化工儀表及自動化課程的工程案例教學實踐

王紅星　蓋曉龍　劉伯潭

摘要：化工儀表及自動化課程涉及知識面廣、內容抽象，將工程案例引入課程教學，有利于拉近教學內容與工程實際的距離，提高學生靈活應用自動化原理解決復雜工程實際控制問題的能力。實踐表明工程案例教學不僅提高了學生學習的熱情和自主學習能力，加強了學生對化工自動化控制原理的理解，而且培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：自動化；控制；案例

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）44-0144-03

案例教學法是一種以生產實際案例為基礎的教學法（case-based teaching）。教師根據授課內容和知識點講解的需要以及學生的知識面構成情況，將一些典型的案例引入到課堂教學中，通過設置問題情境，引導學生運用所學的基礎理論知識進行問題剖析與討論，尋求問題的解決方案，從而達到提高學生分析和解決實際問題能力的一種教學方法[1]?；x表及自動化課程的知識點涉及面廣、覆蓋面寬、內容抽象，采用形象、直觀、生動的實際案例，有助于調動學生對抽象知識的學習興趣，有利于學生掌握和理解晦澀難懂的基礎理論知識。與傳統(tǒng)教學方法相比，在培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力方面，案例教學具有獨特的優(yōu)勢。同時，工程教育認證將能夠應用數(shù)學、物理、化學等與化工相關工程基礎和專業(yè)知識解決化學工程與工藝領域復雜工程問題，能夠設計針對化學工程與工藝領域復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元和工藝流程，作為工程教育重要的畢業(yè)要求；工程案例教學正是在教學實踐中實現(xiàn)上述畢業(yè)要求的重要教學手段。

一、化工儀表及自動化課程教學特點與存在的問題

隨著化工生產過程的連續(xù)化、大型化和復雜化，化工生產工藝技術員只有掌握了必要的檢測技術和自動化知識，才能對生產裝置進行優(yōu)質的控制與操作，才能對生產過程中出現(xiàn)的問題進行準確的判斷與調控，從而確?，F(xiàn)代工業(yè)生產運行的穩(wěn)定和安全[2]?；どa時常涉及易燃、易爆、有毒或具有腐蝕性的物料或產品，對工藝過程的溫度、壓力、流量等參數(shù)進行嚴格的自動化控制，是現(xiàn)代工業(yè)生產實現(xiàn)高效、低耗的基本條件和重要保障。因此，化工儀表及自動化一直以來都是高等學?；ゎ悓I(yè)的必修課，也是一門將自動化控制技術、儀器儀表檢測技術和計算機技術應用于化工工藝過程的綜合性技術學科，是培養(yǎng)學生掌握化工自動化技術的重要課程[3]。自動化技術無論在化工過程設計，還是生產操作、控制與管理等方面均具有十分重要的地位。然而，該課程涉及知識面廣、內容跨度大、理論知識抽象、實踐性強?，F(xiàn)有教學模式通常通過優(yōu)化教學內容、更新授課方式、引入多媒體教學等手段，解決教學內容多和有限學時的矛盾，并提高學生學習的積極性[4]。這些教學改革的實施在一定程度上提升了教學效果，使學生能夠較好地掌握溫度、壓力、流量及物位等化工過程工藝參數(shù)的基本測量方法和相關儀表的工作原理和特點，能夠掌握簡單控制、串級控制、比值控制、均勻控制及前饋控制等基本控制系統(tǒng)[5]。但是，在化工儀表及自動化課程的教學中仍然存在理論與工程實踐脫節(jié)的問題。

1.化學工程涉及面廣，工藝紛繁復雜，自動化控制目標各不相同，而教學內容主要是自動化控制的基本原理和典型單元操作的控制系統(tǒng)等知識點，無法直接滿足工程實際的需要；

2.學生欠缺工程實踐經驗，未能對化工工藝過程進行系統(tǒng)而全面的分析，也就無法根據物流的特性，確定適宜的檢測設備；無法根據特定工藝過程的自身特點，準確選取控制變量和操縱變量，提出有效的控制策略；面對復雜化工過程的控制問題顯得措手無策。

