化工自动化实训设备研究＊

齐 洋

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021）

“仪表是化工的眼睛”，而现代化工生产自动控制系统的普遍应用与不断升级，在大幅度提高化工产品产量和质量以及生产安全性的同时，对操作人员的化工自动化知识和技能提出了更高要求，对化工仪器仪表维修工的要求也大大提高。化工仪表及自动化课程是化工类学生专业基础必修课，该课程分为化工检测仪表和化工自动化两个部分，化工生产操作人员全面系统地学习自动化知识，对学生进入企业后的职业成长有着重要的作用。但一直以来，该课程的教学效果并不理想，学生毕业之后，对自动化仍然缺乏整体概念，对仪表的操作缺乏训练。课程教学团队为此做了基于项目化的教学改革、“一体化”教学改革以及基于CDIO模式的教学改革，而所有的教学改革都需要有相关的设备作为支撑[1]。为此，需要对实训设备进行研究和设计，目的是对教学改革起到支撑作用及满意的教学效果。

1 化工自动化设备的需求分析

1.1 化工仪器仪表维修工技能比赛和技能鉴定对设备的要求

技能比赛和技能鉴定的共同特点是，设备的使用者是具备一定实际工作经验的专业仪表工，他们对化工自动化的内涵比较了解，训练目标是提高操作技能水平。二者的区别是，技能比赛的主办方会指定设备，而技能鉴定要求能够开展足够多的实操项目，满足考核的需要。

1.2 化工仪表及自动化教学对设备的要求

为了适应培养高技能人才的需要，改进教学效果，化工仪表及自动化课程进行了基于项目化的“一体化”教学改革和基于CDIO模式的教学改革。“一体化”教学改革能够充分发挥一体化教室、化工实训装置和教学资源库的作用，形成教、学、做、考一体化的教学模式，改变以往学生在教室内学习，在化工装置上不认识仪表，在实训室不会操作仪表的状况，实现实境教学，使学生真实体验工作任务，对本课程的理解更加深刻。CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，核心教育理念和教学方法是“做中学”和“基于项目的学习”，应用CDIO模式的教学改革，以进行自动控制系统设计和实践为手段，学生把理论学习与实际应用相结合，在对学习认知的基础上，进行自我反思，并在此过程中不断获取知识、调整学习方法，最终可以提高学生的基础知识水平、职业技能水平、人际交往和团队协作能力[2]。

教学改革的顺利进行，需要有相关的实训设备支撑，如果没有合适的化工自动化实训设备，任何教学改革必然沦为空谈。为配合教学需要，化工自动化设备首先应该包括每一种典型仪表的实物及校验设备，学生可以在学习过程中边学边练；其次应该包括简单的综合性实训设备，帮助学生学习自动控制系统的构成和工作原理；最后还应该配备一些民用的自动化装置，用以配合CDIO教学模式中的自动控制系统设计任务使用。

2 化工自动化实训设备配置方案

根据研究分析的结果，可以确定化工自动化实训设备配置方案应分为综合性实训设备、简化版综合实训装置、单表校验装置和DCS仿真组态软件四个类型。

2.1 综合性实训设备

有很多教学仪器设备公司都能够提供综合性很强的实训装置，这样的综合实训装置可以用于进行模拟工业现场的仿真操作训练，帮助学生和企业新进职工建立自动控制系统的整体概念，有些综合实训装置作为技能大赛的指定设备，可以用于参赛选手培训，也可以用于技能鉴定，所以综合性实训设备是必须配备的。

2.2 简化版综合性实训设备

一般的化工自动化综合实训设备，特别是带有单表校验功能的设备，投入成本较高，设备能够用于演示实验，但无法负担学生的频繁操作，容易磨损消耗，往往连续使用两三个月就开始出现各种故障，对设备的维护要求高，甚至由于操作不当可能会引起安全问题。而对学生和企业新进职工进行的培训恰恰需要高强度的频繁使用，而且由于专业基础弱，出现各种意外损坏的可能性也比较高[3]。

作为补充，可以自己设计组装一个简化版的综合实训设备。选择精度高、寿命长、口碑比较好、企业现场经常选用的仪表，搭建一个最简单的小型自动控制系统，可以方便无专业基础的学员建立自动控制系统，也可以用于频繁的动手操作训练。例如可以设计组装一个室内温度自动控制系统。系统由测温元件、控制器、报警器、调节阀构成，所有仪表都采用工业现场用的品牌和型号，具有精度高、寿命长、操作方便的特点。在一块仪表盘上，各种仪表都预先安装到位，仪表盘上安装端子排，将所有仪表的接线端子都用导线引到端子排上，方便接线，同时也可以保护仪表。使用时，先将各个仪表正确联接，测温元件检测到室内温度，把信号传送给控制器，控制器经过计算，给调节阀发送一个开度信号，调节阀根据此信号开始动作，如果调节阀所在管线中有蒸汽，教室温度就会随之改变。由于不可能在管线中通入蒸汽，所以只能看到调节阀有一个全开/全关的动作（取决于温度给定值的大小）。这套设备非常适合新进职工的培训和学生的“一体化”教学。设备的使用非常灵活，可以根据需要，单独操作测温元件、控制器、报警器、调节阀，可以学习它们的接线、使用方法；此设备可以增加学习的趣味性，学员可以自由设置高/低报警值、给定值，然后用测温元件测量不同温度的水，甚至测量自己的体温，观察系统中的报警灯变化、调节阀动作情况。

