項目式教學在化工儀表及自動化教學中的應用

于穎，朱玲，徐鳳霞，陸仲達，張金鳳

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項目式教學在化工儀表及自動化教學中的應用

于穎，朱玲，徐鳳霞，陸仲達，張金鳳

（齊齊哈爾大學 計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

針對工藝類學生的特點，設(shè)計與其相適應的化工儀表課程的課堂教學方法，以典型工程應用為載體設(shè)計教學活動，以學生為主體實施項目教學過程，體驗完整的控制系統(tǒng)的設(shè)計和工作過程，讓學生綜合運用所學的理論知識．

化工儀表及自動化；項目式教學；教學改革

化工儀表及自動化是為化工、生工、環(huán)境、食工和制藥等工藝類學生設(shè)置的專業(yè)課程[1-3]．工藝類學生的最大特點在于熟知對象和工藝，不了解自動化控制過程[4-6]．針對工藝類學生的特點，設(shè)計與其相適應的課堂教學方法，培養(yǎng)學生獨立學習及獲取新知識的能力，提高學生解決實際問題的工作能力．

1 課堂教學改革

在課堂教學中，改變教科書的教學順序，以實際的工作過程和工作情境組織教學過程，按照實際的過程控制系統(tǒng)開發(fā)過程，即按照需求分析、儀表選擇、系統(tǒng)設(shè)計、儀表安裝、儀表投運與調(diào)試以及儀表故障檢測與維修的工作過程，結(jié)合自動控制元件的實物及圖片，充分利用多媒體的教學手段，組織課堂教學過程．

本課堂主要是針對工藝類學生，應注意內(nèi)容的難易度，注重基礎(chǔ)知識的教學和應用．可以利用整個學時的2/3時間講解基礎(chǔ)知識，然后利用剩下的課時為學生進行項目式教學，讓學生實際了解控制系統(tǒng)的設(shè)計和運行過程．

2 簡單控制系統(tǒng)項目式教學

簡單控制系統(tǒng)通常是指由１個測量元件、1個變送器、1個控制器、1個執(zhí)行器和1個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]．教學過程中可以采用典型的液位控制（見圖1）為例，說明簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計和工作過程．

注：LT為液位檢測變送；LC為液位控制．

根據(jù)液位控制系統(tǒng)的工藝要求確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，被控對象為液體儲槽，被控變量為液位，控制變量為出料口流量，系統(tǒng)中其它可引起液位變化的變量為干擾[8-10]．根據(jù)系統(tǒng)的組成進行控制儀表的選擇，被控變量為液位，則系統(tǒng)的測量變送元件為液位傳感器．由于簡單系統(tǒng)的控制功能較為單一并考慮系統(tǒng)的成本，可以選擇單片機作為控制器，執(zhí)行器選擇電動調(diào)節(jié)閥．控制算法采用工業(yè)上最常用的PID算法，液位控制系統(tǒng)的帶控制點的工藝流程圖見圖1．

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)具體的工藝控制要求，選擇所需要的硬件設(shè)備的具體型號，本文中列舉幾個重要的元器件的型號和電路圖．液位傳感器采用DX130液位傳感器，其主要參數(shù)指標：量程為0~1…10 m等；輸入阻抗為0.6~6 kΩ；工作溫度為-40 ℃~+85 ℃；輸出信號為4~20 mA DC，可根據(jù)具體的測量要求選擇測量范圍，電路見圖2．采用AT89S51單片機作為主控單元，AT89S51分別連接液位傳感器、執(zhí)行器、按鍵電路、報警電路和其他輔助電路，AT89S51最小系統(tǒng)見圖3，采用上電復位和12 MHz的晶振．電動調(diào)節(jié)閥采用等百分比流量特性的DN100 PN電動閥門，公稱通徑：50~1 200 mm；公稱壓力：PN0.6，1.0，1.6，2.5 MPa；工作環(huán)境溫度：-20 ℃~+60 ℃；接受控制信號：DC4~20 mA，電動調(diào)節(jié)閥電路見圖4．輔助電路中本文給出了電源的電路原理圖（見圖5），其他部分不進行詳述．采集到的實時液位模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入單片機，與設(shè)定值比較后形成偏差，偏差經(jīng)PID運算后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，傳輸給電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)出料口的流量，從而調(diào)節(jié)儲槽中的液位，達到自動控制液位的目的．

