萬其中 熊遠(yuǎn)欽 陽衛(wèi)軍 梁志武

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃下的《化工儀表及自動化》課程內(nèi)容的教與改

萬其中 熊遠(yuǎn)欽 陽衛(wèi)軍 梁志武

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

從對化工技術(shù)人員在儀表選擇、安裝、調(diào)試、化工參數(shù)監(jiān)測和自動控制的技能要求出發(fā)，對《化工儀表及自動化》課程的教學(xué)目標(biāo)、講授內(nèi)容及學(xué)習(xí)效果的考核等方面做了有益的嘗試和改革。同時，介紹“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”規(guī)劃教材《化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化》和研發(fā)的化工儀表自動化綜合實(shí)訓(xùn)平臺，為本課程的教學(xué)提供了很好的借鑒。

卓越工程師教育 化工儀表 化工過程自動化 化工參數(shù)監(jiān)測 課程教改

隨著化工生產(chǎn)過程的連續(xù)化、大型化和復(fù)雜化，要求廣大化工生產(chǎn)工藝技術(shù)人員必須學(xué)習(xí)和掌握必要的檢測技術(shù)和自動化知識，這是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、安全、低耗的基本條件和重要保證，也是相關(guān)人員管理與開發(fā)現(xiàn)代化生產(chǎn)過程所必須具備的技能[1]。因此，《化工儀表及自動化》課程被列為高等學(xué)?；づc制藥類專業(yè)學(xué)生的一門必修課。

為適應(yīng)國家教育部的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”教學(xué)的需要，強(qiáng)化化工與制藥類專業(yè)學(xué)生的工程化知識和技能培養(yǎng)[2]，在從事《化工儀表及自動化》課程的教學(xué)過程中，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的教師特別注重現(xiàn)代化工企業(yè)對于化工工藝人員在儀表選擇、安裝、調(diào)試、化工參數(shù)監(jiān)測和自動化控制技能的實(shí)際要求，從教學(xué)目標(biāo)、講授內(nèi)容及學(xué)習(xí)效果的考核等方面做了一些有益的嘗試和改革，除了延續(xù)經(jīng)典的講述構(gòu)成化工過程自控系統(tǒng)的被控對象、檢測元件與傳感器、自動控制儀表及執(zhí)行器等工業(yè)儀表知識外，在介紹基本控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還分別舉例介紹了集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、幾種典型化工單元裝置與過程的控制方案[3]。經(jīng)過幾年的試行，于2014年編寫、并由化學(xué)工業(yè)出版社出版了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”規(guī)劃教材《化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化》。

1 《化工儀表及自動化》課程教學(xué)目標(biāo)的改進(jìn)

就本科院校而言，面向化工與制藥類專業(yè)的學(xué)生開設(shè)《化工儀表及自動化》課，對學(xué)生知識和技能的培養(yǎng)目標(biāo)主要是：

a. 掌握化工過程常用參數(shù)監(jiān)測儀表的結(jié)構(gòu)與測量原理；能夠根據(jù)工藝與控制要求合理選擇常用的溫度、壓力、流量和物位檢測儀表。

b. 能夠根據(jù)檢測儀表技術(shù)說明書的要求正確使用儀表；依據(jù)儀表的維護(hù)要求，對儀表的常見故障和線路故障能進(jìn)行合理分析，并加以排除；對各種參數(shù)變送器正確地實(shí)施調(diào)零、零點(diǎn)遷移和量程擴(kuò)展操作。

c. 理解各種控制規(guī)律對被控系統(tǒng)的作用，正確應(yīng)用于各種參數(shù)對象的控制中；根據(jù)化工工藝和控制要求，合理設(shè)置智能PID控制器的相關(guān)參數(shù)；理解SLPC過程控制儀表的組成原理和運(yùn)行機(jī)制，熟悉其功能和功能指令的應(yīng)用方法。

d. 能夠讀懂并規(guī)范地繪制常用帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。根據(jù)工藝要求，綜合運(yùn)用知識和各種控制方法，設(shè)計(jì)出簡單控制系統(tǒng)并加以實(shí)施。

e. 掌握常用工業(yè)過程控制系統(tǒng)的組成原理與性能特點(diǎn)，熟悉其適用場合。理解被控參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，掌握被控參數(shù)與調(diào)節(jié)參數(shù)的合理確定方法。能夠根據(jù)被控參數(shù)和系統(tǒng)特點(diǎn)，運(yùn)用臨界比例度法、衰減曲線法兩種工程整定方法，對簡單控制、串級控制等實(shí)施正確調(diào)試，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性3項(xiàng)指標(biāo)基本優(yōu)化，滿足工藝要求。

