卓越工程師教育培養計劃下的《化工儀表及自動化》課程內容的教與改

萬其中 熊遠欽 陽衛軍 梁志武

(湖南大學化學化工學院)

卓越工程師教育培養計劃下的《化工儀表及自動化》課程內容的教與改

萬其中 熊遠欽 陽衛軍 梁志武

(湖南大學化學化工學院)

從對化工技術人員在儀表選擇、安裝、調試、化工參數監測和自動控制的技能要求出發，對《化工儀表及自動化》課程的教學目標、講授內容及學習效果的考核等方面做了有益的嘗試和改革。同時，介紹“卓越工程師教育培養計劃”規劃教材《化工過程參數監測與自動化》和研發的化工儀表自動化綜合實訓平臺，為本課程的教學提供了很好的借鑒。

卓越工程師教育 化工儀表 化工過程自動化 化工參數監測 課程教改

隨著化工生產過程的連續化、大型化和復雜化，要求廣大化工生產工藝技術人員必須學習和掌握必要的檢測技術和自動化知識，這是現代工業生產實現高效、優質、安全、低耗的基本條件和重要保證，也是相關人員管理與開發現代化生產過程所必須具備的技能[1]。因此，《化工儀表及自動化》課程被列為高等學校化工與制藥類專業學生的一門必修課。

為適應國家教育部的“卓越工程師教育培養計劃”教學的需要，強化化工與制藥類專業學生的工程化知識和技能培養[2]，在從事《化工儀表及自動化》課程的教學過程中，湖南大學化學化工學院的教師特別注重現代化工企業對于化工工藝人員在儀表選擇、安裝、調試、化工參數監測和自動化控制技能的實際要求，從教學目標、講授內容及學習效果的考核等方面做了一些有益的嘗試和改革，除了延續經典的講述構成化工過程自控系統的被控對象、檢測元件與傳感器、自動控制儀表及執行器等工業儀表知識外，在介紹基本控制系統的基礎上，還分別舉例介紹了集散控制系統與現場總線控制系統、幾種典型化工單元裝置與過程的控制方案[3]。經過幾年的試行，于2014年編寫、并由化學工業出版社出版了“卓越工程師教育培養計劃”規劃教材《化工過程參數監測與自動化》。

1 《化工儀表及自動化》課程教學目標的改進

就本科院校而言，面向化工與制藥類專業的學生開設《化工儀表及自動化》課，對學生知識和技能的培養目標主要是：

a. 掌握化工過程常用參數監測儀表的結構與測量原理；能夠根據工藝與控制要求合理選擇常用的溫度、壓力、流量和物位檢測儀表。

b. 能夠根據檢測儀表技術說明書的要求正確使用儀表；依據儀表的維護要求，對儀表的常見故障和線路故障能進行合理分析，并加以排除；對各種參數變送器正確地實施調零、零點遷移和量程擴展操作。

c. 理解各種控制規律對被控系統的作用，正確應用于各種參數對象的控制中；根據化工工藝和控制要求，合理設置智能PID控制器的相關參數；理解SLPC過程控制儀表的組成原理和運行機制，熟悉其功能和功能指令的應用方法。

d. 能夠讀懂并規范地繪制常用帶控制點的工藝流程圖。根據工藝要求，綜合運用知識和各種控制方法，設計出簡單控制系統并加以實施。

e. 掌握常用工業過程控制系統的組成原理與性能特點，熟悉其適用場合。理解被控參數和調節參數對系統性能的影響，掌握被控參數與調節參數的合理確定方法。能夠根據被控參數和系統特點，運用臨界比例度法、衰減曲線法兩種工程整定方法，對簡單控制、串級控制等實施正確調試，使系統的穩定性、準確性和快速性3項指標基本優化，滿足工藝要求。

湖南大學作為國家“211工程”、“985工程”重點建設高校，在化學工程與工藝專業率先實施“卓越工程師教育培養計劃”和“華盛頓協議”工程教育專業認證的自評，以培養學生的就業競爭力和職場競爭力，以經濟全球化形勢下的國際人力資源市場競爭力為導向，使學生在掌握堅實的自然科學知識、化工工程技術基礎知識和具備一定的人文社會科學知識的基礎上，同時具備工程實踐能力、工程研究能力、工程創新能力和工程綜合能力的專業素質，勝任從事化工過程與產品工程的設計研發、管理、項目策劃，以及在化學工業和相關領域(如材料、能源、環境、醫藥、冶金、食品、生物、資源及勞動安全等)從事化工新工藝、新產品、新技術的研究開發及其生產和技術管理工作。具體落實到《化工儀表及自動化》課程上，其教學目標就是使學生了解化工過程控制與儀表的基本知識，理解自動調節系統的組成、基本原理和各環節的作用；根據工藝需要與自控設計人員共同討論并提出合理的自動控制方案；能為自控設計提供正確的有關工藝條件和數據；了解化工對象的基本特性及其對調節過程的影響；了解工業儀表的基本調節規律，懂得調節器參數的設定是如何影響調節質量的；了解主要工藝參數的基本測量方法和儀表的工作原理和特點；能根據工藝要求，正確選擇、投運和使用常見的測量儀表和調節儀表；在生產開停車過程中，自主進行自控系統的投運和調節器的參數整定。理解工業過程常用控制系統的組成原理與性能特點，熟悉其適用場合，對簡單控制、串級控制、比值控制、均勻控制及前饋控制等系統正確地實施調試，使系統在穩定性、準確性和快速性的3項指標基本優化，滿足工藝要求。了解和學會工業過程中常用的集散控制和現場總線系統的運行與調試，掌握典型化工單元過程與設備(如流體輸送設備、換熱器、精餾塔和反應釜)的控制措施。

