王红星　盖晓龙　刘伯潭

摘要：化工仪表及自动化课程涉及知识面广、内容抽象，将工程案例引入课程教学，有利于拉近教学内容与工程实际的距离，提高学生灵活应用自动化原理解决复杂工程实际控制问题的能力。实践表明工程案例教学不仅提高了学生学习的热情和自主学习能力，加强了学生对化工自动化控制原理的理解，而且培养了学生分析问题、解决问题的能力。

关键词：自动化；控制；案例

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）44-0144-03

案例教学法是一种以生产实际案例为基础的教学法（case-based teaching）。教师根据授课内容和知识点讲解的需要以及学生的知识面构成情况，将一些典型的案例引入到课堂教学中，通过设置问题情境，引导学生运用所学的基础理论知识进行问题剖析与讨论，寻求问题的解决方案，从而达到提高学生分析和解决实际问题能力的一种教学方法[1]。化工仪表及自动化课程的知识点涉及面广、覆盖面宽、内容抽象，采用形象、直观、生动的实际案例，有助于调动学生对抽象知识的学习兴趣，有利于学生掌握和理解晦涩难懂的基础理论知识。与传统教学方法相比，在培养学生分析和解决实际问题的能力方面，案例教学具有独特的优势。同时，工程教育认证将能够应用数学、物理、化学等与化工相关工程基础和专业知识解决化学工程与工艺领域复杂工程问题，能够设计针对化学工程与工艺领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元和工艺流程，作为工程教育重要的毕业要求；工程案例教学正是在教学实踐中实现上述毕业要求的重要教学手段。

一、化工仪表及自动化课程教学特点与存在的问题

随着化工生产过程的连续化、大型化和复杂化，化工生产工艺技术员只有掌握了必要的检测技术和自动化知识，才能对生产装置进行优质的控制与操作，才能对生产过程中出现的问题进行准确的判断与调控，从而确保现代工业生产运行的稳定和安全[2]。化工生产时常涉及易燃、易爆、有毒或具有腐蚀性的物料或产品，对工艺过程的温度、压力、流量等参数进行严格的自动化控制，是现代工业生产实现高效、低耗的基本条件和重要保障。因此，化工仪表及自动化一直以来都是高等学校化工类专业的必修课，也是一门将自动化控制技术、仪器仪表检测技术和计算机技术应用于化工工艺过程的综合性技术学科，是培养学生掌握化工自动化技术的重要课程[3]。自动化技术无论在化工过程设计，还是生产操作、控制与管理等方面均具有十分重要的地位。然而，该课程涉及知识面广、内容跨度大、理论知识抽象、实践性强。现有教学模式通常通过优化教学内容、更新授课方式、引入多媒体教学等手段，解决教学内容多和有限学时的矛盾，并提高学生学习的积极性[4]。这些教学改革的实施在一定程度上提升了教学效果，使学生能够较好地掌握温度、压力、流量及物位等化工过程工艺参数的基本测量方法和相关仪表的工作原理和特点，能够掌握简单控制、串级控制、比值控制、均匀控制及前馈控制等基本控制系统[5]。但是，在化工仪表及自动化课程的教学中仍然存在理论与工程实践脱节的问题。

1.化学工程涉及面广，工艺纷繁复杂，自动化控制目标各不相同，而教学内容主要是自动化控制的基本原理和典型单元操作的控制系统等知识点，无法直接满足工程实际的需要；

2.学生欠缺工程实践经验，未能对化工工艺过程进行系统而全面的分析，也就无法根据物流的特性，确定适宜的检测设备；无法根据特定工艺过程的自身特点，准确选取控制变量和操纵变量，提出有效的控制策略；面对复杂化工过程的控制问题显得措手无策。

二、化工仪表及自动化课程案例教学

工程案例教学是解决上述问题的有效手段，在课程教学中引入化工典型单元操作或过程的自动化控制工程案例，教师有意识地引导学生运用所学的基础知识分析问题，指出课程教学内容与实际的区别，以及课程传授的控制方法在解决实际控制问题中存在的缺陷，激发学生间的相互讨论，鼓励学生提出不同观点，积极寻找解决问题的途径。在此基础上，教师对讨论中所涉及的重要知识点进行详细讲解，帮助学生从案例中获得有价值的启示，剥茧抽丝地引导学生进行化工仪表及自动化中控制变量与操纵变量的选择与配对，从而确立合理可行的控制策略。将工程案例引入课堂教学，不仅激发了学生的学习热情，起到事半功倍的效果，而且增强了课程的工程实践性，有助于培养学生的工程观念，提高学生的工程实践能力。

化工仪表及自动化所传授的知识最终要服务于化工生产，而化工仪表及自动化课程所传授的均是典型的控制系统，无法满足生产实际多样化的需要，因此，在课堂教学中精心选择一些具有代表性的化工生产案例，作为理论知识学习的补充，使学生能够在掌握课本知识的基础上，灵活应用所学知识解决工程实际问题。譬如：精馏塔是一种常见的化工单元操作，拥有许多受控变量和操纵变量，从中选择一种变量配对就可组成一种精馏塔控制方案。对用于分离乙苯与多乙苯混合物的精馏塔控制问题，根据所学物料平衡和能量平衡对精馏塔进行自动化控制设计，可形成如图1所示的多乙苯精馏塔控制方案，固定采出量和回流量，根据塔釜液位来控制再沸器的加热量，由冷却水流量控制精馏塔的操作压力。这种控制方案虽然简单，但是实际控制效果却不理想。其原因在于对塔釜采出量进行控制，当进料流量增加时，依据物料守恒塔顶采出量必将增大，这将导致重组分多乙苯从塔顶采出，降低了塔顶产品乙苯的纯度。如果进料量保持恒定，而进料组成中轻组分乙苯含量增加，在恒定的加热量下，塔顶采出量将保持不变，这样轻组分乙苯就会在塔釜累积，从而引起塔釜轻组分乙苯组成升高。因此，这种控制策略存在严重滞后，且难以保证塔顶或塔釜的产品质量。

