石油化工領域自動化專業過程控制課程群交叉融合教學體系設計

劉海龍，張奇志，汪躍龍

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065）

0 引言

當前，科學技術在更加廣泛的領域得到迅速的發展和廣泛的應用，呈現出突破創新，學科交叉的顯著特點。自動化專業與學科所面臨的對象、任務、環境和目標都發生很大變化。被控物理系統和信息網絡的規模和復雜程度已大大超出了傳統自動化的知識范圍和應用邊界，控制科學和技術的知識體系和內容亟待更新發展，這些都給自動化人才培養提出新的要求和挑戰[1]。

然而，當前普遍存在于自動化專業人才培養方案的問題是培養目標針對性不強，與實際需求脫節，與技術進步新趨勢、企業運行新模式、經濟發展新業態、培養對象的新期待存在相當的不適應，表現為教學內容陳舊，需求導向不突出，應用引領不明顯，知識內容更新慢，導致學科專業邊緣化、培養規格雷同化，供需關系脫節化[2-3]。因此，自動化專業應從“萬金油”的特點，完成向為特定專業領域服務的轉變與探索，從行業或領域中的特定問題出發，構建多維度、多層次、多類型的自動化專業人才培養體系結構[4-5]。作為石油化工類專業背景下的自動化專業，本文的目標就是設計一種基于石油煉化試驗平臺的過程控制課程群交叉融合教學體系，將自動化儀表與過程控制、計算機控制技術，集散控制系統等主干課程的教學內容與教學方法進行設計與構建，并設置過程控制系統集成設計、自動測控裝置設計等實踐環節，以循序漸進的方式，逐層逐步地完成教學內容，著力培養學生針對石油煉化行業應用的工程意識和協作精神，培養學生溝通交流及綜合應用所學知識解決復雜工程問題的能力[6]。

1 過程控制課程群及教學目標與內容設計

在學習石油工業概論、電子技術、自動控制理論等基礎課程的基礎上，是石油石化類自動化專業過程控制課程群包含：自動化儀表與過程控制，計算機控制技術，集散控制系統及其組態等理論課程以及過程控制系統集成設計和自動測控裝置設計等實踐環節。

1.1 儀表與過程控制教學目標及內容設計

自動化儀表與過程控制課程教學目標應設置為具備自動化檢測儀表、控制儀表、過程控制方法與過程控制系統等基本知識，具有過程控制技術研究與自動控制系統設計的基本能力。本課程強調工程思維能力和工程實踐能力的訓練，是后續的自動化綜合課程設計的基礎，為從事過程控制的理論研究和過程控制系統的技術開發與應用工作奠定必要的理論基礎和專業基礎。

根據教學目標，自動化儀表與過程控制教學應包含8個方面的主要內容。自動化儀表概述、檢測儀表、調節器、DCS 與 FCS、執行器和防爆柵、過程控制對象動態特性及其數學模型、單回路調節系統設計及復雜控制系統設計。

在教學過程中，以石油煉化試驗平臺為案例，對實驗平臺上的相關設備的原理、特性、選型、測試等內容進行詳細講解，并讓學生模擬進行操作過程，為后續設計打下良好的實踐基礎。

1.2 計算機控制技術教學目標及內容設計

計算機控制技術教學目標應設置為，學習計算機控制的理論基礎和軟硬件基礎知識，具備計算機控制系統的基本概念、系統組成和工作原理等專業知識，具有建立計算機控制系統的典型環節與典型系統的數學模型的能力，能熟練使用仿真軟件對計算機控制系統或典型環節進行仿真分析。能應用控制系統的連續域-離散化設計方法和離散域直接設計方法，設計控制系統。熟悉計算機控制系統工程設計的一般方法與設計步驟，能針對工程控制問題進行控制系統設計。

根據教學目標，計算機控制技術教學應包含7個方面的主要內容。概論、過程通道、數據采集與處理系統、計算機控制系統的設計、控制規律的離散化設計法、控制規律的連續化設計法、復雜控制規律設計。

在教學過程中，以石油煉化試驗平臺的控制系統為案例，對實驗平臺上控制系統的原理圖、器件的選型、控制板的測試等內容進行詳細講解，并讓學生進行模擬設計，為后續設計打下良好的實踐基礎。

