主頁 > 新聞動態(tài) > 過程裝備與控制工程專業(yè)的特點、專業(yè)分類及新課程實驗教學(xué)研究 2021-11-24

過程裝備與控制工程專業(yè)的特點、專業(yè)分類及新課程實驗教學(xué)研究

工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制。過程控制也稱實時控制，是計算機及時的采集檢測數(shù)據(jù)，按最佳值迅速地對控制對象進(jìn)行自動控制和自動調(diào)節(jié)，如數(shù)控機床和生產(chǎn)流水線的控制等。
過程裝備與控制工程專業(yè)是以過程裝備設(shè)計基礎(chǔ)為主體、過程原理與裝備控制技術(shù)應(yīng)用為兩翼的緊缺型、交叉型專業(yè)。研究對象是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全中有著重要應(yīng)用，主要用于物料儲存、反應(yīng)、分離、換熱、混合、成型加工、輸送等操作的過程裝備。過程裝備包含石化、能源、輕工、軍工等國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的重大核心設(shè)備，比如石油儲罐、高壓儲氫容器、加氫反應(yīng)器、油氣長輸管道、大型離心和往復(fù)式壓縮機、特種泵、航空發(fā)動機等。本專業(yè)致力于解決過程設(shè)備設(shè)計、制造、維護(hù)中的前沿性、戰(zhàn)略性和共性重大科技問題，主要研究方向為先進(jìn)能源裝備與安全技術(shù)、過程裝備數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、過程裝備節(jié)能與環(huán)保技術(shù)、過程流體機械、高速旋轉(zhuǎn)機械強度及故障診斷，特色為“高壓、高速、高效”。
過程裝備與控制工程專業(yè)本科核心課程有的基礎(chǔ)課與機械類專業(yè)的類似，例如工程圖學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)、流體機械原理等，另外還開設(shè)了過程設(shè)備設(shè)計、過程機械、過程裝備控制技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)等專業(yè)課，以及過程原理、過程熱力學(xué)、過程裝備CAD、現(xiàn)代過程裝備制造技術(shù)、化工安全與防腐、過程裝備故障診斷技術(shù)、有限單元法及應(yīng)用、逆向工程、工程測試與信息處理、過程裝備工程設(shè)計、過程設(shè)備機械設(shè)計、彈性力學(xué)及應(yīng)用等課程。

圖1 國內(nèi)各高校過程控制類課程開設(shè)情況

一、過程裝備與控制工程專業(yè)的特點
具有工程性、交叉性、集成性。學(xué)生應(yīng)有寬廣視野、良好素質(zhì)、較強創(chuàng)新精神和協(xié)作意識，需要具備扎實的機械、化工、力學(xué)、控制和材料等專業(yè)知識，熟悉人文、管理、經(jīng)濟等相關(guān)領(lǐng)域知識，能在化工、石化、能源、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保、軍工等行業(yè)勝任過程裝備與控制相關(guān)的工程設(shè)計、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和經(jīng)營管理等工作。
二、改革前實驗教學(xué)存在的問題
將兩門課程統(tǒng)籌結(jié)合成一門課程的過程中，相關(guān)實驗教學(xué)的改革需求是迫切的。研究發(fā)現(xiàn)，改革前實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在多個方面存在不足。
1.課程目標(biāo)和任務(wù)不清晰
教學(xué)改革前，授課教師對兩門不同課程的性質(zhì)及任務(wù)沒有深刻的認(rèn)識，所以開設(shè)的實驗課程并沒有明確的教學(xué)目標(biāo)，對基于原實踐教學(xué)項目培養(yǎng)出的學(xué)生是否滿足畢業(yè)需求沒有相應(yīng)的思考。實踐教學(xué)中所使用的實驗內(nèi)容沒有根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行更新，實驗設(shè)備陳舊、落后，實驗項目沒更新，阻礙了對學(xué)生創(chuàng)新性、自主性的培養(yǎng)。
2.課程教學(xué)體系不系統(tǒng)，欠缺完整性
