白 銳，孫麗穎，王鐵超，郭 棟，趙越嶺

(遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001)

集散控制系統(tǒng)課程教學內(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 電氣工程學院，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、測控技術與儀器等專業(yè)的主要專業(yè)課程，該課程的目標是使學生掌握DCS的設計方法、并具備DCS的硬件和軟件開發(fā)，DCS綜合應用等工程實踐能力。該課程具有與工程實踐聯(lián)系密切、實用性較強等特點，以培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎，同時具有較好的工程實踐能力為目的，針對該課程本身的特點，進行了教學內(nèi)容的改革及優(yōu)化，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的模塊化和系統(tǒng)化。所提出的改革方法在實際教學過程進行了實踐，取得了良好教學效果。

集散控制系統(tǒng)；教學內(nèi)容；模塊化；工程實踐能力

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）是自動化、測控技術與及儀器等專業(yè)的主要專業(yè)課程[1-2]，通過學習該課程，培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)知識，進行分析、設計、開發(fā)及應用DCS的能力。該課程與工程實踐聯(lián)系密切，是一門實用性很強的課程，因此，對于該課程的知識內(nèi)容，學生不僅要學會它，更重要的是會應用它。

為了使學生具有扎實的理論基礎，并具有較好的工程實踐能力[3-4]，本文根據(jù)DCS課程本身的特點，進行了教學內(nèi)容的改革及優(yōu)化，實現(xiàn)了課程知識內(nèi)容的模塊化和系統(tǒng)化，加強并鞏固了學生的應用技術能力。實際的教學過程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教學效果。

一、課程內(nèi)容的模塊化設計

遼寧工業(yè)大學（以下簡稱我校）集散控制系統(tǒng)課程總計48學時，其中課堂知識內(nèi)容為40學時，實驗內(nèi)容為8學時。經(jīng)過對教學內(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“基礎知識”、“典型系統(tǒng)”、“系統(tǒng)應用”三大部分。

（一）基礎知識

第一部分為基礎知識。該部分主要介紹 DCS的基礎知識。主要由3個模塊組成。

模塊1為DCS的概述。模塊1的教學目標是使學生掌握DCS的整體概念。模塊1由3個小模塊組成，如圖2所示。

模塊1.1和模塊1.2分別講授計算機控制系統(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，使學生對DCS有個初步的整體概念。然后在模塊1.3中，采用案例教學手段，為學生介紹一個實際工業(yè)過程的DCS系統(tǒng)。

通過理論和案例教學相結合，使學生對 DCS的整體概念有個較好的初步理解。

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的教學目標是使學生掌握DCS的基本硬件組成、DCS硬件的相關理論知識。模塊2由4個小模塊組成，如圖3所示。

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

圖3 模塊2的組成

模塊3為DCS的軟件體系及功能。模塊3的教學目標是使學生掌握DCS的軟件組成、軟件功能、軟件編程的基礎知識和相關理論知識等。模塊3由4個小模塊組成，如圖4所 示。模塊3.1首先介紹DCS軟件的體系架構。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，采用案例教學的方式，通過典型案例的講解，使學生理解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的應用技術。學完第一部分基礎知識后，學生會對DCS的基礎知識和理論知識有較好的掌握，但是DCS是一門工程實踐性很強的課程，這一特點決定了 DCS課程教學的主要目標之一是使學生掌握如何使用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，從應用型人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，必須使學生掌握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的教學目標是使學生掌握一種具體的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。模塊4.2講授JX-300XP DCS的硬件系統(tǒng)，并采用案例教學的方式講授如何對DCS系統(tǒng)的硬件進行設計。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)，均采用案例教學的方式講授在JX-300XP DCS中如何進行系統(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的教學目標是使學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。模塊5.2講授SIMATIC PCS7 DCS的硬件系統(tǒng)，并采用案例教學的方式講授如何對 DCS系統(tǒng)的硬件進行設計。模塊5.3講授SIMATIC PCS7 DCS的軟件系統(tǒng)，并通過案例教學的方式講授在SIMATIC PCS7 DCS中如何進行軟件開發(fā)。

