Это вторая из трех частей (ссылка на первую), описывающих развитие процесса обучения инженеров АСУТП. Целью всех трех статей является попытка осмыслить подготовку инженеров АСУТП в ВУЗе (какая была, и какая есть сейчас), и обсудить с сообществом хабра, какой она должна быть в будущем. Каким образом ее можно актуализировать.

В данной статье будет описано текущее состояние обучения специальности АСУТП, включающее в себя: дисциплины, преподавательский состав, студенческий состав, учебное оборудование. Учитывая это, статья может быть полезна не только интересующимся данной областью, но и абитуриентам при выборе специальности для поступления в ВУЗ.

1. Дисциплины

В данном разделе описывается текущий перечень дисциплин, преподаваемых на специальности. Надо сказать, что все студенты изучают все представленные ниже дисциплины. Выбора здесь нет. Но каждый может найти среди них что-то, близкое ему по духу. Условно выделяется, как это сейчас модно говорить, несколько «траекторий», т.е. наборов дисциплин, которые выстраиваются в цепочку, объединенную общей темой: «техническая», «программистская», «теоретическая». Объем дисциплин в процентах примерно соответствует количеству времени (и в аудиториях и дома), которое студент посвящает данной дисциплине.

«Техническая» траектория – для тех студентов, которым нравится возиться с «железом». Начинается она с физических основ электроники, в которых объясняется принцип работы полупроводников. Далее изучаются сначала отдельные компоненты электроники: сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности, полупроводниковые (диоды, полевой и биполярный транзисторы, тиристоры). Изучаются простые схемы с ними. Параллельно на электротехнике вводится теоретический аппарат для расчета электрических цепей (законы Кирхгофа, методы расчета цепей, прохождение гармонических и негармонических сигналов через различные элементы и сборки из них). Далее выполняется переход к аналоговой схемотехнике (фильтры, ОУ), после чего изучается цифровая вплоть до третьего курса (алгебра логики, базисы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ключевые схемы на транзисторах). В конце этой дисциплины студентам рассказывают про устройства на цифровой базе последовательно усложняя материал (триггеры, счетчики, регистры, шифраторы, мультиплексоры) плюс про аналого-цифровые преобразования АЦП-ЦАП. Непосредственно к АСУТП эти знания не относятся, но для формирования общетехнической инженерной культуры очень нужны. С этой базой студент переходит на третий курс, где изучает, по сути нижний уровень АСУТП (датчики и исполнительные механизмы). Исполнительные механизмы преподаются сначала в теории движения (уравнения кинематики, динамики, моменты и силы), а потом упор идет на электромеханику (двигатели постоянного и переменного тока и электроприводы и системы управления ими). В курсе технических средств кроме разнообразных датчиков изучаются и интерфейсы получения информации с них, а также промышленные сети вцелом. Здесь же изучаются другие исполнительные механизмы АСУТП (кроме электроприводов) и происходит первое знакомство с ПЛК, его роль в АСУТП.

