化工自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)備研究＊

齊 洋

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

“儀表是化工的眼睛”，而現(xiàn)代化工生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)的普遍應(yīng)用與不斷升級，在大幅度提高化工產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量以及生產(chǎn)安全性的同時(shí)，對操作人員的化工自動化知識和技能提出了更高要求，對化工儀器儀表維修工的要求也大大提高。化工儀表及自動化課程是化工類學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程分為化工檢測儀表和化工自動化兩個(gè)部分，化工生產(chǎn)操作人員全面系統(tǒng)地學(xué)習(xí)自動化知識，對學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后的職業(yè)成長有著重要的作用。但一直以來，該課程的教學(xué)效果并不理想，學(xué)生畢業(yè)之后，對自動化仍然缺乏整體概念，對儀表的操作缺乏訓(xùn)練。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)為此做了基于項(xiàng)目化的教學(xué)改革、“一體化”教學(xué)改革以及基于CDIO模式的教學(xué)改革，而所有的教學(xué)改革都需要有相關(guān)的設(shè)備作為支撐[1]。為此，需要對實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，目的是對教學(xué)改革起到支撐作用及滿意的教學(xué)效果。

1 化工自動化設(shè)備的需求分析

1.1 化工儀器儀表維修工技能比賽和技能鑒定對設(shè)備的要求

技能比賽和技能鑒定的共同特點(diǎn)是，設(shè)備的使用者是具備一定實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)儀表工，他們對化工自動化的內(nèi)涵比較了解，訓(xùn)練目標(biāo)是提高操作技能水平。二者的區(qū)別是，技能比賽的主辦方會指定設(shè)備，而技能鑒定要求能夠開展足夠多的實(shí)操項(xiàng)目，滿足考核的需要。

1.2 化工儀表及自動化教學(xué)對設(shè)備的要求

為了適應(yīng)培養(yǎng)高技能人才的需要，改進(jìn)教學(xué)效果，化工儀表及自動化課程進(jìn)行了基于項(xiàng)目化的“一體化”教學(xué)改革和基于CDIO模式的教學(xué)改革?！耙惑w化”教學(xué)改革能夠充分發(fā)揮一體化教室、化工實(shí)訓(xùn)裝置和教學(xué)資源庫的作用，形成教、學(xué)、做、考一體化的教學(xué)模式，改變以往學(xué)生在教室內(nèi)學(xué)習(xí)，在化工裝置上不認(rèn)識儀表，在實(shí)訓(xùn)室不會操作儀表的狀況，實(shí)現(xiàn)實(shí)境教學(xué)，使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)工作任務(wù)，對本課程的理解更加深刻。CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，核心教育理念和教學(xué)方法是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”，應(yīng)用CDIO模式的教學(xué)改革，以進(jìn)行自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐為手段，學(xué)生把理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，在對學(xué)習(xí)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自我反思，并在此過程中不斷獲取知識、調(diào)整學(xué)習(xí)方法，最終可以提高學(xué)生的基礎(chǔ)知識水平、職業(yè)技能水平、人際交往和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[2]。

教學(xué)改革的順利進(jìn)行，需要有相關(guān)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備支撐，如果沒有合適的化工自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)備，任何教學(xué)改革必然淪為空談。為配合教學(xué)需要，化工自動化設(shè)備首先應(yīng)該包括每一種典型儀表的實(shí)物及校驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中邊學(xué)邊練；其次應(yīng)該包括簡單的綜合性實(shí)訓(xùn)設(shè)備，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理；最后還應(yīng)該配備一些民用的自動化裝置，用以配合CDIO教學(xué)模式中的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)使用。

2 化工自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)備配置方案

根據(jù)研究分析的結(jié)果，可以確定化工自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)備配置方案應(yīng)分為綜合性實(shí)訓(xùn)設(shè)備、簡化版綜合實(shí)訓(xùn)裝置、單表校驗(yàn)裝置和DCS仿真組態(tài)軟件四個(gè)類型。

2.1 綜合性實(shí)訓(xùn)設(shè)備

有很多教學(xué)儀器設(shè)備公司都能夠提供綜合性很強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)裝置，這樣的綜合實(shí)訓(xùn)裝置可以用于進(jìn)行模擬工業(yè)現(xiàn)場的仿真操作訓(xùn)練，幫助學(xué)生和企業(yè)新進(jìn)職工建立自動控制系統(tǒng)的整體概念，有些綜合實(shí)訓(xùn)裝置作為技能大賽的指定設(shè)備，可以用于參賽選手培訓(xùn)，也可以用于技能鑒定，所以綜合性實(shí)訓(xùn)設(shè)備是必須配備的。

