楊漣 肖俊明 陳玉國中原工學(xué)院 鄭州450052

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成方向課程體系構(gòu)建與實(shí)施*

楊漣 肖俊明 陳玉國中原工學(xué)院 鄭州450052

論述以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，在構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成方向課程體系、凝練科學(xué)教學(xué)模式、搭建多層次實(shí)踐平臺(tái)方面進(jìn)行探索與實(shí)踐。成果表明：學(xué)生的專業(yè)技能、工程意識(shí)和創(chuàng)新能力顯著提高。

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成；課程體系；教學(xué)模式

Author’s address Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou,China 450052

1 引言

中國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速增長，促使生產(chǎn)裝備迅速向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展。生產(chǎn)裝備大型化后對自動(dòng)化系統(tǒng)的要求更高、更全面、更復(fù)雜，設(shè)備之間也需要具有更好的協(xié)調(diào)性。這就需要自動(dòng)化供應(yīng)商或?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠解決生產(chǎn)設(shè)備大型化和連續(xù)化后面臨的所有自動(dòng)化技術(shù)問題，并提供“現(xiàn)場儀表、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)”3個(gè)層面的整體自動(dòng)化解決方案，即工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成。自動(dòng)化系統(tǒng)集成要求從業(yè)人員必須兼具對行業(yè)知識(shí)和自動(dòng)化知識(shí)的雙重理解。一方面要求技術(shù)人員具有寬泛的、深厚的自動(dòng)化專業(yè)理論功底，另一方面還必須對用戶的工藝、控制難點(diǎn)、不同類型儀表的功能和性能都十分了解，能通過自動(dòng)化整體解決方案的形式服務(wù)于最終用戶[1]。

市場競爭加快了企業(yè)升級(jí)換代的步伐，設(shè)備制造商需要通過系統(tǒng)集成形成為用戶所需的整體功能，提高設(shè)備的裝備水平。工業(yè)企業(yè)的技術(shù)改造、工廠自動(dòng)化、企業(yè)信息化等也急切需要自動(dòng)化系統(tǒng)集成的人才。而中原工學(xué)院缺乏相關(guān)的專業(yè)和完整的課程體系，已有課程的教學(xué)模式也存在不足：1）側(cè)重理論教學(xué)，與工程實(shí)際結(jié)合不夠緊密，且理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，“講”與“做”不連貫；2）各課程實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)置，驗(yàn)證性實(shí)踐多，各學(xué)科之間進(jìn)行交叉和融合的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)少，學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、工作主動(dòng)性和創(chuàng)造性沒能得到挖掘；3）綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)多停留在“圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)”層面，現(xiàn)場工藝分析及處理、故障診斷與排除等工程實(shí)踐環(huán)節(jié)較少。因此，學(xué)生走上工作崗位后，往往需要經(jīng)過幾年的鍛煉才能進(jìn)入角色。

本著以市場需求為導(dǎo)向，有利于學(xué)生就業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的宗旨，在經(jīng)過廣泛的畢業(yè)生跟蹤調(diào)查、市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，充分聽取行業(yè)專家的意見，2007年中原工學(xué)院電子信息學(xué)院調(diào)整了專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，在電氣類專業(yè)中開設(shè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成專業(yè)方向。如何構(gòu)建科學(xué)的課程體系，探索與之相適應(yīng)的教學(xué)模式，搭建多層次的實(shí)踐平臺(tái)，并組織落實(shí)培養(yǎng)計(jì)劃，就成為“工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成”課程組的當(dāng)務(wù)之急。

2 課程體系的構(gòu)建

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成專業(yè)方向培養(yǎng)方案的制定，需要綜合考慮以下幾個(gè)方面的因素。

1）學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位。中原工學(xué)院的定位為培養(yǎng)面向現(xiàn)場一線的電氣工程與自動(dòng)控制的系統(tǒng)工程師，屬于高級(jí)應(yīng)用型人才，學(xué)生畢業(yè)后主要從事工業(yè)現(xiàn)場的電氣系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的配置與集成、控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試。經(jīng)過幾年的工作歷練，他們可以成為企業(yè)、電氣自動(dòng)化公司或科研院所的技術(shù)骨干[2]。因此，課程體系的設(shè)計(jì)應(yīng)以先進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用為主，并與典型工程的系統(tǒng)集成緊密關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化工程應(yīng)用訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)與技術(shù)綜合應(yīng)用能力。

2）行業(yè)特點(diǎn)及對知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力的要求。中原工學(xué)院該專業(yè)方向的定位是從事以PLC及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為主體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置與集成、軟硬件設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試。因此，課程體系的設(shè)置必須考慮學(xué)生要適應(yīng)這一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的工作，并能可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該具有怎樣的知識(shí)、能力與素質(zhì)結(jié)構(gòu)。除了具備自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)之外，還必須掌握電氣控制技術(shù)、可編程控制器技術(shù)、變頻器及其應(yīng)用、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、觸摸屏應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等。課程組需要對這些技術(shù)的內(nèi)容進(jìn)行整合，來設(shè)置該專業(yè)方向的課程和教學(xué)體系。

