过程控制系统运行调试项目教学探索

徐文明（上海石化工业学校，上海　201512）　

过程控制系统运行调试项目教学探索

徐文明（上海石化工业学校，上海201512）

本文介绍了过程控制系统运行调试项目的教学要求，采用了教学任务与企业故障案例相融合的教学方法，解决设备故障的诊断与排除教学重点。结合企业的工作经验做法，利用经验凑试法整定方法，总结教学任务的系统参数整定的实操方法，解决了二阶液位控制系统参数整定与数据分析处理的教学难点。提出了课程教学与学生社团活动相结合，课程教学与职业技能竞赛相融合的教学措施，通过实践取得了较好的教学效果。

过程控制；运行调试；故障诊断；参数整定

过程控制系统运行调试项目是全国职业院校技能大赛化工仪表自动化赛项之一，是以生产过程仪表自动化技术为背景，培养化工仪表及自动化专业技术人员的综合项目。上海石化工业学校2012年开始过程控制系统运行调试项目的教学，该项目是上海石化工业学校化工操作和化工仪表自动化专业学生实训和考核的综合项目之一，在整个教学中占有重要的地位。

1　过程控制系统运行调试项目的教学要求

过程控制系统运行调试项目的教学目的是使学生能够更好地掌握化工生产过程仪表自动化技术，锻炼和提高学生对现场装置的实际操作能力，培养学生适应企业生产要求的综合能力。过程控制系统的工艺流程图如图1所示，其运行调试对象包含有：储水箱（V101和V102）、上水箱（V105）、中水箱（V104）、下水箱（V103）、锅炉（R101）、强制对流换热器（E101）。控制系统的测量变送和执行元件有：压力变送器、温度传感器、温度变送器、孔板流量计、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。运行系统动力有两路，分别由主管道水泵M1和副管道水泵M2提供。

图1　过程控制装置流程图

过程控制系统运行调试项目的教学要求主要有三点：一是要求学生熟悉装置生产工艺，根据生产工艺要求能正确进行系统投运；二是在设备投入过程中，学生能利用所学的理论知识诊断并排除设备故障，独立操作投入过程控制系统；三是在调试过程中，会运用经验试凑法进行PID参数整定，使过渡过程系统能按照期望的控制要求运行。

2　教学过程中普遍存在的问题

根据教学要求，为了达到预期的教学目的，过程控制系统运行调试项目的教学以任务引导进行，这里以锅炉内胆加热任务和二阶液位控制参数整定任务为例，介绍过程控制系统运行调试项目的教学探索。

锅炉内胆注水加热操作任务。第一步给内胆注水，设置副管道阀门，操作现场控制面板，在DCS流程图中选择“锅炉内胆注水”，向锅炉内胆注水至刻度线之上；第二步记录温度值，查看流程图，在记录表中记录6处（TI101，TI102，TI103，TI104，TI105，TI106）温度值，如遇故障，排除故障，再记录该点温度值；第三步内胆加热，流程图中点击“锅炉内胆加热”进入控制画面，设置控制量MV，查看升温曲线，将温度升至规定值后，保存趋势并命名为“温度曲线”；最后关加热管并排空内胆，热水排进储水箱（V102）。

二阶液位控制PID参数整定任务。选择上中水箱进行二阶液位控制，开启或关断装置上的阀门，在“手动操作”状态时，可灵活设置上、中水箱出水阀开度大小，设置调节器参数，待工况平稳后投运，施加1.5～5.0cm阶跃干扰，获取4∶1衰减曲线。若曲线不理想，可放空后重新设置重做，也可修正参数后，在自动状态下施加阶跃，再次投运。如遇故障，及时排除故障，再进行二阶液位控制和参数整定。分析曲线性能指标，适时设置、保存、打印趋势，标注并提交打印的趋势图。

