石油化工领域自动化专业过程控制课程群交叉融合教学体系设计

刘海龙，张奇志，汪跃龙

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

当前，科学技术在更加广泛的领域得到迅速的发展和广泛的应用，呈现出突破创新，学科交叉的显著特点。自动化专业与学科所面临的对象、任务、环境和目标都发生很大变化。被控物理系统和信息网络的规模和复杂程度已大大超出了传统自动化的知识范围和应用边界，控制科学和技术的知识体系和内容亟待更新发展，这些都给自动化人才培养提出新的要求和挑战[1]。

然而，当前普遍存在于自动化专业人才培养方案的问题是培养目标针对性不强，与实际需求脱节，与技术进步新趋势、企业运行新模式、经济发展新业态、培养对象的新期待存在相当的不适应，表现为教学内容陈旧，需求导向不突出，应用引领不明显，知识内容更新慢，导致学科专业边缘化、培养规格雷同化，供需关系脱节化[2-3]。因此，自动化专业应从“万金油”的特点，完成向为特定专业领域服务的转变与探索，从行业或领域中的特定问题出发，构建多维度、多层次、多类型的自动化专业人才培养体系结构[4-5]。作为石油化工类专业背景下的自动化专业，本文的目标就是设计一种基于石油炼化试验平台的过程控制课程群交叉融合教学体系，将自动化仪表与过程控制、计算机控制技术，集散控制系统等主干课程的教学内容与教学方法进行设计与构建，并设置过程控制系统集成设计、自动测控装置设计等实践环节，以循序渐进的方式，逐层逐步地完成教学内容，着力培养学生针对石油炼化行业应用的工程意识和协作精神，培养学生沟通交流及综合应用所学知识解决复杂工程问题的能力[6]。

1 过程控制课程群及教学目标与内容设计

在学习石油工业概论、电子技术、自动控制理论等基础课程的基础上，是石油石化类自动化专业过程控制课程群包含：自动化仪表与过程控制，计算机控制技术，集散控制系统及其组态等理论课程以及过程控制系统集成设计和自动测控装置设计等实践环节。

1.1 仪表与过程控制教学目标及内容设计

自动化仪表与过程控制课程教学目标应设置为具备自动化检测仪表、控制仪表、过程控制方法与过程控制系统等基本知识，具有过程控制技术研究与自动控制系统设计的基本能力。本课程强调工程思维能力和工程实践能力的训练，是后续的自动化综合课程设计的基础，为从事过程控制的理论研究和过程控制系统的技术开发与应用工作奠定必要的理论基础和专业基础。

根据教学目标，自动化仪表与过程控制教学应包含8个方面的主要内容。自动化仪表概述、检测仪表、调节器、DCS 与 FCS、执行器和防爆栅、过程控制对象动态特性及其数学模型、单回路调节系统设计及复杂控制系统设计。

在教学过程中，以石油炼化试验平台为案例，对实验平台上的相关设备的原理、特性、选型、测试等内容进行详细讲解，并让学生模拟进行操作过程，为后续设计打下良好的实践基础。

1.2 计算机控制技术教学目标及内容设计

计算机控制技术教学目标应设置为，学习计算机控制的理论基础和软硬件基础知识，具备计算机控制系统的基本概念、系统组成和工作原理等专业知识，具有建立计算机控制系统的典型环节与典型系统的数学模型的能力，能熟练使用仿真软件对计算机控制系统或典型环节进行仿真分析。能应用控制系统的连续域-离散化设计方法和离散域直接设计方法，设计控制系统。熟悉计算机控制系统工程设计的一般方法与设计步骤，能针对工程控制问题进行控制系统设计。

根据教学目标，计算机控制技术教学应包含7个方面的主要内容。概论、过程通道、数据采集与处理系统、计算机控制系统的设计、控制规律的离散化设计法、控制规律的连续化设计法、复杂控制规律设计。

在教学过程中，以石油炼化试验平台的控制系统为案例，对实验平台上控制系统的原理图、器件的选型、控制板的测试等内容进行详细讲解，并让学生进行模拟设计，为后续设计打下良好的实践基础。