課程體系由特定的課程觀、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)和課程活動方式組成。課題組任課教師對本專業(yè)各高校實踐課程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多高校對實踐教學(xué)課程的開設(shè)并沒有形成一個系統(tǒng)、完整的教學(xué)體系，課程之間的教學(xué)目標(biāo)和聯(lián)系不明確，無法體現(xiàn)本科教學(xué)的系統(tǒng)性和連續(xù)性。
3.實驗教學(xué)內(nèi)容單一、不靈活，教學(xué)內(nèi)容陳舊
實驗教學(xué)內(nèi)容多以演示性和驗證性實驗為主，依然保留著教師為主、學(xué)生為輔的教學(xué)模式，無法提升學(xué)生對實踐動手環(huán)節(jié)的興趣，學(xué)生主動參與的積極性不高; 陳舊的教學(xué)內(nèi)容無法滿足科技進(jìn)步對本專業(yè)人才的需求。
三、改革實驗教學(xué)目標(biāo)
“過程控制系統(tǒng)”和“過程檢測技術(shù)”都是理論性強、實踐要求高的課程，將兩門課結(jié)合后的新課程內(nèi)容的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)有以下幾個改革方向。
1.與時俱進(jìn)的實驗內(nèi)容
所選內(nèi)容要緊跟社會生產(chǎn)的發(fā)展，主要介紹過程控制領(lǐng)域所應(yīng)用的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生在基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)下完成實驗教學(xué)內(nèi)容。
2.多元新穎的實驗方式
總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺點，改變以教師為課堂主導(dǎo)的教學(xué)方式，將以驗證性、演示性為主的實驗方式轉(zhuǎn)化為以自主式、啟發(fā)式、綜合型、創(chuàng)新型、多元化為主的實驗方式。對于有能力的學(xué)生，還要引導(dǎo)他們多參與各項創(chuàng)新設(shè)計大賽和科研項目，鞏固基礎(chǔ)理論知識，提高對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力。
3.現(xiàn)代智能的技術(shù)設(shè)備
根據(jù)實驗需要，采用雙面多模塊檢測與控制創(chuàng)新實驗臺進(jìn)行教學(xué)，并在教學(xué)環(huán)節(jié)中加入先進(jìn)的模擬軟件，將抽象的控制過程轉(zhuǎn)變成直觀可見的形式，使學(xué)生更易理解，提高學(xué)習(xí)興趣。
4.科學(xué)合理的學(xué)時設(shè)置
將原來兩門課各8 學(xué)時的實踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，縮減到兩門課一共8 學(xué)時，但是其中包含的實驗內(nèi)容卻更豐富，提高了授課效率和教學(xué)質(zhì)量，符合教學(xué)改革中縮減學(xué)時數(shù)量的要求。
四、實驗教學(xué)改革內(nèi)容
將實驗項目按學(xué)生是否可選的角度分為必做實驗和選做實驗兩類。必做實驗教學(xué)的目的是使學(xué)生消化在理論課上學(xué)習(xí)到的基本知識點，訓(xùn)練基本的實驗操作能力，了解過程裝備中常用的控制類儀器儀表。選做實驗教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮自主性和創(chuàng)新性增加學(xué)生的實驗熱情。在必做實驗和選做實驗分類的基礎(chǔ)上，依據(jù)實驗的開放程度和創(chuàng)新要求，將實驗項目再次分為三個層次。
1.演示性實驗和驗證性實驗
這類實驗為必做類實驗，上課時間確定，上課人員為全體過程裝備及控制工程專業(yè)學(xué)生。這類實驗設(shè)置的目的是使學(xué)生首先對實驗設(shè)備有一個感性認(rèn)識，然后根據(jù)教師在實驗課上的引導(dǎo)，將課內(nèi)所介紹的關(guān)于檢測類機器儀表及自動控制各組成部分的元件與實物對接，并鞏固理論課學(xué)習(xí)的基本理論與常規(guī)自動化類的實驗方法。
2.設(shè)計性實驗
這類實驗為必做實驗，上課時間確定，上課人員固定，實驗題目由實驗教師給出，其中規(guī)定了實驗任務(wù)，其他實驗流程由學(xué)生自行設(shè)計完成。命題教師可以選擇實際中的應(yīng)用案例作為實驗項目題目，學(xué)生在設(shè)計過程中充分掌握工程中關(guān)于控制方案的設(shè)計流程。
3.綜合性實驗