2.2 簡化版綜合性實(shí)訓(xùn)設(shè)備

一般的化工自動化綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備，特別是帶有單表校驗(yàn)功能的設(shè)備，投入成本較高，設(shè)備能夠用于演示實(shí)驗(yàn)，但無法負(fù)擔(dān)學(xué)生的頻繁操作，容易磨損消耗，往往連續(xù)使用兩三個(gè)月就開始出現(xiàn)各種故障，對設(shè)備的維護(hù)要求高，甚至由于操作不當(dāng)可能會引起安全問題。而對學(xué)生和企業(yè)新進(jìn)職工進(jìn)行的培訓(xùn)恰恰需要高強(qiáng)度的頻繁使用，而且由于專業(yè)基礎(chǔ)弱，出現(xiàn)各種意外損壞的可能性也比較高[3]。

作為補(bǔ)充，可以自己設(shè)計(jì)組裝一個(gè)簡化版的綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備。選擇精度高、壽命長、口碑比較好、企業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常選用的儀表，搭建一個(gè)最簡單的小型自動控制系統(tǒng)，可以方便無專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)員建立自動控制系統(tǒng)，也可以用于頻繁的動手操作訓(xùn)練。例如可以設(shè)計(jì)組裝一個(gè)室內(nèi)溫度自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由測溫元件、控制器、報(bào)警器、調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，所有儀表都采用工業(yè)現(xiàn)場用的品牌和型號，具有精度高、壽命長、操作方便的特點(diǎn)。在一塊儀表盤上，各種儀表都預(yù)先安裝到位，儀表盤上安裝端子排，將所有儀表的接線端子都用導(dǎo)線引到端子排上，方便接線，同時(shí)也可以保護(hù)儀表。使用時(shí)，先將各個(gè)儀表正確聯(lián)接，測溫元件檢測到室內(nèi)溫度，把信號傳送給控制器，控制器經(jīng)過計(jì)算，給調(diào)節(jié)閥發(fā)送一個(gè)開度信號，調(diào)節(jié)閥根據(jù)此信號開始動作，如果調(diào)節(jié)閥所在管線中有蒸汽，教室溫度就會隨之改變。由于不可能在管線中通入蒸汽，所以只能看到調(diào)節(jié)閥有一個(gè)全開/全關(guān)的動作（取決于溫度給定值的大?。?。這套設(shè)備非常適合新進(jìn)職工的培訓(xùn)和學(xué)生的“一體化”教學(xué)。設(shè)備的使用非常靈活，可以根據(jù)需要，單獨(dú)操作測溫元件、控制器、報(bào)警器、調(diào)節(jié)閥，可以學(xué)習(xí)它們的接線、使用方法；此設(shè)備可以增加學(xué)習(xí)的趣味性，學(xué)員可以自由設(shè)置高/低報(bào)警值、給定值，然后用測溫元件測量不同溫度的水，甚至測量自己的體溫，觀察系統(tǒng)中的報(bào)警燈變化、調(diào)節(jié)閥動作情況。

2.3 壓力、溫度、液位檢測單表校驗(yàn)裝置

綜合性設(shè)備雖好，但是局限性也比較大。在進(jìn)行教學(xué)或者技能訓(xùn)練時(shí)，經(jīng)常要做“分解動作”，需要把自動控制系統(tǒng)的某個(gè)組成部分講得清楚明白，并進(jìn)行有針對性的操作訓(xùn)練。綜合實(shí)訓(xùn)裝置可以展示完整的自動控制系統(tǒng)，卻不方便把某一塊儀表單獨(dú)取下來進(jìn)行學(xué)習(xí)或訓(xùn)練，因?yàn)閷?shí)訓(xùn)設(shè)備是大家共同調(diào)配使用的，這樣會做影響其他教師使用設(shè)備；另外，經(jīng)常性地拆卸儀表很容易造成損壞，使整套裝置主要功能破壞，損失太大。所以，應(yīng)該單獨(dú)配置流量、壓力、溫度、液位儀表及其校驗(yàn)裝置。需要注意的是，所選用的儀表必須具有精度高、壽命長的特點(diǎn)，最好為企業(yè)比較認(rèn)可的儀表廠家產(chǎn)品。建議使用橫河EJA或羅斯蒙特3051系列儀表，這類儀表一般能夠保證在工業(yè)現(xiàn)場連續(xù)使用五年以上精確度等級不降。

