過程控制系統運行調試項目教學探索

徐文明（上海石化工業學校，上海　201512）　

過程控制系統運行調試項目教學探索

徐文明（上海石化工業學校，上海201512）

本文介紹了過程控制系統運行調試項目的教學要求，采用了教學任務與企業故障案例相融合的教學方法，解決設備故障的診斷與排除教學重點。結合企業的工作經驗做法，利用經驗湊試法整定方法，總結教學任務的系統參數整定的實操方法，解決了二階液位控制系統參數整定與數據分析處理的教學難點。提出了課程教學與學生社團活動相結合，課程教學與職業技能競賽相融合的教學措施，通過實踐取得了較好的教學效果。

過程控制；運行調試；故障診斷；參數整定

過程控制系統運行調試項目是全國職業院校技能大賽化工儀表自動化賽項之一，是以生產過程儀表自動化技術為背景，培養化工儀表及自動化專業技術人員的綜合項目。上海石化工業學校2012年開始過程控制系統運行調試項目的教學，該項目是上海石化工業學校化工操作和化工儀表自動化專業學生實訓和考核的綜合項目之一，在整個教學中占有重要的地位。

1　過程控制系統運行調試項目的教學要求

過程控制系統運行調試項目的教學目的是使學生能夠更好地掌握化工生產過程儀表自動化技術，鍛煉和提高學生對現場裝置的實際操作能力，培養學生適應企業生產要求的綜合能力。過程控制系統的工藝流程圖如圖1所示，其運行調試對象包含有：儲水箱（V101和V102）、上水箱（V105）、中水箱（V104）、下水箱（V103）、鍋爐（R101）、強制對流換熱器（E101）。控制系統的測量變送和執行元件有：壓力變送器、溫度傳感器、溫度變送器、孔板流量計、渦輪流量計、壓力表、電動調節閥等。運行系統動力有兩路，分別由主管道水泵M1和副管道水泵M2提供。

圖1　過程控制裝置流程圖

過程控制系統運行調試項目的教學要求主要有三點：一是要求學生熟悉裝置生產工藝，根據生產工藝要求能正確進行系統投運；二是在設備投入過程中，學生能利用所學的理論知識診斷并排除設備故障，獨立操作投入過程控制系統；三是在調試過程中，會運用經驗試湊法進行PID參數整定，使過渡過程系統能按照期望的控制要求運行。

2　教學過程中普遍存在的問題

根據教學要求，為了達到預期的教學目的，過程控制系統運行調試項目的教學以任務引導進行，這里以鍋爐內膽加熱任務和二階液位控制參數整定任務為例，介紹過程控制系統運行調試項目的教學探索。

鍋爐內膽注水加熱操作任務。第一步給內膽注水，設置副管道閥門，操作現場控制面板，在DCS流程圖中選擇“鍋爐內膽注水”，向鍋爐內膽注水至刻度線之上；第二步記錄溫度值，查看流程圖，在記錄表中記錄6處（TI101，TI102，TI103，TI104，TI105，TI106）溫度值，如遇故障，排除故障，再記錄該點溫度值；第三步內膽加熱，流程圖中點擊“鍋爐內膽加熱”進入控制畫面，設置控制量MV，查看升溫曲線，將溫度升至規定值后，保存趨勢并命名為“溫度曲線”；最后關加熱管并排空內膽，熱水排進儲水箱（V102）。

二階液位控制PID參數整定任務。選擇上中水箱進行二階液位控制，開啟或關斷裝置上的閥門，在“手動操作”狀態時，可靈活設置上、中水箱出水閥開度大小，設置調節器參數，待工況平穩后投運，施加1.5～5.0cm階躍干擾，獲取4∶1衰減曲線。若曲線不理想，可放空后重新設置重做，也可修正參數后，在自動狀態下施加階躍，再次投運。如遇故障，及時排除故障，再進行二階液位控制和參數整定。分析曲線性能指標，適時設置、保存、打印趨勢，標注并提交打印的趨勢圖。