3）學(xué)生全面發(fā)展的需要。從學(xué)生全面發(fā)展的需要出發(fā)，以培養(yǎng)具有學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和合作精神的大學(xué)生為目標(biāo)來設(shè)計(jì)課程體系。學(xué)生將來要面向企業(yè)、面向工程，就必須具有較強(qiáng)的工程能力、解決實(shí)際技術(shù)難題的能力、自學(xué)能力和與人合作的能力。因此，理論教學(xué)及實(shí)踐體系構(gòu)建時(shí)，除了保證知識(shí)的系統(tǒng)性、前瞻性外，更要加強(qiáng)課程的實(shí)踐性和綜合交叉性。有必要循序漸進(jìn)，設(shè)置不同層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)，融入多種類型的工程課題，并要求學(xué)生以小組為單位，自主完成資料查詢、系統(tǒng)集成、設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試任務(wù)。盡可能多地讓學(xué)生接觸和體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)、施工的全過程，讓學(xué)生在“學(xué)”和“做”的反復(fù)訓(xùn)練中積累經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化工程意識(shí)。提倡團(tuán)隊(duì)合作，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考和大膽創(chuàng)新，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中獲得成就感，潛移默化地養(yǎng)成與人交流合作、互利共贏、追求卓越的習(xí)慣。

4）學(xué)?，F(xiàn)有師資和設(shè)備條件。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成是近年來新興的行業(yè)，中原工學(xué)院師資有一定的實(shí)力和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。學(xué)校現(xiàn)有一定品牌和數(shù)量的PLC、變頻器等基礎(chǔ)設(shè)備，能滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件，但做綜合性較強(qiáng)的課題，設(shè)備仍有欠缺，因此需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行整合、改造、豐富。實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，既要能最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，又要開發(fā)出更多覆蓋知識(shí)面廣、與實(shí)際工程接近、不同層次的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課題，使學(xué)生得到更加全面的訓(xùn)練。

綜上所述，確定工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成專業(yè)方向的課程體系，由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系組成，開設(shè)的課程有：①電氣控制與PLC，作為基礎(chǔ)平臺(tái)課程，主要包括電氣控制技術(shù)及可編程控制器的基礎(chǔ)理論，以西門子小型機(jī)S7-200PLC及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為目標(biāo)，學(xué)習(xí)其基本應(yīng)用；②3門專業(yè)主干課程，自動(dòng)化系統(tǒng)集成、變頻器及其應(yīng)用和新型自動(dòng)化軟件，它們包含了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成過程中必備的、聯(lián)系最緊密的核心技術(shù)。其中自動(dòng)化系統(tǒng)集成課程包含了大、中型PLC及其應(yīng)用、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化系統(tǒng)集成等內(nèi)容；變頻器及其應(yīng)用主要包括變頻器的基本構(gòu)成及原理，調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型，變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置等。新型自動(dòng)化軟件課程主要包括組態(tài)軟件的應(yīng)用、觸摸屏的應(yīng)用以及AutoCAD繪圖等內(nèi)容。

實(shí)踐體系分為3個(gè)層次：第一層是基本技能訓(xùn)練，主要是與課程同步的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以及與其他課程相關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)；第二層是專業(yè)方向綜合訓(xùn)練，設(shè)置了為期3周的專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)；第三層是畢業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)行典型工程設(shè)計(jì)，運(yùn)用大學(xué)4年所學(xué)知識(shí)，對自動(dòng)化系統(tǒng)集成，控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試及報(bào)告撰寫進(jìn)行綜合訓(xùn)練。

3 教學(xué)模式的凝練

該專業(yè)方向課程的實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)，為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，將課堂推向?qū)嶒?yàn)室，使學(xué)生面向控制設(shè)備和對象，將理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)無縫連接。

理論教學(xué)上，采用多媒體手段生動(dòng)、形象地講解基礎(chǔ)知識(shí)，每個(gè)階段都有設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)講解系統(tǒng)集成的思路、方法、步驟以及工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)、安裝調(diào)試方法。多媒體課件中廣泛納入各種電氣控制元器件、PLC及變頻器等設(shè)備的圖片，不同層次控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理圖，還可以演示設(shè)計(jì)的結(jié)果，課堂信息量大，感性且直觀。

隨后跟進(jìn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，布置工程應(yīng)用設(shè)計(jì)小課題，學(xué)生以小組為單位自主設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，通過反復(fù)運(yùn)行監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、修改完善，最終得到滿足要求的結(jié)果。教師下達(dá)任務(wù)，講清控制要求，指導(dǎo)學(xué)生分析疑難問題，尋找解決問題的方法，驗(yàn)收設(shè)計(jì)結(jié)果，對普遍存在的問題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，表彰具有創(chuàng)新性的小組和學(xué)生。對于程度好、動(dòng)作快的學(xué)生，鼓勵(lì)他們協(xié)助教師共同幫助有困難的學(xué)生分析問題、查找原因。這樣使學(xué)生真正掌握分析問題的切入點(diǎn)、解決問題的方法，在完成任務(wù)的過程中獲得成就感，激發(fā)探索和創(chuàng)新的欲望；在相互交流和探討的過程中解決難題，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)；在同學(xué)的相互幫助下共同進(jìn)步，加深同學(xué)的情誼。