在该项目的教学过程中，普遍存在一些问题，主要有二个方面：一是排除故障的能力差；二是参数整定的经验缺。教学课时用的多，但难以获得满意的教学效果，由于这两方面的教学都是与企业实践密切相关的。根据过程控制系统运行调试教学要求，不论是锅炉内胆注水加热任务，还是二阶液位控制参数整定任务，都预先设置一些设备故障，要求学生能独立诊断并排除故障。但现在的学生自己动手实践能力差，有的学生遇到故障束手束脚，不敢动手；有的学生面对众多仪器无从下手，不能顺利按要求进行操作；有的生搬硬套不假思索地盲目操作。

3　提升运行调试教学效果的应对方法

为取得良好的教学效果，除了在装置性能和控制精度上做了技术改进，在教学方法上也进行了一些探索，并取得了成功经验，主要包括以下几点：

3.1教学任务与企业故障案例相吻合

为了提升学生排除故障的能力，解决设备故障的诊断与排除这个教学难点，我们采用了教学任务与企业故障案例相吻合的方法。这里以锅炉内胆注水加热操作任务为例，当学生抄录相关温度时，如果发现有温度异常，必须及时诊断并排除相关故障，才能继续下面的操作。而在教学过程中，我们不可能把所有的故障都设置出来让学生全部做一遍，为此，根据该过程控制系统运行调试的实际情况，通过其中的一个回路故障案例讲解，让学生举一反三，触类旁通地诊断分析和处理类似其他的故障，这样可以得到事半功倍的效果。

另外，在项目实践教学中，常列举企业生产装置过程中的故障实例，采用企业常用的故障诊断及排除方法启发学生，培养学生分析诊断和处理故障的能力。按照企业装置故障分类列举，将所有可能会出现的常见故障总结出来，以锅炉内胆注水加热操作任务中相关温度为例，如表1所示，列出了常见故障原因及诊断方法。

最后，总结企业装置常用的故障类型及诊断经验。通过上面温度故障分析、诊断和排除教学，将回路类型分为两种，一类是Pt100先接到温度变送器转变成4～20mA电流输出，再送DCS电流模块输入卡板，如TI101、TI102、TI104、TI105、TI106回路；另一类是Pt100直接接到DCS特殊模块输入卡板，如TI103回路。在企业中，常见故障一般是控制回路发生断路、短路、接线错误、接触不良、部件损坏或选型错误。其中，在装置运行中，控制回路故障通常会是断路、短路、接触不良或部件损坏，而接线错误和选型错误一般会出现在安装或更换调试的过程中。

3.2经验凑试法与过程控制装置相实践

由于PID控制器参数整定与企业生产的产品质量和安全生产紧密相关，适当调整δ、Ti、Td三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。

在教学中，给出的任务是选择上中水箱进行二阶液位LIC102控制回路的PID整定，在投运工况平稳的情况下，改变给定值，给系统施加1.5～5.0cm阶跃干扰，观察过渡过程曲线，使衰减比n为4，即控制系统的衰减比n偏离4越小，说明参数整定越理想。

结合企业工艺流程液位控制的参数整定经验，引导学生采用企业生产装置中应用最广泛的整定方法，即经验试凑法。若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论控制器形式还是整定的参数均可以相互参考。表2为控制器整定参数的参考范围。

表2　控制器整定参数的参考范围

整定的步骤有以下两种：

(1) 先加δ，再加Ti、最后才加Td。也就是先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。

(2) 先按表2中给出的范围把Ti定下来，如要引入微分作用，可取Td=(1/3～1/4) Ti，然后对δ进行凑试，凑试步骤与上一种方法相同。

实践证明，在一定的范围内适当地组合δ和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，也就是说，δ的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。另外，将所在装置控制系统的PID参数记录下来，在企业实践应用中也是一个很好的做法。

针对教学装置的任务，鉴于该控制系统为二阶液位参数整定，系统存在余差，所以，控制规律除了使用比例（P）控制外,还需要增加积分（I）控制，但无需加入微分控制，只需整定比例积分（PI）。