在該項目的教學過程中，普遍存在一些問題，主要有二個方面：一是排除故障的能力差；二是參數整定的經驗缺。教學課時用的多，但難以獲得滿意的教學效果，由于這兩方面的教學都是與企業實踐密切相關的。根據過程控制系統運行調試教學要求，不論是鍋爐內膽注水加熱任務，還是二階液位控制參數整定任務，都預先設置一些設備故障，要求學生能獨立診斷并排除故障。但現在的學生自己動手實踐能力差，有的學生遇到故障束手束腳，不敢動手；有的學生面對眾多儀器無從下手，不能順利按要求進行操作；有的生搬硬套不假思索地盲目操作。

3　提升運行調試教學效果的應對方法

為取得良好的教學效果，除了在裝置性能和控制精度上做了技術改進，在教學方法上也進行了一些探索，并取得了成功經驗，主要包括以下幾點：

3.1教學任務與企業故障案例相吻合

為了提升學生排除故障的能力，解決設備故障的診斷與排除這個教學難點，我們采用了教學任務與企業故障案例相吻合的方法。這里以鍋爐內膽注水加熱操作任務為例，當學生抄錄相關溫度時，如果發現有溫度異常，必須及時診斷并排除相關故障，才能繼續下面的操作。而在教學過程中，我們不可能把所有的故障都設置出來讓學生全部做一遍，為此，根據該過程控制系統運行調試的實際情況，通過其中的一個回路故障案例講解，讓學生舉一反三，觸類旁通地診斷分析和處理類似其他的故障，這樣可以得到事半功倍的效果。

另外，在項目實踐教學中，常列舉企業生產裝置過程中的故障實例，采用企業常用的故障診斷及排除方法啟發學生，培養學生分析診斷和處理故障的能力。按照企業裝置故障分類列舉，將所有可能會出現的常見故障總結出來，以鍋爐內膽注水加熱操作任務中相關溫度為例，如表1所示，列出了常見故障原因及診斷方法。

最后，總結企業裝置常用的故障類型及診斷經驗。通過上面溫度故障分析、診斷和排除教學，將回路類型分為兩種，一類是Pt100先接到溫度變送器轉變成4～20mA電流輸出，再送DCS電流模塊輸入卡板，如TI101、TI102、TI104、TI105、TI106回路；另一類是Pt100直接接到DCS特殊模塊輸入卡板，如TI103回路。在企業中，常見故障一般是控制回路發生斷路、短路、接線錯誤、接觸不良、部件損壞或選型錯誤。其中，在裝置運行中，控制回路故障通常會是斷路、短路、接觸不良或部件損壞，而接線錯誤和選型錯誤一般會出現在安裝或更換調試的過程中。

3.2經驗湊試法與過程控制裝置相實踐

由于PID控制器參數整定與企業生產的產品質量和安全生產緊密相關，適當調整δ、Ti、Td三個參數，可以使控制系統獲得較高的控制質量。

在教學中，給出的任務是選擇上中水箱進行二階液位LIC102控制回路的PID整定，在投運工況平穩的情況下，改變給定值，給系統施加1.5～5.0cm階躍干擾，觀察過渡過程曲線，使衰減比n為4，即控制系統的衰減比n偏離4越小，說明參數整定越理想。

結合企業工藝流程液位控制的參數整定經驗，引導學生采用企業生產裝置中應用最廣泛的整定方法，即經驗試湊法。若將控制系統按照液位、流量、溫度和壓力等參數來分類，則屬于同一類別的系統，其對象往往比較接近，所以無論控制器形式還是整定的參數均可以相互參考。表2為控制器整定參數的參考范圍。

表2　控制器整定參數的參考范圍

整定的步驟有以下兩種：

(1) 先加δ，再加Ti、最后才加Td。也就是先用純比例作用進行湊試，待過渡過程基本穩定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質量。

(2) 先按表2中給出的范圍把Ti定下來，如要引入微分作用，可取Td=(1/3～1/4) Ti，然后對δ進行湊試，湊試步驟與上一種方法相同。

實踐證明，在一定的范圍內適當地組合δ和Ti的數值，可以得到同樣衰減比的曲線，也就是說，δ的減少，可以用增加Ti的辦法來補償，而基本上不影響調節過程的質量。另外，將所在裝置控制系統的PID參數記錄下來，在企業實踐應用中也是一個很好的做法。

