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【摘 要】结合广西工业职业技术学院工业自动化控制实验（训）基地建设的实践，对高职院校工业自动化专业实践教学平台的构建进行探讨。
【关键词】工业自动化 实践教学平台 变频控制组态技术
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）09C-0190-03
培养符合生产、建设、管理和服务第一线需求的高素质、技能型、专门型人才是高职院校的目标，因此，实践性教学成为高职院校的一大特色，是实现其人才培养目标的重要教学环节。当前，自动化控制技术在现代化工业生产中的应用越来越广泛，随着计算机控制、PLC、网络及通讯等技术领域的相互渗透和集成应用，工业自动化技术逐步形成，并在当今工业科技中扮演着越来越重要的角色。同时，工业自动化设备的操作、维修、检测和管理等岗位对掌握工业自动化技术的技能型人才需求也在日益扩大。因此，在高职院校的相关专业开展实训教学，首要目的就是要培养学生的职业技能，使学生既能掌握工业自动化专业理论知识，又能胜任自动化仪器仪表、设备以及自动化生产线操作、安装、运行维护以及改造设计等技能型工作，同时培养其良好的职业素养，以适应区域经济和高新技术产业发展的需要，满足社会的需求。
目前我国工业自动化技术和计算机网络技术高速发展，如何全方位地培养具备工业自动化工程技术实践能力，能够解决工程实际问题的自动化专业人才已成为当前高等职业教育研究和探索的重要课题。本文结合广西工业职业技术学院工业自动化控制综合实训中心建设的实践，就高职院校工业自动化专业实践教学平台的构建进行探讨。
一、工业自动化实践教学平台的建设及定位
具有较强的实践能力以及新技术应用能力是当今社会企业对高级技术人才的基本要求。因此，高职教育必须是技术性、应用性的教育，其课程定位为“以应用为目的，以必须够用为度”，其专业技术技能要求较高，并具有针对性。广西工业职业技术学院基于对往届毕业生和用人单位的调研，确立了自动化类专业课程的设置方式为“宽基础、活模块”，并建立了“以岗位技术应用能力和素质培养为主线”的模块化教学体系。同时，相关教研室也对自动化类职业岗位所需的专业知识和技能进行全面梳理，重新定位了自动化类专业的实践教学目标，整合并优化了自动化类专业分散在各门基础课程和专业课程中的实验课程，从而构建了一个层级化的实践教学平台，包括：
素质实验层：以培训学生基础素质为主的训练实验室，包括计算机操作与工具软件使用实习，电工技术、电气控制技术课程实训和设计。
工程训练层：以增强学生工程实践能力和工程意识为目标，包括课程实训及设计、气动技术、电子技术、气动技术、液压技术、电子液压技术、信号检测技术及可编程技术等。
创新开发层：主要培养学生综合动手和创造能力，包括综合实训、综合实验、过控仪表及PLC控制系统设计实训。
实践生产层：加强校企合作，设立生产性实训实践基地，采用“公司化运作”经营管理模式，开设零距离上岗“直通车”，为企业的技术改造、研发提供技术服务。加快专业特色化建设，建设一流的“示范性”的实验（训）基地。包括工业网络综合实训、生产过程仿真投运实训、自动化生产线实训等综合实训内容，工业电梯控制实验（训）室、中兴通信实训基地等，全面提高学生的实践动手能力和实际运营能力。
上述层级化实践教学平台以工业自动化网络控制实训中心为载体，使课程实践教学做到层次分明、循序渐进，以体现技术应用型人才的培养规律，并结合教学安排，使学生的能力培养形成一个从初级到专业逐步深化的过程，包括从基本技能延伸到专业技能，从单一技能拓展到综合技能，从实验室培养逐步过渡到生产实际培养。
二、工业自动化网络控制实训中心的构建