«Программистская» траектория начинается на первом курсе с предмета «Алгоритмизация и программирование», на котором студенты изучают базовые конструкции языка С++. Многие приходящие из школы его не знают, но проблем с изучением у тех, кто занимается на совесть, нет. Тут же идет знакомство, что такое IDE, этапы создания кода, т.к. в школе зачастую программа воспринимается как то, что ты набрал на экране, посмотрел как она работает здесь же, и забыл о ней. Конечно, упора на конкретные технологии разработки (разделение проекта, git, тонкостей компиляции и линковки) здесь не делается. После знакомства с синтаксисом здесь же даются основные структуры данных из библиотеки STL (vector, stack, queue, set, map). Обязательно дается распределение кода и данных программы в ее адресном пространстве, и суть динамического выделения памяти, т.к. при работе с МК и ПЛК работе с памятью на низком уровне будет уделено много внимания. На втором курсе развиваем программистскую тему, вводя три больших блока: 1) техника программирования; 2) ООП 3) графический интерфейс. В технике программирования идут основы работы над большими проектами: как разделить код на несколько файлов, h-файлы, зависимости в проекте, создание статических и динамических библиотек. Полноценного курса совместной работы конечно нет, поэтому всех тонкостей не успеть рассказать (хотелось бы и работу c git, и про юнит-тесты и про перенос на другие платформы/компиляторы). Второй блок знакомит с ООП на С++. Тут все стандартно: классы, наследование, полиморфизм, виртуализация, статические методы. Обсуждается и общая часть: как все это использовать (когда лучше применить композицию, а не наследование, что взять за инвариант, о важности геттеров и сеттеров и т.п.). Третья часть курса знакомит с разработкой ПО с графическим интерфейсом на примере библиотеки Qt. Тут тоже я мало чем могу удивить читателей хабра, т.к. рассказываются основы: элементы пользовательского интерфейса, менеджеры компоновки, статическое и динамическое создание элементов, сигнал-слотовое взаимодействие. В конце курса идут примеры работы с сетевым интерфейсом UDP и COM-портом. В свое оправдание скажу лишь, что на первый взгляд, учебников и в интернете, и в печатном виде много – изучай не хочу. Но, как показывает практика, студенты, не посещающие вживую лекции и лабы, где шаг за шагом живой преподаватель показывает, как создавать примитивные проекты, почему-то показывают результат гораздо хуже, чем те, кто исправно ходит на них. Поэтому, хотя и можно было бы дать такое на самостоятельное изучение, а на лекциях рассказывать что-нибудь более продвинутое, я не делаю так. Третий курс знакомит студентов по сути с современным состоянием IT-отрасли. Здесь дается обзор архитектуры ЭВМ, начиная со структуры компонентов процессора и заканчивая сравнением типов целых архитектур CISC, RISC, VLIW и обзор периферийных устройств. Имеется курс для изучения сетей и стека сетевых протоколов модели OSI. В нем подробно изучаются нижние уровни от физического до транспортного (TCP/UDP), включая рассмотрение механизмов организации доступа к среде: конкурентный у Ethernet или ведущий-ведомый у других (PROFINET, EtherCAT). Лабораторный курс по сетям предполагает работу с конфигурированием маршрутизации, файервола, просмотр пакетов с помощью WireShark. Т.е. сетевой курс общего характера, который не заточен на АСУТП. В качестве курса с упором на практику программирования на третьем курсе выступают микропроцессорные системы. Здесь идет глубокое изучение архитектуры МК (в первую очередь ARM на примере МК STM32). Программирование на том же С со своими поправками на привязку к железу. Четвертый курс в этой ветке посвящен прикладному программированию АСУТП: ПЛК + SCADA. Язык ST из МЭК 61131-3 воспринимается знакомыми с программированием студентами хорошо. Но есть специфика, связанная с реальным временем выполнения программы. Конечно, дается только база: принцип работы ПЛК в виде блоков OB, FB, FC; работа с дискретной логикой; таймеры; счетчики; работа с аналоговыми входами на уровне считать, сравнить, выдать на выход; использование ШИМ. За рамками остаются обмен по сети (PUT/GET), работа в связке с операторской панелью (т.е. получение команд от оператора) и некоторые другие вещи. Курс по SCADA-системам дает знакомство с принципами и, опять же, какие-то общеупотребимые вещи типа тэгов, экранов, сообщений.

