后下发到控制器进行生产。整个系统提供给用户配置，二次开发的接口，供学生创新实训。

5.2 ERP系统

ERP是自动化向中国制造2025发展的重要组成部分。学生通过这部分的实训，可以对经济管理等方面的知识进行学习。

系统可以洞察管理全局，掌握财务、销售、采购，以及生产等业务流程的关键环节。以迅捷的响应速度，及时捕获瞬息万变的市场需求，满足越来越多的个性需求，提高经济危机下的抗风险能力和盈利水平。实训平台中设计了中小企业管理软件，包括了财务、采购、仓库管理、生产企业计划等内容，符合国家的财会制度。

ERP与MES/MIS提供原材料管理、订单管理、MRP生产计划、质量管理、入库出库管理等。

实训平台中ERP演示系统。具有创新的技术特点：①ERP实现动态可变化的材料清单表。因为客户的选择不同，而导致原材料不同。②实时计算定制需求，以及生产调度需求。③ERP从纵向统一了通信接口协议，为电子商务、MES提供全集成的价值链。④ERP提供横向企业联合订单接口，实现全球采购。

5.3 电子商务M2C系统

电子商务演示系统创新特色：①实现双向通信的M2C平台。②实现实时的库存查询，自由的产品定制能力，设置上传设计文件。③实现手机、PAD、P，C下单，在校支付与取消订单等功能。系统提供用户配置，二次开发接口等供学生创新实验。

5.4 智慧服务系统

提供用户使用、包装、回收等相关操作培训。包括视频、PPT、WORD文档等等。安装在MOOC平台上。用户通过扫码就能获得这些内容。

除了这些操作帮助之外，系统还提供用户的技术支持接口。将来还可以为厂家提供用户信息汇总、分析等大数据服务。

用户可以通过手机扫码，直接登录，学习操作。这里的MOOC提供智慧服务的培训部分，提供一个特别的第三方培训网站空间，学生模拟企业的培训部分，为用户提供服务。

6 实训平台服务的课程及实验项目

该实训平台主要面向自动化专业，实验室建设中充分了解分析平台系统，结合“中国制造2025”的现实需求，设计各个层面的创新课题，充分体现解决实现“中国制造2025”过程中出现的各种问题，用于工程认证的持续改进，培养学生解决复杂工程问题的能力，注重创新实践课程教学中科学思维能力的培养，保证知识的完整性，使学生得到综合锻炼，培养学生的团队精神等非知识性因素[17]。

6.1 创新实验室实训平台服务的课程

(1) 2016版培养方案新增课程。工程认证的持续改进，培养学生解决复杂工程问题的能力。“专业引领实战训练”2周、“专业开放实验”1周、“专业综合实战训练”4周、“创新创业竞赛实战”2周等新增课程实践环节。

(3) 持续改进课程。根据工程认证持续改进的思想，一门课程各个实验之间的互联，毕业设计题目的互联性，可以保证知识的完整性，使学生得到综合锻炼，可以培养学生的团队精神等非知识性因素。

“毕业设计”17周、“物联网技术应用与开发”2周、“计算机控制系统”“楼宇自动化”“过程控制”“自动化专题讲座”“自动化职业规划”及学生创新实践与学科竞赛等持续改进课程的实践环节。

6.2 开设的实现项目

(1) 实战项目11项。实战项目的设计为保证工程认证的持续改进，培养学生解决复杂工程问题的能力。①智能工厂信息化系统平台的构建及综合实训系统搭建；②智能工厂能源管理系统的搭建；③智能工厂物料管理系统平台的搭建；④智能工厂物料追溯系统的构建；⑤智能工厂物料分拣系统的构建；⑥ERP与MES互联互通系统的搭建。以上6项实战项目适合于大型复杂系统的构建。⑦智能制造电子商务信息管管控平台配置系统构建；⑧智能工厂ERP基本配置实训系统；⑨智能工厂ERP出入库实训系统；⑩ERP动态BOM配置实训系统；ERP动态查询实训系统。

