卓越工程师教育培养计划下的《化工仪表及自动化》课程内容的教与改

万其中 熊远钦 阳卫军 梁志武

(湖南大学化学化工学院)

卓越工程师教育培养计划下的《化工仪表及自动化》课程内容的教与改

万其中 熊远钦 阳卫军 梁志武

(湖南大学化学化工学院)

从对化工技术人员在仪表选择、安装、调试、化工参数监测和自动控制的技能要求出发，对《化工仪表及自动化》课程的教学目标、讲授内容及学习效果的考核等方面做了有益的尝试和改革。同时，介绍“卓越工程师教育培养计划”规划教材《化工过程参数监测与自动化》和研发的化工仪表自动化综合实训平台，为本课程的教学提供了很好的借鉴。

卓越工程师教育 化工仪表 化工过程自动化 化工参数监测 课程教改

随着化工生产过程的连续化、大型化和复杂化，要求广大化工生产工艺技术人员必须学习和掌握必要的检测技术和自动化知识，这是现代工业生产实现高效、优质、安全、低耗的基本条件和重要保证，也是相关人员管理与开发现代化生产过程所必须具备的技能[1]。因此，《化工仪表及自动化》课程被列为高等学校化工与制药类专业学生的一门必修课。

为适应国家教育部的“卓越工程师教育培养计划”教学的需要，强化化工与制药类专业学生的工程化知识和技能培养[2]，在从事《化工仪表及自动化》课程的教学过程中，湖南大学化学化工学院的教师特别注重现代化工企业对于化工工艺人员在仪表选择、安装、调试、化工参数监测和自动化控制技能的实际要求，从教学目标、讲授内容及学习效果的考核等方面做了一些有益的尝试和改革，除了延续经典的讲述构成化工过程自控系统的被控对象、检测元件与传感器、自动控制仪表及执行器等工业仪表知识外，在介绍基本控制系统的基础上，还分别举例介绍了集散控制系统与现场总线控制系统、几种典型化工单元装置与过程的控制方案[3]。经过几年的试行，于2014年编写、并由化学工业出版社出版了“卓越工程师教育培养计划”规划教材《化工过程参数监测与自动化》。

1 《化工仪表及自动化》课程教学目标的改进

就本科院校而言，面向化工与制药类专业的学生开设《化工仪表及自动化》课，对学生知识和技能的培养目标主要是：

a. 掌握化工过程常用参数监测仪表的结构与测量原理；能够根据工艺与控制要求合理选择常用的温度、压力、流量和物位检测仪表。

b. 能够根据检测仪表技术说明书的要求正确使用仪表；依据仪表的维护要求，对仪表的常见故障和线路故障能进行合理分析，并加以排除；对各种参数变送器正确地实施调零、零点迁移和量程扩展操作。

c. 理解各种控制规律对被控系统的作用，正确应用于各种参数对象的控制中；根据化工工艺和控制要求，合理设置智能PID控制器的相关参数；理解SLPC过程控制仪表的组成原理和运行机制，熟悉其功能和功能指令的应用方法。

d. 能够读懂并规范地绘制常用带控制点的工艺流程图。根据工艺要求，综合运用知识和各种控制方法，设计出简单控制系统并加以实施。

e. 掌握常用工业过程控制系统的组成原理与性能特点，熟悉其适用场合。理解被控参数和调节参数对系统性能的影响，掌握被控参数与调节参数的合理确定方法。能够根据被控参数和系统特点，运用临界比例度法、衰减曲线法两种工程整定方法，对简单控制、串级控制等实施正确调试，使系统的稳定性、准确性和快速性3项指标基本优化，满足工艺要求。