2.3 压力、温度、液位检测单表校验装置

综合性设备虽好，但是局限性也比较大。在进行教学或者技能训练时，经常要做“分解动作”，需要把自动控制系统的某个组成部分讲得清楚明白，并进行有针对性的操作训练。综合实训装置可以展示完整的自动控制系统，却不方便把某一块仪表单独取下来进行学习或训练，因为实训设备是大家共同调配使用的，这样会做影响其他教师使用设备；另外，经常性地拆卸仪表很容易造成损坏，使整套装置主要功能破坏，损失太大。所以，应该单独配置流量、压力、温度、液位仪表及其校验装置。需要注意的是，所选用的仪表必须具有精度高、寿命长的特点，最好为企业比较认可的仪表厂家产品。建议使用横河EJA或罗斯蒙特3051系列仪表，这类仪表一般能够保证在工业现场连续使用五年以上精确度等级不降。

流量检测仪表的种类比较多，但是不方便进行校验，所以选择配备容易校验的差压变送器（差压流量计），对流量检测部分的内容，在教学时以其他形式进行补充，例如应用CDIO模式的教学设计可以布置任务：撰写流量计选型报告。

温度检测仪表配备：热电偶K型、E型，热电阻Pt100型、Cu100型，这样方便在教学中让学生想办法区分两种型号；还需要配备双金属温度计、玻璃水银温度计、压力式温度计、医用测温枪等，方便教学使用。校验装置为可控温度的加热炉，油浴炉和干式炉均可。

液位检测仪表选择电浮筒液位计，这种仪表的操作是各种技能竞赛的常考操作项目，又便于校验，挂重法和水校法均可采用，仪表安装于金属筒中，配备连通器作为液位指示。

压力检测仪表可选用压力变送器和弹簧管压力表，一个是电远传压力检测仪表，一个是就地指示压力检测仪表。校验装置为压力校验台，电动型和手动型均可。

2.4 DCS仿真组态软件

通过第十二届全国石油和化工行业职业技能竞赛仪器仪表维修工比赛技能操作项目可以看出，对于化工仪器仪表维修工来说，基本的操作考核分为两项，即在综合实训设备上进行的现场仪表调校及控制回路投运，以及在计算机上进行的DCS控制系统组态仿真。所以，从承办比赛及参赛训练的角度考虑，DCS仿真软件是必须配备的。而DCS仿真软件的用途不仅于此，使用DCS仿真组态软件还可以对教学起到很好的辅助作用。

基于CDIO模式的一体化教学改革能够帮助学生对化工装置的自动控制系统理解更加深刻，建立良好的全局观，为今后的学习打下良好基础。进行检测仪表知识教学时，针对化工生产过程控制四大参数（压力、温度、物位、流量）检测及其自动控制系统，可以设计四个基本工作任务分别是：电压力锅压力自动报警系统设计、鱼缸（或电火锅）温度控制系统设计、鱼缸液位自动控制系统设计以及流量检测仪表选型报告。

为了配合CDIO模式的教学，可以配备以下设备：电压力锅、电接点压力表、声光报警器、水槽、加热棒、电火锅、双金属温度计等，当学生完成一个设计任务，可以让他们利用这些仪器设备亲手搭建出实物来，用以检验设计方案的合理性。但这样的做法存在局限性，主要在时间上不允许，学生没有很好的专业基础，其动手能力也需要一个训练的过程，完成这样的检验设计方案合理性的任务不但需要大量的时间，还需要教师花费大量的精力进行指导，适用于少数学生的课外兴趣辅导，但日常教学授课时数紧张、教师少学生多限制，无法采用[4]。如果采用DCS仿真组态软件，进行设计方案合理性模拟检验就可以解决这些问题。

教师指导学生使用DCS仿真组态软件，可以把高压锅、鱼缸等的设计方案绘制成带控制点的工艺流程图，然后进行仿真模拟运行，如果方案存在缺陷，在编译环节软件就会给出提示，比较容易地发现设计方案的问题，很好地配合了教学。

3 结语

配置合理的实训设备，不但能够满足正常教学需要，还可以为教学改革的各种有益探索提供支撑，同时还能够兼顾职业技能鉴定及技能比赛等各种需要，成为提高职业能力素质的良好平台。