圖2 液位傳感器電路原理圖

圖3 AT89S51最小系統(tǒng)電路原理圖

圖4 電動調(diào)節(jié)閥驅(qū)動調(diào)節(jié)電路

圖5 電源電路

2.2 軟件設(shè)計

在課堂教學中簡單液位控制系統(tǒng)主程序流程見圖6，軟件可采用模塊式的設(shè)計方法，在實際工作中，可根據(jù)具體的工藝要求增加各個功能模塊．

圖6 液位控制系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

為了使工藝類的學生真正學好化工儀表及自動化課程，教師首先要弄清楚化工工藝和儀表２個專業(yè)的相互關(guān)系．根據(jù)需要優(yōu)化更新項目式教學內(nèi)容（特別是要更新和完善實踐教學的方法與途徑），熟悉儀表和自動控制技術(shù)的最新發(fā)展狀況．項目式的教學方法有利于培養(yǎng)學生的學習積極性，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和探索精神，充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性和想象力，拓展創(chuàng)新空間，體現(xiàn)學生在實踐過程中的主體性和主動性．

[1] 梁剛鋒，劉亞，鄭紹成．化工儀表及自動化課程教學改革的研究與實踐[J]．廣州化工，2011，5（2）：10-12

[2] 時建偉，滕曉旭，徐建華，等．以培養(yǎng)學生工程實踐能力為目的的化工儀表及自動化教學改革與實踐[J]．化工高等教育，2014，8（5）：40-42

[3] 徐雪麗，宋偉．化工儀表及自動化教學改革探討[J]．科技創(chuàng)新導報，2011（10）：182-183

[4] 厲玉鳴．化工儀表及自動化[M]．5版．北京：化學工業(yè)出版社，2011

[5] 石梅，李中，郝紅，等．化工儀表及自動化教學內(nèi)容與教學模式的改革與探討[J]．化工高等教育，2010（2）：78-83

[6] 王樹江，尹麗，石秀敏．以案例為主線，激活《化工儀表及自動化》課堂教學[J]．廣州化工，2012，40（3）：129-130

[7] 胡壽松．自動控制原理基礎(chǔ)教程[M]．3版．北京：科學出版社，2016

[8] 魏秀業(yè)，潘宏俠，姚竹亭，等．過程裝備與控制工程專業(yè)課群構(gòu)建與教學實踐[J]．太原理工大學學報：社會科學版，2009（3）：78-81

[9] 胡壽松．自動控制原理習題解析[M]．2版．北京：科學出版社，2016

[10] 閆紹峰，廖國進，熊曉航．過程裝備與控制工程專業(yè)建設(shè)探索[J]．遼寧工業(yè)大學學報：社會科學版，2012（2）：116-120

Application of the project type teaching in the chemical instrumentation and automation course teaching

YU-Ying，ZHU Ling，XU Feng-xia，LU Zhong-da，ZHANG Jin-feng

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar Universitity，Qiqihar 161006，China）

According to the characteristics of the class of technological students．Designing of classroom teaching methods for the chemical instrumentation course with the characteristics of matching．Using typical engineering applications as a carrier into design teaching activities．Taking the students as the main body in project teaching process．Let students experience the complete control system design and working process．To improve students′ability to use comprehensive knowledge．

chemical instrumentation and automation；the project type teaching；teaching reform

1007-9831（2016）07-0090-04

TP212∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.07.024

2015-05-15

齊齊哈爾大學教育科學研究項目（2014017）

于穎（1977-），女，黑龍江雙城人，講師，碩士，主要從事智能控制方面的研究．E-mail：fishxd@163.com