主页 > 新闻动态 > 过程装备与控制工程专业的特点、专业分类及新课程实验教学研究 2021-11-24

过程装备与控制工程专业的特点、专业分类及新课程实验教学研究

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制也称实时控制，是计算机及时的采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，如数控机床和生产流水线的控制等。
过程装备与控制工程专业是以过程装备设计基础为主体、过程原理与装备控制技术应用为两翼的紧缺型、交叉型专业。研究对象是国民经济、社会发展和国家安全中有着重要应用，主要用于物料储存、反应、分离、换热、混合、成型加工、输送等操作的过程装备。过程装备包含石化、能源、轻工、军工等国民经济支柱产业的重大核心设备，比如石油储罐、高压储氢容器、加氢反应器、油气长输管道、大型离心和往复式压缩机、特种泵、航空发动机等。本专业致力于解决过程设备设计、制造、维护中的前沿性、战略性和共性重大科技问题，主要研究方向为先进能源装备与安全技术、过程装备数字化设计技术、过程装备节能与环保技术、过程流体机械、高速旋转机械强度及故障诊断，特色为“高压、高速、高效”。
过程装备与控制工程专业本科核心课程有的基础课与机械类专业的类似，例如工程图学、材料力学、理论力学、流体机械原理等，另外还开设了过程设备设计、过程机械、过程装备控制技术、控制工程基础等专业课，以及过程原理、过程热力学、过程装备CAD、现代过程装备制造技术、化工安全与防腐、过程装备故障诊断技术、有限单元法及应用、逆向工程、工程测试与信息处理、过程装备工程设计、过程设备机械设计、弹性力学及应用等课程。

