“雙碳”目標(biāo)下過(guò)程控制工程課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)

錢俊磊　沈文博　陳波　曾凱　何茜

［摘 要］“雙碳”目標(biāo)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(fù)雜工程問(wèn)題能力的人才，還需要立足環(huán)保和節(jié)能視角，在教學(xué)中融入碳減思維，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上考慮環(huán)保效益和社會(huì)效益?；谏鲜瞿康?，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)核心課程過(guò)程控制工程，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)碳減排教學(xué)案例。不同內(nèi)容、層次以及復(fù)雜度的減碳工程案例可有效提升課程教學(xué)的完整性和系統(tǒng)性，提高理論授課與社會(huì)實(shí)踐教學(xué)的交互水平，有效縮減學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力與企業(yè)需求之間的鴻溝，對(duì)培養(yǎng)能盡快滿足企業(yè)和社會(huì)需求的新工科創(chuàng)新型人才、加速國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

［關(guān)鍵詞］工程案例；實(shí)踐教學(xué)；雙碳目標(biāo)；自動(dòng)化

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）14-0071-03

2021年7月，為深入貫徹黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于碳達(dá)峰碳中和（“雙碳”目標(biāo)）的重大戰(zhàn)略部署，發(fā)揮高?；A(chǔ)研究主力軍和重大科技創(chuàng)新策源地作用，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供科技支撐和人才保障，教育部制定《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，指出要推動(dòng)碳中和相關(guān)交叉學(xué)科與專業(yè)建設(shè)，制定碳中和領(lǐng)域人才培養(yǎng)方案，加強(qiáng)能源碳中和、資源碳中和、信息碳中和等相關(guān)教材建設(shè)，鼓勵(lì)高校通過(guò)校選課全面開(kāi)展碳中和通識(shí)教育，將碳中和理念與實(shí)踐融入人才培養(yǎng)體系[1]。

過(guò)程控制工程課程是自動(dòng)化專業(yè)核心必修課，以自動(dòng)控制原理、可編程邏輯控制器、自動(dòng)檢測(cè)儀表、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制裝置等課程為前序課程，授課內(nèi)容包括控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制規(guī)律選擇、控制算法優(yōu)化、控制參數(shù)整定等，通過(guò)對(duì)被控過(guò)程的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，達(dá)到快速調(diào)節(jié)、提高產(chǎn)能、降低成本的目的[2-3]。從未來(lái)就業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為支撐的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、投運(yùn)、調(diào)節(jié)、優(yōu)化等多維度訓(xùn)練，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的成就感。

課題組對(duì)自動(dòng)化專業(yè)核心課程過(guò)程控制工程教學(xué)案例進(jìn)行改革，以高校所處地域的典型生產(chǎn)過(guò)程為背景，以產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、算法提升等為手段，設(shè)計(jì)出不同層次、難度的課程案例，通過(guò)模擬實(shí)際工程項(xiàng)目將“雙碳”目標(biāo)融入課堂理論和實(shí)踐教學(xué)，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升教育滿意度，對(duì)部分學(xué)生未來(lái)就業(yè)有實(shí)質(zhì)性幫助。

一、過(guò)程控制工程課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)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(guò)程不具有完全標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程，大部分依賴實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，控制規(guī)律的選擇、參數(shù)整定過(guò)程都影響生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制等生產(chǎn)要素，因此被控過(guò)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(shí)現(xiàn)過(guò)程[4]。除了生產(chǎn)過(guò)程本身的優(yōu)化，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二次能源進(jìn)行提取和再利用、優(yōu)化算法升級(jí)、新能源設(shè)備技術(shù)改革等方案都是促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效手段。以鋼鐵制造業(yè)、化工業(yè)為應(yīng)用背景，針對(duì)“雙碳”目標(biāo)設(shè)計(jì)的課程案例分三個(gè)類別，即二次能源利用層、控制系統(tǒng)優(yōu)化層和新技術(shù)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(jìn)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(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電；焦?fàn)t煤氣供給市政管網(wǎng)用于生活燃燒；化工廠反應(yīng)器冷卻水用于冷物料預(yù)熱加快反應(yīng)速度等[5-6]。不同等級(jí)的二次能源都可以得到充分利用，盡量避免資源浪費(fèi)且減少碳排放。

控制系統(tǒng)優(yōu)化案例。傳統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律占主導(dǎo)。PID控制能完成簡(jiǎn)單控制目標(biāo)，但做不到調(diào)節(jié)最快、響應(yīng)最優(yōu)。引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析采用智能控制算法，令控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短、穩(wěn)態(tài)精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)，即生產(chǎn)效率更高、能耗更低。

新技術(shù)案例。隨著科技的發(fā)展、設(shè)備的不斷更新，傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)改造越來(lái)越多，新產(chǎn)品、新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。由新產(chǎn)品帶入的新技術(shù)也帶來(lái)新的控制方法和優(yōu)勢(shì)，例如新能源設(shè)備替代高碳排放設(shè)備、無(wú)人值守替代有人值守、多點(diǎn)協(xié)調(diào)調(diào)度替代單點(diǎn)調(diào)度等都是降低碳排放的有效方法，也是教材中暫時(shí)還沒(méi)有涉及但實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用的新技術(shù)。新技術(shù)應(yīng)用案例在課本基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上提前給學(xué)生普及技術(shù)前沿，與生產(chǎn)實(shí)際接軌，能開(kāi)拓學(xué)生的科技視野。

二、過(guò)程控制工程課程“雙碳”目標(biāo)教學(xué)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(shí)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(jiàn)圖1）。沖渣水被過(guò)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(xué)生需要了解鋼鐵廠高爐煉鐵工藝過(guò)程，掌握沖渣水從出口到與市政供暖水熱交換的流程，通過(guò)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(shè)計(jì)。