2 《化工儀表及自動化》課程教學內容的調整

依據上述課程教學目標的改進，在組織和進行《化工儀表及自動化》課程教學和《化工過程參數監測與自動化》教材內容的編排和組織上注重實際應用，注意引用工程中的實例，培養學生的工程意識和工程應用能力[1]，既適用于高等學校化學工程與工藝專業的教學要求，也適宜于其他一些類型(如石油、醫藥、輕工、食品、林業、冶金、煤礦、生物和環境)的相關專業，還可供從事連續化工生產過程的工藝技術人員參考。

筆者在課程教學和編寫《化工過程參數監測與自動化》書稿時，較系統地介紹了化工過程參數監測及其控制的基礎知識、過程控制系統的設計方法等基本理論，并以典型的化工單元控制方案實例予以詮釋。第1章為化工參數測量的基本知識，重點介紹化工過程中工藝參數檢測的基本概念、測量儀表的分類與性能指標等共通性知識；第2章為化工過程壓力參數的監測，主要介紹壓力和壓差的檢測方法、壓力監測儀表及其變送器的工作原理、選用、安裝和校驗；第3章主要介紹化工過程中流量參數的監測，同樣包括流量的測量方法，各種流量儀表和變送器的工作原理、結構特點、儀表的選擇、安裝與校驗；第4章講述化工過程中物位參數的檢測方法，物位監測儀表和變送器的原理、選用、安裝與校驗；第5章是化工過程溫度參數的監測，主要介紹溫度檢測方法，各種測溫儀表和變送器的工作原理、選用、安裝與校驗；第6章介紹化工過程參數控制的基本知識，包括自控系統的構成、品質指標和工程化圖示，描述被控對象的特性參數及其響應的動態曲線；第7章為自動控制系統和儀表，主要介紹各種常用控制規律，控制器、執行器、電-氣轉換器、閥門定位器的結構、原理與應用；第8章介紹基本控制系統，包括簡單控制系統、控制器參數的工程整定，還介紹了串級、比值、均勻及前饋等常見復雜控制系統；第9章是集散控制和現場總線系統，它不限于單一的化工裝置和參數，而是對工廠、車間整體的集散控制系統、現場總線控制系統的結構、特點、功能進行討論，并介紹相應的常見控制系統實例；第10章為典型化工單元設備的控制，分別對流體輸送設備、換熱設備、精餾塔和化學反應器的溫度控制進行了介紹。相對于以往的《化工儀表及自動化》教科書而言，簡化和省略了被控化工設備對象的控制原理模型、儀表工作原理中的電學理論、模擬顯示與數字顯示之間的數模轉換、其他新型控制系統等知識的介紹，力求簡明實用，講述理論時深入淺出，對分類儀表進行介紹時原理與結構并重，并盡可能地引用實物圖片進行展示，使學生在課堂學習中對化工廠的各類儀表、裝置建立感性認識，有助于后續下廠實習摸索工藝流程、理解工藝裝置的原理內涵，以促進培養21世紀卓越工程技術人才的進程。這些調整的起意源于近幾年筆者對化工專業畢業生用人單位咨詢和畢業生承擔技術開發和管理過程中的體會反饋，還接受相關研討會各位專家的教學建議，更是在帶領和指導學生下廠實習教學時對現代化工企業先進裝置與控制系統的學習和理解，覺得必須緊扣畢業生日后任職從事專業工作崗位的要求，調整和強化相關知識與技能的教學。

