過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目教學(xué)探索

徐文明（上海石化工業(yè)學(xué)校，上?！?01512）　

過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目教學(xué)探索

徐文明（上海石化工業(yè)學(xué)校，上海201512）

本文介紹了過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)要求，采用了教學(xué)任務(wù)與企業(yè)故障案例相融合的教學(xué)方法，解決設(shè)備故障的診斷與排除教學(xué)重點(diǎn)。結(jié)合企業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)做法，利用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定方法，總結(jié)教學(xué)任務(wù)的系統(tǒng)參數(shù)整定的實(shí)操方法，解決了二階液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定與數(shù)據(jù)分析處理的教學(xué)難點(diǎn)。提出了課程教學(xué)與學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)相結(jié)合，課程教學(xué)與職業(yè)技能競(jìng)賽相融合的教學(xué)措施，通過(guò)實(shí)踐取得了較好的教學(xué)效果。

過(guò)程控制；運(yùn)行調(diào)試；故障診斷；參數(shù)整定

過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目是全國(guó)職業(yè)院校技能大賽化工儀表自動(dòng)化賽項(xiàng)之一，是以生產(chǎn)過(guò)程儀表自動(dòng)化技術(shù)為背景，培養(yǎng)化工儀表及自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員的綜合項(xiàng)目。上海石化工業(yè)學(xué)校2012年開始過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)，該項(xiàng)目是上海石化工業(yè)學(xué)?；げ僮骱突x表自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)和考核的綜合項(xiàng)目之一，在整個(gè)教學(xué)中占有重要的地位。

1　過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)要求

過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)目的是使學(xué)生能夠更好地掌握化工生產(chǎn)過(guò)程儀表自動(dòng)化技術(shù)，鍛煉和提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際操作能力，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)要求的綜合能力。過(guò)程控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示，其運(yùn)行調(diào)試對(duì)象包含有：儲(chǔ)水箱（V101和V102）、上水箱（V105）、中水箱（V104）、下水箱（V103）、鍋爐（R101）、強(qiáng)制對(duì)流換熱器（E101）?？刂葡到y(tǒng)的測(cè)量變送和執(zhí)行元件有：壓力變送器、溫度傳感器、溫度變送器、孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、壓力表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)力有兩路，分別由主管道水泵M1和副管道水泵M2提供。

圖1　過(guò)程控制裝置流程圖

過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)要求主要有三點(diǎn)：一是要求學(xué)生熟悉裝置生產(chǎn)工藝，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求能正確進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)；二是在設(shè)備投入過(guò)程中，學(xué)生能利用所學(xué)的理論知識(shí)診斷并排除設(shè)備故障，獨(dú)立操作投入過(guò)程控制系統(tǒng)；三是在調(diào)試過(guò)程中，會(huì)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)試湊法進(jìn)行PID參數(shù)整定，使過(guò)渡過(guò)程系統(tǒng)能按照期望的控制要求運(yùn)行。

2　教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題

根據(jù)教學(xué)要求，為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的，過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)以任務(wù)引導(dǎo)進(jìn)行，這里以鍋爐內(nèi)膽加熱任務(wù)和二階液位控制參數(shù)整定任務(wù)為例，介紹過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目的教學(xué)探索。

鍋爐內(nèi)膽注水加熱操作任務(wù)。第一步給內(nèi)膽注水，設(shè)置副管道閥門，操作現(xiàn)場(chǎng)控制面板，在DCS流程圖中選擇“鍋爐內(nèi)膽注水”，向鍋爐內(nèi)膽注水至刻度線之上；第二步記錄溫度值，查看流程圖，在記錄表中記錄6處（TI101，TI102，TI103，TI104，TI105，TI106）溫度值，如遇故障，排除故障，再記錄該點(diǎn)溫度值；第三步內(nèi)膽加熱，流程圖中點(diǎn)擊“鍋爐內(nèi)膽加熱”進(jìn)入控制畫面，設(shè)置控制量MV，查看升溫曲線，將溫度升至規(guī)定值后，保存趨勢(shì)并命名為“溫度曲線”；最后關(guān)加熱管并排空內(nèi)膽，熱水排進(jìn)儲(chǔ)水箱（V102）。

