相玉琳，相玉坤，焦玉榮，曹保衛(wèi)，王戰(zhàn)輝

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.延壽一中物理教研室，黑龍江 哈爾濱 150700)

化工儀表及自動(dòng)化是過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，也是我國(guó)各行各業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的有力工具?？v觀古今，儀表及自動(dòng)化技術(shù)早在18世紀(jì)便成功應(yīng)用在了蒸汽機(jī)工作中。現(xiàn)今，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體、微電子等技術(shù)的提升，儀表自動(dòng)化技術(shù)已進(jìn)入了人工智能的控制時(shí)代[1]。儀表及自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了化工相關(guān)單元過(guò)程朝著自動(dòng)化、連續(xù)化、規(guī)?；?、高效化的方向飛速發(fā)展。但是由于化工儀表及自動(dòng)化課程的綜合性非常強(qiáng)，不僅涵蓋化工、電學(xué)、數(shù)學(xué)、檢測(cè)學(xué)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科知識(shí)，致使課程非常抽象難懂，同時(shí)在新型儀表與控制方案不斷涌現(xiàn)、舊式笨重儀表及控制方案不斷過(guò)時(shí)的情況下，儀表與自動(dòng)化控制方案則必須時(shí)時(shí)關(guān)注現(xiàn)實(shí)發(fā)展動(dòng)向以便及時(shí)跟進(jìn)[2]。鑒于此，本人結(jié)合實(shí)踐與教學(xué)中多年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，綜合過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生的化工基礎(chǔ)知識(shí)較差、相關(guān)的機(jī)械電學(xué)知識(shí)點(diǎn)和基本的實(shí)驗(yàn)技能欠缺，同時(shí)不勤于歸納總結(jié)與思考，不善于復(fù)習(xí)預(yù)習(xí)等情況，預(yù)將“模塊化”教學(xué)思路引入到該課的教學(xué)中，結(jié)合教材與實(shí)踐應(yīng)用特點(diǎn)將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)整理為三大模塊，依次為基礎(chǔ)知識(shí)積累、實(shí)驗(yàn)操作強(qiáng)化、實(shí)踐應(yīng)用啟發(fā)，以期增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)效率與興趣。

1 基礎(chǔ)知識(shí)模塊

1.1 常用化工儀表

化工儀表是自動(dòng)化控制不可或缺的，化工儀表按模塊可分為控制儀表、執(zhí)行儀表、測(cè)量元件變送器等。

控制儀表是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，控制儀表也即控制器，在化工自動(dòng)化系統(tǒng)的作用相當(dāng)于人的大腦，可將被控對(duì)象發(fā)出的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生一定的偏差，再根據(jù)偏差的大小進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行儀表。目前常用的控制規(guī)律有7種(分別為位式控制、P控制、I控制、D控制及其組合3種，即PI、PD、PID)，PID控制(比例積分微分控制)是控制器中的功能較為強(qiáng)大的控制規(guī)律，即可消除余差、又可快速實(shí)現(xiàn)定值控制。但在應(yīng)用過(guò)程中要合理的選擇控制參數(shù)，根據(jù)控制規(guī)律數(shù)學(xué)模型熟練的做到“看曲線、調(diào)參數(shù)”，保證控制儀表的正常運(yùn)行。另外，在選擇控制器時(shí)，也要確保自動(dòng)、手動(dòng)功能同時(shí)具備，可靈活切換，以便保證化工生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

執(zhí)行儀表在化工過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于人的手，主要是接收控制儀表的輸出信號(hào)，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在工藝所要求的數(shù)值上或是一定的范圍內(nèi)，以便化工生產(chǎn)能夠順利安全的進(jìn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前常用的執(zhí)行器按其能源形式可分3種-氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行器，在3種執(zhí)行器中應(yīng)用最廣的是氣動(dòng)執(zhí)行器。這種執(zhí)行器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)組成，可根據(jù)生產(chǎn)需要選擇對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器，并可根據(jù)工藝安全性選擇/調(diào)節(jié)執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式。在執(zhí)行器的實(shí)用過(guò)程中，還要掌握控制閥的流量特性，根據(jù)工藝要求選擇對(duì)應(yīng)特性的控制閥。

測(cè)量元件變送器在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)(如溫度、液位、壓力、流量等)的大小，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)安全穩(wěn)定進(jìn)行。在測(cè)量?jī)x表的實(shí)用過(guò)程中，要求使用者掌握測(cè)量元件變送器的性能指標(biāo)，會(huì)選用合適的儀表并判斷其性能的優(yōu)劣，熟通常用儀表的原理及相應(yīng)的計(jì)算公式。明確接觸式、非接觸式測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)，以便能夠高效地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

1.2 自動(dòng)控制

隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的日益提升，自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類也越來(lái)越多，復(fù)雜程度也千差萬(wàn)別，然而按照組成形式可劃分為兩大類，分別為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)與復(fù)雜控制系統(tǒng)。