課下再布置一些選擇性課題，讓有興趣的學(xué)生自主完成，通過開放實(shí)驗(yàn)室或用仿真軟件進(jìn)行調(diào)試，使學(xué)生可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的工程訓(xùn)練時(shí)間，在學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量上能夠得到進(jìn)一步的提高。在各課程的后期，都設(shè)置有與其他幾門課程相關(guān)聯(lián)的綜合性實(shí)驗(yàn)，如打包機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就融入了電氣控制技術(shù)、PLC技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和檢測技術(shù)等，提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

在專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，將電氣控制技術(shù)、PLC及其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、變頻器應(yīng)用、組態(tài)軟件、觸摸屏應(yīng)用、檢測技術(shù)、自控原理、過程控制等課程的內(nèi)容融入設(shè)計(jì)課題，要求學(xué)生在完成控制系統(tǒng)搭建、軟硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，在開放的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上完成控制系統(tǒng)的安裝、配線和調(diào)試，并邀請有經(jīng)驗(yàn)的教師講解和演示正規(guī)電氣設(shè)備安裝、配線的過程。通過完整的工程設(shè)計(jì)、工藝施工過程，一方面訓(xùn)練學(xué)生知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，另一方面了解電氣施工現(xiàn)場各階段的工藝處理方法、調(diào)試中故障的診斷方法和排除故障的方法[3]。

畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，建議系統(tǒng)集成專業(yè)方向的學(xué)生選報(bào)本方向課題，運(yùn)用大學(xué)4年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行典型工程設(shè)計(jì)。用PLC及其網(wǎng)絡(luò)對控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，完成控制系統(tǒng)搭建、組態(tài)、軟硬件設(shè)計(jì)、電器元件選型、控制柜設(shè)計(jì)/安裝和調(diào)試、畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫等系統(tǒng)訓(xùn)練。讓學(xué)生了解該行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展動(dòng)向，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科技能和先進(jìn)手段解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的工作作風(fēng)。

通過近2年系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，多層次的工程實(shí)踐訓(xùn)練，該專業(yè)方向的學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備以PLC及其網(wǎng)絡(luò)為主體的小型自動(dòng)化系統(tǒng)集成的能力、處理實(shí)際工程中常見問題的能力，并具有運(yùn)用專業(yè)理論和技能進(jìn)行自主創(chuàng)新的精神。

4 結(jié)語

目前，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成專業(yè)方向課程體系已經(jīng)連續(xù)運(yùn)作了幾年，學(xué)生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)和強(qiáng)化訓(xùn)練，理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)，知識(shí)的綜合運(yùn)用能力大幅提升，學(xué)習(xí)更加積極主動(dòng)，工程意識(shí)和工程應(yīng)用能力顯著提高。許多學(xué)生畢業(yè)后從事與系統(tǒng)集成相關(guān)的工作，并很快成為企業(yè)的技術(shù)骨干，反映良好。學(xué)生選報(bào)工業(yè)自動(dòng)化集成專業(yè)方向十分踴躍，中原工學(xué)院將不斷總結(jié)和完善教學(xué)體系，豐富實(shí)驗(yàn)條件，培養(yǎng)年輕教師，使教學(xué)步入良性循環(huán)的軌道。

[1]張進(jìn),張洪.自動(dòng)化系統(tǒng)集成已成自動(dòng)化行業(yè)新發(fā)展趨勢[EB/OL].[2010-06-01].ht tp://www.gkong.com/item/ news/2010/05/48265.html.

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Const ruction and Implementation of Indust rial Automation System Integrat ion Major Orientat ion Curriculum System//

Yang Lian,Xiao Junming,Chen Yuguo

This article elaborated on taking training remarkable engineers as the goal,car rying on exploration and pract ice in the const ruct ion of indust rial automat ion system integration or ientat ion cur riculum system,the concise scienti f ic teaching model and the establ ishment of mul ti-level practice plat forms.And the practice achievement shows that the students’special ized skil ls,the engineering consciousness and the innovation abi lity have been promoted signif icant ly. Key words indust rial automation system integration;cur riculum system;teaching model

G642.3

B

1671-489X(2012)18-0042-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.18.042

本文為河南省教育廳規(guī)劃課題（2005-JKGHAG-442）的研究成果。

作者：楊漣，學(xué)士，副教授，主要研究方向?yàn)镻LC技術(shù)與應(yīng)用、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成；肖俊明，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、PLC的研究與應(yīng)用；陳玉國，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成、電力拖動(dòng)及應(yīng)用。