王紅星　蓋曉龍　劉伯潭

摘要：化工儀表及自動(dòng)化課程涉及知識(shí)面廣、內(nèi)容抽象，將工程案例引入課程教學(xué)，有利于拉近教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際的距離，提高學(xué)生靈活應(yīng)用自動(dòng)化原理解決復(fù)雜工程實(shí)際控制問題的能力。實(shí)踐表明工程案例教學(xué)不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和自主學(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)了學(xué)生對化工自動(dòng)化控制原理的理解，而且培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；控制；案例

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）44-0144-03

案例教學(xué)法是一種以生產(chǎn)實(shí)際案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法（case-based teaching）。教師根據(jù)授課內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)講解的需要以及學(xué)生的知識(shí)面構(gòu)成情況，將一些典型的案例引入到課堂教學(xué)中，通過設(shè)置問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行問題剖析與討論，尋求問題的解決方案，從而達(dá)到提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力的一種教學(xué)方法[1]?；x表及自動(dòng)化課程的知識(shí)點(diǎn)涉及面廣、覆蓋面寬、內(nèi)容抽象，采用形象、直觀、生動(dòng)的實(shí)際案例，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生對抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生掌握和理解晦澀難懂的基礎(chǔ)理論知識(shí)。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力方面，案例教學(xué)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。同時(shí)，工程教育認(rèn)證將能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等與化工相關(guān)工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)解決化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，能夠設(shè)計(jì)針對化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)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(xué)正是在教學(xué)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)上述畢業(yè)要求的重要教學(xué)手段。

一、化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)特點(diǎn)與存在的問題

隨著化工生產(chǎn)過程的連續(xù)化、大型化和復(fù)雜化，化工生產(chǎn)工藝技術(shù)員只有掌握了必要的檢測技術(shù)和自動(dòng)化知識(shí)，才能對生產(chǎn)裝置進(jìn)行優(yōu)質(zhì)的控制與操作，才能對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷與調(diào)控，從而確?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全[2]?；どa(chǎn)時(shí)常涉及易燃、易爆、有毒或具有腐蝕性的物料或產(chǎn)品，對工藝過程的溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的自動(dòng)化控制，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)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(dòng)化一直以來都是高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)的必修課，也是一門將自動(dòng)化控制技術(shù)、儀器儀表檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于化工工藝過程的綜合性技術(shù)學(xué)科，是培養(yǎng)學(xué)生掌握化工自動(dòng)化技術(shù)的重要課程[3]。自動(dòng)化技術(shù)無論在化工過程設(shè)計(jì)，還是生產(chǎn)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(shí)面廣、內(nèi)容跨度大、理論知識(shí)抽象、實(shí)踐性強(qiáng)?，F(xiàn)有教學(xué)模式通常通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、更新授課方式、引入多媒體教學(xué)等手段，解決教學(xué)內(nèi)容多和有限學(xué)時(shí)的矛盾，并提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[4]。這些教學(xué)改革的實(shí)施在一定程度上提升了教學(xué)效果，使學(xué)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(guān)儀表的工作原理和特點(diǎn)，能夠掌握簡單控制、串級(jí)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(dòng)化課程的教學(xué)中仍然存在理論與工程實(shí)踐脫節(jié)的問題。

1.化學(xué)工程涉及面廣，工藝紛繁復(fù)雜，自動(dòng)化控制目標(biāo)各不相同，而教學(xué)內(nèi)容主要是自動(dòng)化控制的基本原理和典型單元操作的控制系統(tǒng)等知識(shí)點(diǎn)，無法直接滿足工程實(shí)際的需要；

2.學(xué)生欠缺工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，未能對化工工藝過程進(jìn)行系統(tǒng)而全面的分析，也就無法根據(jù)物流的特性，確定適宜的檢測設(shè)備；無法根據(jù)特定工藝過程的自身特點(diǎn)，準(zhǔn)確選取控制變量和操縱變量，提出有效的控制策略；面對復(fù)雜化工過程的控制問題顯得措手無策。

二、化工儀表及自動(dòng)化課程案例教學(xué)

工程案例教學(xué)是解決上述問題的有效手段，在課程教學(xué)中引入化工典型單元操作或過程的自動(dòng)化控制工程案例，教師有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)分析問題，指出課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際的區(qū)別，以及課程傳授的控制方法在解決實(shí)際控制問題中存在的缺陷，激發(fā)學(xué)生間的相互討論，鼓勵(lì)學(xué)生提出不同觀點(diǎn)，積極尋找解決問題的途徑。在此基礎(chǔ)上，教師對討論中所涉及的重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，幫助學(xué)生從案例中獲得有價(jià)值的啟示，剝繭抽絲地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行化工儀表及自動(dòng)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(xué)，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，起到事半功倍的效果，而且增強(qiáng)了課程的工程實(shí)踐性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

