白 銳，孫麗穎，王鐵超，郭 棟，趙越嶺

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

集散控制系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容的改革及優(yōu)化

白 銳，孫麗穎，王鐵超，郭 棟，趙越嶺

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）是石油、電力、冶金、化工等行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動控制的主流產(chǎn)品。集散控制系統(tǒng)課程是自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的主要專業(yè)課程，該課程的目標(biāo)是使學(xué)生掌握DCS的設(shè)計(jì)方法、并具備DCS的硬件和軟件開發(fā)，DCS綜合應(yīng)用等工程實(shí)踐能力。該課程具有與工程實(shí)踐聯(lián)系密切、實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)具有較好的工程實(shí)踐能力為目的，針對該課程本身的特點(diǎn)，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的改革及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的模塊化和系統(tǒng)化。所提出的改革方法在實(shí)際教學(xué)過程進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好教學(xué)效果。

集散控制系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容；模塊化；工程實(shí)踐能力

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）是自動化、測控技術(shù)與及儀器等專業(yè)的主要專業(yè)課程[1-2]，通過學(xué)習(xí)該課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識，進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用DCS的能力。該課程與工程實(shí)踐聯(lián)系密切，是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，因此，對于該課程的知識內(nèi)容，學(xué)生不僅要學(xué)會它，更重要的是會應(yīng)用它。

為了使學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并具有較好的工程實(shí)踐能力[3-4]，本文根據(jù)DCS課程本身的特點(diǎn)，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的改革及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了課程知識內(nèi)容的模塊化和系統(tǒng)化，加強(qiáng)并鞏固了學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力。實(shí)際的教學(xué)過程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教學(xué)效果。

一、課程內(nèi)容的模塊化設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)（以下簡稱我校）集散控制系統(tǒng)課程總計(jì)48學(xué)時(shí)，其中課堂知識內(nèi)容為40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為8學(xué)時(shí)。經(jīng)過對教學(xué)內(nèi)容的改革與優(yōu)化，該課程的理論授課內(nèi)容被劃分為三大部分、六大模塊，如圖1所示?？芍?，理論授課的知識內(nèi)容包括“基礎(chǔ)知識”、“典型系統(tǒng)”、“系統(tǒng)應(yīng)用”三大部分。

（一）基礎(chǔ)知識

第一部分為基礎(chǔ)知識。該部分主要介紹 DCS的基礎(chǔ)知識。主要由3個(gè)模塊組成。

模塊1為DCS的概述。模塊1的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握DCS的整體概念。模塊1由3個(gè)小模塊組成，如圖2所示。

模塊1.1和模塊1.2分別講授計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)的基本概念及發(fā)展歷史。通過模塊1.1和模塊1.2，使學(xué)生對DCS有個(gè)初步的整體概念。然后在模塊1.3中，采用案例教學(xué)手段，為學(xué)生介紹一個(gè)實(shí)際工業(yè)過程的DCS系統(tǒng)。

通過理論和案例教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生對 DCS的整體概念有個(gè)較好的初步理解。

圖1 課程的理論授課內(nèi)容

圖2 模塊1的組成

模塊2為DCS的硬件體系及系統(tǒng)。模塊2的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握DCS的基本硬件組成、DCS硬件的相關(guān)理論知識。模塊2由4個(gè)小模塊組成，如圖3所示。

模塊2.1、模塊2.2、模塊2.3主要是講授DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、硬件組成及功能等理論知識和基礎(chǔ)知識。模塊2.4是對目前常用的幾種DCS產(chǎn)品進(jìn)行簡要介紹。

圖3 模塊2的組成

模塊3為DCS的軟件體系及功能。模塊3的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握DCS的軟件組成、軟件功能、軟件編程的基礎(chǔ)知識和相關(guān)理論知識等。模塊3由4個(gè)小模塊組成，如圖4所 示。模塊3.1首先介紹DCS軟件的體系架構(gòu)。模塊3.2、3.3和3.4分別介紹DCS中三種重要的軟件類型，即系統(tǒng)組態(tài)軟件、控制層軟件和監(jiān)控層軟件，采用案例教學(xué)的方式，通過典型案例的講解，使學(xué)生理解DCS中三種重要的軟件類型。

圖4 模塊3的組成

（二）典型系統(tǒng)

