基于OBE的PLC實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究

劉魏宏 向禮丹

[摘 要] 該文從工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求出發(fā)，以PLC課程設(shè)計(jì)課題“MSBR池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，貫徹工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證OBE理念，對(duì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。分析和研究工程的技術(shù)和運(yùn)行管理現(xiàn)狀，分析工藝流程和生產(chǎn)運(yùn)行需求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定設(shè)計(jì)方案。從復(fù)雜工程系統(tǒng)中提煉出子系統(tǒng)和復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中提升工程設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)成果證明，學(xué)生工程能力提高顯著。

[關(guān)鍵詞] 可編程邏輯控制器;改良式序列間歇反應(yīng)器;基于產(chǎn)出的教育;組態(tài)監(jiān)控

[基金項(xiàng)目] 2016年度湘潭大學(xué)第九批校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的生產(chǎn)實(shí)習(xí)改革與實(shí)踐”

[作者簡(jiǎn)介] 劉魏宏（1970—），男，碩士，湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要從事信息技術(shù)、信息工程教學(xué)與研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.42 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）17-0281-02 ? ?[收稿日期] 2019-09-04

現(xiàn)代工程是涉及科學(xué)、技術(shù)、人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理、倫理、道德、法律等內(nèi)容的復(fù)雜系統(tǒng)工程，必須運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和時(shí)間等因素的限制范圍內(nèi)，為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需要而創(chuàng)造的過(guò)程?，F(xiàn)代工程對(duì)工程師的綜合素質(zhì)要求越來(lái)越高，對(duì)工程教育的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證普遍開(kāi)展，工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中的畢業(yè)要求正是基于對(duì)現(xiàn)代工程師的能力素質(zhì)要求制定的[1]。2016年，湘潭大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)首次通過(guò)了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，專(zhuān)業(yè)認(rèn)真貫徹認(rèn)證OBE基本理念，積極探索實(shí)踐教學(xué)改革。本文以PLC課程設(shè)計(jì)為例，結(jié)合課題“MSBR池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，以工程教育的視角，闡述基于OBE理念的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程。

一、深入工程背景調(diào)研，積極評(píng)價(jià)工程的社會(huì)價(jià)值和可持續(xù)發(fā)展的意義

自動(dòng)化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等方面，為控制對(duì)象或工藝流程服務(wù)，并且構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)。因此要做好自動(dòng)化工程，就要深入學(xué)習(xí)和掌握工程背景知識(shí)。

我國(guó)是淡水資源匱乏的國(guó)家，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，城市污水產(chǎn)生量不斷增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的水污染，并加劇水資源的短缺。因此，污水處理工程就是解決人民生活和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的民生工程，工程的社會(huì)價(jià)值、對(duì)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的意義顯著。工程的技術(shù)現(xiàn)狀分析上，國(guó)家就城市污水處理問(wèn)題頒布了一系列政策及技術(shù)規(guī)定，近年來(lái)我國(guó)城市污水處理飛速發(fā)展。工程的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析上，污水處理工程涉及環(huán)境和水資源，工程建設(shè)投資規(guī)模大和投資回報(bào)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)多種投資經(jīng)營(yíng)模式：建設(shè)—經(jīng)營(yíng)—移交模式、移交—經(jīng)營(yíng)—移交模式、設(shè)計(jì)—建設(shè)—經(jīng)營(yíng)模式和委托經(jīng)營(yíng)模式。在投資、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，各方利益訴求不同，是現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)的特點(diǎn)。滿足相關(guān)方的共同利益，是確定工程建設(shè)方案的必要條件。

二、深入分析工藝流程，培養(yǎng)需求分析能力

需求分析是設(shè)計(jì)計(jì)劃階段的重要活動(dòng)，分析系統(tǒng)在功能上需要實(shí)現(xiàn)什么。需求分析的目標(biāo)是把被控對(duì)象提出的要求或需要進(jìn)行分析與整理，形成描述完整、清晰與規(guī)范的文檔。

首先，與工程師的職業(yè)能力接軌，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立職業(yè)道德和職業(yè)規(guī)范意識(shí)，掌握污水處理的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)應(yīng)符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。其次，認(rèn)真分析MSBR池工藝流程。MSBR反應(yīng)池是污水處理的核心工藝，擔(dān)負(fù)著降低BOD（生化需氧量）、COD（化學(xué)需氧量）、SS（懸浮固體）及除磷脫氮的任務(wù)。MSBR池內(nèi)分泥水分離池（2#）、預(yù)缺氧池（3#）、厭氧池（4#）、缺氧池（5#）、好氧池（6#）、SBR池（1#和7#）。曝氣沉砂池出水經(jīng)MSBR池配水井進(jìn)入4#池，與3#池的回流污泥混合，富含磷污泥在4#池吸收低分子有機(jī)物同時(shí)進(jìn)行磷的充分釋放后，進(jìn)入5#池;污水與從6#池回流至此的混合液充分混合，完成生物脫氮過(guò)程，5#池出水進(jìn)入6#池后進(jìn)行有機(jī)物氧化降解、硝化、磷吸收反應(yīng)，然后進(jìn)入1#序批池或7#序批池[2]。

