現場總線與控制系統工程實訓在教學中的應用

曾麗　王后能　李自成

摘 要：自動化專業是一門實踐性很強的專業，實踐教學課程是提高學生專業技能的重要教學環節。在實踐教學課程的實際運行中，由于條件限制，存在著綜合實踐課程與生產實際脫節，實習過程中嚴禁學生操作而導致實習效果欠佳等問題。為了提高實踐教學效果，該校建設了現場總線與控制系統工程實訓中心，將實訓逐漸融入課堂教學、認識實習、生產實習、課程設計和畢業實習中，增強了課程教學效果，較好地解決了學生在校期間理論與實踐相脫節的問題，提高了學生的綜合設計能力。

關鍵詞：實踐教學 現場總線 實訓中心 教學效果

中圖分類號：G48 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0166-02

隨著當代科學技術的迅速發展，自動化控制手段不斷更新、自動化對象不斷擴大、自動化控制理論不斷發展，企事業單位對自動化專業畢業生提出了更高的要求。高等院校正積極探索，把大學生培養成工程型、應用型和創新型人才以滿足社會的需求。自動化專業是一門實踐性很強的專業，實踐教學是培養學生實踐技能和獨立工作能力，提高學生綜合設計能力的重要環節，因此備受關注。該校自動化專業實踐教學環節主要有認識實習、生產實習、相關課程設計以及畢業設計等。但是，在實踐教學課程的實際運行中，由于條件限制，存在著綜合實踐課程與生產實際脫節，生產實習嚴禁學生操作而導致實習效果欠佳等問題。為解決實踐教學欠佳的問題，探索實踐環節的創新內容，該校建設了現場總線與控制系統工程實訓基地，不斷將實訓融入教學以增強課程教學效果，為學生盡快適應實際工作奠定了堅實基礎。

1 實訓中心概況

現場總線與測控系統工程實訓中心包括自動灌裝生產線和化工過程控制裝置兩部分?？傉静捎貌僮髡?、可編程控制器（PLC）、自動灌裝生產線和化工過程控制系統網絡總線連接單元構成基于Profibus現場總線標準的網絡結構。將化工生產過程控制的模擬量與供配電控制的開關量、流水線傳動控制的數字量有機結合起來。實現PLC與計算機之間、PLC與PLC之間、PLC與其它廠家可通信的低壓電器間、化工儀表間的控制和通信，達到信息的集中管理、功能的分散控制。PLC采用德國西門子S7-300系列產品。監控級的主要設備有學生操作站（35點）、教師工作站（工程師站）。監控組態軟件采用德國西門子WINCC產品。教師工作站可對該測控系統進行配置、組態、調試、維護所設置的工作站，通過控制組態可將不同的控制算法下載到不同的控制回路中，完成對不同對象的精確控制。學生操作站是學生與整個系統相互交換信息的人機接口設備。學生通過操作站來監視和控制整個生產過程，并且可以調整控制量以實現對生產過程的干預。通過操作組態，不同的操作站完成不同的控制任務，實現不同的實驗過程?？刂萍壊捎枚€PLC控制站，即自動灌裝生產線控制站和過程控制站，可以實現灌裝線和過程控制系統的總體控制和單獨控制?？傮w控制時，總線連接過程控制裝置和自動灌裝生產線設備，過程控制系統的產品液可通過自動灌裝線自動灌裝、檢測、加蓋、包裝、儲存，達到總體控制的效果。單獨控制時，斷開過程控制系統和自動灌裝生產線；過程裝置和自動灌裝線都可通過單獨控制界面單獨控制。

2 自動灌裝生產線

自動生產線減少生產過程的人力，降低了生產成本，而且提高了產品質量，在現代工業中應用很廣泛。該文以自動灌裝生產線控制站為例來介紹實訓中心在教學中的應用。灌裝生產線是利用多種機械傳動方式模擬完成液體灌裝過程的系統，展現了實際工業的典型部分，如Profibus總線、PLC、觸摸屏、傳感器（包含光電傳感器、壓力變送器、溫度變送器、液位傳感器、電磁閥等）等。

自動灌裝生產線共包括獨立的10個分站，分別是自動上瓶機械手、高壓洗瓶機、視覺檢測系統、烘干單元、灌裝機構、液位檢測單元、加蓋單元、噴碼單元、自動下瓶機械手、存儲單元（碼垛和倉儲）。各個分站有各自的PLC控制系統，各個分站間由現場總線連接控制。上瓶機械手將空瓶從箱子中取出，由傳送帶送到高壓洗瓶單元進行清洗。清洗干凈的瓶子由視覺檢測單元檢測合格后，送烘干單元烘干，不合格為廢品。然后灌裝機構灌裝產品液，再進行液位檢測，不合格為廢品，合格加裝瓶蓋，之后由噴碼單元噴上生產日期。最后下瓶機械手將產品取出，由碼垛單元送倉庫存儲。

學生通過自動灌裝生產線可以深入地學習各種機械傳動、電氣傳動、工業現場總線、PLC控制、傳感器、觸摸屏、變頻器、氣動等技術，并可通過系統提供的穩壓電源及波形發生器進行電子課程的實驗及檢測。