二階液位控制PID參數(shù)整定任務(wù)。選擇上中水箱進(jìn)行二階液位控制，開啟或關(guān)斷裝置上的閥門，在“手動(dòng)操作”狀態(tài)時(shí)，可靈活設(shè)置上、中水箱出水閥開度大小，設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，待工況平穩(wěn)后投運(yùn)，施加1.5～5.0cm階躍干擾，獲取4∶1衰減曲線。若曲線不理想，可放空后重新設(shè)置重做，也可修正參數(shù)后，在自動(dòng)狀態(tài)下施加階躍，再次投運(yùn)。如遇故障，及時(shí)排除故障，再進(jìn)行二階液位控制和參數(shù)整定。分析曲線性能指標(biāo)，適時(shí)設(shè)置、保存、打印趨勢(shì)，標(biāo)注并提交打印的趨勢(shì)圖。

在該項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程中，普遍存在一些問(wèn)題，主要有二個(gè)方面：一是排除故障的能力差；二是參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)缺。教學(xué)課時(shí)用的多，但難以獲得滿意的教學(xué)效果，由于這兩方面的教學(xué)都是與企業(yè)實(shí)踐密切相關(guān)的。根據(jù)過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試教學(xué)要求，不論是鍋爐內(nèi)膽注水加熱任務(wù)，還是二階液位控制參數(shù)整定任務(wù)，都預(yù)先設(shè)置一些設(shè)備故障，要求學(xué)生能獨(dú)立診斷并排除故障。但現(xiàn)在的學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐能力差，有的學(xué)生遇到故障束手束腳，不敢動(dòng)手；有的學(xué)生面對(duì)眾多儀器無(wú)從下手，不能順利按要求進(jìn)行操作；有的生搬硬套不假思索地盲目操作。

3　提升運(yùn)行調(diào)試教學(xué)效果的應(yīng)對(duì)方法

為取得良好的教學(xué)效果，除了在裝置性能和控制精度上做了技術(shù)改進(jìn)，在教學(xué)方法上也進(jìn)行了一些探索，并取得了成功經(jīng)驗(yàn)，主要包括以下幾點(diǎn)：

3.1教學(xué)任務(wù)與企業(yè)故障案例相吻合

為了提升學(xué)生排除故障的能力，解決設(shè)備故障的診斷與排除這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，我們采用了教學(xué)任務(wù)與企業(yè)故障案例相吻合的方法。這里以鍋爐內(nèi)膽注水加熱操作任務(wù)為例，當(dāng)學(xué)生抄錄相關(guān)溫度時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有溫度異常，必須及時(shí)診斷并排除相關(guān)故障，才能繼續(xù)下面的操作。而在教學(xué)過(guò)程中，我們不可能把所有的故障都設(shè)置出來(lái)讓學(xué)生全部做一遍，為此，根據(jù)該過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試的實(shí)際情況，通過(guò)其中的一個(gè)回路故障案例講解，讓學(xué)生舉一反三，觸類旁通地診斷分析和處理類似其他的故障，這樣可以得到事半功倍的效果。

另外，在項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)中，常列舉企業(yè)生產(chǎn)裝置過(guò)程中的故障實(shí)例，采用企業(yè)常用的故障診斷及排除方法啟發(fā)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生分析診斷和處理故障的能力。按照企業(yè)裝置故障分類列舉，將所有可能會(huì)出現(xiàn)的常見故障總結(jié)出來(lái)，以鍋爐內(nèi)膽注水加熱操作任務(wù)中相關(guān)溫度為例，如表1所示，列出了常見故障原因及診斷方法。