MSBR工藝靈活，生產(chǎn)中需要根據(jù)實(shí)時(shí)的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整工藝參數(shù)。為了滿足生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的需要，確定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：（1）實(shí)時(shí)采集各種檢測(cè)數(shù)據(jù);（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程;（3）實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù);（4）實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作生產(chǎn)設(shè)備。

三、總體方案設(shè)計(jì)，培養(yǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和決策能力

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)總體方案，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和經(jīng)濟(jì)決策，是工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。在校學(xué)生缺乏對(duì)行業(yè)和市場(chǎng)的了解，因此具有工程經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)教師對(duì)工程設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)是必不可少的。經(jīng)過(guò)對(duì)比較成熟的幾個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)決策分析，確定總體控制方案由三部分組成：（1）中央控制室監(jiān)控方案主要是對(duì)多條生產(chǎn)線的PLC采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總和監(jiān)控，采用WINCC進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。（2）現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控方案，采用每個(gè)MSBR池采用觸摸屏進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。（3）PLC控制系統(tǒng)方案，包括動(dòng)力柜、脫水機(jī)控制柜和MSBR池控制柜，系統(tǒng)采用s7-300系列PLC，遠(yuǎn)程I/O以及光纖工業(yè)以太網(wǎng)通信。

四、提煉復(fù)雜工程問(wèn)題，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力

MSBR污水處理控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜工程系統(tǒng)，指導(dǎo)老師從中提煉出“MSBR池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”作為課程設(shè)計(jì)的課題。MSBR池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從工程背景調(diào)研、需求分析、設(shè)計(jì)目標(biāo)和總體方案設(shè)計(jì)貫穿而來(lái)的，以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)MSBR池7個(gè)單元格設(shè)備的電氣控制，包括序批工藝流程的邏輯控制、精確曝氣的閉環(huán)變頻控制和調(diào)節(jié)閥的閉環(huán)控制[3]。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用觸摸屏顯示MSBR池生產(chǎn)線實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、進(jìn)行生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整和設(shè)備操作。組態(tài)界面設(shè)計(jì)包括動(dòng)態(tài)工藝、運(yùn)行狀態(tài)、序批參數(shù)、系統(tǒng)操作、設(shè)備操作、儀表信息和歷史報(bào)警，在每一個(gè)界面的下面都有主菜單，便于選擇切換[4]。本文簡(jiǎn)要展示MSBR池反應(yīng)狀態(tài)，如表1所示。表中斜體、加粗部分是實(shí)時(shí)生產(chǎn)工藝狀態(tài)，表中斜體加粗的參數(shù)是可調(diào)整的工藝參數(shù)。

五、結(jié)論

MSBR污水控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)，復(fù)雜性并不是僅僅體現(xiàn)在技術(shù)上，而是因?yàn)樯婕叭宋?、社?huì)、經(jīng)濟(jì)、管理、倫理、道德、法律等各種制約因素。課程設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與實(shí)際的工程建設(shè)流程有“形似”之處，指導(dǎo)老師只有從實(shí)際工程設(shè)計(jì)中提煉出復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)生只有深入理解工程與社會(huì)、工程與環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，樹(shù)立工程中的職業(yè)道德和職業(yè)規(guī)范意識(shí)，努力做好每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，才能與實(shí)際工程設(shè)計(jì)“神似”，真正提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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[3]張曉燕，馮國(guó)良，等.基于PLC的精確曝氣控制在污水廠的研究與應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2013，（11）：71-75.

[4]韋文東，王會(huì)敏.基于PLC的污水廠MSBR池控制[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011，（6）：83-85.

Abstract：This paper start from graduation requirement of engineering education Accreditation，as PLC course design topic《design of MSBR tank control system》for example，implementing OBE concept of engineering education Accreditation，the teaching link of course is designed.Analysis and research present situation of technique and operation and management，In-depth analysis the requirement of process and operation management，By technical and economic analysis，determine the design schemes.Subsystems and complex engineering problems are extracted from complex engineering system，Students engineering design ability have been improved in the process of practice.The design results show that the students abilities of engineering have been greatly improved.

Key words：PLC（Programmable Logic Control）;MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）;OBE（outcome based education）;Configuration monitoring