主頁 > 新聞動態 > 過程裝備與控制工程專業的特點、專業分類及新課程實驗教學研究 2021-11-24

過程裝備與控制工程專業的特點、專業分類及新課程實驗教學研究

工業中的過程控制是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數作為被控變量的自動控制。過程控制也稱實時控制，是計算機及時的采集檢測數據，按最佳值迅速地對控制對象進行自動控制和自動調節，如數控機床和生產流水線的控制等。
過程裝備與控制工程專業是以過程裝備設計基礎為主體、過程原理與裝備控制技術應用為兩翼的緊缺型、交叉型專業。研究對象是國民經濟、社會發展和國家安全中有著重要應用，主要用于物料儲存、反應、分離、換熱、混合、成型加工、輸送等操作的過程裝備。過程裝備包含石化、能源、輕工、軍工等國民經濟支柱產業的重大核心設備，比如石油儲罐、高壓儲氫容器、加氫反應器、油氣長輸管道、大型離心和往復式壓縮機、特種泵、航空發動機等。本專業致力于解決過程設備設計、制造、維護中的前沿性、戰略性和共性重大科技問題，主要研究方向為先進能源裝備與安全技術、過程裝備數字化設計技術、過程裝備節能與環保技術、過程流體機械、高速旋轉機械強度及故障診斷，特色為“高壓、高速、高效”。
過程裝備與控制工程專業本科核心課程有的基礎課與機械類專業的類似，例如工程圖學、材料力學、理論力學、流體機械原理等，另外還開設了過程設備設計、過程機械、過程裝備控制技術、控制工程基礎等專業課，以及過程原理、過程熱力學、過程裝備CAD、現代過程裝備制造技術、化工安全與防腐、過程裝備故障診斷技術、有限單元法及應用、逆向工程、工程測試與信息處理、過程裝備工程設計、過程設備機械設計、彈性力學及應用等課程。

