于穎，朱玲，徐鳳霞，陸仲達(dá)，張金鳳

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項(xiàng)目式教學(xué)在化工儀表及自動(dòng)化教學(xué)中的應(yīng)用

于穎，朱玲，徐鳳霞，陸仲達(dá)，張金鳳

（齊齊哈爾大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

針對(duì)工藝類(lèi)學(xué)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與其相適應(yīng)的化工儀表課程的課堂教學(xué)方法，以典型工程應(yīng)用為載體設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，以學(xué)生為主體實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程，體驗(yàn)完整的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作過(guò)程，讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)．

化工儀表及自動(dòng)化；項(xiàng)目式教學(xué)；教學(xué)改革

化工儀表及自動(dòng)化是為化工、生工、環(huán)境、食工和制藥等工藝類(lèi)學(xué)生設(shè)置的專(zhuān)業(yè)課程[1-3]．工藝類(lèi)學(xué)生的最大特點(diǎn)在于熟知對(duì)象和工藝，不了解自動(dòng)化控制過(guò)程[4-6]．針對(duì)工藝類(lèi)學(xué)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與其相適應(yīng)的課堂教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)及獲取新知識(shí)的能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的工作能力．

1 課堂教學(xué)改革

在課堂教學(xué)中，改變教科書(shū)的教學(xué)順序，以實(shí)際的工作過(guò)程和工作情境組織教學(xué)過(guò)程，按照實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，即按照需求分析、儀表選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀表安裝、儀表投運(yùn)與調(diào)試以及儀表故障檢測(cè)與維修的工作過(guò)程，結(jié)合自動(dòng)控制元件的實(shí)物及圖片，充分利用多媒體的教學(xué)手段，組織課堂教學(xué)過(guò)程．

本課堂主要是針對(duì)工藝類(lèi)學(xué)生，應(yīng)注意內(nèi)容的難易度，注重基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)和應(yīng)用．可以利用整個(gè)學(xué)時(shí)的2/3時(shí)間講解基礎(chǔ)知識(shí)，然后利用剩下的課時(shí)為學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，讓學(xué)生實(shí)際了解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程．

2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由１個(gè)測(cè)量元件、1個(gè)變送器、1個(gè)控制器、1個(gè)執(zhí)行器和1個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]．教學(xué)過(guò)程中可以采用典型的液位控制（見(jiàn)圖1）為例，說(shuō)明簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作過(guò)程．

注：LT為液位檢測(cè)變送；LC為液位控制．

根據(jù)液位控制系統(tǒng)的工藝要求確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，被控對(duì)象為液體儲(chǔ)槽，被控變量為液位，控制變量為出料口流量，系統(tǒng)中其它可引起液位變化的變量為干擾[8-10]．根據(jù)系統(tǒng)的組成進(jìn)行控制儀表的選擇，被控變量為液位，則系統(tǒng)的測(cè)量變送元件為液位傳感器．由于簡(jiǎn)單系統(tǒng)的控制功能較為單一并考慮系統(tǒng)的成本，可以選擇單片機(jī)作為控制器，執(zhí)行器選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥．控制算法采用工業(yè)上最常用的PID算法，液位控制系統(tǒng)的帶控制點(diǎn)的工藝流程圖見(jiàn)圖1．