图1 国内各高校过程控制类课程开设情况

一、过程装备与控制工程专业的特点
具有工程性、交叉性、集成性。学生应有宽广视野、良好素质、较强创新精神和协作意识，需要具备扎实的机械、化工、力学、控制和材料等专业知识，熟悉人文、管理、经济等相关领域知识，能在化工、石化、能源、轻工、医药、环保、军工等行业胜任过程装备与控制相关的工程设计、科学研究、技术开发和经营管理等工作。
二、改革前实验教学存在的问题
将两门课程统筹结合成一门课程的过程中，相关实验教学的改革需求是迫切的。研究发现，改革前实验教学环节在多个方面存在不足。
1.课程目标和任务不清晰
教学改革前，授课教师对两门不同课程的性质及任务没有深刻的认识，所以开设的实验课程并没有明确的教学目标，对基于原实践教学项目培养出的学生是否满足毕业需求没有相应的思考。实践教学中所使用的实验内容没有根据教学需要进行更新，实验设备陈旧、落后，实验项目没更新，阻碍了对学生创新性、自主性的培养。
2.课程教学体系不系统，欠缺完整性
课程体系由特定的课程观、课程目标、课程内容、课程结构和课程活动方式组成。课题组任课教师对本专业各高校实践课程调研发现，很多高校对实践教学课程的开设并没有形成一个系统、完整的教学体系，课程之间的教学目标和联系不明确，无法体现本科教学的系统性和连续性。
3.实验教学内容单一、不灵活，教学内容陈旧
实验教学内容多以演示性和验证性实验为主，依然保留着教师为主、学生为辅的教学模式，无法提升学生对实践动手环节的兴趣，学生主动参与的积极性不高; 陈旧的教学内容无法满足科技进步对本专业人才的需求。
三、改革实验教学目标
“过程控制系统”和“过程检测技术”都是理论性强、实践要求高的课程，将两门课结合后的新课程内容的实验教学环节有以下几个改革方向。
1.与时俱进的实验内容
所选内容要紧跟社会生产的发展，主要介绍过程控制领域所应用的理论和方法，培养学生在基础的理论指导下完成实验教学内容。
2.多元新颖的实验方式
总结传统教学方式的缺点，改变以教师为课堂主导的教学方式，将以验证性、演示性为主的实验方式转化为以自主式、启发式、综合型、创新型、多元化为主的实验方式。对于有能力的学生，还要引导他们多参与各项创新设计大赛和科研项目，巩固基础理论知识，提高对所学知识的综合应用能力。
3.现代智能的技术设备
根据实验需要，采用双面多模块检测与控制创新实验台进行教学，并在教学环节中加入先进的模拟软件，将抽象的控制过程转变成直观可见的形式，使学生更易理解，提高学习兴趣。
4.科学合理的学时设置
将原来两门课各8 学时的实践教学内容进行优化，缩减到两门课一共8 学时，但是其中包含的实验内容却更丰富，提高了授课效率和教学质量，符合教学改革中缩减学时数量的要求。
四、实验教学改革内容
将实验项目按学生是否可选的角度分为必做实验和选做实验两类。必做实验教学的目的是使学生消化在理论课上学习到的基本知识点，训练基本的实验操作能力，了解过程装备中常用的控制类仪器仪表。选做实验教学中，指导学生发挥自主性和创新性增加学生的实验热情。在必做实验和选做实验分类的基础上，依据实验的开放程度和创新要求，将实验项目再次分为三个层次。
1.演示性实验和验证性实验
这类实验为必做类实验，上课时间确定，上课人员为全体过程装备及控制工程专业学生。这类实验设置的目的是使学生首先对实验设备有一个感性认识，然后根据教师在实验课上的引导，将课内所介绍的关于检测类机器仪表及自动控制各组成部分的元件与实物对接，并巩固理论课学习的基本理论与常规自动化类的实验方法。
2.设计性实验
这类实验为必做实验，上课时间确定，上课人员固定，实验题目由实验教师给出，其中规定了实验任务，其他实验流程由学生自行设计完成。命题教师可以选择实际中的应用案例作为实验项目题目，学生在设计过程中充分掌握工程中关于控制方案的设计流程。
3.综合性实验
这类实验属于选择性实验，授课教师只针对此类实验特点选择合适的实验方向，并不给学生设定任何实验设施、实验方案、实验步骤，学生可以依照自己的想法应用学校现有的开放设备进行实验。在实验过程中，学生通过对整个实验的全程把握，能够系统、全面地学习相关理论知识。然后调研论证并确定设计方案，进入设计阶段。最后进行系统测试，并形成技术文件。此类项目为选做内容，采用开放式教学模式，整个过程在教师监督指导下独立完成。
将实验分层次，使学生接触到的实践教学内容是由简单到复杂、由抽象到具体、由特殊到一般、由接受到创新的。在实验内容设计上，不同知识点对应着多个可做的实验，学生可以自行选择有兴趣的实验内容完成实验课程。
五、拓展实验创新教学平台
实践教学环节不应该仅局限在传统的实验课堂上，应为学生提供更广阔的可施展创新能力的平台，为学生创造更多参加创新项目的机会。目前，大学生能够参与的创新项目模式主要是在带队教师的指导下，根据所参加的比赛主题由学生自由选择参赛内容、拟定参赛题目、独立完成比赛作品的制作、完成比赛需要的文字性材料等，整个过程中教师只起到点拨性的指导作用，全部作品几乎都由学生团队自主完成。可见，创新项目既有利于发挥学生的自主性、参与性和创造性，又可激发学生的创新思维和创新意识; 既可以巩固学生所学的现有知识，又能够训练学生的动手能力; 既可培养学生的独立思考能力、独立创造性分析和解决问题的能力，又可有效地训练学生在未知领域的探索精神。
“过程装备控制技术及应用”课程大多被安排在教学计划的第六或第七学期，学生的基本知识、基本技能、创新意识等已逐步形成。如果只从这个时间才开始让学生开始接触不同类型的创新项目，无法满足对学生创新能力的培养要求。鉴于此，本专业教师从学生入学开始就要做好让学生参加各类创新活动的动员工作，并且从大二开始组织有潜力和有兴趣的学生接受相关培训。在2017 年全国大学生过程装备与控制工程设计大赛中，我校过程装备与控制工程专业参赛项目“管道探伤机器人”获得了国家一等奖。传统的在确定的时间和地点、用固定的实验仪器进行固定的实验项目，可作为培训学生基本功的一个必要环节。同时，还可结合学校和专业情况采用实验室开放的模式，增加学生自主选择和自由创新能力。
六、教学设备的举例与推荐

