基于OBE的PLC实践课程教学设计研究

作者:未知

  [摘 要] 该文从工程教育专业认证毕业要求出发,以PLC课程设计课题“MSBR池控制系统设计”为例,贯彻工程教育专业认证OBE理念,对课程设计的教学环节进行教学设计。分析和研究工程的技术和运行管理现状,分析工艺流程和生产运行需求,通过技术经济分析,确定设计方案。从复杂工程系统中提炼出子系统和复杂工程问题,学生在实践过程中提升工程设计能力。设计成果证明,学生工程能力提高显著。
  [关键词] 可编程逻辑控制器;改良式序列间歇反应器;基于产出的教育;组态监控
  [基金项目] 2016年度湘潭大学第九批校级教学改革研究项目“基于工程教育专业认证的生产实习改革与实践”
  [作者简介] 刘魏宏(1970—),男,硕士,湘潭大学信息工程学院讲师,主要从事信息技术、信息工程教学与研究。
  [中图分类号] G642.42    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324(2020)17-0281-02    [收稿日期] 2019-09-04
   现代工程是涉及科学、技术、人文、社会、经济、管理、伦理、道德、法律等内容的复杂系统工程,必须运用现代科学知识和技术手段,在社会、经济、资源、环境和时间等因素的限制范围内,为满足社会经济需要而创造的过程。现代工程对工程师的综合素质要求越来越高,对工程教育的要求也越来越高。近年来,工程教育专业认证普遍开展,工程教育专业认证通用标准中的毕业要求正是基于对现代工程师的能力素质要求制定的[1]。2016年,湘潭大学自动化专业首次通过了工程教育专业认证,专业认真贯彻认证OBE基本理念,积极探索实践教学改革。本文以PLC课程设计为例,结合课题“MSBR池控制系统设计”,以工程教育的视角,阐述基于OBE理念的教学环节设计过程。
  一、深入工程背景调研,积极评价工程的社会价值和可持续发展的意义
  自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面,为控制对象或工艺流程服务,并且构成一个完整系统。因此要做好自动化工程,就要深入学习和掌握工程背景知识。
  我国是淡水资源匮乏的国家,随着城市化和工业化进程的加快,城市污水产生量不断增加,导致严重的水污染,并加剧水资源的短缺。因此,污水处理工程就是解决人民生活和可持续发展问题的民生工程,工程的社会价值、对环境与可持续发展的意义显著。工程的技术现状分析上,国家就城市污水处理问题颁布了一系列政策及技术规定,近年来我国城市污水处理飞速发展。工程的经济价值分析上,污水处理工程涉及环境和水资源,工程建设投资规模大和投资回报周期长等特点,在发展过程中出现过多种投资经营模式:建设—经营—移交模式、移交—经营—移交模式、设计—建设—经营模式和委托经营模式。在投资、建设和运营中,各方利益诉求不同,是现代复杂工程系统的特点。满足相关方的共同利益,是确定工程建设方案的必要条件。
  二、深入分析工艺流程,培养需求分析能力
  需求分析是设计计划阶段的重要活动,分析系统在功能上需要实现什么。需求分析的目标是把被控对象提出的要求或需要进行分析与整理,形成描述完整、清晰与规范的文档。
  首先,与工程师的职业能力接轨,培养学生树立职业道德和职业规范意识,掌握污水处理的国家标准规范,工程设计出水水质应符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B标准。其次,认真分析MSBR池工艺流程。MSBR反应池是污水处理的核心工艺,担负着降低BOD(生化需氧量)、COD(化学需氧量)、SS(悬浮固体)及除磷脱氮的任务。MSBR池内分泥水分离池(2#)、预缺氧池(3#)、厌氧池(4#)、缺氧池(5#)、好氧池(6#)、SBR池(1#和7#)。曝气沉砂池出水经MSBR池配水井进入4#池,与3#池的回流污泥混合,富含磷污泥在4#池吸收低分子有机物同时进行磷的充分释放后,进入5#池;污水与从6#池回流至此的混合液充分混合,完成生物脱氮过程,5#池出水进入6#池后进行有机物氧化降解、硝化、磷吸收反应,然后进入1#序批池或7#序批池[2]。
  MSBR工艺灵活,生产中需要根据实时的水质检测数据,调整工艺参数。为了满足生产经营的需要,确定控制系统的设计目标:(1)实时采集各种检测数据;(2)实时监控生产过程;(3)实时调整生产工艺参数;(4)实时现场操作生产设备。
  三、总体方案设计,培养技术经济分析和决策能力
  根据设计目标,设计总体方案,并进行技术经济分析和经济决策,是工程建设中的重要环节。在校学生缺乏对行业和市场的了解,因此具有工程经验的指导教师对工程设计方案的指导是必不可少的。经过对比较成熟的几個方案进行经济决策分析,确定总体控制方案由三部分组成:(1)中央控制室监控方案主要是对多条生产线的PLC采集的数据信息进行实时汇总和监控,采用WINCC进行编程设计。(2)现场组态监控方案,采用每个MSBR池采用触摸屏进行工艺参数的调整设置和运行状态的监控。(3)PLC控制系统方案,包括动力柜、脱水机控制柜和MSBR池控制柜,系统采用s7-300系列PLC,远程I/O以及光纤工业以太网通信。
  四、提炼复杂工程问题,培养工程设计能力
  MSBR污水处理控制系统是一个复杂工程系统,指导老师从中提炼出“MSBR池控制系统设计”作为课程设计的课题。MSBR池控制系统设计包括PLC控制系统设计和组态监控系统设计,从工程背景调研、需求分析、设计目标和总体方案设计贯穿而来的,以培养学生的工程设计能力。
  PLC控制系统设计对MSBR池7个单元格设备的电气控制,包括序批工艺流程的逻辑控制、精确曝气的闭环变频控制和调节阀的闭环控制[3]。组态监控系统的设计,采用触摸屏显示MSBR池生产线实时的检测数据、进行生产工艺参数调整和设备操作。组态界面设计包括动态工艺、运行状态、序批参数、系统操作、设备操作、仪表信息和历史报警,在每一个界面的下面都有主菜单,便于选择切换[4]。本文简要展示MSBR池反应状态,如表1所示。表中斜体、加粗部分是实时生产工艺状态,表中斜体加粗的参数是可调整的工艺参数。   五、結论
  MSBR污水控制系统是一个复杂的工程系统,复杂性并不是仅仅体现在技术上,而是因为涉及人文、社会、经济、管理、伦理、道德、法律等各种制约因素。课程设计的教学环节设计与实际的工程建设流程有“形似”之处,指导老师只有从实际工程设计中提炼出复杂工程问题,学生只有深入理解工程与社会、工程与环境、可持续发展之间的关系,树立工程中的职业道德和职业规范意识,努力做好每个设计环节,才能与实际工程设计“神似”,真正提高解决复杂工程问题的能力。
  参考文献
  [1]工程教育认证标准[Z].中国工程教育专业认证协会,www.ceeaa.org.cn.
  [2]杜英豪.MSBR工艺的运行管理实践[J].中国给水排水,2006,22(2):90-92.
  [3]张晓燕,冯国良,等.基于PLC的精确曝气控制在污水厂的研究与应用[J].自动化仪表,2013,(11):71-75.
  [4]韦文东,王会敏.基于PLC的污水厂MSBR池控制[J].可编程控制器与工厂自动化,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
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