1.3 集散控制系統及其組態教學目標及內容設計

集散控制系統及其組態課程教學目標應設置為具有DCS 的基本知識，認知DCS 的工作原理及其應用領域，能解釋和說明某一種典型DCS 系統的體系結構、數據通信、控制站與操作站的結構和工作原理、系統的硬件配置、控制算法與軟件組態（方法），為從事DCS 系統的工程設計和應用開發奠定基礎。

根據教學目標，集散控制系統及其組態應包含11個方面的主要內容。DCS 的歷史背景與發展歷程、DCS 的體系結構與數據通信、DCS 的控制站和操作站的功能與工作原理、DCS 的配置與組態、DCS 的控制算法與軟件組態、DCS 系統選型和評估、人機界面工程設計、系統安裝和維護、DCS 的應用領域、典型的DCS 系統、案例。

在教學過程中，以石油煉化試驗平臺作為DCS的典型應用，對實驗平臺上集散控制控制系統的原理圖、器件的選型、控制板的測試等內容進行詳細講解，并讓學生進行模擬設計，為后續設計打下良好的實踐基礎。

1.4 控制系統集成設計教學內容及目標設計

過程控制系統集成設計教學目標是設計能力的綜合訓練過程，能綜合應用所學專業知識和工程知識，以石油煉化試驗平臺為依托，分析石油煉化系統的測量、控制或設計要求，撰寫系統需求分析報告；分析確定設計目標；按照系統的測量、控制或設計要求及相關的工程設計規范，能應用現代信息工具和信息資源，正確選用測量儀表、執行器、自動控制裝置（控制器）、電子器件或部件，完成系統設計，并撰寫系統設計報告。

1.5 自動測控裝置設計教學內容及目標設計

自動測控裝置設計教學內容的教學目標是實踐能力的綜合訓練，能綜合運用上述課程的理論與設計知識，按照石油煉化試驗平臺系統的測量、控制或設計要求及相關的工程設計規范，應用現代信息工具和信息資源，正確選用測量儀表、執行器、自動控制裝置（控制器）、電子器件或部件，完成系統設計，并撰寫系統設計報告；能正確使用工具軟件，并完成必要的應用軟件開發和系統性的調試工作，工程技能得到初步訓練，會撰寫系統調試（運行實驗、測試）報告。

2 交叉融合教學體系的設計

根據以上分析，石油化工類自動化專業培養的過程控制方向學生能力可以分為4個層次，如圖1所示。

圖1 能力層次培養及相應支撐環節

根據課程群的特點，充分考慮學生的學習習慣，相關課程的先后修讀關系如圖2所示。

圖2 相關課程的修讀順序與支撐關系

石油煉化試驗平臺根據相關行業實際生產工藝進行設計[7-8]，如圖3所示。其中主要包括：自動化儀器儀表模塊、電源模塊、計算機控制系統模塊、煉化過程模擬模塊、人機交互界面模塊等。這些模塊分別鍛煉與考察了學生自動化儀器儀表、電力電子技術、計算機控制技術、集散控制系統及其組態等課程知識與動手實踐能力。

圖3 石油煉化試驗平臺

3 實踐總結

3.1 課程體系的顯著特點

（1）教學內容從簡單到復雜，能力培養由弱到強的基本規律，綜合考慮生源質量和學生學業水平狀況，合理設計課程體系，劃分為理論知識培養、系統分析與應用設計、工程實訓與創新實踐4個層次。

（2）采用循序漸進方式組織教學，依據課程知識體系和課程之間的內在聯系，按照先易后難、先簡單后復雜的原則，討論、分析、確定理論課程和實踐教學環節及其先后修關系，合理安排教學內容和相應的實踐教學活動。

（3）在設計課程體系時，注意理論課程教學與實踐教學的無縫對接。注重以工程實踐教育為抓手，通過課內實驗、綜合實驗、課程設計、生產實習、畢業設計（論文）等實踐環節，著力培養學生的工程意識和協作精神，培養學生溝通交流及綜合應用所學知識解決復雜工程問題的能力。

3.2 經過近四年的教學實踐，效果顯著

（1）學生學習興趣顯著增強。課堂簽到率和積極性顯著提升，學生課堂活躍，參與度高，工程意識團隊協作精神也得到快速培養。

（2）課程結業成績穩步提升。學生課程結業成績與課程目標分解后完成情況如圖4所示，各項考核目標穩步上升。

圖4 近4 a學生課程結業成績

（3）學生實踐能力顯著提升。通過系統學習與訓練，學生能快速識別石油煉化現場各儀器儀表的型號等，并能迅速畫出相應工藝原理圖，對石油煉化工藝掌握較快。