“雙碳”目標下過程控制工程課程教學案例設計

錢俊磊　沈文博　陳波　曾凱　何茜

［摘 要］“雙碳”目標下，新工科專業(yè)除了要培養(yǎng)滿足企業(yè)需求、具有解決復雜工程問題能力的人才，還需要立足環(huán)保和節(jié)能視角，在教學中融入碳減思維，在技術和經(jīng)濟效益的基礎上考慮環(huán)保效益和社會效益?；谏鲜瞿康?，針對自動化專業(yè)核心課程過程控制工程，結合實際工程項目，設計碳減排教學案例。不同內(nèi)容、層次以及復雜度的減碳工程案例可有效提升課程教學的完整性和系統(tǒng)性，提高理論授課與社會實踐教學的交互水平，有效縮減學生專業(yè)技術能力與企業(yè)需求之間的鴻溝，對培養(yǎng)能盡快滿足企業(yè)和社會需求的新工科創(chuàng)新型人才、加速國家實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。

［關鍵詞］工程案例；實踐教學；雙碳目標；自動化

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0071-03

2021年7月，為深入貫徹黨中央、國務院關于碳達峰碳中和（“雙碳”目標）的重大戰(zhàn)略部署，發(fā)揮高?；A研究主力軍和重大科技創(chuàng)新策源地作用，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供科技支撐和人才保障，教育部制定《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》，指出要推動碳中和相關交叉學科與專業(yè)建設，制定碳中和領域人才培養(yǎng)方案，加強能源碳中和、資源碳中和、信息碳中和等相關教材建設，鼓勵高校通過校選課全面開展碳中和通識教育，將碳中和理念與實踐融入人才培養(yǎng)體系[1]。

過程控制工程課程是自動化專業(yè)核心必修課，以自動控制原理、可編程邏輯控制器、自動檢測儀表、運動控制系統(tǒng)、過程控制裝置等課程為前序課程，授課內(nèi)容包括控制結構設計、控制規(guī)律選擇、控制算法優(yōu)化、控制參數(shù)整定等，通過對被控過程的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，達到快速調(diào)節(jié)、提高產(chǎn)能、降低成本的目的[2-3]。從未來就業(yè)領域的實際項目出發(fā)，以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為支撐的控制系統(tǒng)設計、投運、調(diào)節(jié)、優(yōu)化等多維度訓練，可以有效激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的成就感。

課題組對自動化專業(yè)核心課程過程控制工程教學案例進行改革，以高校所處地域的典型生產(chǎn)過程為背景，以產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、結構優(yōu)化、算法提升等為手段，設計出不同層次、難度的課程案例，通過模擬實際工程項目將“雙碳”目標融入課堂理論和實踐教學，有效激發(fā)學生的學習熱情，提升教育滿意度，對部分學生未來就業(yè)有實質(zhì)性幫助。

一、過程控制工程課程教學案例設計理念

流程控制工業(yè)以未經(jīng)加工的礦產(chǎn)、化工原料為輸入，生產(chǎn)過程不具有完全標準過程，大部分依賴實時反饋調(diào)節(jié)，控制規(guī)律的選擇、參數(shù)整定過程都影響生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制等生產(chǎn)要素，因此被控過程的優(yōu)化控制本身就是生產(chǎn)流程節(jié)能、減碳、降成本的實現(xiàn)過程[4]。除了生產(chǎn)過程本身的優(yōu)化，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二次能源進行提取和再利用、優(yōu)化算法升級、新能源設備技術改革等方案都是促進實現(xiàn)碳中和目標的有效手段。以鋼鐵制造業(yè)、化工業(yè)為應用背景，針對“雙碳”目標設計的課程案例分三個類別，即二次能源利用層、控制系統(tǒng)優(yōu)化層和新技術改造層。

二次能源利用案例。一般指在傳統(tǒng)高能耗、高碳排放流程工業(yè)行業(yè)尋找二次能源進行提取和利用的案例。比如將傳統(tǒng)火力發(fā)電行業(yè)熱蒸汽在發(fā)電后的余溫、高爐沖渣水余溫用于城市供暖；鋼鐵廠高爐煤氣的余壓用于發(fā)電，高爐煤氣燃燒加熱水蒸氣推動渦輪機發(fā)電；焦爐煤氣供給市政管網(wǎng)用于生活燃燒；化工廠反應器冷卻水用于冷物料預熱加快反應速度等[5-6]。不同等級的二次能源都可以得到充分利用，盡量避免資源浪費且減少碳排放。