圖1 國內各高校過程控制類課程開設情況

一、過程裝備與控制工程專業的特點
具有工程性、交叉性、集成性。學生應有寬廣視野、良好素質、較強創新精神和協作意識，需要具備扎實的機械、化工、力學、控制和材料等專業知識，熟悉人文、管理、經濟等相關領域知識，能在化工、石化、能源、輕工、醫藥、環保、軍工等行業勝任過程裝備與控制相關的工程設計、科學研究、技術開發和經營管理等工作。
二、改革前實驗教學存在的問題
將兩門課程統籌結合成一門課程的過程中，相關實驗教學的改革需求是迫切的。研究發現，改革前實驗教學環節在多個方面存在不足。
1.課程目標和任務不清晰
教學改革前，授課教師對兩門不同課程的性質及任務沒有深刻的認識，所以開設的實驗課程并沒有明確的教學目標，對基于原實踐教學項目培養出的學生是否滿足畢業需求沒有相應的思考。實踐教學中所使用的實驗內容沒有根據教學需要進行更新，實驗設備陳舊、落后，實驗項目沒更新，阻礙了對學生創新性、自主性的培養。
2.課程教學體系不系統，欠缺完整性
課程體系由特定的課程觀、課程目標、課程內容、課程結構和課程活動方式組成。課題組任課教師對本專業各高校實踐課程調研發現，很多高校對實踐教學課程的開設并沒有形成一個系統、完整的教學體系，課程之間的教學目標和聯系不明確，無法體現本科教學的系統性和連續性。
3.實驗教學內容單一、不靈活，教學內容陳舊
實驗教學內容多以演示性和驗證性實驗為主，依然保留著教師為主、學生為輔的教學模式，無法提升學生對實踐動手環節的興趣，學生主動參與的積極性不高; 陳舊的教學內容無法滿足科技進步對本專業人才的需求。
三、改革實驗教學目標
“過程控制系統”和“過程檢測技術”都是理論性強、實踐要求高的課程，將兩門課結合后的新課程內容的實驗教學環節有以下幾個改革方向。
1.與時俱進的實驗內容
所選內容要緊跟社會生產的發展，主要介紹過程控制領域所應用的理論和方法，培養學生在基礎的理論指導下完成實驗教學內容。
2.多元新穎的實驗方式
總結傳統教學方式的缺點，改變以教師為課堂主導的教學方式，將以驗證性、演示性為主的實驗方式轉化為以自主式、啟發式、綜合型、創新型、多元化為主的實驗方式。對于有能力的學生，還要引導他們多參與各項創新設計大賽和科研項目，鞏固基礎理論知識，提高對所學知識的綜合應用能力。
3.現代智能的技術設備
根據實驗需要，采用雙面多模塊檢測與控制創新實驗臺進行教學，并在教學環節中加入先進的模擬軟件，將抽象的控制過程轉變成直觀可見的形式，使學生更易理解，提高學習興趣。
4.科學合理的學時設置
將原來兩門課各8 學時的實踐教學內容進行優化，縮減到兩門課一共8 學時，但是其中包含的實驗內容卻更豐富，提高了授課效率和教學質量，符合教學改革中縮減學時數量的要求。
四、實驗教學改革內容
將實驗項目按學生是否可選的角度分為必做實驗和選做實驗兩類。必做實驗教學的目的是使學生消化在理論課上學習到的基本知識點，訓練基本的實驗操作能力，了解過程裝備中常用的控制類儀器儀表。選做實驗教學中，指導學生發揮自主性和創新性增加學生的實驗熱情。在必做實驗和選做實驗分類的基礎上，依據實驗的開放程度和創新要求，將實驗項目再次分為三個層次。
1.演示性實驗和驗證性實驗
這類實驗為必做類實驗，上課時間確定，上課人員為全體過程裝備及控制工程專業學生。這類實驗設置的目的是使學生首先對實驗設備有一個感性認識，然后根據教師在實驗課上的引導，將課內所介紹的關于檢測類機器儀表及自動控制各組成部分的元件與實物對接，并鞏固理論課學習的基本理論與常規自動化類的實驗方法。
2.設計性實驗
這類實驗為必做實驗，上課時間確定，上課人員固定，實驗題目由實驗教師給出，其中規定了實驗任務，其他實驗流程由學生自行設計完成。命題教師可以選擇實際中的應用案例作為實驗項目題目，學生在設計過程中充分掌握工程中關于控制方案的設計流程。
3.綜合性實驗
這類實驗屬于選擇性實驗，授課教師只針對此類實驗特點選擇合適的實驗方向，并不給學生設定任何實驗設施、實驗方案、實驗步驟，學生可以依照自己的想法應用學校現有的開放設備進行實驗。在實驗過程中，學生通過對整個實驗的全程把握，能夠系統、全面地學習相關理論知識。然后調研論證并確定設計方案，進入設計階段。最后進行系統測試，并形成技術文件。此類項目為選做內容，采用開放式教學模式，整個過程在教師監督指導下獨立完成。
將實驗分層次，使學生接觸到的實踐教學內容是由簡單到復雜、由抽象到具體、由特殊到一般、由接受到創新的。在實驗內容設計上，不同知識點對應著多個可做的實驗，學生可以自行選擇有興趣的實驗內容完成實驗課程。
五、拓展實驗創新教學平臺
實踐教學環節不應該僅局限在傳統的實驗課堂上，應為學生提供更廣闊的可施展創新能力的平臺，為學生創造更多參加創新項目的機會。目前，大學生能夠參與的創新項目模式主要是在帶隊教師的指導下，根據所參加的比賽主題由學生自由選擇參賽內容、擬定參賽題目、獨立完成比賽作品的制作、完成比賽需要的文字性材料等，整個過程中教師只起到點撥性的指導作用，全部作品幾乎都由學生團隊自主完成。可見，創新項目既有利于發揮學生的自主性、參與性和創造性，又可激發學生的創新思維和創新意識; 既可以鞏固學生所學的現有知識，又能夠訓練學生的動手能力; 既可培養學生的獨立思考能力、獨立創造性分析和解決問題的能力，又可有效地訓練學生在未知領域的探索精神。
“過程裝備控制技術及應用”課程大多被安排在教學計劃的第六或第七學期，學生的基本知識、基本技能、創新意識等已逐步形成。如果只從這個時間才開始讓學生開始接觸不同類型的創新項目，無法滿足對學生創新能力的培養要求。鑒于此，本專業教師從學生入學開始就要做好讓學生參加各類創新活動的動員工作，并且從大二開始組織有潛力和有興趣的學生接受相關培訓。在2017 年全國大學生過程裝備與控制工程設計大賽中，我校過程裝備與控制工程專業參賽項目“管道探傷機器人”獲得了國家一等獎。傳統的在確定的時間和地點、用固定的實驗儀器進行固定的實驗項目，可作為培訓學生基本功的一個必要環節。同時，還可結合學校和專業情況采用實驗室開放的模式，增加學生自主選擇和自由創新能力。
六、教學設備的舉例與推薦