广西工业职业技术学院工业自动化网络控制综合实训中心是通过整合学院原有的各个自动化专业实验室，并融合了西门子全集成自动化网络控制的理念和全局性布局而创建出的一个以自由和开放为特点的实训中心。该中心的建立可以营造出一个更接近生产现场的实验环境，使学生的实际动手能力得到锻炼，同时，也可以为相关教学实验与研究人员提供一个良好的实验平台。整个工业自动化网络控制实训中心主要包括PLC与变频控制实训室、现场总线与组态技术实训室、自动控制技术实训室以及生产过程控制技术实训室4部分。
（一）PLC与变频控制实训室的系统构建
PLC与变频控制实训室是基于学院原来的PLC实训室扩建而成。原PLC实训室配备了二十套施耐德PLC变频器，采用PPI计算机通讯形式，计算机之间没有联网。随着控制技术的不断进步，原有设备显得比较落后。因此，实训室的改造扩建从以下两方面入手：一是通过升级，将原有单台设备分开控制模式改为网络控制模式，以体现技术发展趋势；二是通过网络技术的融合，原有单台设备融入控制网络，其原有功能可以得到进一步拓展。
为在资金有限的条件下达成最好的效果，扩建方案并没有考虑购买大型成套设备，而是新购20套带有以太网端口的PLC，把新购的20套以太网PLC组成一个大的工业以太网。网络结构采用两级网络控制拓扑结构，分别应用西门子工业通讯网络中的工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线来进行架构，网络结构示意图如图1所示。其中上层采用的是工业以太网，可以实现上位PC机之间的通讯，以及实现整个网络控制实训中心内部网络的通讯；而底层布置的是PROFIBUS-DP现场总线，用以实现下位机PLC和上位机之间的通讯，并同时承担下位机PLC主站和MM440变频器从站之间的通讯。该实训室设立的目的是培养学生基本技能，因此其使用频率较高，且面向的专业较广。经过上述配置改造，使整个实训体系既体现了西门子最新的工厂控制集成自动化技术特点，又保留了原有实验设备套数，并从整体上实现了功能提升，以最低的成本实现了最大程度的自动化控制解决方案。 图1 PLC与变频控制实训室网络结构图
（二）现场总线与组态技术实训室的系统构建
现场总线与组态技术实训室在功能上也属于面向培养学生基本技能的专项实训室，而且近几年控制软件组态技术在职业教育中越来越受到重视。为配合组态控制技术课程的教学，学院在近年也购置了四十台计算机，并购买安装了业内主流的组态王和MCGS组态软件。但是，按上述计算机加组态软件的教学模式，学生仅能较浅地掌握组态软件的应用，由于缺乏硬件连接的实践，真正意义上的组态控制系统硬件设备的连接与设置没有教学实践的条件，因此，等毕业生到实际生产企业后真正接触到组态时上手仍然存在困难。有鉴于此，现场总线与组态技术实训室在构建时就定位为采用主流技术标准和较先进控制设备的现场总线与组态技术实训室，其特色就是要融合现场总线技术和组态控制技术。
基于实训室的定位，其整体技术方案充分考虑了如何将当前主流的现场总线技术、设备与原有组态软件相融合的问题。控制网络采用二级拓扑结构，结构示意图详见图2，其中控制网络的上层采用工业以太网，其目的是实现上位PC机之间的通讯，以及整个网络控制实训中心内部网络的通讯；底层则通过PROFIBUS-DP现场总线，用以承担下位机PLC和上位机之间，下位机PLC主站和ET200S远程I/O，以及人机界面TP/OP从站之间的通讯任务。由于下位PLCS7-200中配置了以太网通讯模块CP243-1，上层管理网络可以对底层现场设备进行直接通讯，体现了工业现场应用的多样性，可以让学生实践到较先进的控制技术，还可以为教学科研人员开展基于以太网的PROFINET系统的研究提供平台。
图2 现场总线与组态技术实训室网络结构图
（三）生产过程控制技术实训室的系统构建
近年来，过程控制设备主要体现在现场设备的智能化和控制系统的网络化两个方面，而当今工业自动控制发展的趋势是管理和过程控制的一体化。控制技术实训的培训重点是面向流程工业的过程控制技术，为了在教学过程中体现这一重点，提高实训教学质量，让在校学生得到充分的工程实践锻炼，我们在工业以太网及现场总线的过程控制系统的基础上进行了实验装置扩展，构建了实训系统。