湖南大學(xué)作為國家“211工程”、“985工程”重點(diǎn)建設(shè)高校，在化學(xué)工程與工藝專業(yè)率先實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和“華盛頓協(xié)議”工程教育專業(yè)認(rèn)證的自評，以培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)競爭力和職場競爭力，以經(jīng)濟(jì)全球化形勢下的國際人力資源市場競爭力為導(dǎo)向，使學(xué)生在掌握堅(jiān)實(shí)的自然科學(xué)知識、化工工程技術(shù)基礎(chǔ)知識和具備一定的人文社會科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，同時具備工程實(shí)踐能力、工程研究能力、工程創(chuàng)新能力和工程綜合能力的專業(yè)素質(zhì)，勝任從事化工過程與產(chǎn)品工程的設(shè)計(jì)研發(fā)、管理、項(xiàng)目策劃，以及在化學(xué)工業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域(如材料、能源、環(huán)境、醫(yī)藥、冶金、食品、生物、資源及勞動安全等)從事化工新工藝、新產(chǎn)品、新技術(shù)的研究開發(fā)及其生產(chǎn)和技術(shù)管理工作。具體落實(shí)到《化工儀表及自動化》課程上，其教學(xué)目標(biāo)就是使學(xué)生了解化工過程控制與儀表的基本知識，理解自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成、基本原理和各環(huán)節(jié)的作用；根據(jù)工藝需要與自控設(shè)計(jì)人員共同討論并提出合理的自動控制方案；能為自控設(shè)計(jì)提供正確的有關(guān)工藝條件和數(shù)據(jù)；了解化工對象的基本特性及其對調(diào)節(jié)過程的影響；了解工業(yè)儀表的基本調(diào)節(jié)規(guī)律，懂得調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定是如何影響調(diào)節(jié)質(zhì)量的；了解主要工藝參數(shù)的基本測量方法和儀表的工作原理和特點(diǎn)；能根據(jù)工藝要求，正確選擇、投運(yùn)和使用常見的測量儀表和調(diào)節(jié)儀表；在生產(chǎn)開停車過程中，自主進(jìn)行自控系統(tǒng)的投運(yùn)和調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。理解工業(yè)過程常用控制系統(tǒng)的組成原理與性能特點(diǎn)，熟悉其適用場合，對簡單控制、串級控制、比值控制、均勻控制及前饋控制等系統(tǒng)正確地實(shí)施調(diào)試，使系統(tǒng)在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性的3項(xiàng)指標(biāo)基本優(yōu)化，滿足工藝要求。了解和學(xué)會工業(yè)過程中常用的集散控制和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試，掌握典型化工單元過程與設(shè)備(如流體輸送設(shè)備、換熱器、精餾塔和反應(yīng)釜)的控制措施。

2 《化工儀表及自動化》課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

依據(jù)上述課程教學(xué)目標(biāo)的改進(jìn)，在組織和進(jìn)行《化工儀表及自動化》課程教學(xué)和《化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化》教材內(nèi)容的編排和組織上注重實(shí)際應(yīng)用，注意引用工程中的實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程應(yīng)用能力[1]，既適用于高等學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)的教學(xué)要求，也適宜于其他一些類型(如石油、醫(yī)藥、輕工、食品、林業(yè)、冶金、煤礦、生物和環(huán)境)的相關(guān)專業(yè)，還可供從事連續(xù)化工生產(chǎn)過程的工藝技術(shù)人員參考。

