项目式教学在化工仪表及自动化教学中的应用

于颖，朱玲，徐凤霞，陆仲达，张金凤



项目式教学在化工仪表及自动化教学中的应用

于颖，朱玲，徐凤霞，陆仲达，张金凤

（齐齐哈尔大学 计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

针对工艺类学生的特点，设计与其相适应的化工仪表课程的课堂教学方法，以典型工程应用为载体设计教学活动，以学生为主体实施项目教学过程，体验完整的控制系统的设计和工作过程，让学生综合运用所学的理论知识．

化工仪表及自动化；项目式教学；教学改革

化工仪表及自动化是为化工、生工、环境、食工和制药等工艺类学生设置的专业课程[1-3]．工艺类学生的最大特点在于熟知对象和工艺，不了解自动化控制过程[4-6]．针对工艺类学生的特点，设计与其相适应的课堂教学方法，培养学生独立学习及获取新知识的能力，提高学生解决实际问题的工作能力．

1 课堂教学改革

在课堂教学中，改变教科书的教学顺序，以实际的工作过程和工作情境组织教学过程，按照实际的过程控制系统开发过程，即按照需求分析、仪表选择、系统设计、仪表安装、仪表投运与调试以及仪表故障检测与维修的工作过程，结合自动控制元件的实物及图片，充分利用多媒体的教学手段，组织课堂教学过程．

本课堂主要是针对工艺类学生，应注意内容的难易度，注重基础知识的教学和应用．可以利用整个学时的2/3时间讲解基础知识，然后利用剩下的课时为学生进行项目式教学，让学生实际了解控制系统的设计和运行过程．

2 简单控制系统项目式教学

简单控制系统通常是指由１个测量元件、1个变送器、1个控制器、1个执行器和1个对象所构成的单闭环控制系统[7]．教学过程中可以采用典型的液位控制（见图1）为例，说明简单控制系统的设计和工作过程．

注：LT为液位检测变送；LC为液位控制．

根据液位控制系统的工艺要求确定系统的结构，被控对象为液体储槽，被控变量为液位，控制变量为出料口流量，系统中其它可引起液位变化的变量为干扰[8-10]．根据系统的组成进行控制仪表的选择，被控变量为液位，则系统的测量变送元件为液位传感器．由于简单系统的控制功能较为单一并考虑系统的成本，可以选择单片机作为控制器，执行器选择电动调节阀．控制算法采用工业上最常用的PID算法，液位控制系统的带控制点的工艺流程图见图1．

2.1 硬件设计

根据具体的工艺控制要求，选择所需要的硬件设备的具体型号，本文中列举几个重要的元器件的型号和电路图．液位传感器采用DX130液位传感器，其主要参数指标：量程为0~1…10 m等；输入阻抗为0.6~6 kΩ；工作温度为-40 ℃~+85 ℃；输出信号为4~20 mA DC，可根据具体的测量要求选择测量范围，电路见图2．采用AT89S51单片机作为主控单元，AT89S51分别连接液位传感器、执行器、按键电路、报警电路和其他辅助电路，AT89S51最小系统见图3，采用上电复位和12 MHz的晶振．电动调节阀采用等百分比流量特性的DN100 PN电动阀门，公称通径：50~1 200 mm；公称压力：PN0.6，1.0，1.6，2.5 MPa；工作环境温度：-20 ℃~+60 ℃；接受控制信号：DC4~20 mA，电动调节阀电路见图4．辅助电路中本文给出了电源的电路原理图（见图5），其他部分不进行详述．采集到的实时液位模拟信号经A/D转换后传入单片机，与设定值比较后形成偏差，偏差经PID运算后，经D/A转换为模拟信号，传输给电动执行器调节出料口的流量，从而调节储槽中的液位，达到自动控制液位的目的．

图2 液位传感器电路原理图

图3 AT89S51最小系统电路原理图

图4 电动调节阀驱动调节电路

图5 电源电路

2.2 软件设计

在课堂教学中简单液位控制系统主程序流程见图6，软件可采用模块式的设计方法，在实际工作中，可根据具体的工艺要求增加各个功能模块．

图6 液位控制系统流程图

3 结论

为了使工艺类的学生真正学好化工仪表及自动化课程，教师首先要弄清楚化工工艺和仪表２个专业的相互关系．根据需要优化更新项目式教学内容（特别是要更新和完善实践教学的方法与途径），熟悉仪表和自动控制技术的最新发展状况．项目式的教学方法有利于培养学生的学习积极性，有利于培养学生的创新能力和探索精神，充分发挥学生的创造性和想象力，拓展创新空间，体现学生在实践过程中的主体性和主动性．

[1] 梁刚锋，刘亚，郑绍成．化工仪表及自动化课程教学改革的研究与实践[J]．广州化工，2011，5（2）：10-12

[2] 时建伟，滕晓旭，徐建华，等．以培养学生工程实践能力为目的的化工仪表及自动化教学改革与实践[J]．化工高等教育，2014，8（5）：40-42

[3] 徐雪丽，宋伟．化工仪表及自动化教学改革探讨[J]．科技创新导报，2011（10）：182-183

[4] 厉玉鸣．化工仪表及自动化[M]．5版．北京：化学工业出版社，2011

[5] 石梅，李中，郝红，等．化工仪表及自动化教学内容与教学模式的改革与探讨[J]．化工高等教育，2010（2）：78-83

[6] 王树江，尹丽，石秀敏．以案例为主线，激活《化工仪表及自动化》课堂教学[J]．广州化工，2012，40（3）：129-130

[7] 胡寿松．自动控制原理基础教程[M]．3版．北京：科学出版社，2016

[8] 魏秀业，潘宏侠，姚竹亭，等．过程装备与控制工程专业课群构建与教学实践[J]．太原理工大学学报：社会科学版，2009（3）：78-81

[9] 胡寿松．自动控制原理习题解析[M]．2版．北京：科学出版社，2016

[10] 闫绍峰，廖国进，熊晓航．过程装备与控制工程专业建设探索[J]．辽宁工业大学学报：社会科学版，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

齐齐哈尔大学教育科学研究项目（2014017）

于颖（1977-），女，黑龙江双城人，讲师，硕士，主要从事智能控制方面的研究．E-mail：fishxd@163.com