整个实训系统的控制结构是由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分组成。控制网络为两层网络拓扑结构，如图3所示。其中上层采用工业以太网来实现上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯；底层下位机PLC主站和从站之间的通讯则通过布置现场总线来实现。底层从站包括有控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写采用SIMATICS STEP7软件，上位机与PLC的动态连结则由组态软件SIMATIC WINCC来实现。采用两台工控机作为上位机，其主机界面应用了西门子的WINCC组态软件，用以显示工业生产、控制及报警等的图形化界面以及对SIMATIC PLC系统的诊断，方便硬件维护。
图3 生产过程控制技术实训室网络结构图
经过上述扩展，实训中心可新增变频器应用技术、过程控制和自动检测技术三门课的实验项目20多个，包括变频器的开、闭环调速，变频器的制动，变频器的多机联网控制，小区恒压供水工程的仿真等，教学效用提升明显。
（四）自动控制技术实训室的系统构建
面向制造业中自动生产线的机电一体化控制技术是自动控制技术实训的主要目标。自动控制技术实训室的构建是在学院原有的两套一体化生产线控制实训装置的基础上进行升级改造来实现的。原有实训装置在技术上比较先进，控制器是西门子S7-200的PLC，但由于没有联网，难以体现出机电一体化的特征。因此，自动控制技术实训室升级改造方案的重点就确定为实现原有一体化生产线控制实训装置与控制网络的联接。
为控制改造成本，教研室提出了在原有PLC模块上增加通讯模块来实现设备联网的方案，其网络结构如图4所示。其中现场设备通过工控机扩展卡SMP16-COM291和S7-200通讯模块EM277进行PROFIBUS-DP总线通讯，上层网络则由SMP16-COM201卡和工业以太网交换机实现连接。通过上述方案的改造，既实现了先进的工业网络联网技术在原有设备上的使用，还为日后的功能扩展改造预留了充分的空间。
图4 自动控制技术实训室网络结构图
高职工业自动化专业实践教学平台围绕培养具备高素质的技术应用性人才的目标，根据专业教学要求，实现实践教学与行业技术发展水平同步。广西工业职业技术学院在构建工业自动化网络控制实训中心的实践中，通过对实践教学平台的层级化设置，明确了各实训室的功能配置定位，并据此设置实践教学环节，以适应机电类专业工业现场的要求，让学生经历实现由基础理论实验到专业课程实训、综合实训等递进的实践能力培养过程，其特色包括：
充分把握当前控制系统的发展趋势，并依托西门子全集成自动化网络控制系统技术，建立了一个自由、开放式的实训模式，构建了一个接近生产现场的实验环境，既为培养学生的实际动手能力创造了一个良好的实训平台，又为相关教学实验与研究人员创造了一个良好的实验平台。
运用STEP7编程软件和WINCC组态软件进行网络组态和监控组态，学生可以通过直观的人机监控操作界面方便地修改操作参数，观察控制效果；并可在人机监控界面选用不同的程序进行多个实训项目，而不必需要进行硬件接线的更改。
建设过程中，充分考虑将学院的部分老设备融入新的系统中去，这样一来不但可以节约改造系统产生的费用，而且通过重新布局，还可以开发出原有设备的新功能。
【参考文献】
[1] 胡耀军，刘金云.模糊控制在工业以太网中的实现[J].仪器仪表标准化与计量，2011（3）
[2] 郁聪.高校实验室管理的问题及对策研究[D].天津大学，2012
[3] 王华，郭梅.从传统工厂到数字化、智能化工厂[J].电子世界，2013（20）
[4] 吴一鸣.PLC在工业自动化控制领域中的应用研究[J].无线互联科技，2013（10）
[5] 李爱华.PLC，变频器与通信技术的应用[J].电子技术与软件工程，2013（18）
[6] 刘建华，张同庄，毕文艳.可编程序控制器原理与应用实验教学改革[J].课程教育研究，2013（4）