湖南大学作为国家“211工程”、“985工程”重点建设高校，在化学工程与工艺专业率先实施“卓越工程师教育培养计划”和“华盛顿协议”工程教育专业认证的自评，以培养学生的就业竞争力和职场竞争力，以经济全球化形势下的国际人力资源市场竞争力为导向，使学生在掌握坚实的自然科学知识、化工工程技术基础知识和具备一定的人文社会科学知识的基础上，同时具备工程实践能力、工程研究能力、工程创新能力和工程综合能力的专业素质，胜任从事化工过程与产品工程的设计研发、管理、项目策划，以及在化学工业和相关领域(如材料、能源、环境、医药、冶金、食品、生物、资源及劳动安全等)从事化工新工艺、新产品、新技术的研究开发及其生产和技术管理工作。具体落实到《化工仪表及自动化》课程上，其教学目标就是使学生了解化工过程控制与仪表的基本知识，理解自动调节系统的组成、基本原理和各环节的作用；根据工艺需要与自控设计人员共同讨论并提出合理的自动控制方案；能为自控设计提供正确的有关工艺条件和数据；了解化工对象的基本特性及其对调节过程的影响；了解工业仪表的基本调节规律，懂得调节器参数的设定是如何影响调节质量的；了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理和特点；能根据工艺要求，正确选择、投运和使用常见的测量仪表和调节仪表；在生产开停车过程中，自主进行自控系统的投运和调节器的参数整定。理解工业过程常用控制系统的组成原理与性能特点，熟悉其适用场合，对简单控制、串级控制、比值控制、均匀控制及前馈控制等系统正确地实施调试，使系统在稳定性、准确性和快速性的3项指标基本优化，满足工艺要求。了解和学会工业过程中常用的集散控制和现场总线系统的运行与调试，掌握典型化工单元过程与设备(如流体输送设备、换热器、精馏塔和反应釜)的控制措施。

2 《化工仪表及自动化》课程教学内容的调整

依据上述课程教学目标的改进，在组织和进行《化工仪表及自动化》课程教学和《化工过程参数监测与自动化》教材内容的编排和组织上注重实际应用，注意引用工程中的实例，培养学生的工程意识和工程应用能力[1]，既适用于高等学校化学工程与工艺专业的教学要求，也适宜于其他一些类型(如石油、医药、轻工、食品、林业、冶金、煤矿、生物和环境)的相关专业，还可供从事连续化工生产过程的工艺技术人员参考。

笔者在课程教学和编写《化工过程参数监测与自动化》书稿时，较系统地介绍了化工过程参数监测及其控制的基础知识、过程控制系统的设计方法等基本理论，并以典型的化工单元控制方案实例予以诠释。第1章为化工参数测量的基本知识，重点介绍化工过程中工艺参数检测的基本概念、测量仪表的分类与性能指标等共通性知识；第2章为化工过程压力参数的监测，主要介绍压力和压差的检测方法、压力监测仪表及其变送器的工作原理、选用、安装和校验；第3章主要介绍化工过程中流量参数的监测，同样包括流量的测量方法，各种流量仪表和变送器的工作原理、结构特点、仪表的选择、安装与校验；第4章讲述化工过程中物位参数的检测方法，物位监测仪表和变送器的原理、选用、安装与校验；第5章是化工过程温度参数的监测，主要介绍温度检测方法，各种测温仪表和变送器的工作原理、选用、安装与校验；第6章介绍化工过程参数控制的基本知识，包括自控系统的构成、品质指标和工程化图示，描述被控对象的特性参数及其响应的动态曲线；第7章为自动控制系统和仪表，主要介绍各种常用控制规律，控制器、执行器、电-气转换器、阀门定位器的结构、原理与应用；第8章介绍基本控制系统，包括简单控制系统、控制器参数的工程整定，还介绍了串级、比值、均匀及前馈等常见复杂控制系统；第9章是集散控制和现场总线系统，它不限于单一的化工装置和参数，而是对工厂、车间整体的集散控制系统、现场总线控制系统的结构、特点、功能进行讨论，并介绍相应的常见控制系统实例；第10章为典型化工单元设备的控制，分别对流体输送设备、换热设备、精馏塔和化学反应器的温度控制进行了介绍。相对于以往的《化工仪表及自动化》教科书而言，简化和省略了被控化工设备对象的控制原理模型、仪表工作原理中的电学理论、模拟显示与数字显示之间的数模转换、其他新型控制系统等知识的介绍，力求简明实用，讲述理论时深入浅出，对分类仪表进行介绍时原理与结构并重，并尽可能地引用实物图片进行展示，使学生在课堂学习中对化工厂的各类仪表、装置建立感性认识，有助于后续下厂实习摸索工艺流程、理解工艺装置的原理内涵，以促进培养21世纪卓越工程技术人才的进程。这些调整的起意源于近几年笔者对化工专业毕业生用人单位咨询和毕业生承担技术开发和管理过程中的体会反馈，还接受相关研讨会各位专家的教学建议，更是在带领和指导学生下厂实习教学时对现代化工企业先进装置与控制系统的学习和理解，觉得必须紧扣毕业生日后任职从事专业工作岗位的要求，调整和强化相关知识与技能的教学。