流量檢測儀表的種類比較多，但是不方便進(jìn)行校驗(yàn)，所以選擇配備容易校驗(yàn)的差壓變送器（差壓流量計(jì)），對流量檢測部分的內(nèi)容，在教學(xué)時(shí)以其他形式進(jìn)行補(bǔ)充，例如應(yīng)用CDIO模式的教學(xué)設(shè)計(jì)可以布置任務(wù)：撰寫流量計(jì)選型報(bào)告。

溫度檢測儀表配備：熱電偶K型、E型，熱電阻Pt100型、Cu100型，這樣方便在教學(xué)中讓學(xué)生想辦法區(qū)分兩種型號；還需要配備雙金屬溫度計(jì)、玻璃水銀溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、醫(yī)用測溫槍等，方便教學(xué)使用。校驗(yàn)裝置為可控溫度的加熱爐，油浴爐和干式爐均可。

液位檢測儀表選擇電浮筒液位計(jì)，這種儀表的操作是各種技能競賽的?？疾僮黜?xiàng)目，又便于校驗(yàn)，掛重法和水校法均可采用，儀表安裝于金屬筒中，配備連通器作為液位指示。

壓力檢測儀表可選用壓力變送器和彈簧管壓力表，一個(gè)是電遠(yuǎn)傳壓力檢測儀表，一個(gè)是就地指示壓力檢測儀表。校驗(yàn)裝置為壓力校驗(yàn)臺，電動型和手動型均可。

2.4 DCS仿真組態(tài)軟件

通過第十二屆全國石油和化工行業(yè)職業(yè)技能競賽儀器儀表維修工比賽技能操作項(xiàng)目可以看出，對于化工儀器儀表維修工來說，基本的操作考核分為兩項(xiàng)，即在綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行的現(xiàn)場儀表調(diào)校及控制回路投運(yùn)，以及在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的DCS控制系統(tǒng)組態(tài)仿真。所以，從承辦比賽及參賽訓(xùn)練的角度考慮，DCS仿真軟件是必須配備的。而DCS仿真軟件的用途不僅于此，使用DCS仿真組態(tài)軟件還可以對教學(xué)起到很好的輔助作用。

基于CDIO模式的一體化教學(xué)改革能夠幫助學(xué)生對化工裝置的自動控制系統(tǒng)理解更加深刻，建立良好的全局觀，為今后的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。進(jìn)行檢測儀表知識教學(xué)時(shí)，針對化工生產(chǎn)過程控制四大參數(shù)（壓力、溫度、物位、流量）檢測及其自動控制系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)四個(gè)基本工作任務(wù)分別是：電壓力鍋壓力自動報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)、魚缸（或電火鍋）溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、魚缸液位自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及流量檢測儀表選型報(bào)告。

為了配合CDIO模式的教學(xué)，可以配備以下設(shè)備：電壓力鍋、電接點(diǎn)壓力表、聲光報(bào)警器、水槽、加熱棒、電火鍋、雙金屬溫度計(jì)等，當(dāng)學(xué)生完成一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，可以讓他們利用這些儀器設(shè)備親手搭建出實(shí)物來，用以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性。但這樣的做法存在局限性，主要在時(shí)間上不允許，學(xué)生沒有很好的專業(yè)基礎(chǔ)，其動手能力也需要一個(gè)訓(xùn)練的過程，完成這樣的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案合理性的任務(wù)不但需要大量的時(shí)間，還需要教師花費(fèi)大量的精力進(jìn)行指導(dǎo)，適用于少數(shù)學(xué)生的課外興趣輔導(dǎo)，但日常教學(xué)授課時(shí)數(shù)緊張、教師少學(xué)生多限制，無法采用[4]。如果采用DCS仿真組態(tài)軟件，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案合理性模擬檢驗(yàn)就可以解決這些問題。

教師指導(dǎo)學(xué)生使用DCS仿真組態(tài)軟件，可以把高壓鍋、魚缸等的設(shè)計(jì)方案繪制成帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，然后進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行，如果方案存在缺陷，在編譯環(huán)節(jié)軟件就會給出提示，比較容易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的問題，很好地配合了教學(xué)。

3 結(jié)語

配置合理的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，不但能夠滿足正常教學(xué)需要，還可以為教學(xué)改革的各種有益探索提供支撐，同時(shí)還能夠兼顧職業(yè)技能鑒定及技能比賽等各種需要，成為提高職業(yè)能力素質(zhì)的良好平臺。