筆者在課程教學(xué)和編寫《化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化》書稿時，較系統(tǒng)地介紹了化工過程參數(shù)監(jiān)測及其控制的基礎(chǔ)知識、過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等基本理論，并以典型的化工單元控制方案實(shí)例予以詮釋。第1章為化工參數(shù)測量的基本知識，重點(diǎn)介紹化工過程中工藝參數(shù)檢測的基本概念、測量儀表的分類與性能指標(biāo)等共通性知識；第2章為化工過程壓力參數(shù)的監(jiān)測，主要介紹壓力和壓差的檢測方法、壓力監(jiān)測儀表及其變送器的工作原理、選用、安裝和校驗(yàn)；第3章主要介紹化工過程中流量參數(shù)的監(jiān)測，同樣包括流量的測量方法，各種流量儀表和變送器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、儀表的選擇、安裝與校驗(yàn)；第4章講述化工過程中物位參數(shù)的檢測方法，物位監(jiān)測儀表和變送器的原理、選用、安裝與校驗(yàn)；第5章是化工過程溫度參數(shù)的監(jiān)測，主要介紹溫度檢測方法，各種測溫儀表和變送器的工作原理、選用、安裝與校驗(yàn)；第6章介紹化工過程參數(shù)控制的基本知識，包括自控系統(tǒng)的構(gòu)成、品質(zhì)指標(biāo)和工程化圖示，描述被控對象的特性參數(shù)及其響應(yīng)的動態(tài)曲線；第7章為自動控制系統(tǒng)和儀表，主要介紹各種常用控制規(guī)律，控制器、執(zhí)行器、電-氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器的結(jié)構(gòu)、原理與應(yīng)用；第8章介紹基本控制系統(tǒng)，包括簡單控制系統(tǒng)、控制器參數(shù)的工程整定，還介紹了串級、比值、均勻及前饋等常見復(fù)雜控制系統(tǒng)；第9章是集散控制和現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它不限于單一的化工裝置和參數(shù)，而是對工廠、車間整體的集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、功能進(jìn)行討論，并介紹相應(yīng)的常見控制系統(tǒng)實(shí)例；第10章為典型化工單元設(shè)備的控制，分別對流體輸送設(shè)備、換熱設(shè)備、精餾塔和化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制進(jìn)行了介紹。相對于以往的《化工儀表及自動化》教科書而言，簡化和省略了被控化工設(shè)備對象的控制原理模型、儀表工作原理中的電學(xué)理論、模擬顯示與數(shù)字顯示之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換、其他新型控制系統(tǒng)等知識的介紹，力求簡明實(shí)用，講述理論時深入淺出，對分類儀表進(jìn)行介紹時原理與結(jié)構(gòu)并重，并盡可能地引用實(shí)物圖片進(jìn)行展示，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中對化工廠的各類儀表、裝置建立感性認(rèn)識，有助于后續(xù)下廠實(shí)習(xí)摸索工藝流程、理解工藝裝置的原理內(nèi)涵，以促進(jìn)培養(yǎng)21世紀(jì)卓越工程技術(shù)人才的進(jìn)程。這些調(diào)整的起意源于近幾年筆者對化工專業(yè)畢業(yè)生用人單位咨詢和畢業(yè)生承擔(dān)技術(shù)開發(fā)和管理過程中的體會反饋，還接受相關(guān)研討會各位專家的教學(xué)建議，更是在帶領(lǐng)和指導(dǎo)學(xué)生下廠實(shí)習(xí)教學(xué)時對現(xiàn)代化工企業(yè)先進(jìn)裝置與控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和理解，覺得必須緊扣畢業(yè)生日后任職從事專業(yè)工作崗位的要求，調(diào)整和強(qiáng)化相關(guān)知識與技能的教學(xué)。

3 開設(shè)與現(xiàn)代化工廠自控系統(tǒng)一致的課程實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)

為達(dá)到卓越工程師教育的培養(yǎng)目標(biāo)，筆者為《化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化》教材專門編寫了相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)講義，同時開發(fā)了與之配套的化工儀表自動化綜合實(shí)訓(xùn)平臺[4]。在化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化實(shí)驗(yàn)平臺上，學(xué)生可以認(rèn)識和熟悉化工工業(yè)上流行使用的各種智能儀表和傳感器，親自動手對儀表和傳感器進(jìn)行電路連接并對常用化工參數(shù)進(jìn)行測量與監(jiān)控，同時引入開放型的工業(yè)監(jiān)控軟件組態(tài)王，開展溫度、壓力、流量及物位的實(shí)時監(jiān)測與控制實(shí)訓(xùn)等學(xué)習(xí)。平臺具體可以完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如下：

a. 認(rèn)識、熟悉智能儀表的PID調(diào)節(jié)參數(shù)和各種傳感器認(rèn)知實(shí)訓(xùn)；

b. 智能儀表與傳感器的連接和化工參數(shù)的測量實(shí)訓(xùn)；

c. 基于組態(tài)王的溫度、液位、流量控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)。

通過該平臺的訓(xùn)練和使用，使學(xué)生加深對化工過程參數(shù)監(jiān)測和工藝過程控制理論的理解，深入了解工業(yè)裝置的監(jiān)控參數(shù)調(diào)試和運(yùn)行過程，為日后開展壓力、流量、液位及溫度等參數(shù)的有效控制積累技能。

化工儀表自動化綜合實(shí)訓(xùn)平臺對化工參數(shù)的控制原理流程示例如圖1所示，對溫度控制的實(shí)時采集數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺對化工參數(shù)的控制流程