將1.1部分的三大儀表與被控對(duì)象簡(jiǎn)單的聯(lián)系起來(lái)組成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)便是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，除此形式外，便是復(fù)雜控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是目前使用最廣泛、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)?？捎行У貙?shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)的自動(dòng)化。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)在使用過(guò)程中要注意以下事項(xiàng)：一、被控對(duì)象與被控變量的選擇；二、控制器控制規(guī)律的判斷；三、執(zhí)行器氣開、氣關(guān)于工藝生產(chǎn)安全的關(guān)系；四、測(cè)量元件變送器滯后特性對(duì)自動(dòng)化控制有效性的影響。熟知這些，便能有力操控簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。

復(fù)雜控制系統(tǒng)主要有串級(jí)控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、分程及取代控制系統(tǒng)等[4]。這些控制系統(tǒng)無(wú)論形式還是設(shè)計(jì)的計(jì)算均十分復(fù)雜，為了改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，可充分利用計(jì)算機(jī)模擬、仿真軟件等教學(xué)手段，將需掌握的教學(xué)內(nèi)容由計(jì)算機(jī)模擬完成，同時(shí)給予學(xué)生一定的計(jì)算機(jī)演練機(jī)會(huì)，這樣可以有效地強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)原理、方法、目的等的理解，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程的興趣。

2 實(shí)驗(yàn)操作強(qiáng)化

將化工儀表及自動(dòng)化課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)驗(yàn)、能力實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊循序漸進(jìn)的進(jìn)行。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要涉及常用化工儀表的認(rèn)知與使用，旨在使學(xué)生熟悉常用儀表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、使用與安裝方法，能夠自行判斷儀表的性能優(yōu)劣，自行根據(jù)工藝要求選用合適的儀表，自行安裝于維修，并能有效完成實(shí)驗(yàn)操作及相關(guān)數(shù)據(jù)處理[5]。同時(shí)能夠掌握儀表的通性與個(gè)性，舉一反三、觸類旁通。

能力實(shí)驗(yàn)則給予學(xué)生一定的選擇權(quán)，使學(xué)生可根據(jù)自己的興趣自主選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容不限書本。實(shí)驗(yàn)中，教師可以參與實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，但前提是保證學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的主導(dǎo)性，以便更好地激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感與創(chuàng)新思維，強(qiáng)化舉一反三、觸類旁通的能力。

工程實(shí)驗(yàn)則是借助工程實(shí)訓(xùn)中心和當(dāng)?shù)仄髽I(yè)，讓學(xué)生親臨現(xiàn)場(chǎng)，參與生產(chǎn)、工程實(shí)際、裝置的開停車等過(guò)程，這樣可以有效避免紙上談兵現(xiàn)象，使學(xué)生接觸有更多機(jī)會(huì)接觸書本上沒(méi)有的方法與經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生利用書本知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以便為學(xué)生就業(yè)提供更大競(jìng)爭(zhēng)力、為企業(yè)提供更多合格人才。

3 實(shí)踐應(yīng)用啟發(fā)

實(shí)踐應(yīng)用啟發(fā)模塊主要針對(duì)精餾塔控制方面。這里結(jié)合實(shí)際過(guò)程中精餾塔在生產(chǎn)中的控制要求與控制回路方面，主要將該模塊分為兩個(gè)模塊：一、精餾塔在生產(chǎn)中的控制要求，二、控制回路的設(shè)計(jì)。

首先，精餾塔主要用來(lái)分離，在操作過(guò)程中，要明確產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、能耗、安全性等控制目標(biāo)，在保證生產(chǎn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降低能耗，提高化工自動(dòng)化控制的整體效益。此外，在精餾塔控制中，要全面考慮被控變量的干擾因素，正確選擇控制方案，使干擾因素影響降到最低。然后，設(shè)計(jì)精餾塔回路控制。

在精餾過(guò)程中，常常控制的主要參數(shù)就是溫度，控制回路主要有塔釜液位控制、塔釜進(jìn)料量控制、塔頂采出量控制、塔頂回流量控制、塔側(cè)線采出量控制等。通常在生產(chǎn)沒(méi)有達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，要使控制器狀態(tài)處于手動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)使各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到平穩(wěn)，然后將控制器設(shè)為自動(dòng)控制狀態(tài)。各個(gè)控制回路要按照一定順序進(jìn)行操作，使各個(gè)控制回路均能有效進(jìn)行自動(dòng)化控制[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著化工儀表及自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度已成為今后企業(yè)是否能生存下去的重要因素，這也奠定了化工儀表及自動(dòng)化課程的重要性。本文充分結(jié)合本科應(yīng)用型院校學(xué)生的特點(diǎn)與學(xué)校的辦學(xué)宗旨，以及企業(yè)對(duì)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生的技能要求及今后的就業(yè)方向，對(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程進(jìn)行了有效的模塊化劃分(基礎(chǔ)知識(shí)積累、實(shí)驗(yàn)操作強(qiáng)化、實(shí)踐應(yīng)用啟發(fā))，并且對(duì)每個(gè)模塊的教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了細(xì)致地闡述，以期使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不至于因?yàn)橹R(shí)的過(guò)于抽象與綜合繁雜而厭煩該課程，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力、拓寬知識(shí)體系，有效做到學(xué)以致用，為企業(yè)提供合格的應(yīng)用型人才。