为了实现多乙苯塔塔顶或塔釜产品纯度的精确控制，那么该采用什么样的控制系统？能否通过对塔顶、塔釜组成进行在线监测实现自动控制？通过问题引导学生对系统进行分析，并适时提出灵敏板概念，促进学生灵活应用所学自动控制原理解决实际问题。由于在线组成分析仪价格昂贵且检测时间长，不能解决控制滞后的问题；而灵敏板是进料量、进料组成或再沸器热负荷等参数发生变化时温度变化最灵敏的塔板，该板的温度可间接反映塔顶或塔釜的组成变化，且灵敏板温度的变化要先于塔顶塔釜组成的变化。在精馏塔操作中，如果操作压力维持恒定，塔板上的温度则与塔板上的组成一一对应。灵敏板温度降低，表明塔板上轻组份乙苯含量增加，为了避免轻组分乙苯从塔釜采出，这就需要加大再沸器的蒸汽流量。同理，当进料量或组成发生扰动，如进料中重组分多乙苯增加，灵敏板温度上升，再沸器的蒸汽流量减小，精馏塔内蒸汽量下降，避免重组分多乙苯从塔顶采出，保证了乙苯产品的纯度。因此，把灵敏度板温度作为操纵变量，塔釜加热蒸汽流量作为控制变量，不仅可靠而且能有效解决控制滞后问题。通过上述分析自然可引导学生提出图2所示的精馏塔控制方案。此外，固定再沸器的加热量和回流比，用塔顶采出量来控制灵敏板温度，塔釜液位控制来维持全塔物料平衡，同样也能实现对该精馏过程的控制。因此，在设计控制方案时，需要引导学生分析工艺参数变化对产品控制目标的影响，从而评价控制方案的可行性，然后再依据动态响应来确定最终的控制策略。

而对于复杂的化工过程，则更需要学生综合应用所学知识对系统进行全面的分析，准确选取控制变量和操控变量，提出有效的控制策略，而不能將课本所学单元操作的控制简单组合构成复杂化工过程的控制系统。如图3所示的变压精馏分离醋酸甲酯（MA）和甲醇（MeOH）共沸物的热耦合系统，高压塔（HP）塔顶的蒸汽作为低压塔（LP）再沸器的热源。这就需要帮助学生弄清楚HP和LP之间的热耦合关系。一方面，当HP塔进料量增加时，HP塔的灵敏板温度下降，为了保证共沸物从塔顶采出，再沸器热负荷必须加大。同时因为HP塔顶上升蒸汽作为LP塔釜的热源，高压塔上升蒸汽量增加，则意味着低压塔的热负荷也需要增加。因此，HP塔的压力不能作为控制变量，它将随塔操作条件的变化而波动。如果进料流量增加，低压塔需要更多的热量以维持塔釜采出甲醇的纯度，这必须通过提高高压塔塔顶蒸汽与低压塔塔釜的温差，所以需要增加高压塔的再沸器热负荷，以提高高压塔的压力。相反，如果进料量减小，则必须降低高压塔的操作压力以降低传热速率。因为高压塔的操作压力不稳定，即使灵敏板上液相组成不变，但是其泡点温度也会波动，所以需要通过泡点温度与压力间的函数关系确定压力温度补偿，方能有效实现灵敏板温度控制。另一方面，LP塔塔釜的加热热源来自HP塔的塔顶蒸汽，因此LP塔灵敏板的温度就无法像图2精馏塔的控制方式一样利用塔釜蒸汽的流量进行控制，而是通过塔顶回流量或回流比控制灵敏板温度，保证LP塔的分离效果。

因此，上述复杂的化工过程中，高压塔不能采用压力控制，低压塔不能采用塔釜加热蒸汽控制灵敏板温度，这些都与传统的单个精馏塔控制有所不同，其控制方案需要根据工程实际情况进行全面分析方可确定。由此可见，仅仅掌握化工仪表及自动化课程中介绍的仪器仪表及各种典型单元设备的控制系统是远远不能满足工程实际需要的，特别对于复杂的工艺过程，更需要结合工程实际案例开展教学，从中掌握如何根据工程实际问题和特定工艺过程的自身特点，准确选取控制变量和操纵变量，提出有效的控制策略。

三、结束语

在化工仪表及自动化课程教学活动中，开展案例教学法不仅能够帮助学生理清工艺变量对控制目标的影响规律，引导学生应用所学自动化控制知识分析工程实际的控制问题，灵活应用各种控制方法设计合理有效的控制方案，而且还能够拉近学生与化工自动控制实际的距离，全面提升学生的工程实践能力和创新意识。

参考文献：

[1]冯尚华，何国芳，赵仁高，等.化工原理的案例教学[J].化工高等教育，2010，27（06）：79-81+108.

[2]万其中，熊远钦，阳卫军，等.卓越工程师教育培养计划下的《化工仪表及自动化》课程内容的教与改[J].化工自动化及仪表，2017，44（04）：343-346.

[3]时建伟，腾晓旭，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，2014，31（05）：29-31+46.

[4]李中，石梅，齐智涛，等.化工仪表及自动化实验教学课件在教学中的应用[J].化工高等教育，2007，（06）：87-89.

[5]历玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，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