现场总线与控制系统工程实训在教学中的应用

曾丽　王后能　李自成

摘 要：自动化专业是一门实践性很强的专业，实践教学课程是提高学生专业技能的重要教学环节。在实践教学课程的实际运行中，由于条件限制，存在着综合实践课程与生产实际脱节，实习过程中严禁学生操作而导致实习效果欠佳等问题。为了提高实践教学效果，该校建设了现场总线与控制系统工程实训中心，将实训逐渐融入课堂教学、认识实习、生产实习、课程设计和毕业实习中，增强了课程教学效果，较好地解决了学生在校期间理论与实践相脱节的问题，提高了学生的综合设计能力。

关键词：实践教学 现场总线 实训中心 教学效果

中图分类号：G48 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0166-02

随着当代科学技术的迅速发展，自动化控制手段不断更新、自动化对象不断扩大、自动化控制理论不断发展，企事业单位对自动化专业毕业生提出了更高的要求。高等院校正积极探索，把大学生培养成工程型、应用型和创新型人才以满足社会的需求。自动化专业是一门实践性很强的专业，实践教学是培养学生实践技能和独立工作能力，提高学生综合设计能力的重要环节，因此备受关注。该校自动化专业实践教学环节主要有认识实习、生产实习、相关课程设计以及毕业设计等。但是，在实践教学课程的实际运行中，由于条件限制，存在着综合实践课程与生产实际脱节，生产实习严禁学生操作而导致实习效果欠佳等问题。为解决实践教学欠佳的问题，探索实践环节的创新内容，该校建设了现场总线与控制系统工程实训基地，不断将实训融入教学以增强课程教学效果，为学生尽快适应实际工作奠定了坚实基础。

1 实训中心概况

现场总线与测控系统工程实训中心包括自动灌装生产线和化工过程控制装置两部分。总站采用操作站、可编程控制器（PLC）、自动灌装生产线和化工过程控制系统网络总线连接单元构成基于Profibus现场总线标准的网络结构。将化工生产过程控制的模拟量与供配电控制的开关量、流水线传动控制的数字量有机结合起来。实现PLC与计算机之间、PLC与PLC之间、PLC与其它厂家可通信的低压电器间、化工仪表间的控制和通信，达到信息的集中管理、功能的分散控制。PLC采用德国西门子S7-300系列产品。监控级的主要设备有学生操作站（35点）、教师工作站（工程师站）。监控组态软件采用德国西门子WINCC产品。教师工作站可对该测控系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站，通过控制组态可将不同的控制算法下载到不同的控制回路中，完成对不同对象的精确控制。学生操作站是学生与整个系统相互交换信息的人机接口设备。学生通过操作站来监视和控制整个生产过程，并且可以调整控制量以实现对生产过程的干预。通过操作组态，不同的操作站完成不同的控制任务，实现不同的实验过程。控制级采用二个PLC控制站，即自动灌装生产线控制站和过程控制站，可以实现灌装线和过程控制系统的总体控制和单独控制。总体控制时，总线连接过程控制装置和自动灌装生产线设备，过程控制系统的产品液可通过自动灌装线自动灌装、检测、加盖、包装、储存，达到总体控制的效果。单独控制时，断开过程控制系统和自动灌装生产线；过程装置和自动灌装线都可通过单独控制界面单独控制。

2 自动灌装生产线

自动生产线减少生产过程的人力，降低了生产成本，而且提高了产品质量，在现代工业中应用很广泛。该文以自动灌装生产线控制站为例来介绍实训中心在教学中的应用。灌装生产线是利用多种机械传动方式模拟完成液体灌装过程的系统，展现了实际工业的典型部分，如Profibus总线、PLC、触摸屏、传感器（包含光电传感器、压力变送器、温度变送器、液位传感器、电磁阀等）等。

自动灌装生产线共包括独立的10个分站，分别是自动上瓶机械手、高压洗瓶机、视觉检测系统、烘干单元、灌装机构、液位检测单元、加盖单元、喷码单元、自动下瓶机械手、存储单元（码垛和仓储）。各个分站有各自的PLC控制系统，各个分站间由现场总线连接控制。上瓶机械手将空瓶从箱子中取出，由传送带送到高压洗瓶单元进行清洗。清洗干净的瓶子由视觉检测单元检测合格后，送烘干单元烘干，不合格为废品。然后灌装机构灌装产品液，再进行液位检测，不合格为废品，合格加装瓶盖，之后由喷码单元喷上生产日期。最后下瓶机械手将产品取出，由码垛单元送仓库存储。

学生通过自动灌装生产线可以深入地学习各种机械传动、电气传动、工业现场总线、PLC控制、传感器、触摸屏、变频器、气动等技术，并可通过系统提供的稳压电源及波形发生器进行电子课程的实验及检测。