控制系統(tǒng)優(yōu)化案例。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律占主導。PID控制能完成簡單控制目標，但做不到調(diào)節(jié)最快、響應最優(yōu)。引導學生在實現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上，通過理論分析采用智能控制算法，令控制系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間更短、穩(wěn)態(tài)精度更高、抗干擾能力更強，即生產(chǎn)效率更高、能耗更低。

新技術案例。隨著科技的發(fā)展、設備的不斷更新，傳統(tǒng)工業(yè)領域的技術改造越來越多，新產(chǎn)品、新技術也不斷涌現(xiàn)。由新產(chǎn)品帶入的新技術也帶來新的控制方法和優(yōu)勢，例如新能源設備替代高碳排放設備、無人值守替代有人值守、多點協(xié)調(diào)調(diào)度替代單點調(diào)度等都是降低碳排放的有效方法，也是教材中暫時還沒有涉及但實際生產(chǎn)中已經(jīng)開始應用的新技術。新技術應用案例在課本基礎知識的基礎上提前給學生普及技術前沿，與生產(chǎn)實際接軌，能開拓學生的科技視野。

二、過程控制工程課程“雙碳”目標教學案例

（一）鋼鐵制造業(yè)二次能源利用減碳案例

鋼鐵企業(yè)作為高能耗、高碳排放企業(yè)，在二次能源和能源二次利用方面有豐富的實際案例可供挖掘，如引入高爐煉鐵出鐵口沖渣水熱能二次利用案例（見圖1）。沖渣水被過濾后，經(jīng)專用換熱器與市政供暖水循環(huán)系統(tǒng)連接，可以滿足北方地區(qū)部分用戶的供暖需求，從而減少碳排放。此案例中，學生需要了解鋼鐵廠高爐煉鐵工藝過程，掌握沖渣水從出口到與市政供暖水熱交換的流程，通過調(diào)節(jié)水壓力與流量控制供暖溫度，完成二次能源利用的工程設計。

此外，高爐煤氣熱能利用原理與此類似，實際授課過程中，教師需要給學生詳細講解被控系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝、控制邏輯、能量或者產(chǎn)品走向等內(nèi)容，引導學生自己檢索國內(nèi)外類似工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，通過仿真對不同的控制方案進行對比，并比較不同方案的優(yōu)越性。

（二）化工廠全流程優(yōu)化控制案例

化工廠生產(chǎn)流程也是典型的過程控制系統(tǒng)（見圖2），通過對溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的控制。化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程中，化學反應過程涉及混合罐液位控制，反應器液位、溫度、壓力控制，冷卻水流量、溫度控制，冷凝器和閃蒸罐的壓力控制等，不同工序參數(shù)之間存在耦合關系，是比較復雜的控制過程?？刂平Y構涉及比值控制、串級控制、前饋控制、選擇控制等復雜結構。同時可引入智能控制算法，比如模糊控制、自適應控制等算法，能夠令被控過程快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，提高產(chǎn)能、降低能耗、減少碳排放。

此案例來源于“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽賽題，需要借助虛擬仿真實驗設備SMPT-1000進行完整流程的仿真，也可通過Matlab軟件對被控對象進行機理建模，并選擇適當?shù)目刂平Y構、控制規(guī)律、控制算法進行控制。通過將Matlab軟件仿真后的控制器移植至SMPT-1000，以DCS編程軟件實現(xiàn)與實際工程基本相同的控制系統(tǒng)，再進一步仿真即可得到真實的控制結果。此類案例難度可調(diào)，由淺入深，逐漸提高，學生可以根據(jù)自己的能力自行選擇仿真案例，并根據(jù)自身興趣和能力加入智能控制算法。此類案例理論水平和實踐水平都比較高，通過學科競賽和課程教學相結合，可實現(xiàn)課堂授課與競賽互相促進，達到賽教融合的目的[7]。