Набор дисциплин для «теоретиков» начинается с углубленной математики. Сюда входит теория функций комплексных переменных, преобразования Лапласа и Фурье, и стандартные главы общеинженерного курса вроде векторного анализа, матричного исчисления, теории вероятностей. Также как можно раньше в обиход вводится матлабовский Simulink, так как он является основой для почти всех теоретических дисциплин этой направленности. Пользуясь этим математическим базисом на втором курсе дается теория сигналов: описание математической модели сигнала в спектральной и операторной формах, моделирование типовых звеньев и спектральный анализ сигналов. На третьем курсе начинается изучение собственно теории автоматического регулирования. Вводится аппарат передаточных функций и изучаются типовые звенья. Далее происходит переход к регулированию с помощью обратной связи, описывается устойчивость системы, синтез системы, наблюдатели. В четвертом курсе происходит выход ТАУ на локальные регуляторы, описывается работа и устройство ПИД-регулятора с аналоговым и ШИМ-выходами, более сложные модели регуляторов (адаптирующиеся и пр.). Несколько особняком в этой группе стоят дисциплины, посвященные эксперименту и моделированию. Рассказывается о видах моделей: математическая, статистическая, на базе Q-схем. Кроме этого дается работа с языками имитационного моделирования. На четвертом курсе, как уже было сказано, идет развитие теоретических дисциплин, добавляются дисциплины для общего понимания САУ, ее структуры, видов. Как перейти от физического процесса к его математической модели и не потерять по пути нужные нам характеристики.

2. Преподавательский состав

Состав преподавателей определяет, куда будет развиваться специальность, и поэтому очень важен. По степени вовлеченности в учебный процесс можно выделить несколько групп преподавателей.

Основа состава – это штатные преподаватели, ведущие преимущественно учебную деятельность. Многие дисциплины, как например электроника, электротехника, ТАУ, требуют активной лабораторной деятельности (работы на стендах, с электронными схемами, измерительными приборами), поэтому для полноценного их преподавания необходима по сути полная вовлеченность преподавателя, которая не оставляет ему времени и сил на альтернативную деятельность (наука, популяризация, внеучебная). Это усугубляется тем, что сейчас почти исчезли лаборанты, которые сняли бы с преподавателя технические вопросы по поддержанию оборудования. Поэтому кроме преподавания, все время что-то паяется, чинится, усовершенствуется. Студенты – это студенты, и процесс ломания входит как часть в процесс познания. Преподаватели этой группы чаще в возрасте, что конечно не добавляет им популярности среди студентов. Плюсом данной ситуации я вижу то, что студенты получают очень крепкую базу в области таких дисциплин. Да, основа этих знаний заложена очень давно и не меняется. Но, считаю, что, например, знание, как работают полупроводниковые приборы и как работает, к примеру, электродвигатель, является обязательным для инженера (и не только АСУТП-инженера). Среди общего преподавательского состава эта группа составляет примерно половину.

Другая группа преподавателей – внешние совместители. Как правило это люди, пришедшие в преподавание из производства. По разным причинам, иногда по знакомству, иногда по зову сердца, но почти всегда не из меркантильных соображений. У них есть постоянная работа вне института, и они ведут лекции, практики и лабораторные (что реже) как правило по 1-2 предметам своей узкой специализации. Общение с такими преподавателями я считаю очень полезным для студентов. Потому что помимо знаний, студенты получают информацию о ситуации в промышленности в своей области из первых рук. Надо сказать, что вопреки распространенному мнению, люди со стороны почти не ищут для себя способных ребят, чтобы забрать их к себе на основное место работы. Может я и не знаю всего, но, почти не вижу такого. Минус совмещения тоже очевиден – преподаватель и здесь и не здесь одновременно. На него можно положиться только в рамках той дисциплины, которую он читает. На полноценную деятельность в институте у совместителя не хватит времени. Для развития специальности нужно не только преподавать, но и воспроизводить кадры, рекламировать специальность среди абитуриентов, улучшать технический состав оборудования, расширять перечень дисциплин за счет новых и многое другое. Совместители составляют 40-45% имеющегося состава.