圖2 實(shí)訓(xùn)平臺對溫度控制的實(shí)時采集數(shù)據(jù)曲線

4 將教學(xué)效果的考核方式與化工職業(yè)和崗位的要求接軌

目前，化工與制藥類專業(yè)畢業(yè)生去往化工實(shí)業(yè)公司就業(yè)的比例占到六七成，絕大多數(shù)是在企業(yè)的生產(chǎn)和管理崗位從事專業(yè)技術(shù)工作[5]。對于既往知識的運(yùn)用并不像選拔和測驗(yàn)考試那樣有限時、閉卷的要求，完全可以依據(jù)工廠現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行理解型發(fā)揮?；诖?，對《化工儀表及自動化》課程教學(xué)效果的考核方式也做了改進(jìn)，力求與從事化工職業(yè)技術(shù)工作和崗位的要求相接軌。

本課程教學(xué)考核內(nèi)容為：

a. 注重學(xué)習(xí)過程，課堂考勤、聽講情況、課堂提問及課間小作業(yè)回答等，占比30%。

b. 課程實(shí)驗(yàn)情況，參加實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、具體操作、參數(shù)設(shè)定整定的合理性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理及實(shí)驗(yàn)報告等項(xiàng)，占比20%。

c. 課程教學(xué)結(jié)束時的考試形式為開卷筆試，成績占比50%；題型包括填空、判斷、圖例分析與補(bǔ)充完整、原理解析與簡答、儀表(包括控制系統(tǒng))的選型和安裝調(diào)試過程簡述、對某一化工裝置(或系統(tǒng))的控制方案設(shè)計(jì)、有關(guān)化工參數(shù)監(jiān)測結(jié)果的計(jì)算和規(guī)范化整定，題量則參照各類社會化考試、執(zhí)業(yè)資格考試等的模式是大題量的，督促學(xué)生盡可能熟悉課程內(nèi)容，以便節(jié)省筆試過程中翻閱教材、參考文獻(xiàn)的時間。

5 結(jié)束語

為了提高《化工儀表及自動化》課程的教學(xué)質(zhì)量，盡可能地滿足化工企業(yè)對畢業(yè)生從業(yè)技能的期望，筆者在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、使教學(xué)內(nèi)容密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和化工工程師的職能要求、甄選教學(xué)方法、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)及改革考核方式等方面進(jìn)行了有益的探索，突出工程應(yīng)用，加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，取得了較好的效果，也得到了學(xué)生和用人單位的認(rèn)可。

[1] 孟繁,謝聯(lián)瑞,何向彤,等.工程技術(shù)人員的職業(yè)能力構(gòu)成與標(biāo)準(zhǔn)探析[J].高等工程教育研究,2012,(3):98～102,152.

[2] 李紅梅.強(qiáng)化工程能力培養(yǎng)的高校課程體系改革[J].高等工程教育研究,2013,(5):140～144.

[3] 熊遠(yuǎn)欽,陽衛(wèi)軍,萬其中,等.化工過程參數(shù)監(jiān)測與自動化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[4] 萬其中,熊遠(yuǎn)欽,郭棟才,等.一種化工參數(shù)自動控制的實(shí)訓(xùn)平臺[P].中國:201410829540.0,2014-10-08.

[5] 韓萌,魏克新.以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向的高等工程教育研究[J].高等工程教育研究,2012,(3):72～74.

TheTeachingandCourseReforminChemicalMeters&AutomationContentsforTrainingProjectofExcellentEngineers

WAN Qi-zhong, XIONG Yuan-qin, YANG Wei-jun, LIANG Zhi-wu
(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HunanUniversity)

Starting with discussing chemical technicians’ skill requirements in the instrument selection, installation and commissioning as well as the monitoring of chemical parameters and automation control, both beneficial attempts and reforms inChemicalMeters&Automation’s teaching objective and contents and learning effect were implemented. In addition, a brief introduction was given toTheMonitoringofChemicalParametersandAutomationedited as a planning textbook of “The Education and Training Project of Excellent Engineers” and the integrated training platform for the automation of chemical instrument to provide a great reference for teaching the course.

education and training of excellent engineers,chemical instrument, chemical process automation, chemical process parameters monitoring, teaching and course reforming

TH81

A

1000-3932(2017)04-0343-04

2016-09-19，

2016-12-23)

國家卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃湖南大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)項(xiàng)目化學(xué)工程與工藝專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(MOE-No.2011-40)。

萬其中(1969-)，工程師，從事化工控制自動化高?；I(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作。

聯(lián)系人熊遠(yuǎn)欽(1959-)，副教授，從事功能高分子的合成及應(yīng)用、精細(xì)化學(xué)品配方設(shè)計(jì)及化工儀表自動化教學(xué)工作，xyuanqin@sina.com。