1.3 集散控制系统及其组态教学目标及内容设计

集散控制系统及其组态课程教学目标应设置为具有DCS 的基本知识，认知DCS 的工作原理及其应用领域，能解释和说明某一种典型DCS 系统的体系结构、数据通信、控制站与操作站的结构和工作原理、系统的硬件配置、控制算法与软件组态（方法），为从事DCS 系统的工程设计和应用开发奠定基础。

根据教学目标，集散控制系统及其组态应包含11个方面的主要内容。DCS 的历史背景与发展历程、DCS 的体系结构与数据通信、DCS 的控制站和操作站的功能与工作原理、DCS 的配置与组态、DCS 的控制算法与软件组态、DCS 系统选型和评估、人机界面工程设计、系统安装和维护、DCS 的应用领域、典型的DCS 系统、案例。

在教学过程中，以石油炼化试验平台作为DCS的典型应用，对实验平台上集散控制控制系统的原理图、器件的选型、控制板的测试等内容进行详细讲解，并让学生进行模拟设计，为后续设计打下良好的实践基础。

1.4 控制系统集成设计教学内容及目标设计

过程控制系统集成设计教学目标是设计能力的综合训练过程，能综合应用所学专业知识和工程知识，以石油炼化试验平台为依托，分析石油炼化系统的测量、控制或设计要求，撰写系统需求分析报告；分析确定设计目标；按照系统的测量、控制或设计要求及相关的工程设计规范，能应用现代信息工具和信息资源，正确选用测量仪表、执行器、自动控制装置（控制器）、电子器件或部件，完成系统设计，并撰写系统设计报告。

1.5 自动测控装置设计教学内容及目标设计

自动测控装置设计教学内容的教学目标是实践能力的综合训练，能综合运用上述课程的理论与设计知识，按照石油炼化试验平台系统的测量、控制或设计要求及相关的工程设计规范，应用现代信息工具和信息资源，正确选用测量仪表、执行器、自动控制装置（控制器）、电子器件或部件，完成系统设计，并撰写系统设计报告；能正确使用工具软件，并完成必要的应用软件开发和系统性的调试工作，工程技能得到初步训练，会撰写系统调试（运行实验、测试）报告。

2 交叉融合教学体系的设计

根据以上分析，石油化工类自动化专业培养的过程控制方向学生能力可以分为4个层次，如图1所示。

图1 能力层次培养及相应支撑环节

根据课程群的特点，充分考虑学生的学习习惯，相关课程的先后修读关系如图2所示。

图2 相关课程的修读顺序与支撑关系

石油炼化试验平台根据相关行业实际生产工艺进行设计[7-8]，如图3所示。其中主要包括：自动化仪器仪表模块、电源模块、计算机控制系统模块、炼化过程模拟模块、人机交互界面模块等。这些模块分别锻炼与考察了学生自动化仪器仪表、电力电子技术、计算机控制技术、集散控制系统及其组态等课程知识与动手实践能力。

图3 石油炼化试验平台

3 实践总结

3.1 课程体系的显著特点

（1）教学内容从简单到复杂，能力培养由弱到强的基本规律，综合考虑生源质量和学生学业水平状况，合理设计课程体系，划分为理论知识培养、系统分析与应用设计、工程实训与创新实践4个层次。

（2）采用循序渐进方式组织教学，依据课程知识体系和课程之间的内在联系，按照先易后难、先简单后复杂的原则，讨论、分析、确定理论课程和实践教学环节及其先后修关系，合理安排教学内容和相应的实践教学活动。

（3）在设计课程体系时，注意理论课程教学与实践教学的无缝对接。注重以工程实践教育为抓手，通过课内实验、综合实验、课程设计、生产实习、毕业设计（论文）等实践环节，着力培养学生的工程意识和协作精神，培养学生沟通交流及综合应用所学知识解决复杂工程问题的能力。

3.2 经过近四年的教学实践，效果显著

（1）学生学习兴趣显著增强。课堂签到率和积极性显著提升，学生课堂活跃，参与度高，工程意识团队协作精神也得到快速培养。

（2）课程结业成绩稳步提升。学生课程结业成绩与课程目标分解后完成情况如图4所示，各项考核目标稳步上升。

图4 近4 a学生课程结业成绩

（3）学生实践能力显著提升。通过系统学习与训练，学生能快速识别石油炼化现场各仪器仪表的型号等，并能迅速画出相应工艺原理图，对石油炼化工艺掌握较快。