【作者简介】刘 捷（1972- ），男，广西工业职业技术学院高级工程师，研究方向：工业自动化仪表技术。
（责编 丁 梦）
【关键词】工业自动化 实践教学平台 变频控制组态技术
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）09C-0190-03
培养符合生产、建设、管理和服务第一线需求的高素质、技能型、专门型人才是高职院校的目标，因此，实践性教学成为高职院校的一大特色，是实现其人才培养目标的重要教学环节。当前，自动化控制技术在现代化工业生产中的应用越来越广泛，随着计算机控制、PLC、网络及通讯等技术领域的相互渗透和集成应用，工业自动化技术逐步形成，并在当今工业科技中扮演着越来越重要的角色。同时，工业自动化设备的操作、维修、检测和管理等岗位对掌握工业自动化技术的技能型人才需求也在日益扩大。因此，在高职院校的相关专业开展实训教学，首要目的就是要培养学生的职业技能，使学生既能掌握工业自动化专业理论知识，又能胜任自动化仪器仪表、设备以及自动化生产线操作、安装、运行维护以及改造设计等技能型工作，同时培养其良好的职业素养，以适应区域经济和高新技术产业发展的需要，满足社会的需求。
目前我国工业自动化技术和计算机网络技术高速发展，如何全方位地培养具备工业自动化工程技术实践能力，能够解决工程实际问题的自动化专业人才已成为当前高等职业教育研究和探索的重要课题。本文结合广西工业职业技术学院工业自动化控制综合实训中心建设的实践，就高职院校工业自动化专业实践教学平台的构建进行探讨。
一、工业自动化实践教学平台的建设及定位
具有较强的实践能力以及新技术应用能力是当今社会企业对高级技术人才的基本要求。因此，高职教育必须是技术性、应用性的教育，其课程定位为“以应用为目的，以必须够用为度”，其专业技术技能要求较高，并具有针对性。广西工业职业技术学院基于对往届毕业生和用人单位的调研，确立了自动化类专业课程的设置方式为“宽基础、活模块”，并建立了“以岗位技术应用能力和素质培养为主线”的模块化教学体系。同时，相关教研室也对自动化类职业岗位所需的专业知识和技能进行全面梳理，重新定位了自动化类专业的实践教学目标，整合并优化了自动化类专业分散在各门基础课程和专业课程中的实验课程，从而构建了一个层级化的实践教学平台，包括：
素质实验层：以培训学生基础素质为主的训练实验室，包括计算机操作与工具软件使用实习，电工技术、电气控制技术课程实训和设计。
工程训练层：以增强学生工程实践能力和工程意识为目标，包括课程实训及设计、气动技术、电子技术、气动技术、液压技术、电子液压技术、信号检测技术及可编程技术等。
创新开发层：主要培养学生综合动手和创造能力，包括综合实训、综合实验、过控仪表及PLC控制系统设计实训。
实践生产层：加强校企合作，设立生产性实训实践基地，采用“公司化运作”经营管理模式，开设零距离上岗“直通车”，为企业的技术改造、研发提供技术服务。加快专业特色化建设，建设一流的“示范性”的实验（训）基地。包括工业网络综合实训、生产过程仿真投运实训、自动化生产线实训等综合实训内容，工业电梯控制实验（训）室、中兴通信实训基地等，全面提高学生的实践动手能力和实际运营能力。
上述层级化实践教学平台以工业自动化网络控制实训中心为载体，使课程实践教学做到层次分明、循序渐进，以体现技术应用型人才的培养规律，并结合教学安排，使学生的能力培养形成一个从初级到专业逐步深化的过程，包括从基本技能延伸到专业技能，从单一技能拓展到综合技能，从实验室培养逐步过渡到生产实际培养。
二、工业自动化网络控制实训中心的构建
广西工业职业技术学院工业自动化网络控制综合实训中心是通过整合学院原有的各个自动化专业实验室，并融合了西门子全集成自动化网络控制的理念和全局性布局而创建出的一个以自由和开放为特点的实训中心。该中心的建立可以营造出一个更接近生产现场的实验环境，使学生的实际动手能力得到锻炼，同时，也可以为相关教学实验与研究人员提供一个良好的实验平台。整个工业自动化网络控制实训中心主要包括PLC与变频控制实训室、现场总线与组态技术实训室、自动控制技术实训室以及生产过程控制技术实训室4部分。