二、化工儀表及自動化課程案例教學

工程案例教學是解決上述問題的有效手段，在課程教學中引入化工典型單元操作或過程的自動化控制工程案例，教師有意識地引導學生運用所學的基礎知識分析問題，指出課程教學內容與實際的區(qū)別，以及課程傳授的控制方法在解決實際控制問題中存在的缺陷，激發(fā)學生間的相互討論，鼓勵學生提出不同觀點，積極尋找解決問題的途徑。在此基礎上，教師對討論中所涉及的重要知識點進行詳細講解，幫助學生從案例中獲得有價值的啟示，剝繭抽絲地引導學生進行化工儀表及自動化中控制變量與操縱變量的選擇與配對，從而確立合理可行的控制策略。將工程案例引入課堂教學，不僅激發(fā)了學生的學習熱情，起到事半功倍的效果，而且增強了課程的工程實踐性，有助于培養(yǎng)學生的工程觀念，提高學生的工程實踐能力。

化工儀表及自動化所傳授的知識最終要服務于化工生產，而化工儀表及自動化課程所傳授的均是典型的控制系統(tǒng)，無法滿足生產實際多樣化的需要，因此，在課堂教學中精心選擇一些具有代表性的化工生產案例，作為理論知識學習的補充，使學生能夠在掌握課本知識的基礎上，靈活應用所學知識解決工程實際問題。譬如：精餾塔是一種常見的化工單元操作，擁有許多受控變量和操縱變量，從中選擇一種變量配對就可組成一種精餾塔控制方案。對用于分離乙苯與多乙苯混合物的精餾塔控制問題，根據所學物料平衡和能量平衡對精餾塔進行自動化控制設計，可形成如圖1所示的多乙苯精餾塔控制方案，固定采出量和回流量，根據塔釜液位來控制再沸器的加熱量，由冷卻水流量控制精餾塔的操作壓力。這種控制方案雖然簡單，但是實際控制效果卻不理想。其原因在于對塔釜采出量進行控制，當進料流量增加時，依據物料守恒塔頂采出量必將增大，這將導致重組分多乙苯從塔頂采出，降低了塔頂產品乙苯的純度。如果進料量保持恒定，而進料組成中輕組分乙苯含量增加，在恒定的加熱量下，塔頂采出量將保持不變，這樣輕組分乙苯就會在塔釜累積，從而引起塔釜輕組分乙苯組成升高。因此，這種控制策略存在嚴重滯后，且難以保證塔頂或塔釜的產品質量。

為了實現(xiàn)多乙苯塔塔頂或塔釜產品純度的精確控制，那么該采用什么樣的控制系統(tǒng)？能否通過對塔頂、塔釜組成進行在線監(jiān)測實現(xiàn)自動控制？通過問題引導學生對系統(tǒng)進行分析，并適時提出靈敏板概念，促進學生靈活應用所學自動控制原理解決實際問題。由于在線組成分析儀價格昂貴且檢測時間長，不能解決控制滯后的問題；而靈敏板是進料量、進料組成或再沸器熱負荷等參數(shù)發(fā)生變化時溫度變化最靈敏的塔板，該板的溫度可間接反映塔頂或塔釜的組成變化，且靈敏板溫度的變化要先于塔頂塔釜組成的變化。在精餾塔操作中，如果操作壓力維持恒定，塔板上的溫度則與塔板上的組成一一對應。靈敏板溫度降低，表明塔板上輕組份乙苯含量增加，為了避免輕組分乙苯從塔釜采出，這就需要加大再沸器的蒸汽流量。同理，當進料量或組成發(fā)生擾動，如進料中重組分多乙苯增加，靈敏板溫度上升，再沸器的蒸汽流量減小，精餾塔內蒸汽量下降，避免重組分多乙苯從塔頂采出，保證了乙苯產品的純度。因此，把靈敏度板溫度作為操縱變量，塔釜加熱蒸汽流量作為控制變量，不僅可靠而且能有效解決控制滯后問題。通過上述分析自然可引導學生提出圖2所示的精餾塔控制方案。此外，固定再沸器的加熱量和回流比，用塔頂采出量來控制靈敏板溫度，塔釜液位控制來維持全塔物料平衡，同樣也能實現(xiàn)對該精餾過程的控制。因此，在設計控制方案時，需要引導學生分析工藝參數(shù)變化對產品控制目標的影響，從而評價控制方案的可行性，然后再依據動態(tài)響應來確定最終的控制策略。

