化工儀表與自動化課程教學改革與探討

徐生盼，穆飛虎，王 飛，朱安峰，吳飛躍

(淮陰師范學院化工學院，江蘇 淮安 223300)

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1]。工程教育專業(yè)認證的核心就是要確認工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質量標準要求，是一種以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要求為導向的合格性評價[2]。因此，《化工儀表及自動化》作為化學工程與工藝專業(yè)的專業(yè)必修課程，必須遵循以學生為中心、結果為導向的教育理念，培養(yǎng)學生的綜合應用能力[3]。

1 當前的教學內(nèi)容以及存在的主要問題

本課程從自動控制系統(tǒng)的基本概念入手，系統(tǒng)講述構成自動控制系統(tǒng)的各個基本環(huán)節(jié)，包括被控對象、測量元件及變送器、顯示儀表、自動控制儀表、執(zhí)行器等；以及簡單控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)與新型控制系統(tǒng)[4]。通過對本課程的學習，學生應能了解化工自動化的基本知識，理解自動控制系統(tǒng)的組成、基本原理及各環(huán)節(jié)的作用；能根據(jù)工藝要求，與自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方案；能了解化工對象的基本特性及其對控制過程的影響；能了解基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)與被控過程的控制質量之間的關系；能在生產(chǎn)開停過程中，初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定。但在講授的過程中涉及的很多概念都比較抽象，各種儀器儀表的構造比較難掌握，學生的學習興趣不高。課程結束后，仍有學生難以單獨完成某個工藝流程的自動化控制設計。

2 解決措施

2.1 靈活運用多媒體教學與案例教學

在授課過程中，對于抽象的教學內(nèi)容，運用視頻、動畫的形式將相關內(nèi)容具象化，使得學生更容易理解和掌握。如在檢測儀表與傳感器這一教學模塊，我們引入了大量的動畫教學，從彈簧管式壓力儀表、電容式壓力傳感器至不同種類的溫度、流量、物位等控制儀表及傳感器；控制規(guī)律模塊引入“積分-擾動”、“積分-設定”、“微分兩面性”等教學動畫，加深了學生對抽象控制規(guī)律的理解，為控制規(guī)律的選擇和控制參數(shù)的整定打下了良好的理論基礎；執(zhí)行器教學模塊也增加大量的執(zhí)行機構和控制閥的動畫演示，大大增加了學生的學習興趣；同時增加典型化工自控系統(tǒng)的案例，如簡單控制、分程控制、串級控制、鍋爐蒸汽包、反應釜的自動控制等教學動畫和內(nèi)容，使得教學效果得到大大提升。

2.2 過控綜合自動化控制實驗

以“THSA-1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”為載體[5]，開展液位及溫度的自動化控制實驗，實驗對象總貌圖如圖1所示。通過實驗，將所學的書本知識有機地串聯(lián)起來，從執(zhí)行器、溫度、液位、壓力傳感器至控制規(guī)律的選擇，以及根據(jù)過渡過程曲線進行工程參數(shù)的整定。學生在實驗過程中能迅速理解并掌握所學的理論知識，進而具有解決實際問題的能力。

圖1 實驗對象總貌圖

2.3 與化工實訓相融合

化工實訓是化學工程與工藝專業(yè)開設的實踐課程，其中“流體輸送綜合實訓”、“傳熱綜合實訓”、“吸收解吸綜合實訓”、“精餾綜合實訓”、“釜式反應器實訓”全部采用集散控制系統(tǒng)(DCS-Distributed Control System)對實訓裝置進行開停車操作、數(shù)據(jù)采集和參數(shù)控制。在實訓過程中引導學生對DCS控制的操作與理解、不同化工單元操作及反應控制方案的選擇以及所涉及的儀器儀表等，這樣進一步加深學生對儀表自動化相關知識的理解和掌握，增強了學生的工程實踐能力。

2.4 與化工仿真教學相融合

化工儀表及自動化是現(xiàn)代化工過程系統(tǒng)不可或缺的組成部分，貫穿整個化學工藝流程。而實際的化工過程系統(tǒng)都是由一系列單元操作和反應器同過管道組合而成的復雜系統(tǒng)，這些復雜化工過程系統(tǒng)又是由各種控制器、調節(jié)閥、檢測變送裝置、指示記錄儀或較先進的DCS控制系統(tǒng)所檢測控制。學生在實習過程中見到的大型連續(xù)性生產(chǎn)裝置，只能看不能動手，只能看到表面和樣貌，無法深入和具體了解，因而無法達到實習教學效果。借助于仿真實習軟件，學生不出校門就能了解實際生產(chǎn)裝置，并能親自動手進行反復操作，鍛煉提高專業(yè)應用技能，將所學專業(yè)知識與實際生產(chǎn)緊密地結合在一起[6]。在化工仿真實習過程中，學生的操作主要是針對各種各樣的閥門和控制器，進而控制整個工藝流程的穩(wěn)定運行或者排除生產(chǎn)中遇到的緊急情況，在仿真實習過程中逐漸了解和掌握不同單元操作所用的控制系統(tǒng)；同時與化工設計大賽相結合，學生自主設計可行的自動化控制方案(圖2為學生自行設計的丁二烯項目反應工段PID工藝流程圖)，在設計過程中找出問題所在，讓學生于實踐中成長，培養(yǎng)出合格的工程技術人員。

圖2 丁二烯項目反應工段PID工藝流程圖

3 結 語

本文首先論證了在工程教育專業(yè)認證的背景下《化工儀表及自動化》教學改革的必要性。實踐教學是培養(yǎng)應用型人才的重要環(huán)節(jié)，因此，我們在教學內(nèi)容及教學方式上做了調整，在理論教學過程中添加了大量的動畫教學，在實踐教學上除了儀表自動化的實驗，還與化工實訓和化工仿真課程相融合，增加實踐教學的比重，提高學生分析和解決化學工程領域中的復雜工程問題的能力，取得了比較好的教學效果。