3 開設與現代化工廠自控系統一致的課程實訓實驗

為達到卓越工程師教育的培養目標，筆者為《化工過程參數監測與自動化》教材專門編寫了相應的實訓講義，同時開發了與之配套的化工儀表自動化綜合實訓平臺[4]。在化工過程參數監測與自動化實驗平臺上，學生可以認識和熟悉化工工業上流行使用的各種智能儀表和傳感器，親自動手對儀表和傳感器進行電路連接并對常用化工參數進行測量與監控，同時引入開放型的工業監控軟件組態王，開展溫度、壓力、流量及物位的實時監測與控制實訓等學習。平臺具體可以完成的實訓項目如下：

a. 認識、熟悉智能儀表的PID調節參數和各種傳感器認知實訓；

b. 智能儀表與傳感器的連接和化工參數的測量實訓；

c. 基于組態王的溫度、液位、流量控制系統實訓。

通過該平臺的訓練和使用，使學生加深對化工過程參數監測和工藝過程控制理論的理解，深入了解工業裝置的監控參數調試和運行過程，為日后開展壓力、流量、液位及溫度等參數的有效控制積累技能。

化工儀表自動化綜合實訓平臺對化工參數的控制原理流程示例如圖1所示，對溫度控制的實時采集數據曲線如圖2所示。

圖1 實訓平臺對化工參數的控制流程

圖2 實訓平臺對溫度控制的實時采集數據曲線

4 將教學效果的考核方式與化工職業和崗位的要求接軌

目前，化工與制藥類專業畢業生去往化工實業公司就業的比例占到六七成，絕大多數是在企業的生產和管理崗位從事專業技術工作[5]。對于既往知識的運用并不像選拔和測驗考試那樣有限時、閉卷的要求，完全可以依據工廠現場實際情況進行理解型發揮。基于此，對《化工儀表及自動化》課程教學效果的考核方式也做了改進，力求與從事化工職業技術工作和崗位的要求相接軌。

本課程教學考核內容為：

a. 注重學習過程，課堂考勤、聽講情況、課堂提問及課間小作業回答等，占比30%。

b. 課程實驗情況，參加實驗的態度、具體操作、參數設定整定的合理性、實驗數據的整理及實驗報告等項，占比20%。

c. 課程教學結束時的考試形式為開卷筆試，成績占比50%；題型包括填空、判斷、圖例分析與補充完整、原理解析與簡答、儀表(包括控制系統)的選型和安裝調試過程簡述、對某一化工裝置(或系統)的控制方案設計、有關化工參數監測結果的計算和規范化整定，題量則參照各類社會化考試、執業資格考試等的模式是大題量的，督促學生盡可能熟悉課程內容，以便節省筆試過程中翻閱教材、參考文獻的時間。

5 結束語

為了提高《化工儀表及自動化》課程的教學質量，盡可能地滿足化工企業對畢業生從業技能的期望，筆者在激發學生學習興趣、使教學內容密切結合生產實際和化工工程師的職能要求、甄選教學方法、強化實踐教學及改革考核方式等方面進行了有益的探索，突出工程應用，加強實訓環節，取得了較好的效果，也得到了學生和用人單位的認可。

[1] 孟繁,謝聯瑞,何向彤,等.工程技術人員的職業能力構成與標準探析[J].高等工程教育研究,2012,(3):98～102,152.

[2] 李紅梅.強化工程能力培養的高校課程體系改革[J].高等工程教育研究,2013,(5):140～144.

[3] 熊遠欽,陽衛軍,萬其中,等.化工過程參數監測與自動化[M].北京:化學工業出版社,2014.

[4] 萬其中,熊遠欽,郭棟才,等.一種化工參數自動控制的實訓平臺[P].中國:201410829540.0,2014-10-08.

[5] 韓萌,魏克新.以產業發展為導向的高等工程教育研究[J].高等工程教育研究,2012,(3):72～74.

TheTeachingandCourseReforminChemicalMeters&AutomationContentsforTrainingProjectofExcellentEngineers

WAN Qi-zhong, XIONG Yuan-qin, YANG Wei-jun, LIANG Zhi-wu
(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HunanUniversity)

Starting with discussing chemical technicians’ skill requirements in the instrument selection, installation and commissioning as well as the monitoring of chemical parameters and automation control, both beneficial attempts and reforms inChemicalMeters&Automation’s teaching objective and contents and learning effect were implemented. In addition, a brief introduction was given toTheMonitoringofChemicalParametersandAutomationedited as a planning textbook of “The Education and Training Project of Excellent Engineers” and the integrated training platform for the automation of chemical instrument to provide a great reference for teaching the course.

education and training of excellent engineers,chemical instrument, chemical process automation, chemical process parameters monitoring, teaching and course reforming

TH81

A

1000-3932(2017)04-0343-04

2016-09-19，

2016-12-23)

國家卓越工程師培養計劃湖南大學化學工程與工藝專業項目化學工程與工藝專業綜合改革試點項目(MOE-No.2011-40)。

萬其中(1969-)，工程師，從事化工控制自動化高校化工專業實驗指導工作。

聯系人熊遠欽(1959-)，副教授，從事功能高分子的合成及應用、精細化學品配方設計及化工儀表自動化教學工作，xyuanqin@sina.com。