Есть еще третья категория преподавателей, но она самая маленькая. В 90-е гг. в процессе коммерциализации из состава предприимчивых преподавателей и научных работников начали выделяться частные фирмы, делающие что-то коммерческое (это могли быть и научные разработки, и мелкосерийное производство и другое). Работники и руководство таких небольших компаний было выходцами из ВУЗов, и иногда и не прекращало там работу. Зачастую такие фирмы базировалось там же на территории ВУЗа. Для преподавания сотрудники таких выделившихся фирм подходили идеально: они прошли ВУЗовскую школу сначала как студенты, а потом, как правило, и как аспиранты; имели приличный заработок, не связанный с преподаванием; территориально работали или около или на территории ВУЗа, что упрощало перемещения в течении рабочего дня. Руководство таких компаний было сильно вовлечено в жизнь ВУЗа, и поощряло участие в ней сотрудников. Эта категория как раз часто рассматривала преподавание, как возможность подобрать для своего предприятия способных студентов. Благо, студенту тоже далеко ходить не придется, и работу легко будет совмещать с учебой. К сожалению, в последнее время такие формы сотрудничества предприятия с ВУЗом – редкость. У меня нет убедительных мыслей, почему так получилось, но возможно это связано с общим упадком малого бизнеса в стране. Те фирмы, которые выжили в 90-е, стали крупными, и уже не ассоциируют себя с ВУЗом. А новых появляется мало, потому что сейчас для создания небольшой производящей что-либо компании нужны бОльшие усилия, чем в 90-х. Как бы то ни было, итогом всех этих тенденций стало сокращение преподавателей третьей группы до буквально единиц.

3. Студенты

Первое, что нужно знать, говоря о студентах, что все последние годы государство планомерно расширяло количество бюджетных мест на технические специальности. Казалось бы – отлично: больше абитуриентов смогут поступать, больше будет инженеров. Но по факту оказалось, что абитуриенты уже давно ориентированы только на одну техническую отрасль: IT. Причин этого много: в первую очередь высокие зарплаты, которые предлагают ведущие компании в этой отрасли, хорошо поставленная реклама, возможность уезжать за рубеж. Я не буду тут говорить о том, что это ошибка государства, абитуриентов, человечества или кого-то еще. Эта ситуация нам дана как есть на данный момент. К чему она привела: при увеличившемся наборе на технические специальности студентов становится, соответственно, больше. Но в основном за счет IT-направлений, в то время как остальные специальности лишаются даже того потока способных абитуриентов, который у них был до расширения мест. Проходной и средний балл ЕГЭ поступивших на неIT-шные специальности абитуриентов падает, кое-где уже в этом году обозначился недобор на бюджетные места. Здесь самое частое возражение: что раньше студенты шли на нашу специальность от безысходности, потому что не смогли поступить на IT-шные. А теперь у них больше выбора, и это справедливее. Мой опыт показывает, что поступившие после школы студенты еще не ориентированы жестко на какую-то конкретную деятельность. Как правило, им нравится техническое направление, но как-то абстрактно. Преподавая программирование как раз на 1 и 2 курсах могу сказать, что подавляющее большинство не демонстрирует какой-то высокой тяги к нему. Т.е. по факту им хочется в IT не потому, что им хочется заниматься им, а из-за внешних атрибутов этой деятельности (зарплата, мобильность, возможность работать на себя). Причем контингент студентов достаточно образован (средний балл ЕГЭ поступивших около 230), чтобы не иметь проблем с целеполаганием. Это именно недоопределенность выбора, которую внешняя ситуация умело разрешает в сторону неинженерной специализации.

Что такое инженерная специализация ? Пожалуй, основное отличие инженерного подхода от других (и от чистого IT в том числе) состоит в том, что инженер умеет не только пользоваться вещью, но и знает, как она устроена. Звучит пафосно, но суть такова, что он должен пусть не досконально, но в общих чертах рассказать устройство техники вплоть до физических основ ее работы. А если знаком еще и с технологией производства этой техники, то вообще – супер. Например, если начать с вопроса: как выполняется программа? То ответы пойдут по траектории: код программы-> выполнение кода процессором -> состав процессора –> дискретная логика -> цифровые вентили-> транзисторы в ключевом режиме -> p-n переход в полупроводниках. И по каждому из этих ответов необходимо понимание работы хотя бы в общих чертах. Пример взят специально не из АСУТП, но он нагляден. В АСУТП больше вопросов упрется в конце в физические принципы датчиков или электромеханику, но суть та же. Это как конструирование из кубиков, но нужно знать все кубики, даже самые нижние. Логично, что изучение начинается с самых нижних кубиков. Но это значит, что для студентов неочевидна связь этих кубиков с повседневными окружающими их вещами. Это требует от них на первых порах учебы ради учебы, без очевидной связи с применением полученных знаний (а это могут далеко не все). Если Вы учитесь делать сайты, то применить это знание сможете буквально через несколько месяцев учебы. В АСУТП Вы увидите действующую систему хорошо если к окончанию бакалавриата. Здесь подключается вопрос самодисциплины: тащить себя несколько лет через учебу, видя, что ты остаешься бесполезным для работодателей, могут не все. Многие не выдерживают. Достаточно сказать, что до выпуска доходит 60-65%. Учитывая, что сейчас очень щадящая система, которая отчисляет только совсем впавших в анабиоз студентов, это мало.