這類實驗屬于選擇性實驗，授課教師只針對此類實驗特點選擇合適的實驗方向，并不給學(xué)生設(shè)定任何實驗設(shè)施、實驗方案、實驗步驟，學(xué)生可以依照自己的想法應(yīng)用學(xué)校現(xiàn)有的開放設(shè)備進(jìn)行實驗。在實驗過程中，學(xué)生通過對整個實驗的全程把握，能夠系統(tǒng)、全面地學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識。然后調(diào)研論證并確定設(shè)計方案，進(jìn)入設(shè)計階段。最后進(jìn)行系統(tǒng)測試，并形成技術(shù)文件。此類項目為選做內(nèi)容，采用開放式教學(xué)模式，整個過程在教師監(jiān)督指導(dǎo)下獨立完成。
將實驗分層次，使學(xué)生接觸到的實踐教學(xué)內(nèi)容是由簡單到復(fù)雜、由抽象到具體、由特殊到一般、由接受到創(chuàng)新的。在實驗內(nèi)容設(shè)計上，不同知識點對應(yīng)著多個可做的實驗，學(xué)生可以自行選擇有興趣的實驗內(nèi)容完成實驗課程。
五、拓展實驗創(chuàng)新教學(xué)平臺
實踐教學(xué)環(huán)節(jié)不應(yīng)該僅局限在傳統(tǒng)的實驗課堂上，應(yīng)為學(xué)生提供更廣闊的可施展創(chuàng)新能力的平臺，為學(xué)生創(chuàng)造更多參加創(chuàng)新項目的機會。目前，大學(xué)生能夠參與的創(chuàng)新項目模式主要是在帶隊教師的指導(dǎo)下，根據(jù)所參加的比賽主題由學(xué)生自由選擇參賽內(nèi)容、擬定參賽題目、獨立完成比賽作品的制作、完成比賽需要的文字性材料等，整個過程中教師只起到點撥性的指導(dǎo)作用，全部作品幾乎都由學(xué)生團隊自主完成�？梢姡瑒�(chuàng)新項目既有利于發(fā)揮學(xué)生的自主性、參與性和創(chuàng)造性，又可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識; 既可以鞏固學(xué)生所學(xué)的現(xiàn)有知識，又能夠訓(xùn)練學(xué)生的動手能力; 既可培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力、獨立創(chuàng)造性分析和解決問題的能力，又可有效地訓(xùn)練學(xué)生在未知領(lǐng)域的探索精神。
“過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用”課程大多被安排在教學(xué)計劃的第六或第七學(xué)期，學(xué)生的基本知識、基本技能、創(chuàng)新意識等已逐步形成。如果只從這個時間才開始讓學(xué)生開始接觸不同類型的創(chuàng)新項目，無法滿足對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。鑒于此，本專業(yè)教師從學(xué)生入學(xué)開始就要做好讓學(xué)生參加各類創(chuàng)新活動的動員工作，并且從大二開始組織有潛力和有興趣的學(xué)生接受相關(guān)培訓(xùn)。在2017 年全國大學(xué)生過程裝備與控制工程設(shè)計大賽中，我校過程裝備與控制工程專業(yè)參賽項目“管道探傷機器人”獲得了國家一等獎。傳統(tǒng)的在確定的時間和地點、用固定的實驗儀器進(jìn)行固定的實驗項目，可作為培訓(xùn)學(xué)生基本功的一個必要環(huán)節(jié)。同時，還可結(jié)合學(xué)校和專業(yè)情況采用實驗室開放的模式，增加學(xué)生自主選擇和自由創(chuàng)新能力。
六、教學(xué)設(shè)備的舉例與推薦

MYG-68B 過程控制技能實訓(xùn)考核裝置

一、過程控制技能實訓(xùn)考核裝置,過程控制技能實訓(xùn)考核設(shè)備,過程控制技能實訓(xùn)考核臺系統(tǒng)概述
本實訓(xùn)裝置是針對職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)而研制的，適用于各類職業(yè)院校、技工學(xué)校的機電一體化、自動化、傳感器儀器儀表等專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)。該模型配有經(jīng)典的過程控制系統(tǒng)。它可滿足各大院校所開設(shè)的《傳感器檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》、《生產(chǎn)過程自動化技術(shù)》、《計算機控制技術(shù)》及《檢測技術(shù)及應(yīng)用》等課程實訓(xùn)教學(xué)的要求，本裝置根據(jù)過程控制儀表，自動化儀表及相近專業(yè)的教學(xué)特點及以培養(yǎng)學(xué)生操作、實訓(xùn)考核為目標(biāo)，集智能化儀表、故障排除、自動控制為一體的普及型多功能過程控制考核的實訓(xùn)裝置。為將來從事生產(chǎn)過程自動化與儀表工程的安裝、工程設(shè)計、儀表測量、儀器的使用、過程自動化儀表的檢測調(diào)校、安裝調(diào)度、工藝管理、在線運行的儀表自動化控制裝置的投運、調(diào)試、運行、維護(hù)維修、故障處理、操作和系統(tǒng)的管理工作等崗位奠定基礎(chǔ)。