圖6 模塊5的組成

（三）系統(tǒng)應用

第三部分為系統(tǒng)應用，該部分主要包括1個知識模塊，即模塊6“基于JX-300XP的精餾過程控制系統(tǒng)設計及開發(fā)”。通過上述基礎知識和典型系統(tǒng)兩個部分（總計5個知識模塊）的學習，學生對DCS的基礎知識和理論知識、典型DCS產(chǎn)品的應用等知識有了較好的掌握。

為進一步加強并鞏固學生的應用技術能力，在第三部分系統(tǒng)應用中，采用任務驅動的方式，為學生講解在實際工業(yè)過程中如何進行控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)。利用我校遼寧省實驗教學示范中心——工業(yè)生產(chǎn)過程自動化綜合實驗實訓中心，以精餾過程為被控對象，以浙大中控的JX-300XP DCS為控制器，向學生講解如何在工程項目中進行基于DCS的過程控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)，包括工藝流程分析、控制方案設計、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)容在結構安排上采用循序漸進的方式，首先進行基礎和理論知識的講授，通過這一部分的內(nèi)容，使學生對DCS的基礎知識和理論知識有較好的掌握；在此基礎上，為了更好地培養(yǎng)學生綜合應用DCS技術的應用能力，向學生講解如何使用典型的DCS產(chǎn)品、以及如何利用DCS設計和開發(fā)實際工業(yè)過程的控制系統(tǒng)。通過上述知識內(nèi)容的學習，不僅可以使學生掌握扎實的基礎知識，同時能夠有效地提高學生的工程實踐能力。

授課內(nèi)容結束后，將進行8個學時的課程實驗，完成DCS設備的組態(tài)、編程及設備運行等內(nèi)容，實驗內(nèi)容如表1所示。

表1 集散控制系統(tǒng)課程實驗

在授課內(nèi)容、課程實驗結束后，將進行為期 2周、總計32學時的課程設計。

我校的工業(yè)生產(chǎn)過程自動化綜合實驗實訓中心以及集散控制系統(tǒng)實驗室具有 JX-300XP、SIMATIC PCS7等DCS設備，以及大量過程控制實驗裝置。在課程設計過程中，充分利用上述設備資源，使學生做到一人一題、真題真做。根據(jù)實際的工程項目或者大學生科技競賽題目為學生制定課程設計題目及相應的任務書，使學生利用現(xiàn)有的DCS設備資源，在課程設計過程中能夠以工程師的角色來進行控制系統(tǒng)的設計，并完成控制系統(tǒng)的運行和調(diào)試。

通過課程設計，進一步提高學生對工業(yè)過程控制系統(tǒng)進行設計和開發(fā)的能力。

二、課時的設計

本課程包括授課、實驗、課程設計等教學環(huán)節(jié)，授課內(nèi)容為40學時，實驗為8學時，課程設計為32學時（2周），課時整體分配如圖7所示。

圖7 課時總體分配情況

在授課內(nèi)容的40個學時中，總計20個知識點，知識點及課時安排如表2所示：

在授課內(nèi)容的 40學時中，采用案例教學方式的是18學時，采用實踐實訓教學方式的是6學時；授課地點為教室的是 18學時，授課地點為實驗室的是16學時，授課地點為實驗實訓中心的是6學時。

除了上述授課內(nèi)容之外，8個學時的課程實驗均在實驗室完成，32個學時的課程設計在實驗室與實驗實訓中心完成。

表1 集散控制系統(tǒng)課程授課內(nèi)容的知識點及課時

三、結束語

本文根據(jù)DCS課程本身的特點，將課程知識內(nèi)容進行了模塊化和系統(tǒng)化的設計，根據(jù)各個模塊的內(nèi)容及特點，優(yōu)化設計了相關的學時分配，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的改革及優(yōu)化，從而加強并鞏固了學生的應用技術能力。實際的教學過程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教學效果。

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(責任編校：付春玲)

G642.0

：A

：1674-327X (2017)01-0126-04

10.15916/j.issn1674-327x.2017.01.038

2016-09-19

遼寧省教學改革研究項目（UPRP20140643, 305）；遼寧工業(yè)大學教學改革研究項目（2014033，2014027，2016030）

白銳(1976-)，男，吉林九臺人，教授，博士。

時間：2016-12-16 16:24:30；

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