集散控制系统课程教学内容的改革及优化

白 锐，孙丽颖，王铁超，郭 栋，赵越岭

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

集散控制系统课程教学内容的改革及优化

白 锐，孙丽颖，王铁超，郭 栋，赵越岭

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

集散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）是石油、电力、冶金、化工等行业实现自动控制的主流产品。集散控制系统课程是自动化、测控技术与仪器等专业的主要专业课程，该课程的目标是使学生掌握DCS的设计方法、并具备DCS的硬件和软件开发，DCS综合应用等工程实践能力。该课程具有与工程实践联系密切、实用性较强等特点，以培养学生具有扎实的理论基础，同时具有较好的工程实践能力为目的，针对该课程本身的特点，进行了教学内容的改革及优化，实现了教学内容的模块化和系统化。所提出的改革方法在实际教学过程进行了实践，取得了良好教学效果。

集散控制系统；教学内容；模块化；工程实践能力

集散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）是自动化、测控技术与及仪器等专业的主要专业课程[1-2]，通过学习该课程，培养学生综合运用所学的专业知识，进行分析、设计、开发及应用DCS的能力。该课程与工程实践联系密切，是一门实用性很强的课程，因此，对于该课程的知识内容，学生不仅要学会它，更重要的是会应用它。

为了使学生具有扎实的理论基础，并具有较好的工程实践能力[3-4]，本文根据DCS课程本身的特点，进行了教学内容的改革及优化，实现了课程知识内容的模块化和系统化，加强并巩固了学生的应用技术能力。实际的教学过程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教学效果。

一、课程内容的模块化设计

辽宁工业大学（以下简称我校）集散控制系统课程总计48学时，其中课堂知识内容为40学时，实验内容为8学时。经过对教学内容的改革与优化，该课程的理论授课内容被划分为三大部分、六大模块，如图1所示。可知，理论授课的知识内容包括“基础知识”、“典型系统”、“系统应用”三大部分。

（一）基础知识

第一部分为基础知识。该部分主要介绍 DCS的基础知识。主要由3个模块组成。

模块1为DCS的概述。模块1的教学目标是使学生掌握DCS的整体概念。模块1由3个小模块组成，如图2所示。

模块1.1和模块1.2分别讲授计算机控制系统、集散控制系统的基本概念及发展历史。通过模块1.1和模块1.2，使学生对DCS有个初步的整体概念。然后在模块1.3中，采用案例教学手段，为学生介绍一个实际工业过程的DCS系统。

通过理论和案例教学相结合，使学生对 DCS的整体概念有个较好的初步理解。

图1 课程的理论授课内容

图2 模块1的组成

模块2为DCS的硬件体系及系统。模块2的教学目标是使学生掌握DCS的基本硬件组成、DCS硬件的相关理论知识。模块2由4个小模块组成，如图3所示。

模块2.1、模块2.2、模块2.3主要是讲授DCS的硬件体系结构、通信网络、硬件组成及功能等理论知识和基础知识。模块2.4是对目前常用的几种DCS产品进行简要介绍。

图3 模块2的组成

模块3为DCS的软件体系及功能。模块3的教学目标是使学生掌握DCS的软件组成、软件功能、软件编程的基础知识和相关理论知识等。模块3由4个小模块组成，如图4所 示。模块3.1首先介绍DCS软件的体系架构。模块3.2、3.3和3.4分别介绍DCS中三种重要的软件类型，即系统组态软件、控制层软件和监控层软件，采用案例教学的方式，通过典型案例的讲解，使学生理解DCS中三种重要的软件类型。

图4 模块3的组成

（二）典型系统

第二部分为典型系统。在第一部分基础知识中，介绍了DCS的整体概念，DCS的硬件理论和软件理论等知识。但是在这一部分内容中，只是介绍了DCS的理论知识，包括硬件和软件部分，都是通用性、一般性的知识内容，并没有涉及到 DCS的应用技术。学完第一部分基础知识后，学生会对DCS的基础知识和理论知识有较好的掌握，但是DCS是一门工程实践性很强的课程，这一特点决定了 DCS课程教学的主要目标之一是使学生掌握如何使用DCS，如何利用一种典型DCS去开发工业过程控制系统，因此，从应用型人才培养的角度出发，必须使学生掌握1-2种典型DCS的使用。

目前，国内外很多著名的自动化公司都推出了自己的DCS产品。在第二部分典型系统中，将重点讲述两种典型的 DCS产品，包括浙大中控公司的JX-300XP DCS和西门子公司的 SIMATIC PCS7 DCS[5-7]，分别为模块4和模块5。

