产教融合的控制系统集成实训项目设计*

高 珏，陈景波

(常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500)

0 前言

“十三五”期间，我国高等教育取得突破性进展，“双一流”建设扎实推进，学科布局更优化、特色优势更突出，服务经济社会能力不断增强[1,2]。深化产教融合，是当前推进人力资源供给侧结构性改革的迫切要求，对新形势下全面提高教育质量、推进教育链与产业链有机衔接、促进企业需求融入人才培养环节具有重要意义[3-5]。控制系统集成实训是电气工程及自动化专业重要的实践性教学环节，致力于培养工程实践能力强、具有创新精神的高素质应用型人才。实训项目在内容设置上存在与企业应用场景脱节、学生工程实践锻炼不足、与行业岗位标准不符等问题[6]。为了进一步推进产教协同育人、深化“引企入教”，本文将符合产业需求的实际技术开发项目融合到控制系统集成实训中，探索产学研结合的任务式培养模式。

1 产教融合的实训项目方案

1.1 项目背景

实训课题的素材选自和某医疗器械企业的一个产学研合作项目。项目的背景是政府相关部门意识到医院污水的危害性，提高了医院污水消毒的排放标准，而传统医疗污水消毒系统自动化水平低、含氯量严重，已经不能满足大多数医院的污水处理需求[7]。项目的工艺过程是医疗污水首先通过污水过滤器，提升系统使污水进入消毒反应器内，臭氧消毒系统产生臭氧，进入反应器内对污水进行消毒，到达一定时间后出水或者取样检测。项目要结合最新的生产工艺和技术手段、设计出实施可靠、效率高、操作简单的医疗污水消毒控制系统。

1.2 实训要求

实训要设计的医疗污水消毒控制系统，由污水自动提升系统、臭氧消毒系统和监控系统组成。设备运行时，液位传感器感应到医疗污水后由自动提升器将污水由低处提取到消毒反应容器内，当检测到进水管中有污水时，进水泵便开始工作，反之进水泵就停止工作；臭氧消毒系统由消毒反应容器、曝气器和臭氧发生器组成，臭氧发生器接收PLC控制信号，然后制备高浓度臭氧，通过曝气器与医疗污水进行混合消毒，按照消毒工艺设定消毒时间，到达设定时间后达标排放；监控系统由PLC和触摸屏组成，管理整个医疗污水消毒的运行过程，要有良好的触摸屏人机交互界面，通过PLC控制提升系统和消毒系统的自动运行，在特殊情况下可切换到手动操作模式。

具体的实训内容如下：1) 分析医疗污水消毒系统。熟悉医疗污水消毒工艺及系统控制要求，确定医疗污水消毒系统的控制方案。2) 系统总体设计及选型。设计系统的电气原理图，对构成系统的PLC、触摸屏和传感器等主要硬件进行选型。3) PLC控制系统设计。根据控制方案确定需要的输入和输出点数，制作I/O表分配地址，设计PLC控制程序。4) 触摸屏组态界面设计。设计医疗污水消毒系统的组态界面，选用对应变量地址，进行监控画面的组态。5) 医疗污水消毒系统调试。进行硬件与软件的单独调试和联合调试，测试系统功能，改进和完善监控系统。

1.3 控制系统设计

医疗污水消毒系统控制系统首先要设计主电路和控制电路，再进行硬件选型，最后按照要实现的功能进行软件设计。控制器选用FX3U-24MR-D型PLC，示例的PLC外部接线如图1所示。根据控制要求设置 11个输入量，分别对应液位传感信号、臭氧浓度设置、气源选择、不同臭氧产量指示和各种开关，9个输出量用于接触器、指示灯和不同臭氧浓度表示。

图1 医疗污水消毒系统PLC外部接线图

医疗污水消毒系统PLC控制程序的参考流程如图2所示。自动运行时由液位传感器检测污水，将开关信号送到PLC。感应到医疗污水时，液位控制器关，由PLC控制打开提升水泵提升污水，同时关闭臭氧发生器；没有感应到医疗污水时，在延时一定时间后关闭水泵，同时打开臭氧发生器，在延时一定时间后关闭臭氧发生器。手动操作模式下，可以对提升水泵和臭氧发生器分别进行手动控制。

图2 医疗污水消毒系统PLC控制程序流程图

1.4 组态界面设计

医疗污水消毒控制系统的组态界面设计采用YKBuilder组态编程软件，设计的界面要让操作人员直观的了解系统运行状态、方便的进行各项操作。要实现的功能是对整个系统的工艺流程进行实时监控、采集和处理系统数据、电机的手动和自动控制、消毒时间和水泵时间的监控等。图3所示的界面为自动运行模式，传感器未检测到医疗污水，水泵不运行，此时臭氧机运行4.5 min。

图3 系统自动运行时组态界面显示

1.5 教学效果

实训的教学过程遵循学生主体、教师引导原则，以分段任务模式逐步推进。产教融合的实训项目较好的关联了控制系统集成的课程目标：1) 能够分析自动化控制系统技术方案的优劣、合理性和可行性，并获得有效结论；2) 能够将单元部件进行系统集成，设计满足多种技术因素制约条件的自动化系统，能够用图纸、报告、计算机仿真或实物等形式呈现设计成果；3) 能识别、分析和客观评价自动化工程开发和应用。以实现医疗污水消毒系统的自动控制为目标，综合训练了学生控制方案设计、电路图绘制、硬件系统集成、软件程序设计、组态界面设计、撰写报告等方面的能力。由于学时和台套数的限制，同学们2～3人一组开展实训，需要明确的限定好实训项目中独立完成和合作完成部分，合作环节培养了同学们的团队协作精神。

2 结语

在国家进一步深化产教融合的背景下，根据新工科人才培养要求，结合应用型院校学生情况和教学条件，尝试将产学研合作项目部分内容引入到控制系统集成实训。从实施效果来看，具有实际工程背景的项目极大提升了学生的学习兴趣，在实训期间绝大多数同学表现地更为积极主动。实训环节内容的设置与课程目标相匹配，按实际项目的规范和标准来要求，实现了理论及实践教学与工程项目研究的融合、提升了学生的工程应用能力和综合素养，很好得贯彻了从生产中挖掘项目和资源，将成果和人才反哺生产的产教融合思想。