“双碳”目标下过程控制工程课程教学案例设计

钱俊磊　沈文博　陈波　曾凯　何茜

［摘 要］“双碳”目标下，新工科专业除了要培养满足企业需求、具有解决复杂工程问题能力的人才，还需要立足环保和节能视角，在教学中融入碳减思维，在技术和经济效益的基础上考虑环保效益和社会效益。基于上述目的，针对自动化专业核心课程过程控制工程，结合实际工程项目，设计碳减排教学案例。不同内容、层次以及复杂度的减碳工程案例可有效提升课程教学的完整性和系统性，提高理论授课与社会实践教学的交互水平，有效缩减学生专业技术能力与企业需求之间的鸿沟，对培养能尽快满足企业和社会需求的新工科创新型人才、加速国家实现“双碳”目标具有重要意义。

［关键词］工程案例；实践教学；双碳目标；自动化

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0071-03

2021年7月，为深入贯彻党中央、国务院关于碳达峰碳中和（“双碳”目标）的重大战略部署，发挥高校基础研究主力军和重大科技创新策源地作用，为实现“双碳”目标提供科技支撑和人才保障，教育部制定《高等学校碳中和科技创新行动计划》，指出要推动碳中和相关交叉学科与专业建设，制定碳中和领域人才培养方案，加强能源碳中和、资源碳中和、信息碳中和等相关教材建设，鼓励高校通过校选课全面开展碳中和通识教育，将碳中和理念与实践融入人才培养体系[1]。

过程控制工程课程是自动化专业核心必修课，以自动控制原理、可编程逻辑控制器、自动检测仪表、运动控制系统、过程控制装置等课程为前序课程，授课内容包括控制结构设计、控制规律选择、控制算法优化、控制参数整定等，通过对被控过程的调节和优化，达到快速调节、提高产能、降低成本的目的[2-3]。从未来就业领域的实际项目出发，以现场數据为支撑的控制系统设计、投运、调节、优化等多维度训练，可以有效激发学生的学习兴趣，提高学生的成就感。

课题组对自动化专业核心课程过程控制工程教学案例进行改革，以高校所处地域的典型生产过程为背景，以产业创新、结构优化、算法提升等为手段，设计出不同层次、难度的课程案例，通过模拟实际工程项目将“双碳”目标融入课堂理论和实践教学，有效激发学生的学习热情，提升教育满意度，对部分学生未来就业有实质性帮助。

一、过程控制工程课程教学案例设计理念

流程控制工业以未经加工的矿产、化工原料为输入，生产过程不具有完全标准过程，大部分依赖实时反馈调节，控制规律的选择、参数整定过程都影响生产过程、产品质量、成本控制等生产要素，因此被控过程的优化控制本身就是生产流程节能、减碳、降成本的实现过程[4]。除了生产过程本身的优化，对生产过程中产生的二次能源进行提取和再利用、优化算法升级、新能源设备技术改革等方案都是促进实现碳中和目标的有效手段。以钢铁制造业、化工业为应用背景，针对“双碳”目标设计的课程案例分三个类别，即二次能源利用层、控制系统优化层和新技术改造层。

二次能源利用案例。一般指在传统高能耗、高碳排放流程工业行业寻找二次能源进行提取和利用的案例。比如将传统火力发电行业热蒸汽在发电后的余温、高炉冲渣水余温用于城市供暖；钢铁厂高炉煤气的余压用于发电，高炉煤气燃烧加热水蒸气推动涡轮机发电；焦炉煤气供给市政管网用于生活燃烧；化工厂反应器冷却水用于冷物料预热加快反应速度等[5-6]。不同等级的二次能源都可以得到充分利用，尽量避免资源浪费且减少碳排放。

控制系统优化案例。传统的过程控制系统中，PID控制规律占主导。PID控制能完成简单控制目标，但做不到调节最快、响应最优。引导学生在实现控制系统稳定的基础上，通过理论分析采用智能控制算法，令控制系统进入稳态的调节时间更短、稳态精度更高、抗干扰能力更强，即生产效率更高、能耗更低。

新技术案例。随着科技的发展、设备的不断更新，传统工业领域的技术改造越来越多，新产品、新技术也不断涌现。由新产品带入的新技术也带来新的控制方法和优势，例如新能源设备替代高碳排放设备、无人值守替代有人值守、多点协调调度替代单点调度等都是降低碳排放的有效方法，也是教材中暂时还没有涉及但实际生产中已经开始应用的新技术。新技术应用案例在课本基础知识的基础上提前给学生普及技术前沿，与生产实际接轨，能开拓学生的科技视野。

二、过程控制工程课程“双碳”目标教学案例

（一）钢铁制造业二次能源利用减碳案例

钢铁企业作为高能耗、高碳排放企业，在二次能源和能源二次利用方面有丰富的实际案例可供挖掘，如引入高炉炼铁出铁口冲渣水热能二次利用案例（见图1）。冲渣水被过滤后，经专用换热器与市政供暖水循环系统连接，可以满足北方地区部分用户的供暖需求，从而减少碳排放。此案例中，学生需要了解钢铁厂高炉炼铁工艺过程，掌握冲渣水从出口到与市政供暖水热交换的流程，通过调节水压力与流量控制供暖温度，完成二次能源利用的工程设计。