第二部分為典型系統(tǒng)。在第一部分基礎(chǔ)知識中，介紹了DCS的整體概念，DCS的硬件理論和軟件理論等知識。但是在這一部分內(nèi)容中，只是介紹了DCS的理論知識，包括硬件和軟件部分，都是通用性、一般性的知識內(nèi)容，并沒有涉及到 DCS的應(yīng)用技術(shù)。學(xué)完第一部分基礎(chǔ)知識后，學(xué)生會對DCS的基礎(chǔ)知識和理論知識有較好的掌握，但是DCS是一門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，這一特點(diǎn)決定了 DCS課程教學(xué)的主要目標(biāo)之一是使學(xué)生掌握如何使用DCS，如何利用一種典型DCS去開發(fā)工業(yè)過程控制系統(tǒng)，因此，從應(yīng)用型人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，必須使學(xué)生掌握1-2種典型DCS的使用。

目前，國內(nèi)外很多著名的自動化公司都推出了自己的DCS產(chǎn)品。在第二部分典型系統(tǒng)中，將重點(diǎn)講述兩種典型的 DCS產(chǎn)品，包括浙大中控公司的JX-300XP DCS和西門子公司的 SIMATIC PCS7 DCS[5-7]，分別為模塊4和模塊5。

模塊 4的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握一種具體的DCS產(chǎn)品，即浙大中控公司的JX-300XP DCS。模塊4由5個(gè)小模塊組成，如圖5所示。模塊4.1首先從整體上講授JX-300XP DCS的主要特點(diǎn)。模塊4.2講授JX-300XP DCS的硬件系統(tǒng)，并采用案例教學(xué)的方式講授如何對DCS系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。模塊4.3、模塊4.4和模塊4.5主要講授JX-300XP DCS的軟件系統(tǒng)，均采用案例教學(xué)的方式講授在JX-300XP DCS中如何進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、如何開發(fā)控制軟件、如何開發(fā)監(jiān)控軟件。

圖5 模塊4的組成

模塊5的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握另外一種具體的DCS產(chǎn)品，即西門子公司SIMATIC PCS7 DCS。模塊5由3個(gè)小模塊組成，如圖6所示。模塊5.1首先從整體上講授SIMATIC PCS7 DCS的主要特點(diǎn)。模塊5.2講授SIMATIC PCS7 DCS的硬件系統(tǒng)，并采用案例教學(xué)的方式講授如何對 DCS系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。模塊5.3講授SIMATIC PCS7 DCS的軟件系統(tǒng)，并通過案例教學(xué)的方式講授在SIMATIC PCS7 DCS中如何進(jìn)行軟件開發(fā)。

圖6 模塊5的組成

（三）系統(tǒng)應(yīng)用

第三部分為系統(tǒng)應(yīng)用，該部分主要包括1個(gè)知識模塊，即模塊6“基于JX-300XP的精餾過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)”。通過上述基礎(chǔ)知識和典型系統(tǒng)兩個(gè)部分（總計(jì)5個(gè)知識模塊）的學(xué)習(xí)，學(xué)生對DCS的基礎(chǔ)知識和理論知識、典型DCS產(chǎn)品的應(yīng)用等知識有了較好的掌握。

為進(jìn)一步加強(qiáng)并鞏固學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力，在第三部分系統(tǒng)應(yīng)用中，采用任務(wù)驅(qū)動的方式，為學(xué)生講解在實(shí)際工業(yè)過程中如何進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。利用我校遼寧省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——工業(yè)生產(chǎn)過程自動化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，以精餾過程為被控對象，以浙大中控的JX-300XP DCS為控制器，向?qū)W生講解如何在工程項(xiàng)目中進(jìn)行基于DCS的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，包括工藝流程分析、控制方案設(shè)計(jì)、硬件和軟件開發(fā)、控制系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。

綜上，本課程授課內(nèi)容在結(jié)構(gòu)安排上采用循序漸進(jìn)的方式，首先進(jìn)行基礎(chǔ)和理論知識的講授，通過這一部分的內(nèi)容，使學(xué)生對DCS的基礎(chǔ)知識和理論知識有較好的掌握；在此基礎(chǔ)上，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用DCS技術(shù)的應(yīng)用能力，向?qū)W生講解如何使用典型的DCS產(chǎn)品、以及如何利用DCS設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)際工業(yè)過程的控制系統(tǒng)。通過上述知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)，不僅可以使學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識，同時(shí)能夠有效地提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