MYG-68B 过程控制技能实训考核装置

一、过程控制技能实训考核装置,过程控制技能实训考核设备,过程控制技能实训考核台系统概述
本实训装置是针对职业院校相关专业的实训教学而研制的，适用于各类职业院校、技工学校的机电一体化、自动化、传感器仪器仪表等专业的实训教学。该模型配有经典的过程控制系统。它可满足各大院校所开设的《传感器检测与转换技术》、《生产过程自动化技术》、《计算机控制技术》及《检测技术及应用》等课程实训教学的要求，本装置根据过程控制仪表，自动化仪表及相近专业的教学特点及以培养学生操作、实训考核为目标，集智能化仪表、故障排除、自动控制为一体的普及型多功能过程控制考核的实训装置。为将来从事生产过程自动化与仪表工程的安装、工程设计、仪表测量、仪器的使用、过程自动化仪表的检测调校、安装调度、工艺管理、在线运行的仪表自动化控制装置的投运、调试、运行、维护维修、故障处理、操作和系统的管理工作等岗位奠定基础。
二、过程控制技能实训考核装置,过程控制技能实训考核设备,过程控制技能实训考核台产品特点
1.对象系统采用网孔板设计，方便安装各被控对象及现场仪表
2.一个被调参数在不同控制器、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣
3.通过对对象系统进行不同的组合，结合不同的实训目的，可进行多种过程控制实训，也可自行组建不同的控制工程实训系统
4.可对现场仪表设置不同故障、锻炼学生排故的能力
三、过程控制技能实训考核装置,过程控制技能实训考核设备,过程控制技能实训考核台技术指标
1.输入电压：三相四线～380V±10% 50Hz
2.工作环境：环境温度范围为-5℃～+40℃ 相对湿度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3.装置容量：＜4kVA
四、过程控制技能实训考核装置,过程控制技能实训考核设备,过程控制技能实训考核台系统组成
1.对象系统：主要由实训考核装置、动力系统、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉、板式换热器、气动阀、差压变送器、流量计、电磁阀、管道及手动调节阀等组成；
2.控制系统：由电源控制面板、漏电保护器、控制开关、交流电压表、变频器、故障箱、考核装置、现场信号装置等组成。
五、过程控制技能实训考核装置,过程控制技能实训考核设备,过程控制技能实训考核台实训项目
1.过程控制及检测装置硬件结构组成认知
2.传感器的校正(零点迁移与量程调整)
3.单容水箱特性测试
4.液位测量技能实训
(1)电容式液位变送器测量
(2)扩散硅液位变送器测量
(3)扩散硅差压变送器测量
(4)磁翻板液位计测量
(5)超声波液位计测量
5.压力测量技能实训
(1)电容式差压变送器测量
(2)扩散硅压力变送器测量
6.流量测量技能实训
(1)涡轮流量计测量
(2)电磁流量计测量
(3)孔板流量计测量
(4)涡街流量计测量
(5)超声波流量计测量
(6)玻璃管式转子流量计测量
(7)椭圆齿轮流量计测量
7.温度测量技能实训
(1)热电偶温度变送器测量
(2)热电阻温度变送器测量
(3)热电偶温度传感器测量
(4)热电阻温度传感器测量
(5)热电偶冷端补尝器测量
8.气动阀安装、调试技能考核实训
9.差压变送器安装、调试、检修技能考核实训
10.流量计安装、调试、检修技能考核实训
11.压力变送器安装、调试、检修
12.温度传感器安装、调试、测量
13.单闭环液位控制工程设计
14.单闭环流量控制工程设计
15.单闭环压力控制工程设计
16.温度定值控制工程设计
17.紧急停车控制工程设计
七、结语
在高校课程改革要求的大前提下，针对“过程控制系统”和“过程检测技术”课程的教学改革是必要的。本课题组结合十几年的教学实践，有机地将两门课合并成一门，形成新的课程内容体系，改革相应实验教学内容。改革的主体思想是既要注重理论知识，又要结合工程实践。合理配置的实践教学内容，会使理论课程和实验教学科学合理地组合成全部的教学内容。改革后的实践教学环节是在以学生为主导的基础上，配以丰富的实验内容、多元的实验过程，发挥每一个学生的潜能，激发学生的自主性、创造性和积极性。

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