此外，高炉煤气热能利用原理与此类似，实际授课过程中，教师需要给学生详细讲解被控系统的生产工艺、控制逻辑、能量或者产品走向等内容，引导学生自己检索国内外类似工艺的发展现状，通过仿真对不同的控制方案进行对比，并比较不同方案的优越性。

（二）化工厂全流程优化控制案例

化工厂生产流程也是典型的过程控制系统（见图2），通过对温度、压力、流量等参数的控制，实现对产品质量、产量的控制。化工产品生产流程中，化学反应过程涉及混合罐液位控制，反应器液位、温度、压力控制，冷却水流量、温度控制，冷凝器和闪蒸罐的压力控制等，不同工序参数之间存在耦合关系，是比较复杂的控制过程。控制结构涉及比值控制、串级控制、前馈控制、选择控制等复杂结构。同时可引入智能控制算法，比如模糊控制、自适应控制等算法，能够令被控过程快速达到稳定状态，提高产能、降低能耗、减少碳排放。

此案例来源于“西门子杯”中国智能制造挑战赛赛题，需要借助虚拟仿真实验设备SMPT-1000进行完整流程的仿真，也可通过Matlab软件对被控对象进行机理建模，并选择适当的控制结构、控制规律、控制算法进行控制。通过将Matlab软件仿真后的控制器移植至SMPT-1000，以DCS编程软件实现与实际工程基本相同的控制系统，再进一步仿真即可得到真实的控制结果。此类案例难度可调，由浅入深，逐渐提高，学生可以根据自己的能力自行选择仿真案例，并根据自身兴趣和能力加入智能控制算法。此类案例理论水平和实践水平都比较高，通过学科竞赛和课程教学相结合，可实现课堂授课与竞赛互相促进，达到赛教融合的目的[7]。

（三）铁水运输新技术升级改造案例

新设备的出现催生出新技术，钢铁厂铁钢界面用于高炉与转炉之间的铁水运输车辆逐步从内燃机车升级为电力机车，这一技术升级一方面可以降低燃油消耗，减少碳排放，另一方面可引入场内运输无人驾驶、多车协调优化调度等新技术。车辆运行环境复杂且具有一定危险性，通过定位技术，结合多种传感器对运输车进行定位和控制，可实现无人驾驶，减少安全事故的发生，同时可以降低人力成本。通过对出铁时间、运载能力、容纳能力等参数进行优化调度，可以对多车进行优化调度，令车辆等候时间最短、温降最小、能量放散最少，达到有效节能减碳的目的。本案例将生产工艺与优化算法融合，需要将前两类案例的知识结合并深度运用，最终实现生产过程的减碳目标。

三、案例实施效果

过程控制工程课程在自动化系培养方案中实现的培养目标包括：能够使用恰当的工程工具和专业模拟软件，对自动化系统复杂工程问题进行分析、计算与设计；能够根据对象特征选择研究路线，设计实验方案，并构建实验系统，安全地开展实验，正确地采集实验数据；掌握自动化工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术等。传统的课堂讲授和实验教学内容以课本为中心，案例设计经典但较为传统，难以做到与时俱进，与当前实际工程项目在需求、研发过程、研发工具、验收指标、社会效益等方面有一定距离，学生不能切实从当前技术水平出发，感受未来从事行业需要掌握的真正技能的复杂度和难度。改革后的课堂案例来自实际碳减排工程项目，与未来学生从事的研究和工作内容吻合，更有利于激发学生探索和学习的积极性。同时融入了“双碳”目标，成为课堂教学、企业需求、社会责任之间的桥梁和纽带，有利于提升学生的社会责任感。

四、结语

“双碳”目标要求下，课程组以地域主导工业领域为背景，针对自动化专业核心课程过程控制工程设计了不同类型、内容的节能减碳课程案例，将“双碳”目标和思维融入课堂讲授中，激发了学生的学习兴趣，有效提升了教学质量。案例帮助学生在课堂上即可了解实际工程项目的设计、开发、实施、调试的全周期，加强课堂授课与实践之间的关联，提升学生创新能力和探索能力的培养质量，提高学生的专业综合素质，有利于学生未来从事相关专业工作。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 教育部.教育部关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》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，孙宗海，羅家祥.基于交叉融合项目的“过程控制工程”课程案例改革[J]. 电气电子教学学报，2020，42（1）：14-17.

[3] 赵黎明，张冰.“过程控制系统”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2017，39（6）：53-56.

[4] 邵裕森，戴先中.过程控制工程：第2版[M].北京：机械工业出版社，2022.

[5] 李劲松，杨小龙. 高炉冲渣水余热利用技术及案例分析[C]//中国金属学会能源与热工分会，东北大学.第十届全国能源与热工学术年会论文集.[出版者不详]，2019：35-40.

[6] 李永田，张欢，王军，等.基于热泵技术的电厂余热利用研究[J].热科学与技术，2022，21（3）：297-303.

[7] 刘新强，闵为，刘文兰，等.新工科专业知识创新系列竞赛实施方案与教学试验：以机械电子工程专业为例[J].大学教育，2022（1）：164-166.

［责任编辑：黄紧德］