3 主要應用

灌裝生產線是融合了機、光、電、氣的綜合性教學實訓系統，為自動化專業教學、科研及相關實踐教學提供良好的實驗平臺。充分發揮實訓中心設備優勢，從轉變教學觀念入手，調動教、學兩方面積極性，將實訓貫穿于課堂教學、認識實習、生產實習、課程設計、畢業實習之間，較好地解決了學生在校期間理論與實踐相脫節的問題。

3.1 應用于課堂教學

由于自動化專業是實踐性很強的專業，學生在專業課的學習階段，如果沒有接觸專業領域的實訓設備，缺乏感性認識，實際動手能力將會欠缺，這就對傳統的課堂教學提出了新的要求。利用現場總線與控制系統工程實訓中心設備優勢，教師可積極探索教學方法的改革。和自動灌裝生產線相關的PLC、電機與拖動、測控系統與現場總線技術、過程控制儀表及裝置等課程，都可以采用工程控制案例教學方式貫穿于課堂教學。學生通過工程實例可以了解專業方向的實際應用、技術需求和具體技術性能指標、工藝流程，發展趨勢、新技術及研究熱點等，對未來將從事的工作建立初步的感性認識。

比如在PLC課程教學中，可選擇上瓶機械手為控制對象，使抽象、枯燥的理論變得具體、生動。讓學生在這個系統中找出系統輸入/輸出點數、類型來練習PLC的選型；設定上瓶機械手功能讓學生來練習PLC梯形圖的編程。在電機與拖動課程教學中，選擇生產線的電機傳動系統、洗瓶機水泵系統，讓學生比較多種調速方式，尋求最佳方法滿足系統要求。這樣的工程實例能引起學生的好奇心，激發他們的學習興趣，學生更愿意接受新知識，更快更好掌握課堂知識。

3.2 應用于實踐教學

該校自動化專業實踐教學環節中，與專業相關的主要實踐課程有：認識實習、生產實習、相關課程設計以及畢業設計等。但是，在實踐教學的實際運行中，由于種種客觀因素的影響，組織學生到生產一線去參觀實習往往時間有限，只能走馬觀花；或者理論與實踐脫節，學生不易理解實際生產和專業的聯系而達不到理想效果。

為提高實習環節的教學效果，將實習分兩步：實訓+實習。實習過程中，首先結合實訓中心自動灌裝生產線設計方案對學生進行理論教學，同時學生通過學生操作站來監視和控制整個生產過程。理論加實踐，彌補了課堂教學空洞說教的不足。然后學生進入工廠下車間跟班實習，了解實際應用。比如認識實習時結合自動生產線設計方案，指導學生參觀可口可樂生產線、精倫電子生產線等；結合實訓中心電機傳動、供電設計方案，指導學生參觀實習湖北臥龍電機廠、武漢重工鑄鍛有限責任公司、武漢高電壓研究所等。這樣逐漸深入，很好的銜接，學生更易接受。當學生在實踐中發現所學知識有用武之地時，學生就會有一種成就感，會更加明確自己的學習方向。

在自動化專業課程學習中，會有相關工業自動化控制領域的課程設計、畢業設計。學生在做此相關設計時，如果設計得不到驗證的話，學生可能無法真正學會如何滿足工業現場的需求，將來不能很快地投入到實際工作中去。自動灌裝生產線控制系統是實際工業現場的縮小版本，有十個部分，每個部分都可以成為一個實際的、獨立的課題。實訓中心是對學生敞開大門的，學生在設計中，遇到問題或者需要檢驗自己的設計是否有效，可以隨時進入實驗室學習、實踐、驗證設計方案。13、14年該校20名學生在此實訓基地進行了畢業設計，對此實訓基地的部分項目進行了研究和改進。學生通過實踐驗證了自己的設計，增強了他們的自信，激發了他們對學習的熱情，使他們可以盡快地適應實際工作。

3.3 應用于科技活動

利用實訓基地的設備優勢，教師可以組織科技創新、學科競賽、或者進行二次實踐項目開發。比如PLC課程學習中，組織PLC應用競賽。以上瓶機械手系統為例，學生可以設計不同的選瓶方式，去研究或改進這個裝置。通過這樣的訓練能提高學生技能水平，增強學生未來求職競崗的競爭力。通過選拔，對有能力的學生可以鼓勵參加相關賽事，增強實戰經驗，增加與兄弟院校、知名企業的交流機會。2014年該校學生參加博創杯嵌入式物聯網設計大賽、飛思卡爾智能車大賽、挑戰杯課外學術科技作品競賽能都獲得了可喜的成績。

4 結語

將現場總線與測控系統工程實訓融入到教學的各個環節中，幫助學生更好了解專業知識的實際應用、技術需求和具體技術性能指標、研究熱點等，對未來將從事的工作建立初步的感性認識；通過實踐環節的校企結合，真正培養了學生的實際動手能力，對培養“工程型、應用型和創新型”的本科畢業生起到重要的推動作用。當然，在今后的實踐教學中還需進一步探索工程實訓基地建設規范、創新實踐內容，不斷總結經驗，使實訓基地成為學生從學校進入企業的一座橋梁。

參考文獻

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