而對于復雜的化工過程，則更需要學生綜合應用所學知識對系統(tǒng)進行全面的分析，準確選取控制變量和操控變量，提出有效的控制策略，而不能將課本所學單元操作的控制簡單組合構成復雜化工過程的控制系統(tǒng)。如圖3所示的變壓精餾分離醋酸甲酯（MA）和甲醇（MeOH）共沸物的熱耦合系統(tǒng)，高壓塔（HP）塔頂?shù)恼羝鳛榈蛪核↙P）再沸器的熱源。這就需要幫助學生弄清楚HP和LP之間的熱耦合關系。一方面，當HP塔進料量增加時，HP塔的靈敏板溫度下降，為了保證共沸物從塔頂采出，再沸器熱負荷必須加大。同時因為HP塔頂上升蒸汽作為LP塔釜的熱源，高壓塔上升蒸汽量增加，則意味著低壓塔的熱負荷也需要增加。因此，HP塔的壓力不能作為控制變量，它將隨塔操作條件的變化而波動。如果進料流量增加，低壓塔需要更多的熱量以維持塔釜采出甲醇的純度，這必須通過提高高壓塔塔頂蒸汽與低壓塔塔釜的溫差，所以需要增加高壓塔的再沸器熱負荷，以提高高壓塔的壓力。相反，如果進料量減小，則必須降低高壓塔的操作壓力以降低傳熱速率。因為高壓塔的操作壓力不穩(wěn)定，即使靈敏板上液相組成不變，但是其泡點溫度也會波動，所以需要通過泡點溫度與壓力間的函數(shù)關系確定壓力溫度補償，方能有效實現(xiàn)靈敏板溫度控制。另一方面，LP塔塔釜的加熱熱源來自HP塔的塔頂蒸汽，因此LP塔靈敏板的溫度就無法像圖2精餾塔的控制方式一樣利用塔釜蒸汽的流量進行控制，而是通過塔頂回流量或回流比控制靈敏板溫度，保證LP塔的分離效果。

因此，上述復雜的化工過程中，高壓塔不能采用壓力控制，低壓塔不能采用塔釜加熱蒸汽控制靈敏板溫度，這些都與傳統(tǒng)的單個精餾塔控制有所不同，其控制方案需要根據工程實際情況進行全面分析方可確定。由此可見，僅僅掌握化工儀表及自動化課程中介紹的儀器儀表及各種典型單元設備的控制系統(tǒng)是遠遠不能滿足工程實際需要的，特別對于復雜的工藝過程，更需要結合工程實際案例開展教學，從中掌握如何根據工程實際問題和特定工藝過程的自身特點，準確選取控制變量和操縱變量，提出有效的控制策略。

三、結束語

在化工儀表及自動化課程教學活動中，開展案例教學法不僅能夠幫助學生理清工藝變量對控制目標的影響規(guī)律，引導學生應用所學自動化控制知識分析工程實際的控制問題，靈活應用各種控制方法設計合理有效的控制方案，而且還能夠拉近學生與化工自動控制實際的距離，全面提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

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[5]歷玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

Abstract：Chemical instrumentation and Automation curriculum involves extensive knowledge and the content of this course is abstract. Introducing engineering cases into curriculum teaching is beneficial to narrow the distance between teaching content and engineering practice，and improve students' ability of flexible application of automation principles to solve complex engineering practical control problems. Practice shows that engineering case teaching not only improves students' learning enthusiasm and self-learning ability，and strengthens students' understanding of chemical automation control principles，but also trains students' ability to analyze and solve problems.

Key words：automation；control；case