(2) 毕业设计课题31项。毕业设计课题的设计为保证工程认证的持续改进，毕业设计题目的互联性，可以培养学生的团队精神等非知识性因素。质量控制数据采集实训系统搭建；质量控制数据分析实训系统构建；MES与ERP订单构成实训应用系统构建；MES与PCS车间级系统的互联互通实训平台的搭建；MES调度配置实训平台的搭建与应用频器流量控制算法研究；以上5项毕业设计课题适合于大型复杂系统的构建。立体仓库库位判断控制系统研究；立体仓库取瓶控制系统研究；灌装系统瓶子锁紧；灌装系统灌装控制研究；步进电动机角度定位控制系统研究；封盖控制系统研究；异步电动机定位控制系统研究；质量检测系统设计；传送机械手控制系统；传送定位控制系统；视频监控组网研究；动态侦测与报警系统研究；调节阀流量比值控制系统研究；液位实时控制系统研究；锅炉动态水温度控制系统研究；换热器冷水出口温度控制系统研究；系统开机逻辑时序控制系统研究；系统关机逻辑时序控制系统研究；故障强制冷却连锁保护系统研究；直流电动机控制控制系统研究；步进电动机控制系统研究；步进电动机丝杠定位控制系统研究；伺服电动机控制系统研究；异步电动机变频器调速控制系统研究；瓶子识别与材质检测系统研究；气缸电磁检测与驱动系统研究。

(4) 实验项目39项。实验项目的设计为保证工程认证的持续改进，1门课程各个实验之间的互联，可以保证知识的完整性，使学生得到综合锻炼，可以培养学生的团队精神等非知识性因素。水箱液位数学模型的实验(包括单容、多容)；锅炉与加热器对象数学模型；调节阀特性实验；单容下水箱液位调节阀PID单回路控制；单容下水箱液位变频器PID单回路控制；竖直双容液位调节阀PID单回路控制；竖直双容液位变频器PID单回路控制；水平双容液位调节阀PID单回路控制；水平双容液位变频器PID单回路控制；流量调节阀PID单回路控制；流量变频器PID单回路控制；压力调节阀PID单回路控制；压力变频器PID单回路控制；锅炉动态水温度PID单回路控制；换热器冷水出口温度调节阀PID单回路控制；单容下水箱液位模拟量入数字量出位式控制(标准提供)；锅炉液位数字量入数字量出位式控制；锅炉温度模拟量入数字量出多段位式控制；流量-液位串级控制实验(标准提供)；竖直双容液位串级控制；换热器热出温度和冷水流量串级控制；流量比值控制系统实验(标准提供)；液位比值控制系统实验；流量液位前馈反馈控制系统实验；双容液位前馈反馈控制系统实验；建立控制器与组态监控的连接；组态软件监控；多PLC IO通信；多PLC总线通信；触摸屏编程实验；触摸屏与PLC互通实验；PAC编程实验；PAC与触摸屏通信实验；PLC计数器连接实验；PLC编码器连接实验；PLC模拟量输入输出连接实验；PLC PNP,NPN传感器连接实验；PLC继电器驱动与气缸驱动实验；限位保护与零点判断实验。

7 结 语

自动化专业创新实验室建设搭建整体系统环境，构建完整的“中国制造2025”集成信息系统。并实现认知演示与工程实训的需求。为“计算机控制系统”“物联网技术应用与开发”“毕业设计”“专业开放实验”“专业综合实战训练”“创新创业竞赛实战”“过程控制”等10余门课程提供实验实训设备，并为自动化专业毕业设计和新型智能制造实战项目提供真实工程环境实践平台。

创新实训平台将实际工厂级应用小型仿真化复现，提供学生在教室接触实际工厂的应用理念，培养学生的实际动手能力、创新能力、学有所用，实现理论与实践的双重结合。

仿真+实训的应用模式，符合当前教学实训应用的新思路。为提高学生创新创业能力，培养学生解决复杂工程问题能力提供真实的实训平台。

实验室可为教师项目建设提供模拟仿真实训平台、理论知识推理及研发平台。为创一流专业、培养创新型人才、培养卓越工程师创造良好的支撑环境。