此外，高爐煤氣熱能利用原理與此類似，實(shí)際授課過(guò)程中，教師需要給學(xué)生詳細(xì)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(dǎo)學(xué)生自己檢索國(guó)內(nèi)外類似工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)仿真對(duì)不同的控制方案進(jìn)行對(duì)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(guò)程控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），通過(guò)對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的控制?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)流程中，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程涉及混合罐液位控制，反應(yīng)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(guān)系，是比較復(fù)雜的控制過(guò)程?？刂平Y(jié)構(gòu)涉及比值控制、串級(jí)控制、前饋控制、選擇控制等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。同時(shí)可引入智能控制算法，比如模糊控制、自適應(yīng)控制等算法，能夠令被控過(guò)程快速達(dá)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(lái)源于“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽賽題，需要借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備SMPT-1000進(jìn)行完整流程的仿真，也可通過(guò)Matlab軟件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行機(jī)理建模，并選擇適當(dāng)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)、控制規(guī)律、控制算法進(jìn)行控制。通過(guò)將Matlab軟件仿真后的控制器移植至SMPT-1000，以DCS編程軟件實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工程基本相同的控制系統(tǒng)，再進(jìn)一步仿真即可得到真實(shí)的控制結(jié)果。此類案例難度可調(diào)，由淺入深，逐漸提高，學(xué)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(shí)踐水平都比較高，通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽和課程教學(xué)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)課堂授課與競(jìng)賽互相促進(jìn)，達(dá)到賽教融合的目的[7]。

（三）鐵水運(yùn)輸新技術(shù)升級(jí)改造案例

新設(shè)備的出現(xiàn)催生出新技術(shù)，鋼鐵廠鐵鋼界面用于高爐與轉(zhuǎn)爐之間的鐵水運(yùn)輸車輛逐步從內(nèi)燃機(jī)車升級(jí)為電力機(jī)車，這一技術(shù)升級(jí)一方面可以降低燃油消耗，減少碳排放，另一方面可引入場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸無(wú)人駕駛、多車協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度等新技術(shù)。車輛運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且具有一定危險(xiǎn)性，通過(guò)定位技術(shù)，結(jié)合多種傳感器對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行定位和控制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，減少安全事故的發(fā)生，同時(shí)可以降低人力成本。通過(guò)對(duì)出鐵時(shí)間、運(yùn)載能力、容納能力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，可以對(duì)多車進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，令車輛等候時(shí)間最短、溫降最小、能量放散最少，達(dá)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(shí)結(jié)合并深度運(yùn)用，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的減碳目標(biāo)。

三、案例實(shí)施效果

過(guò)程控制工程課程在自動(dòng)化系培養(yǎng)方案中實(shí)現(xiàn)的培養(yǎng)目標(biāo)包括：能夠使用恰當(dāng)?shù)墓こ坦ぞ吆蛯I(yè)模擬軟件，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)；能夠根據(jù)對(duì)象特征選擇研究路線，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，安全地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，正確地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；掌握自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)方法和技術(shù)等。傳統(tǒng)的課堂講授和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以課本為中心，案例設(shè)計(jì)經(jīng)典但較為傳統(tǒng)，難以做到與時(shí)俱進(jìn)，與當(dāng)前實(shí)際工程項(xiàng)目在需求、研發(fā)過(guò)程、研發(fā)工具、驗(yàn)收指標(biāo)、社會(huì)效益等方面有一定距離，學(xué)生不能切實(shí)從當(dāng)前技術(shù)水平出發(fā)，感受未來(lái)從事行業(yè)需要掌握的真正技能的復(fù)雜度和難度。改革后的課堂案例來(lái)自實(shí)際碳減排工程項(xiàng)目，與未來(lái)學(xué)生從事的研究和工作內(nèi)容吻合，更有利于激發(fā)學(xué)生探索和學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)融入了“雙碳”目標(biāo)，成為課堂教學(xué)、企業(yè)需求、社會(huì)責(zé)任之間的橋梁和紐帶，有利于提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

四、結(jié)語(yǔ)

“雙碳”目標(biāo)要求下，課程組以地域主導(dǎo)工業(yè)領(lǐng)域?yàn)楸尘埃槍?duì)自動(dòng)化專業(yè)核心課程過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)了不同類型、內(nèi)容的節(jié)能減碳課程案例，將“雙碳”目標(biāo)和思維融入課堂講授中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提升了教學(xué)質(zhì)量。案例幫助學(xué)生在課堂上即可了解實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)施、調(diào)試的全周期，加強(qiáng)課堂授課與實(shí)踐之間的關(guān)聯(lián)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和探索能力的培養(yǎng)質(zhì)量，提高學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)，有利于學(xué)生未來(lái)從事相關(guān)專業(yè)工作。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)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(xiàng)目的“過(guò)程控制工程”課程案例改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（1）：14-17.

[3] 趙黎明，張冰.“過(guò)程控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（6）：53-56.

[4] 邵裕森，戴先中.過(guò)程控制工程：第2版[M].北京：機(jī)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(shù)及案例分析[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì)能源與熱工分會(huì)，東北大學(xué).第十屆全國(guó)能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì)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(shù)的電廠余熱利用研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2022，21（3）：297-303.

[7] 劉新強(qiáng)，閔為，劉文蘭，等.新工科專業(yè)知識(shí)創(chuàng)新系列競(jìng)賽實(shí)施方案與教學(xué)試驗(yàn)：以機(jī)械電子工程專業(yè)為例[J].大學(xué)教育，2022（1）：164-166.

［責(zé)任編輯：黃緊德］