MYG-68B 過程控制技能實訓考核裝置

一、過程控制技能實訓考核裝置,過程控制技能實訓考核設備,過程控制技能實訓考核臺系統概述
本實訓裝置是針對職業院校相關專業的實訓教學而研制的，適用于各類職業院校、技工學校的機電一體化、自動化、傳感器儀器儀表等專業的實訓教學。該模型配有經典的過程控制系統。它可滿足各大院校所開設的《傳感器檢測與轉換技術》、《生產過程自動化技術》、《計算機控制技術》及《檢測技術及應用》等課程實訓教學的要求，本裝置根據過程控制儀表，自動化儀表及相近專業的教學特點及以培養學生操作、實訓考核為目標，集智能化儀表、故障排除、自動控制為一體的普及型多功能過程控制考核的實訓裝置。為將來從事生產過程自動化與儀表工程的安裝、工程設計、儀表測量、儀器的使用、過程自動化儀表的檢測調校、安裝調度、工藝管理、在線運行的儀表自動化控制裝置的投運、調試、運行、維護維修、故障處理、操作和系統的管理工作等崗位奠定基礎。
二、過程控制技能實訓考核裝置,過程控制技能實訓考核設備,過程控制技能實訓考核臺產品特點
1.對象系統采用網孔板設計，方便安裝各被控對象及現場儀表
2.一個被調參數在不同控制器、不同的執行器、不同的工藝線路下可演變成多種調節回路，以利于討論、比較各種調節方案的優劣
3.通過對對象系統進行不同的組合，結合不同的實訓目的，可進行多種過程控制實訓，也可自行組建不同的控制工程實訓系統
4.可對現場儀表設置不同故障、鍛煉學生排故的能力
三、過程控制技能實訓考核裝置,過程控制技能實訓考核設備,過程控制技能實訓考核臺技術指標
1.輸入電壓：三相四線～380V±10% 50Hz
2.工作環境：環境溫度范圍為-5℃～+40℃ 相對濕度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3.裝置容量：＜4kVA
四、過程控制技能實訓考核裝置,過程控制技能實訓考核設備,過程控制技能實訓考核臺系統組成
1.對象系統：主要由實訓考核裝置、動力系統、不銹鋼儲水箱、有機玻璃水箱、電加熱鍋爐、板式換熱器、氣動閥、差壓變送器、流量計、電磁閥、管道及手動調節閥等組成；
2.控制系統：由電源控制面板、漏電保護器、控制開關、交流電壓表、變頻器、故障箱、考核裝置、現場信號裝置等組成。
五、過程控制技能實訓考核裝置,過程控制技能實訓考核設備,過程控制技能實訓考核臺實訓項目
1.過程控制及檢測裝置硬件結構組成認知
2.傳感器的校正(零點遷移與量程調整)
3.單容水箱特性測試
4.液位測量技能實訓
(1)電容式液位變送器測量
(2)擴散硅液位變送器測量
(3)擴散硅差壓變送器測量
(4)磁翻板液位計測量
(5)超聲波液位計測量
5.壓力測量技能實訓
(1)電容式差壓變送器測量
(2)擴散硅壓力變送器測量
6.流量測量技能實訓
(1)渦輪流量計測量
(2)電磁流量計測量
(3)孔板流量計測量
(4)渦街流量計測量
(5)超聲波流量計測量
(6)玻璃管式轉子流量計測量
(7)橢圓齒輪流量計測量
7.溫度測量技能實訓
(1)熱電偶溫度變送器測量
(2)熱電阻溫度變送器測量
(3)熱電偶溫度傳感器測量
(4)熱電阻溫度傳感器測量
(5)熱電偶冷端補嘗器測量
8.氣動閥安裝、調試技能考核實訓
9.差壓變送器安裝、調試、檢修技能考核實訓
10.流量計安裝、調試、檢修技能考核實訓
11.壓力變送器安裝、調試、檢修
12.溫度傳感器安裝、調試、測量
13.單閉環液位控制工程設計
14.單閉環流量控制工程設計
15.單閉環壓力控制工程設計
16.溫度定值控制工程設計
17.緊急停車控制工程設計
七、結語
在高校課程改革要求的大前提下，針對“過程控制系統”和“過程檢測技術”課程的教學改革是必要的。本課題組結合十幾年的教學實踐，有機地將兩門課合并成一門，形成新的課程內容體系，改革相應實驗教學內容。改革的主體思想是既要注重理論知識，又要結合工程實踐。合理配置的實踐教學內容，會使理論課程和實驗教學科學合理地組合成全部的教學內容。改革后的實踐教學環節是在以學生為主導的基礎上，配以豐富的實驗內容、多元的實驗過程，發揮每一個學生的潛能，激發學生的自主性、創造性和積極性。

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