提升學(xué)生過程控制工程應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

許弟建 彭宇興 田芳 余永輝

摘要：本文對我?！哆^程控制系統(tǒng)》課程緊密圍繞如何提升學(xué)生工程應(yīng)用能力為主線，就基于數(shù)學(xué)模型、基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置、基于虛擬仿真軟件等多維度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的不斷豐富和實(shí)驗(yàn)核心技能的培養(yǎng)落實(shí)等方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。教學(xué)實(shí)踐表明，改革取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；仿真；工程應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）09-0260-02

我校（重慶科技學(xué)院）作為應(yīng)用型特色鮮明的學(xué)校，對學(xué)生的工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)一直以來都是作為重點(diǎn)貫穿教學(xué)過程的始終?！哆^程控制系統(tǒng)》在自動化專業(yè)課程體系中占有極其重要的地位，是培養(yǎng)應(yīng)用型自動化專業(yè)人才的關(guān)鍵課程之一。通過這門課程的教學(xué)，要使學(xué)生能獲得運(yùn)用自動控制原理，結(jié)合生產(chǎn)過程機(jī)理，利用自動化儀表及裝置去從事生產(chǎn)過程的分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行與開發(fā)研究的工作能力。

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)校一貫的“工程應(yīng)用能力培養(yǎng)”的教學(xué)宗旨和教學(xué)目標(biāo)，我校對過程控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不斷的完善和充實(shí)，從最初的僅有兩套化工仿真裝置，一直充實(shí)到現(xiàn)在的六套真實(shí)的A3000高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和三套真實(shí)的過程控制系統(tǒng)以及六十套化工仿真軟件。下面就基于數(shù)學(xué)模型、基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置、基于虛擬仿真軟件等多維度進(jìn)行的教學(xué)改革實(shí)踐做具體闡述。

一、基于數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真演示為主的初級階段

當(dāng)時(shí)由于最初條件有限，我校過程控制實(shí)驗(yàn)室僅有兩套化工仿真裝置，而且該仿真裝置僅是依靠建好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，所有的管道都是示意，沒有真實(shí)的介質(zhì)；所謂的反應(yīng)釜也是模型，看不到任何現(xiàn)象，至于是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)控制算法的，更是不得而知。因?yàn)榉抡娑际墙⒃跀?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，都是黑匣子，這與現(xiàn)場實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目僅包括“離心泵液位控制”、“熱交換過程控制”、“臨界比例法PID控制器參數(shù)整定”等三個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

二、基于項(xiàng)目制思想利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置開展綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段

我校購置了6套A3000真實(shí)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由三個(gè)組成部分：

①上位機(jī)。主要由具有RS232串口通訊功能的電腦主機(jī)、顯示器及安裝有西門子WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件的Windows操作系統(tǒng)組成。

②控制柜。主要由智能儀表控制器、研華公司的ADAM模塊控制器、西門子S7-200PLC控制器以及現(xiàn)場對象的傳感器、執(zhí)行器等部件的信號輸入/輸出接插口區(qū)等組成。

③現(xiàn)場對象。主要由上、中、下三種不同類型水箱、鍋爐、儲水箱、兩個(gè)磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、調(diào)壓模塊、液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器以及連接各個(gè)部件的管道球閥等組成。

隨著以上實(shí)驗(yàn)設(shè)施的充實(shí)和完善，除了開設(shè)以前的三個(gè)傳統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，我們還大幅度增加了“液位定值控制”、“流量液位串級控制”、“單閉環(huán)流流量比值控制”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓每個(gè)學(xué)生都能夠親自動手調(diào)試實(shí)際的過程控制系統(tǒng)，達(dá)到比較理想的控制效果，從而體會到PID控制算法中每個(gè)參數(shù)對實(shí)際過程控制系統(tǒng)控制效果的影響。在大腦里形成直觀的感性認(rèn)識，使理論知識和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)的結(jié)合在一起。這樣對學(xué)生過程控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用能力起到了長足的提升。

除此之外，由于該實(shí)驗(yàn)裝置是全開放的，學(xué)生根據(jù)自己的興趣可以靈活搭建自己的控制系統(tǒng)，去完成一些需要耗時(shí)長的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如：鍋爐溫度和換熱器熱出水口溫度的前饋反饋控制系統(tǒng)、管道壓力和流量解耦控制系統(tǒng)等。學(xué)生還可以根據(jù)需要進(jìn)行除了傳統(tǒng)PID控制算法的實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行現(xiàn)代的模糊控制算法的研究和實(shí)踐，從而提升學(xué)生現(xiàn)代控制技術(shù)的工程應(yīng)用能力。

案例：開設(shè)的“液位與流量的串級控制”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

該串級控制系統(tǒng)的主控量為下水箱的液位高度H，副控量為電動調(diào)節(jié)閥支路流量Q，它是一個(gè)輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路所組成。主回路是一個(gè)恒值控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的主控制量H等于給定值；副回路是一個(gè)隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對主控制量H的控制目的。

三、虛實(shí)結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和內(nèi)容進(jìn)一步豐富階段

緊密結(jié)合我校應(yīng)用型高校的辦學(xué)特色及冶金石油行業(yè)背景，立足于使我校自動化專業(yè)的學(xué)生走上工作崗位后能盡快地適應(yīng)石化和冶金等行業(yè)的要求，具有較強(qiáng)的過程控制系統(tǒng)工程應(yīng)用能力，學(xué)校還特地為過程控制實(shí)驗(yàn)室購置了六十套化工仿真軟件系統(tǒng)來補(bǔ)充實(shí)際裝置不足的短板。這套化工仿真軟件高度仿真輸送、熱交換、壓縮、間歇反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)、加熱、吸收、精餾、蒸餾、催化裂化反應(yīng)等具有真實(shí)工廠背景的過程控制系統(tǒng)[1]。

以熱交換器為例。熱交換器為雙程列管式結(jié)構(gòu)，起冷卻作用，管程走冷卻水（冷流）。含量30%的磷酸鉀溶液走殼程（熱流）。流程圖如圖2所示。

學(xué)生通過開車、停車操作方式，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程控制流程，提升工程實(shí)踐能力。

四、從工程認(rèn)證要求能力角度進(jìn)行總結(jié)

我?！哆^程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目持續(xù)建設(shè)始終緊密圍繞提升學(xué)生過程控制工程應(yīng)用能力而進(jìn)行。上述建設(shè)方便實(shí)現(xiàn)對典型的過程變量液位、流量、壓力、溫度進(jìn)行測量、顯示和自動控制，并可實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜、從經(jīng)典到現(xiàn)代的控制策略實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生對輸入輸出模塊、智能儀表、PLC可編程控制器等構(gòu)成的現(xiàn)代典型工業(yè)控制系統(tǒng)的掌握?；し抡孳浖欣趯W(xué)生對石油化工領(lǐng)域的系列典型工藝過程和設(shè)備運(yùn)行情況等仿真，對更多的典型過程控制案例仿真實(shí)現(xiàn)，提升工程應(yīng)用能力。

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