（三）鐵水運輸新技術升級改造案例

新設備的出現(xiàn)催生出新技術，鋼鐵廠鐵鋼界面用于高爐與轉爐之間的鐵水運輸車輛逐步從內(nèi)燃機車升級為電力機車，這一技術升級一方面可以降低燃油消耗，減少碳排放，另一方面可引入場內(nèi)運輸無人駕駛、多車協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度等新技術。車輛運行環(huán)境復雜且具有一定危險性，通過定位技術，結合多種傳感器對運輸車進行定位和控制，可實現(xiàn)無人駕駛，減少安全事故的發(fā)生，同時可以降低人力成本。通過對出鐵時間、運載能力、容納能力等參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)度，可以對多車進行優(yōu)化調(diào)度，令車輛等候時間最短、溫降最小、能量放散最少，達到有效節(jié)能減碳的目的。本案例將生產(chǎn)工藝與優(yōu)化算法融合，需要將前兩類案例的知識結合并深度運用，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的減碳目標。

三、案例實施效果

過程控制工程課程在自動化系培養(yǎng)方案中實現(xiàn)的培養(yǎng)目標包括：能夠使用恰當?shù)墓こ坦ぞ吆蛯I(yè)模擬軟件，對自動化系統(tǒng)復雜工程問題進行分析、計算與設計；能夠根據(jù)對象特征選擇研究路線，設計實驗方案，并構建實驗系統(tǒng)，安全地開展實驗，正確地采集實驗數(shù)據(jù)；掌握自動化工程設計和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設計/開發(fā)方法和技術等。傳統(tǒng)的課堂講授和實驗教學內(nèi)容以課本為中心，案例設計經(jīng)典但較為傳統(tǒng)，難以做到與時俱進，與當前實際工程項目在需求、研發(fā)過程、研發(fā)工具、驗收指標、社會效益等方面有一定距離，學生不能切實從當前技術水平出發(fā)，感受未來從事行業(yè)需要掌握的真正技能的復雜度和難度。改革后的課堂案例來自實際碳減排工程項目，與未來學生從事的研究和工作內(nèi)容吻合，更有利于激發(fā)學生探索和學習的積極性。同時融入了“雙碳”目標，成為課堂教學、企業(yè)需求、社會責任之間的橋梁和紐帶，有利于提升學生的社會責任感。

四、結語

“雙碳”目標要求下，課程組以地域主導工業(yè)領域為背景，針對自動化專業(yè)核心課程過程控制工程設計了不同類型、內(nèi)容的節(jié)能減碳課程案例，將“雙碳”目標和思維融入課堂講授中，激發(fā)了學生的學習興趣，有效提升了教學質(zhì)量。案例幫助學生在課堂上即可了解實際工程項目的設計、開發(fā)、實施、調(diào)試的全周期，加強課堂授課與實踐之間的關聯(lián)，提升學生創(chuàng)新能力和探索能力的培養(yǎng)質(zhì)量，提高學生的專業(yè)綜合素質(zhì)，有利于學生未來從事相關專業(yè)工作。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 教育部.教育部關于印發(fā)《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》的通知[EB/OL].（2021-07-28）[2023-02-20].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/moe_784/202107/t20210728_547451.html.

[2] 哀薇，孫宗海，羅家祥.基于交叉融合項目的“過程控制工程”課程案例改革[J]. 電氣電子教學學報，2020，42（1）：14-17.

[3] 趙黎明，張冰.“過程控制系統(tǒng)”課程的教學改革[J].電氣電子教學學報，2017，39（6）：53-56.

[4] 邵裕森，戴先中.過程控制工程：第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2022.

[5] 李勁松，楊小龍. 高爐沖渣水余熱利用技術及案例分析[C]//中國金屬學會能源與熱工分會，東北大學.第十屆全國能源與熱工學術年會論文集.[出版者不詳]，2019：35-40.

[6] 李永田，張歡，王軍，等.基于熱泵技術的電廠余熱利用研究[J].熱科學與技術，2022，21（3）：297-303.

[7] 劉新強，閔為，劉文蘭，等.新工科專業(yè)知識創(chuàng)新系列競賽實施方案與教學試驗：以機械電子工程專業(yè)為例[J].大學教育，2022（1）：164-166.

［責任編輯：黃緊德］