模块 4的教学目标是使学生掌握一种具体的DCS产品，即浙大中控公司的JX-300XP DCS。模块4由5个小模块组成，如图5所示。模块4.1首先从整体上讲授JX-300XP DCS的主要特点。模块4.2讲授JX-300XP DCS的硬件系统，并采用案例教学的方式讲授如何对DCS系统的硬件进行设计。模块4.3、模块4.4和模块4.5主要讲授JX-300XP DCS的软件系统，均采用案例教学的方式讲授在JX-300XP DCS中如何进行系统组态、如何开发控制软件、如何开发监控软件。

图5 模块4的组成

模块5的教学目标是使学生掌握另外一种具体的DCS产品，即西门子公司SIMATIC PCS7 DCS。模块5由3个小模块组成，如图6所示。模块5.1首先从整体上讲授SIMATIC PCS7 DCS的主要特点。模块5.2讲授SIMATIC PCS7 DCS的硬件系统，并采用案例教学的方式讲授如何对 DCS系统的硬件进行设计。模块5.3讲授SIMATIC PCS7 DCS的软件系统，并通过案例教学的方式讲授在SIMATIC PCS7 DCS中如何进行软件开发。

图6 模块5的组成

（三）系统应用

第三部分为系统应用，该部分主要包括1个知识模块，即模块6“基于JX-300XP的精馏过程控制系统设计及开发”。通过上述基础知识和典型系统两个部分（总计5个知识模块）的学习，学生对DCS的基础知识和理论知识、典型DCS产品的应用等知识有了较好的掌握。

为进一步加强并巩固学生的应用技术能力，在第三部分系统应用中，采用任务驱动的方式，为学生讲解在实际工业过程中如何进行控制系统的设计和开发。利用我校辽宁省实验教学示范中心——工业生产过程自动化综合实验实训中心，以精馏过程为被控对象，以浙大中控的JX-300XP DCS为控制器，向学生讲解如何在工程项目中进行基于DCS的过程控制系统的设计和开发，包括工艺流程分析、控制方案设计、硬件和软件开发、控制系统调试等内容。

综上，本课程授课内容在结构安排上采用循序渐进的方式，首先进行基础和理论知识的讲授，通过这一部分的内容，使学生对DCS的基础知识和理论知识有较好的掌握；在此基础上，为了更好地培养学生综合应用DCS技术的应用能力，向学生讲解如何使用典型的DCS产品、以及如何利用DCS设计和开发实际工业过程的控制系统。通过上述知识内容的学习，不仅可以使学生掌握扎实的基础知识，同时能够有效地提高学生的工程实践能力。

授课内容结束后，将进行8个学时的课程实验，完成DCS设备的组态、编程及设备运行等内容，实验内容如表1所示。

表1 集散控制系统课程实验

在授课内容、课程实验结束后，将进行为期 2周、总计32学时的课程设计。

我校的工业生产过程自动化综合实验实训中心以及集散控制系统实验室具有 JX-300XP、SIMATIC PCS7等DCS设备，以及大量过程控制实验装置。在课程设计过程中，充分利用上述设备资源，使学生做到一人一题、真题真做。根据实际的工程项目或者大学生科技竞赛题目为学生制定课程设计题目及相应的任务书，使学生利用现有的DCS设备资源，在课程设计过程中能够以工程师的角色来进行控制系统的设计，并完成控制系统的运行和调试。

通过课程设计，进一步提高学生对工业过程控制系统进行设计和开发的能力。

二、课时的设计

本课程包括授课、实验、课程设计等教学环节，授课内容为40学时，实验为8学时，课程设计为32学时（2周），课时整体分配如图7所示。

图7 课时总体分配情况

在授课内容的40个学时中，总计20个知识点，知识点及课时安排如表2所示：

在授课内容的 40学时中，采用案例教学方式的是18学时，采用实践实训教学方式的是6学时；授课地点为教室的是 18学时，授课地点为实验室的是16学时，授课地点为实验实训中心的是6学时。

除了上述授课内容之外，8个学时的课程实验均在实验室完成，32个学时的课程设计在实验室与实验实训中心完成。

表1 集散控制系统课程授课内容的知识点及课时

三、结束语

本文根据DCS课程本身的特点，将课程知识内容进行了模块化和系统化的设计，根据各个模块的内容及特点，优化设计了相关的学时分配，实现了教学内容的改革及优化，从而加强并巩固了学生的应用技术能力。实际的教学过程表明，本文所提出的改革方法取得了良好的教学效果。

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(责任编校：付春玲)

G642.0

：A

：1674-327X (2017)01-0126-04

10.15916/j.issn1674-327x.2017.01.038

2016-09-19

辽宁省教学改革研究项目（UPRP20140643, 305）；辽宁工业大学教学改革研究项目（2014033，2014027，2016030）

白锐(1976-)，男，吉林九台人，教授，博士。

时间：2016-12-16 16:24:30；

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