3 开设与现代化工厂自控系统一致的课程实训实验

为达到卓越工程师教育的培养目标，笔者为《化工过程参数监测与自动化》教材专门编写了相应的实训讲义，同时开发了与之配套的化工仪表自动化综合实训平台[4]。在化工过程参数监测与自动化实验平台上，学生可以认识和熟悉化工工业上流行使用的各种智能仪表和传感器，亲自动手对仪表和传感器进行电路连接并对常用化工参数进行测量与监控，同时引入开放型的工业监控软件组态王，开展温度、压力、流量及物位的实时监测与控制实训等学习。平台具体可以完成的实训项目如下：

a. 认识、熟悉智能仪表的PID调节参数和各种传感器认知实训；

b. 智能仪表与传感器的连接和化工参数的测量实训；

c. 基于组态王的温度、液位、流量控制系统实训。

通过该平台的训练和使用，使学生加深对化工过程参数监测和工艺过程控制理论的理解，深入了解工业装置的监控参数调试和运行过程，为日后开展压力、流量、液位及温度等参数的有效控制积累技能。

化工仪表自动化综合实训平台对化工参数的控制原理流程示例如图1所示，对温度控制的实时采集数据曲线如图2所示。

图1 实训平台对化工参数的控制流程

图2 实训平台对温度控制的实时采集数据曲线

4 将教学效果的考核方式与化工职业和岗位的要求接轨

目前，化工与制药类专业毕业生去往化工实业公司就业的比例占到六七成，绝大多数是在企业的生产和管理岗位从事专业技术工作[5]。对于既往知识的运用并不像选拔和测验考试那样有限时、闭卷的要求，完全可以依据工厂现场实际情况进行理解型发挥。基于此，对《化工仪表及自动化》课程教学效果的考核方式也做了改进，力求与从事化工职业技术工作和岗位的要求相接轨。

本课程教学考核内容为：

a. 注重学习过程，课堂考勤、听讲情况、课堂提问及课间小作业回答等，占比30%。

b. 课程实验情况，参加实验的态度、具体操作、参数设定整定的合理性、实验数据的整理及实验报告等项，占比20%。

c. 课程教学结束时的考试形式为开卷笔试，成绩占比50%；题型包括填空、判断、图例分析与补充完整、原理解析与简答、仪表(包括控制系统)的选型和安装调试过程简述、对某一化工装置(或系统)的控制方案设计、有关化工参数监测结果的计算和规范化整定，题量则参照各类社会化考试、执业资格考试等的模式是大题量的，督促学生尽可能熟悉课程内容，以便节省笔试过程中翻阅教材、参考文献的时间。

5 结束语

为了提高《化工仪表及自动化》课程的教学质量，尽可能地满足化工企业对毕业生从业技能的期望，笔者在激发学生学习兴趣、使教学内容密切结合生产实际和化工工程师的职能要求、甄选教学方法、强化实践教学及改革考核方式等方面进行了有益的探索，突出工程应用，加强实训环节，取得了较好的效果，也得到了学生和用人单位的认可。

[1] 孟繁,谢联瑞,何向彤,等.工程技术人员的职业能力构成与标准探析[J].高等工程教育研究,2012,(3):98～102,152.

[2] 李红梅.强化工程能力培养的高校课程体系改革[J].高等工程教育研究,2013,(5):140～144.

[3] 熊远钦,阳卫军,万其中,等.化工过程参数监测与自动化[M].北京:化学工业出版社,2014.

[4] 万其中,熊远钦,郭栋才,等.一种化工参数自动控制的实训平台[P].中国:201410829540.0,2014-10-08.

[5] 韩萌,魏克新.以产业发展为导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)

国家卓越工程师培养计划湖南大学化学工程与工艺专业项目化学工程与工艺专业综合改革试点项目(MOE-No.2011-40)。

万其中(1969-)，工程师，从事化工控制自动化高校化工专业实验指导工作。

联系人熊远钦(1959-)，副教授，从事功能高分子的合成及应用、精细化学品配方设计及化工仪表自动化教学工作，xyuanqin@sina.com。