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)具體的工藝控制要求，選擇所需要的硬件設(shè)備的具體型號(hào)，本文中列舉幾個(gè)重要的元器件的型號(hào)和電路圖．液位傳感器采用DX130液位傳感器，其主要參數(shù)指標(biāo)：量程為0~1…10 m等；輸入阻抗為0.6~6 kΩ；工作溫度為-40 ℃~+85 ℃；輸出信號(hào)為4~20 mA DC，可根據(jù)具體的測(cè)量要求選擇測(cè)量范圍，電路見(jiàn)圖2．采用AT89S51單片機(jī)作為主控單元，AT89S51分別連接液位傳感器、執(zhí)行器、按鍵電路、報(bào)警電路和其他輔助電路，AT89S51最小系統(tǒng)見(jiàn)圖3，采用上電復(fù)位和12 MHz的晶振．電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用等百分比流量特性的DN100 PN電動(dòng)閥門(mén)，公稱(chēng)通徑：50~1 200 mm；公稱(chēng)壓力：PN0.6，1.0，1.6，2.5 MPa；工作環(huán)境溫度：-20 ℃~+60 ℃；接受控制信號(hào)：DC4~20 mA，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電路見(jiàn)圖4．輔助電路中本文給出了電源的電路原理圖（見(jiàn)圖5），其他部分不進(jìn)行詳述．采集到的實(shí)時(shí)液位模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)，與設(shè)定值比較后形成偏差，偏差經(jīng)PID運(yùn)算后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，傳輸給電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)出料口的流量，從而調(diào)節(jié)儲(chǔ)槽中的液位，達(dá)到自動(dòng)控制液位的目的．

圖2 液位傳感器電路原理圖

圖3 AT89S51最小系統(tǒng)電路原理圖

圖4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電路

圖5 電源電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在課堂教學(xué)中簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)主程序流程見(jiàn)圖6，軟件可采用模塊式的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際工作中，可根據(jù)具體的工藝要求增加各個(gè)功能模塊．

圖6 液位控制系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

為了使工藝類(lèi)的學(xué)生真正學(xué)好化工儀表及自動(dòng)化課程，教師首先要弄清楚化工工藝和儀表２個(gè)專(zhuān)業(yè)的相互關(guān)系．根據(jù)需要優(yōu)化更新項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容（特別是要更新和完善實(shí)踐教學(xué)的方法與途徑），熟悉儀表和自動(dòng)控制技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r．項(xiàng)目式的教學(xué)方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和想象力，拓展創(chuàng)新空間，體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中的主體性和主動(dòng)性．

[1] 梁剛鋒，劉亞，鄭紹成．化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J]．廣州化工，2011，5（2）：10-12

[2] 時(shí)建偉，滕曉旭，徐建華，等．以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目的的化工儀表及自動(dòng)化教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．化工高等教育，2014，8（5）：40-42

[3] 徐雪麗，宋偉．化工儀表及自動(dòng)化教學(xué)改革探討[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（10）：182-183

[4] 厲玉鳴．化工儀表及自動(dòng)化[M]．5版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011

[5] 石梅，李中，郝紅，等．化工儀表及自動(dòng)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的改革與探討[J]．化工高等教育，2010（2）：78-83

[6] 王樹(shù)江，尹麗，石秀敏．以案例為主線，激活《化工儀表及自動(dòng)化》課堂教學(xué)[J]．廣州化工，2012，40（3）：129-130

[7] 胡壽松．自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程[M]．3版．北京：科學(xué)出版社，2016

[8] 魏秀業(yè)，潘宏俠，姚竹亭，等．過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)課群構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐[J]．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2009（3）：78-81

[9] 胡壽松．自動(dòng)控制原理習(xí)題解析[M]．2版．北京：科學(xué)出版社，2016

[10] 閆紹峰，廖國(guó)進(jìn)，熊曉航．過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)探索[J]．遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012（2）：116-120

Application of the project type teaching in the chemical instrumentation and automation course teaching

YU-Ying，ZHU Ling，XU Feng-xia，LU Zhong-da，ZHANG Jin-feng

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar Universitity，Qiqihar 161006，China）

According to the characteristics of the class of technological students．Designing of classroom teaching methods for the chemical instrumentation course with the characteristics of matching．Using typical engineering applications as a carrier into design teaching activities．Taking the students as the main body in project teaching process．Let students experience the complete control system design and working process．To improve students′ability to use comprehensive knowledge．

chemical instrumentation and automation；the project type teaching；teaching reform

1007-9831（2016）07-0090-04

TP212∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.07.024

2015-05-15

齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（2014017）

于穎（1977-），女，黑龍江雙城人，講師，碩士，主要從事智能控制方面的研究．E-mail：fishxd@163.com