3 主要应用

灌装生产线是融合了机、光、电、气的综合性教学实训系统，为自动化专业教学、科研及相关实践教学提供良好的实验平台。充分发挥实训中心设备优势，从转变教学观念入手，调动教、学两方面积极性，将实训贯穿于课堂教学、认识实习、生产实习、课程设计、毕业实习之间，较好地解决了学生在校期间理论与实践相脱节的问题。

3.1 应用于课堂教学

由于自动化专业是实践性很强的专业，学生在专业课的学习阶段，如果没有接触专业领域的实训设备，缺乏感性认识，实际动手能力将会欠缺，这就对传统的课堂教学提出了新的要求。利用现场总线与控制系统工程实训中心设备优势，教师可积极探索教学方法的改革。和自动灌装生产线相关的PLC、电机与拖动、测控系统与现场总线技术、过程控制仪表及装置等课程，都可以采用工程控制案例教学方式贯穿于课堂教学。学生通过工程实例可以了解专业方向的实际应用、技术需求和具体技术性能指标、工艺流程，发展趋势、新技术及研究热点等，对未来将从事的工作建立初步的感性认识。

比如在PLC课程教学中，可选择上瓶机械手为控制对象，使抽象、枯燥的理论变得具体、生动。让学生在这个系统中找出系统输入/输出点数、类型来练习PLC的选型；设定上瓶机械手功能让学生来练习PLC梯形图的编程。在电机与拖动课程教学中，选择生产线的电机传动系统、洗瓶机水泵系统，让学生比较多种调速方式，寻求最佳方法满足系统要求。这样的工程实例能引起学生的好奇心，激发他们的学习兴趣，学生更愿意接受新知识，更快更好掌握课堂知识。

3.2 应用于实践教学

该校自动化专业实践教学环节中，与专业相关的主要实践课程有：认识实习、生产实习、相关课程设计以及毕业设计等。但是，在实践教学的实际运行中，由于种种客观因素的影响，组织学生到生产一线去参观实习往往时间有限，只能走马观花；或者理论与实践脱节，学生不易理解实际生产和专业的联系而达不到理想效果。

为提高实习环节的教学效果，将实习分两步：实训+实习。实习过程中，首先结合实训中心自动灌装生产线设计方案对学生进行理论教学，同时学生通过学生操作站来监视和控制整个生产过程。理论加实践，弥补了课堂教学空洞说教的不足。然后学生进入工厂下车间跟班实习，了解实际应用。比如认识实习时结合自动生产线设计方案，指导学生参观可口可乐生产线、精伦电子生产线等；结合实训中心电机传动、供电设计方案，指导学生参观实习湖北卧龙电机厂、武汉重工铸锻有限责任公司、武汉高电压研究所等。这样逐渐深入，很好的衔接，学生更易接受。当学生在实践中发现所学知识有用武之地时，学生就会有一种成就感，会更加明确自己的学习方向。

在自动化专业课程学习中，会有相关工业自动化控制领域的课程设计、毕业设计。学生在做此相关设计时，如果设计得不到验证的话，学生可能无法真正学会如何满足工业现场的需求，将来不能很快地投入到实际工作中去。自动灌装生产线控制系统是实际工业现场的缩小版本，有十个部分，每个部分都可以成为一个实际的、独立的课题。实训中心是对学生敞开大门的，学生在设计中，遇到问题或者需要检验自己的设计是否有效，可以随时进入实验室学习、实践、验证设计方案。13、14年该校20名学生在此实训基地进行了毕业设计，对此实训基地的部分项目进行了研究和改进。学生通过实践验证了自己的设计，增强了他们的自信，激发了他们对学习的热情，使他们可以尽快地适应实际工作。

3.3 应用于科技活动

利用实训基地的设备优势，教师可以组织科技创新、学科竞赛、或者进行二次实践项目开发。比如PLC课程学习中，组织PLC应用竞赛。以上瓶机械手系统为例，学生可以设计不同的选瓶方式，去研究或改进这个装置。通过这样的训练能提高学生技能水平，增强学生未来求职竞岗的竞争力。通过选拔，对有能力的学生可以鼓励参加相关赛事，增强实战经验，增加与兄弟院校、知名企业的交流机会。2014年该校学生参加博创杯嵌入式物联网设计大赛、飞思卡尔智能车大赛、挑战杯课外学术科技作品竞赛能都获得了可喜的成绩。

4 结语

将现场总线与测控系统工程实训融入到教学的各个环节中，帮助学生更好了解专业知识的实际应用、技术需求和具体技术性能指标、研究热点等，对未来将从事的工作建立初步的感性认识；通过实践环节的校企结合，真正培养了学生的实际动手能力，对培养“工程型、应用型和创新型”的本科毕业生起到重要的推动作用。当然，在今后的实践教学中还需进一步探索工程实训基地建设规范、创新实践内容，不断总结经验，使实训基地成为学生从学校进入企业的一座桥梁。

参考文献

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