利用经验凑试法整定方法，结合企业的工作经验做法，通过在过程控制装置上不断的实践，总结几条该过程控制系统参数整定的操作经验：

(1) 在初始流量、上中水箱液位和施加阶跃值不变的情况下，如果整定结果n<4，则应增大比例度或增大积分时间（n↓，则δ↑或Ti↑）；如果n>4，应减小比例度或减小积分时间（n↑，则δ↓或Ti↓）。必须注意放空测试情况下，上中水箱液位不宜过高或过低，直接阶跃也不易溢出，曲线相对好做。

(2) 在系统稳定的情况下，再次阶跃整定参数，当衰减比略小于4（如n≈3.2左右），应适当增加积分（如从Ti=3增加至Ti=3.5）；当衰减比略大于4（如n≈4.4左右），应稍稍增大积分时间（如Ti=2.7增加至Ti=2.75），因为液位变高，衰减比会变小，防止衰减比再小于4；当衰减比大于4（如n≈4.8左右），则无需修改任何参数，直接增加相同的阶跃即可。

3.3课程教学与学生社团活动相结合

通过上面的探索教学，在教学重点和教学难点上都有了突破性的发展，课堂教学质量也有了很大的提高。但有限的课堂时间限制了学生的动手机会，为了适量增加学生的操作机会，围绕教学计划及时改进教学措施，充分利用化工仪表自动化学生社团开辟第二课堂，把课程教学与学生社团活动相结合。在学生社团活动中，学生可以把课堂教学中没有完成的任务在社团活动时继续实践，鼓励学生进一步拓展操作技能，引导实践技能好学生主动交流操作经验。

3.4课程教学与职业技能竞赛相融合

我校与德国企业长期合作举办学生职业技能竞赛项目，迄今已连续举办了八届职业技能竞赛，旨在探索优秀技能人才培养模式与途径，打造专业技能拔尖人才。化工仪表自动化赛项也是其中比赛项目之一，在职业技能竞赛的平台上，学生通过竞赛不断提高操作技能，能够成为企业所需要的专业人才。企业的需求是竞赛的最终目标，课程教学与职业技能竞赛相融合是为了更好的服务企业，项目教学也要随着企业不断变化的竞赛要求而不断更新教学内容。

4　结语

在过程控制系统运行调试项目教学中，引入企业生产现场案例，通过任务的多样化，设置合理的教学目标，分层递进教学进度。学生通过项目实践，不断积累企业的工作经验，培养善于思考、发现问题和解决问题的能力。通过实践，我们取得了较好的教学效果，我校代表上海队，参加了全国职业院校技能大赛化工仪表自动化比赛，2013年和2015年连续二届获得该赛项中职组一等奖，经过该项目课程学习和实践过的学生，进入企业后，能够快速胜任石化企业仪表维修岗位或生产操作岗位的需求。

[1] 唐发源. 中职教育化学实验教学探索[J]. 河北：产业与科技论坛，2015. 183 - 184.

[2] 厉玉鸣，刘慧敏. 化工仪表及自动化[M]. 北京：化学工业出版社，2015.

Teaching Exploration of Process Control System Running and Debugging Project

The paper introduces the teaching requirements of the running and debugging projects of the process control system. It also introduces the teaching method by combining the teaching project with enterprise's real case which can solve the teaching difficulties of fault diagnosis and elimination of equipment. Combined with the enterprise work experience and practice, utilizing the trialand-error tuning method and summarizing the practical method of system parameters tuning, the teaching difficulties of the second-order liquid level control system parameter tuning and data analysis and processing will be solved. In addition, this paper puts forward to the teaching measures by combining the curriculum teaching with the community activities of student, and also with vocational skills competitions. The combinations have achieved good teaching results through practice.

Process control; Running and debugging; Fault diagnosis; Parameter tuning

B

1003-0492(2016)08-0093-03

TP273

徐文明（1965-），男，江苏人，高级工程师，硕士，现就职于上海石化工业学校，主要研究方向为化工仪表自动化。