針對教學裝置的任務，鑒于該控制系統為二階液位參數整定，系統存在余差，所以，控制規律除了使用比例（P）控制外,還需要增加積分（I）控制，但無需加入微分控制，只需整定比例積分（PI）。

利用經驗湊試法整定方法，結合企業的工作經驗做法，通過在過程控制裝置上不斷的實踐，總結幾條該過程控制系統參數整定的操作經驗：

(1) 在初始流量、上中水箱液位和施加階躍值不變的情況下，如果整定結果n<4，則應增大比例度或增大積分時間（n↓，則δ↑或Ti↑）；如果n>4，應減小比例度或減小積分時間（n↑，則δ↓或Ti↓）。必須注意放空測試情況下，上中水箱液位不宜過高或過低，直接階躍也不易溢出，曲線相對好做。

(2) 在系統穩定的情況下，再次階躍整定參數，當衰減比略小于4（如n≈3.2左右），應適當增加積分（如從Ti=3增加至Ti=3.5）；當衰減比略大于4（如n≈4.4左右），應稍稍增大積分時間（如Ti=2.7增加至Ti=2.75），因為液位變高，衰減比會變小，防止衰減比再小于4；當衰減比大于4（如n≈4.8左右），則無需修改任何參數，直接增加相同的階躍即可。

3.3課程教學與學生社團活動相結合

通過上面的探索教學，在教學重點和教學難點上都有了突破性的發展，課堂教學質量也有了很大的提高。但有限的課堂時間限制了學生的動手機會，為了適量增加學生的操作機會，圍繞教學計劃及時改進教學措施，充分利用化工儀表自動化學生社團開辟第二課堂，把課程教學與學生社團活動相結合。在學生社團活動中，學生可以把課堂教學中沒有完成的任務在社團活動時繼續實踐，鼓勵學生進一步拓展操作技能，引導實踐技能好學生主動交流操作經驗。

3.4課程教學與職業技能競賽相融合

我校與德國企業長期合作舉辦學生職業技能競賽項目，迄今已連續舉辦了八屆職業技能競賽，旨在探索優秀技能人才培養模式與途徑，打造專業技能拔尖人才。化工儀表自動化賽項也是其中比賽項目之一，在職業技能競賽的平臺上，學生通過競賽不斷提高操作技能，能夠成為企業所需要的專業人才。企業的需求是競賽的最終目標，課程教學與職業技能競賽相融合是為了更好的服務企業，項目教學也要隨著企業不斷變化的競賽要求而不斷更新教學內容。

4　結語

在過程控制系統運行調試項目教學中，引入企業生產現場案例，通過任務的多樣化，設置合理的教學目標，分層遞進教學進度。學生通過項目實踐，不斷積累企業的工作經驗，培養善于思考、發現問題和解決問題的能力。通過實踐，我們取得了較好的教學效果，我校代表上海隊，參加了全國職業院校技能大賽化工儀表自動化比賽，2013年和2015年連續二屆獲得該賽項中職組一等獎，經過該項目課程學習和實踐過的學生，進入企業后，能夠快速勝任石化企業儀表維修崗位或生產操作崗位的需求。

[1] 唐發源. 中職教育化學實驗教學探索[J]. 河北：產業與科技論壇，2015. 183 - 184.

[2] 厲玉鳴，劉慧敏. 化工儀表及自動化[M]. 北京：化學工業出版社，2015.

Teaching Exploration of Process Control System Running and Debugging Project

The paper introduces the teaching requirements of the running and debugging projects of the process control system. It also introduces the teaching method by combining the teaching project with enterprise's real case which can solve the teaching difficulties of fault diagnosis and elimination of equipment. Combined with the enterprise work experience and practice, utilizing the trialand-error tuning method and summarizing the practical method of system parameters tuning, the teaching difficulties of the second-order liquid level control system parameter tuning and data analysis and processing will be solved. In addition, this paper puts forward to the teaching measures by combining the curriculum teaching with the community activities of student, and also with vocational skills competitions. The combinations have achieved good teaching results through practice.

Process control; Running and debugging; Fault diagnosis; Parameter tuning

B

1003-0492(2016)08-0093-03

TP273

徐文明（1965-），男，江蘇人，高級工程師，碩士，現就職于上海石化工業學校，主要研究方向為化工儀表自動化。