（一）PLC与变频控制实训室的系统构建
PLC与变频控制实训室是基于学院原来的PLC实训室扩建而成。原PLC实训室配备了二十套施耐德PLC变频器，采用PPI计算机通讯形式，计算机之间没有联网。随着控制技术的不断进步，原有设备显得比较落后。因此，实训室的改造扩建从以下两方面入手：一是通过升级，将原有单台设备分开控制模式改为网络控制模式，以体现技术发展趋势；二是通过网络技术的融合，原有单台设备融入控制网络，其原有功能可以得到进一步拓展。
为在资金有限的条件下达成最好的效果，扩建方案并没有考虑购买大型成套设备，而是新购20套带有以太网端口的PLC，把新购的20套以太网PLC组成一个大的工业以太网。网络结构采用两级网络控制拓扑结构，分别应用西门子工业通讯网络中的工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线来进行架构，网络结构示意图如图1所示。其中上层采用的是工业以太网，可以实现上位PC机之间的通讯，以及实现整个网络控制实训中心内部网络的通讯；而底层布置的是PROFIBUS-DP现场总线，用以实现下位机PLC和上位机之间的通讯，并同时承担下位机PLC主站和MM440变频器从站之间的通讯。该实训室设立的目的是培养学生基本技能，因此其使用频率较高，且面向的专业较广。经过上述配置改造，使整个实训体系既体现了西门子最新的工厂控制集成自动化技术特点，又保留了原有实验设备套数，并从整体上实现了功能提升，以最低的成本实现了最大程度的自动化控制解决方案。 图1 PLC与变频控制实训室网络结构图
（二）现场总线与组态技术实训室的系统构建
现场总线与组态技术实训室在功能上也属于面向培养学生基本技能的专项实训室，而且近几年控制软件组态技术在职业教育中越来越受到重视。为配合组态控制技术课程的教学，学院在近年也购置了四十台计算机，并购买安装了业内主流的组态王和MCGS组态软件。但是，按上述计算机加组态软件的教学模式，学生仅能较浅地掌握组态软件的应用，由于缺乏硬件连接的实践，真正意义上的组态控制系统硬件设备的连接与设置没有教学实践的条件，因此，等毕业生到实际生产企业后真正接触到组态时上手仍然存在困难。有鉴于此，现场总线与组态技术实训室在构建时就定位为采用主流技术标准和较先进控制设备的现场总线与组态技术实训室，其特色就是要融合现场总线技术和组态控制技术。
基于实训室的定位，其整体技术方案充分考虑了如何将当前主流的现场总线技术、设备与原有组态软件相融合的问题。控制网络采用二级拓扑结构，结构示意图详见图2，其中控制网络的上层采用工业以太网，其目的是实现上位PC机之间的通讯，以及整个网络控制实训中心内部网络的通讯；底层则通过PROFIBUS-DP现场总线，用以承担下位机PLC和上位机之间，下位机PLC主站和ET200S远程I/O，以及人机界面TP/OP从站之间的通讯任务。由于下位PLCS7-200中配置了以太网通讯模块CP243-1，上层管理网络可以对底层现场设备进行直接通讯，体现了工业现场应用的多样性，可以让学生实践到较先进的控制技术，还可以为教学科研人员开展基于以太网的PROFINET系统的研究提供平台。
图2 现场总线与组态技术实训室网络结构图
（三）生产过程控制技术实训室的系统构建
近年来，过程控制设备主要体现在现场设备的智能化和控制系统的网络化两个方面，而当今工业自动控制发展的趋势是管理和过程控制的一体化。控制技术实训的培训重点是面向流程工业的过程控制技术，为了在教学过程中体现这一重点，提高实训教学质量，让在校学生得到充分的工程实践锻炼，我们在工业以太网及现场总线的过程控制系统的基础上进行了实验装置扩展，构建了实训系统。