最后，總結(jié)企業(yè)裝置常用的故障類型及診斷經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)上面溫度故障分析、診斷和排除教學(xué)，將回路類型分為兩種，一類是Pt100先接到溫度變送器轉(zhuǎn)變成4～20mA電流輸出，再送DCS電流模塊輸入卡板，如TI101、TI102、TI104、TI105、TI106回路；另一類是Pt100直接接到DCS特殊模塊輸入卡板，如TI103回路。在企業(yè)中，常見故障一般是控制回路發(fā)生斷路、短路、接線錯(cuò)誤、接觸不良、部件損壞或選型錯(cuò)誤。其中，在裝置運(yùn)行中，控制回路故障通常會(huì)是斷路、短路、接觸不良或部件損壞，而接線錯(cuò)誤和選型錯(cuò)誤一般會(huì)出現(xiàn)在安裝或更換調(diào)試的過(guò)程中。

3.2經(jīng)驗(yàn)湊試法與過(guò)程控制裝置相實(shí)踐

由于PID控制器參數(shù)整定與企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)緊密相關(guān)，適當(dāng)調(diào)整δ、Ti、Td三個(gè)參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。

在教學(xué)中，給出的任務(wù)是選擇上中水箱進(jìn)行二階液位LIC102控制回路的PID整定，在投運(yùn)工況平穩(wěn)的情況下，改變給定值，給系統(tǒng)施加1.5～5.0cm階躍干擾，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，使衰減比n為4，即控制系統(tǒng)的衰減比n偏離4越小，說(shuō)明參數(shù)整定越理想。

結(jié)合企業(yè)工藝流程液位控制的參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生采用企業(yè)生產(chǎn)裝置中應(yīng)用最廣泛的整定方法，即經(jīng)驗(yàn)試湊法。若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無(wú)論控制器形式還是整定的參數(shù)均可以相互參考。表2為控制器整定參數(shù)的參考范圍。

表2　控制器整定參數(shù)的參考范圍

整定的步驟有以下兩種：

(1) 先加δ，再加Ti、最后才加Td。也就是先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過(guò)渡過(guò)程基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。

(2) 先按表2中給出的范圍把Ti定下來(lái)，如要引入微分作用，可取Td=(1/3～1/4) Ti，然后對(duì)δ進(jìn)行湊試，湊試步驟與上一種方法相同。

實(shí)踐證明，在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合δ和Ti的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的曲線，也就是說(shuō)，δ的減少，可以用增加Ti的辦法來(lái)補(bǔ)償，而基本上不影響調(diào)節(jié)過(guò)程的質(zhì)量。另外，將所在裝置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)記錄下來(lái)，在企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中也是一個(gè)很好的做法。

針對(duì)教學(xué)裝置的任務(wù)，鑒于該控制系統(tǒng)為二階液位參數(shù)整定，系統(tǒng)存在余差，所以，控制規(guī)律除了使用比例（P）控制外,還需要增加積分（I）控制，但無(wú)需加入微分控制，只需整定比例積分（PI）。

利用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定方法，結(jié)合企業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)做法，通過(guò)在過(guò)程控制裝置上不斷的實(shí)踐，總結(jié)幾條該過(guò)程控制系統(tǒng)參數(shù)整定的操作經(jīng)驗(yàn)：

(1) 在初始流量、上中水箱液位和施加階躍值不變的情況下，如果整定結(jié)果n<4，則應(yīng)增大比例度或增大積分時(shí)間（n↓，則δ↑或Ti↑）；如果n>4，應(yīng)減小比例度或減小積分時(shí)間（n↑，則δ↓或Ti↓）。必須注意放空測(cè)試情況下，上中水箱液位不宜過(guò)高或過(guò)低，直接階躍也不易溢出，曲線相對(duì)好做。

(2) 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，再次階躍整定參數(shù)，當(dāng)衰減比略小于4（如n≈3.2左右），應(yīng)適當(dāng)增加積分（如從Ti=3增加至Ti=3.5）；當(dāng)衰減比略大于4（如n≈4.4左右），應(yīng)稍稍增大積分時(shí)間（如Ti=2.7增加至Ti=2.75），因?yàn)橐何蛔兏?，衰減比會(huì)變小，防止衰減比再小于4；當(dāng)衰減比大于4（如n≈4.8左右），則無(wú)需修改任何參數(shù)，直接增加相同的階躍即可。