化工儀表及自動(dòng)化所傳授的知識(shí)最終要服務(wù)于化工生產(chǎn)，而化工儀表及自動(dòng)化課程所傳授的均是典型的控制系統(tǒng)，無法滿足生產(chǎn)實(shí)際多樣化的需要，因此，在課堂教學(xué)中精心選擇一些具有代表性的化工生產(chǎn)案例，作為理論知識(shí)學(xué)習(xí)的補(bǔ)充，使學(xué)生能夠在掌握課本知識(shí)的基礎(chǔ)上，靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)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(jù)所學(xué)物料平衡和能量平衡對精餾塔進(jìn)行自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，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(jù)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(shí)際控制效果卻不理想。其原因在于對塔釜采出量進(jìn)行控制，當(dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，依據(jù)物料守恒塔頂采出量必將增大，這將導(dǎo)致重組分多乙苯從塔頂采出，降低了塔頂產(chǎn)品乙苯的純度。如果進(jìn)料量保持恒定，而進(jìn)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(huì)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(yán)重滯后，且難以保證塔頂或塔釜的產(chǎn)品質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)多乙苯塔塔頂或塔釜產(chǎn)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(jìn)行在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制？通過問題引導(dǎo)學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行分析，并適時(shí)提出靈敏板概念，促進(jìn)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)自動(dòng)控制原理解決實(shí)際問題。由于在線組成分析儀價(jià)格昂貴且檢測時(shí)間長，不能解決控制滯后的問題；而靈敏板是進(jìn)料量、進(jìn)料組成或再沸器熱負(fù)荷等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)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(yīng)。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(dāng)進(jìn)料量或組成發(fā)生擾動(dòng)，如進(jìn)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(nèi)蒸汽量下降，避免重組分多乙苯從塔頂采出，保證了乙苯產(chǎn)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(dǎo)學(xué)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(shí)現(xiàn)對該精餾過程的控制。因此，在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，需要引導(dǎo)學(xué)生分析工藝參數(shù)變化對產(chǎn)品控制目標(biāo)的影響，從而評(píng)價(jià)控制方案的可行性，然后再依據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)來確定最終的控制策略。

而對于復(fù)雜的化工過程，則更需要學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，準(zhǔn)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(xué)單元操作的控制簡單組合構(gòu)成復(fù)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(xué)生弄清楚HP和LP之間的熱耦合關(guān)系。一方面，當(dāng)HP塔進(jìn)料量增加時(shí)，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(fù)荷必須加大。同時(shí)因?yàn)镠P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(fù)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(dòng)。如果進(jìn)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(fù)荷，以提高高壓塔的壓力。相反，如果進(jìn)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?yàn)楦邏核牟僮鲏毫Σ环€(wěn)定，即使靈敏板上液相組成不變，但是其泡點(diǎn)溫度也會(huì)波動(dòng)，所以需要通過泡點(diǎn)溫度與壓力間的函數(shù)關(guān)系確定壓力溫度補(bǔ)償，方能有效實(shí)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(jìn)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(fù)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(gè)精餾塔控制有所不同，其控制方案需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行全面分析方可確定。由此可見，僅僅掌握化工儀表及自動(dòng)化課程中介紹的儀器儀表及各種典型單元設(shè)備的控制系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際需要的，特別對于復(fù)雜的工藝過程，更需要結(jié)合工程實(shí)際案例開展教學(xué)，從中掌握如何根據(jù)工程實(shí)際問題和特定工藝過程的自身特點(diǎn)，準(zhǔn)確選取控制變量和操縱變量，提出有效的控制策略。

三、結(jié)束語

在化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)活動(dòng)中，開展案例教學(xué)法不僅能夠幫助學(xué)生理清工藝變量對控制目標(biāo)的影響規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)自動(dòng)化控制知識(shí)分析工程實(shí)際的控制問題，靈活應(yīng)用各種控制方法設(shè)計(jì)合理有效的控制方案，而且還能夠拉近學(xué)生與化工自動(dòng)控制實(shí)際的距離，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

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[5]歷玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化[M].北京：化學(xué)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