整个实训系统的控制结构是由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分组成。控制网络为两层网络拓扑结构，如图3所示。其中上层采用工业以太网来实现上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯；底层下位机PLC主站和从站之间的通讯则通过布置现场总线来实现。底层从站包括有控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写采用SIMATICS STEP7软件，上位机与PLC的动态连结则由组态软件SIMATIC WINCC来实现。采用两台工控机作为上位机，其主机界面应用了西门子的WINCC组态软件，用以显示工业生产、控制及报警等的图形化界面以及对SIMATIC PLC系统的诊断，方便硬件维护。
图3 生产过程控制技术实训室网络结构图
经过上述扩展，实训中心可新增变频器应用技术、过程控制和自动检测技术三门课的实验项目20多个，包括变频器的开、闭环调速，变频器的制动，变频器的多机联网控制，小区恒压供水工程的仿真等，教学效用提升明显。
（四）自动控制技术实训室的系统构建
面向制造业中自动生产线的机电一体化控制技术是自动控制技术实训的主要目标。自动控制技术实训室的构建是在学院原有的两套一体化生产线控制实训装置的基础上进行升级改造来实现的。原有实训装置在技术上比较先进，控制器是西门子S7-200的PLC，但由于没有联网，难以体现出机电一体化的特征。因此，自动控制技术实训室升级改造方案的重点就确定为实现原有一体化生产线控制实训装置与控制网络的联接。
为控制改造成本，教研室提出了在原有PLC模块上增加通讯模块来实现设备联网的方案，其网络结构如图4所示。其中现场设备通过工控机扩展卡SMP16-COM291和S7-200通讯模块EM277进行PROFIBUS-DP总线通讯，上层网络则由SMP16-COM201卡和工业以太网交换机实现连接。通过上述方案的改造，既实现了先进的工业网络联网技术在原有设备上的使用，还为日后的功能扩展改造预留了充分的空间。
图4 自动控制技术实训室网络结构图
高职工业自动化专业实践教学平台围绕培养具备高素质的技术应用性人才的目标，根据专业教学要求，实现实践教学与行业技术发展水平同步。广西工业职业技术学院在构建工业自动化网络控制实训中心的实践中，通过对实践教学平台的层级化设置，明确了各实训室的功能配置定位，并据此设置实践教学环节，以适应机电类专业工业现场的要求，让学生经历实现由基础理论实验到专业课程实训、综合实训等递进的实践能力培养过程，其特色包括：
充分把握当前控制系统的发展趋势，并依托西门子全集成自动化网络控制系统技术，建立了一个自由、开放式的实训模式，构建了一个接近生产现场的实验环境，既为培养学生的实际动手能力创造了一个良好的实训平台，又为相关教学实验与研究人员创造了一个良好的实验平台。
运用STEP7编程软件和WINCC组态软件进行网络组态和监控组态，学生可以通过直观的人机监控操作界面方便地修改操作参数，观察控制效果；并可在人机监控界面选用不同的程序进行多个实训项目，而不必需要进行硬件接线的更改。
建设过程中，充分考虑将学院的部分老设备融入新的系统中去，这样一来不但可以节约改造系统产生的费用，而且通过重新布局，还可以开发出原有设备的新功能。
【参考文献】
[1] 胡耀军，刘金云.模糊控制在工业以太网中的实现[J].仪器仪表标准化与计量，2011（3）
[2] 郁聪.高校实验室管理的问题及对策研究[D].天津大学，2012
[3] 王华，郭梅.从传统工厂到数字化、智能化工厂[J].电子世界，2013（20）
[4] 吴一鸣.PLC在工业自动化控制领域中的应用研究[J].无线互联科技，2013（10）
[5] 李爱华.PLC，变频器与通信技术的应用[J].电子技术与软件工程，2013（18）
[6] 刘建华，张同庄，毕文艳.可编程序控制器原理与应用实验教学改革[J].课程教育研究，2013（4）
【作者简介】刘 捷（1972- ），男，广西工业职业技术学院高级工程师，研究方向：工业自动化仪表技术。
（责编 丁 梦）