授課內(nèi)容結(jié)束后，將進(jìn)行8個(gè)學(xué)時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)，完成DCS設(shè)備的組態(tài)、編程及設(shè)備運(yùn)行等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 集散控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)

在授課內(nèi)容、課程實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將進(jìn)行為期 2周、總計(jì)32學(xué)時(shí)的課程設(shè)計(jì)。

我校的工業(yè)生產(chǎn)過程自動化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心以及集散控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室具有 JX-300XP、SIMATIC PCS7等DCS設(shè)備，以及大量過程控制實(shí)驗(yàn)裝置。在課程設(shè)計(jì)過程中，充分利用上述設(shè)備資源，使學(xué)生做到一人一題、真題真做。根據(jù)實(shí)際的工程項(xiàng)目或者大學(xué)生科技競賽題目為學(xué)生制定課程設(shè)計(jì)題目及相應(yīng)的任務(wù)書，使學(xué)生利用現(xiàn)有的DCS設(shè)備資源，在課程設(shè)計(jì)過程中能夠以工程師的角色來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成控制系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試。

通過課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高學(xué)生對工業(yè)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的能力。

二、課時(shí)的設(shè)計(jì)

本課程包括授課、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)，授課內(nèi)容為40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)為8學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)為32學(xué)時(shí)（2周），課時(shí)整體分配如圖7所示。

圖7 課時(shí)總體分配情況

在授課內(nèi)容的40個(gè)學(xué)時(shí)中，總計(jì)20個(gè)知識點(diǎn)，知識點(diǎn)及課時(shí)安排如表2所示：

在授課內(nèi)容的 40學(xué)時(shí)中，采用案例教學(xué)方式的是18學(xué)時(shí)，采用實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式的是6學(xué)時(shí)；授課地點(diǎn)為教室的是 18學(xué)時(shí)，授課地點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)室的是16學(xué)時(shí)，授課地點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心的是6學(xué)時(shí)。

除了上述授課內(nèi)容之外，8個(gè)學(xué)時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室完成，32個(gè)學(xué)時(shí)的課程設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心完成。

表1 集散控制系統(tǒng)課程授課內(nèi)容的知識點(diǎn)及課時(shí)

三、結(jié)束語

本文根據(jù)DCS課程本身的特點(diǎn)，將課程知識內(nèi)容進(jìn)行了模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)模塊的內(nèi)容及特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了相關(guān)的學(xué)時(shí)分配，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的改革及優(yōu)化，從而加強(qiáng)并鞏固了學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力。實(shí)際的教學(xué)過程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教學(xué)效果。

[1] 艾紅.過程控制與集散控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2010, 27(3): 129-131.

[2] 張大偉."集散控制系統(tǒng)"課程教學(xué)方法探討[J].中國教育技術(shù)裝備, 2009(21): 59-59.

[3] 佟紹成，于自強(qiáng)，李昕.構(gòu)建工科院校學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012(3)：28-30.

[4] 張健, 白銳.以提高工程實(shí)踐能力為目標(biāo)的自動化專業(yè)課教學(xué)改革[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版), 2012(3)：125-127.

[5] 洪雪梅, 葉斌, 項(xiàng)雷軍, 等.基于JX-300XP DCS化工精餾塔網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014, 33(9): 10-13.

[6] 董立新, 萬小華, 顧幸生.基于西門子PCS7的攪拌反應(yīng)釜連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 37(4): 496-501.

[7] 雷振伍, 吳秀冰, 孫德輝, 等.基于 PCS7和 Simulink的過程控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016(1): 135-139.

(責(zé)任編校：付春玲)

G642.0

：A

：1674-327X (2017)01-0126-04

10.15916/j.issn1674-327x.2017.01.038

2016-09-19

遼寧省教學(xué)改革研究項(xiàng)目（UPRP20140643, 305）；遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2014033，2014027，2016030）

白銳(1976-)，男，吉林九臺人，教授，博士。

時(shí)間：2016-12-16 16:24:30；

：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1415.C.20161216.1624.004.html