4. Оборудование

Как будет развиваться ситуация в текущих условиях – непонятно, но последнее время с оборудованием было все очень неплохо. Современное специализированное оборудование в области АСУТП недешево: для лабораторных базовых дисциплин нужны цифровые мультиметры, осциллографы, генераторы сигналов; для продвинутых курсов – стенды с ПЛК для программирования, стенды для моделирования управления динамическими системами. Основная претензия к учебным стендам (причем и отечественным и зарубежным) – отсутствие продуманной документации и методических указаний. Это вызывает необходимость что-то придумывать, как-то адаптировать стенды к имеющимся лекциям. Все это требует от преподавателя времени и сил, на что далеко не все готовы идти, особенно если курс сопряжен с освоением новой техники.

Очень частая практика до 90х годов – создание лабораторных стендов силами преподавателей и студентов. Сейчас это кажется нереальным, но в те времена – вполне обычная вещь. Некоторые из стендов, созданных 30 лет назад, работают до сих пор.

 Такой подход не буду превозносить, по сути он был от безысходности. Сегодня есть много фирм, производящих лабораторное оборудование хорошего качества. До недавнего времени можно было подобрать стенд для изучения техники автоматизации практически любой из ведущих мировых фирм. При этом доступны разные по наполнению работами стенды от вводящих в предмет до насыщенных углубленными специализированными темами (сети промышленной автоматики, например).

Большое распространение получили стенды для моделирования технологических процессов на основе программных моделей: ПЛК реальный, а управляемый объект виртуальный в виде программы в ПК. Но, на мой взгляд, удаление от работы с железом негативно сказывается на обучении, т.к. виртуализация объекта оставляет от него некоторый идеализированный каркас, который может иметь мало общего с реальным объектом. В качестве примера можно рассмотреть шаговый двигатель на стенде выше. Одна из работ предполагает написание ПИ-регулятора скорости вращения этого двигателя с использованием подачи импульсов заданной частоты на двигатель и считывания импульсов с оптического щелевого датчика, перекрываемого движущимися лопастями. Даже на таком простом примере студенты сразу увидят, что скорость вращения измеряется не одинаково точно на всем интервале доступных скоростей, что сигнал с датчика тоже не идеален, а зависит от положения датчика. Такие нюансы обычно не предусматриваются программной моделью, и если они даже заложены в ней, студентам неочевидно, почему. В лучшем случае будет отклик «Эта фишка в регуляторе сделана, чтобы не было того-то ? А, ну да, понятно». Но истинная причина от них останется скрыта.

Подводя итог по оборудованию можно сказать, что сейчас это в меньшей степени вопрос денег, а в большей -  желания и возможностей преподавателя заняться новым: найти и выбрать в каталоге производителя необходимые стенды, объяснить руководству пользу от них, заказать, получить заказ, разобраться, написать методические указания, обкатать на небольшой группе студентов, внедрить лабораторные работы в массовый курс. Причем на оборудование деньги даются охотнее, чем на зарплату преподавателям.

Заключение

 Таковы современные аспекты подготовки инженеров АСУТП. В качестве вывода можно обозначить основные проблемы:

• Трудная актуализация преподаваемых дисиплин.

• Кадровый дефицит преподавателей.

• Снижение уровня подготовки и уровня мотивации студентов.

К плюсам можно отнести:

• Уровень оснащенности техникой.