3.3課程教學(xué)與學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)相結(jié)合

通過(guò)上面的探索教學(xué)，在教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)上都有了突破性的發(fā)展，課堂教學(xué)質(zhì)量也有了很大的提高。但有限的課堂時(shí)間限制了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)，為了適量增加學(xué)生的操作機(jī)會(huì)，圍繞教學(xué)計(jì)劃及時(shí)改進(jìn)教學(xué)措施，充分利用化工儀表自動(dòng)化學(xué)生社團(tuán)開辟第二課堂，把課程教學(xué)與學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)相結(jié)合。在學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)中，學(xué)生可以把課堂教學(xué)中沒(méi)有完成的任務(wù)在社團(tuán)活動(dòng)時(shí)繼續(xù)實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步拓展操作技能，引導(dǎo)實(shí)踐技能好學(xué)生主動(dòng)交流操作經(jīng)驗(yàn)。

3.4課程教學(xué)與職業(yè)技能競(jìng)賽相融合

我校與德國(guó)企業(yè)長(zhǎng)期合作舉辦學(xué)生職業(yè)技能競(jìng)賽項(xiàng)目，迄今已連續(xù)舉辦了八屆職業(yè)技能競(jìng)賽，旨在探索優(yōu)秀技能人才培養(yǎng)模式與途徑，打造專業(yè)技能拔尖人才。化工儀表自動(dòng)化賽項(xiàng)也是其中比賽項(xiàng)目之一，在職業(yè)技能競(jìng)賽的平臺(tái)上，學(xué)生通過(guò)競(jìng)賽不斷提高操作技能，能夠成為企業(yè)所需要的專業(yè)人才。企業(yè)的需求是競(jìng)賽的最終目標(biāo)，課程教學(xué)與職業(yè)技能競(jìng)賽相融合是為了更好的服務(wù)企業(yè)，項(xiàng)目教學(xué)也要隨著企業(yè)不斷變化的競(jìng)賽要求而不斷更新教學(xué)內(nèi)容。

4　結(jié)語(yǔ)

在過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試項(xiàng)目教學(xué)中，引入企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)案例，通過(guò)任務(wù)的多樣化，設(shè)置合理的教學(xué)目標(biāo)，分層遞進(jìn)教學(xué)進(jìn)度。學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，不斷積累企業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)善于思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)實(shí)踐，我們?nèi)〉昧溯^好的教學(xué)效果，我校代表上海隊(duì)，參加了全國(guó)職業(yè)院校技能大賽化工儀表自動(dòng)化比賽，2013年和2015年連續(xù)二屆獲得該賽項(xiàng)中職組一等獎(jiǎng)，經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐過(guò)的學(xué)生，進(jìn)入企業(yè)后，能夠快速勝任石化企業(yè)儀表維修崗位或生產(chǎn)操作崗位的需求。

[1] 唐發(fā)源. 中職教育化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 河北：產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015. 183 - 184.

[2] 厲玉鳴，劉慧敏. 化工儀表及自動(dòng)化[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

Teaching Exploration of Process Control System Running and Debugging Project

The paper introduces the teaching requirements of the running and debugging projects of the process control system. It also introduces the teaching method by combining the teaching project with enterprise's real case which can solve the teaching difficulties of fault diagnosis and elimination of equipment. Combined with the enterprise work experience and practice, utilizing the trialand-error tuning method and summarizing the practical method of system parameters tuning, the teaching difficulties of the second-order liquid level control system parameter tuning and data analysis and processing will be solved. In addition, this paper puts forward to the teaching measures by combining the curriculum teaching with the community activities of student, and also with vocational skills competitions. The combinations have achieved good teaching results through practice.

Process control; Running and debugging; Fault diagnosis; Parameter tuning

B

1003-0492(2016)08-0093-03

TP273

徐文明（1965-），男，江蘇人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海石化工業(yè)學(xué)校，主要研究方向?yàn)榛x表自動(dòng)化。