二、過程控制技能實訓(xùn)考核裝置,過程控制技能實訓(xùn)考核設(shè)備,過程控制技能實訓(xùn)考核臺產(chǎn)品特點
1.對象系統(tǒng)采用網(wǎng)孔板設(shè)計，方便安裝各被控對象及現(xiàn)場儀表
2.一個被調(diào)參數(shù)在不同控制器、不同的執(zhí)行器、不同的工藝線路下可演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣
3.通過對對象系統(tǒng)進(jìn)行不同的組合，結(jié)合不同的實訓(xùn)目的，可進(jìn)行多種過程控制實訓(xùn)，也可自行組建不同的控制工程實訓(xùn)系統(tǒng)
4.可對現(xiàn)場儀表設(shè)置不同故障、鍛煉學(xué)生排故的能力
三、過程控制技能實訓(xùn)考核裝置,過程控制技能實訓(xùn)考核設(shè)備,過程控制技能實訓(xùn)考核臺技術(shù)指標(biāo)
1.輸入電壓：三相四線～380V±10% 50Hz
2.工作環(huán)境：環(huán)境溫度范圍為-5℃～+40℃ 相對濕度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3.裝置容量：＜4kVA
四、過程控制技能實訓(xùn)考核裝置,過程控制技能實訓(xùn)考核設(shè)備,過程控制技能實訓(xùn)考核臺系統(tǒng)組成
1.對象系統(tǒng)：主要由實訓(xùn)考核裝置、動力系統(tǒng)、不銹鋼儲水箱、有機玻璃水箱、電加熱鍋爐、板式換熱器、氣動閥、差壓變送器、流量計、電磁閥、管道及手動調(diào)節(jié)閥等組成；
2.控制系統(tǒng)：由電源控制面板、漏電保護(hù)器、控制開關(guān)、交流電壓表、變頻器、故障箱、考核裝置、現(xiàn)場信號裝置等組成。
五、過程控制技能實訓(xùn)考核裝置,過程控制技能實訓(xùn)考核設(shè)備,過程控制技能實訓(xùn)考核臺實訓(xùn)項目
1.過程控制及檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)組成認(rèn)知
2.傳感器的校正(零點遷移與量程調(diào)整)
3.單容水箱特性測試
4.液位測量技能實訓(xùn)
(1)電容式液位變送器測量
(2)擴散硅液位變送器測量
(3)擴散硅差壓變送器測量
(4)磁翻板液位計測量
(5)超聲波液位計測量
5.壓力測量技能實訓(xùn)
(1)電容式差壓變送器測量
(2)擴散硅壓力變送器測量
6.流量測量技能實訓(xùn)
(1)渦輪流量計測量
(2)電磁流量計測量
(3)孔板流量計測量
(4)渦街流量計測量
(5)超聲波流量計測量
(6)玻璃管式轉(zhuǎn)子流量計測量
(7)橢圓齒輪流量計測量
7.溫度測量技能實訓(xùn)
(1)熱電偶溫度變送器測量
(2)熱電阻溫度變送器測量
(3)熱電偶溫度傳感器測量
(4)熱電阻溫度傳感器測量
(5)熱電偶冷端補嘗器測量
8.氣動閥安裝、調(diào)試技能考核實訓(xùn)
9.差壓變送器安裝、調(diào)試、檢修技能考核實訓(xùn)
10.流量計安裝、調(diào)試、檢修技能考核實訓(xùn)
11.壓力變送器安裝、調(diào)試、檢修
12.溫度傳感器安裝、調(diào)試、測量
13.單閉環(huán)液位控制工程設(shè)計
14.單閉環(huán)流量控制工程設(shè)計
15.單閉環(huán)壓力控制工程設(shè)計
16.溫度定值控制工程設(shè)計
17.緊急停車控制工程設(shè)計
七、結(jié)語
在高校課程改革要求的大前提下，針對“過程控制系統(tǒng)”和“過程檢測技術(shù)”課程的教學(xué)改革是必要的。本課題組結(jié)合十幾年的教學(xué)實踐，有機地將兩門課合并成一門，形成新的課程內(nèi)容體系，改革相應(yīng)實驗教學(xué)內(nèi)容。改革的主體思想是既要注重理論知識，又要結(jié)合工程實踐。合理配置的實踐教學(xué)內(nèi)容，會使理論課程和實驗教學(xué)科學(xué)合理地組合成全部的教學(xué)內(nèi)容。改革后的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是在以學(xué)生為主導(dǎo)的基礎(chǔ)上，配以豐富的實驗內(nèi)容、多元的實驗過程，發(fā)揮每一個學(xué)生的潛能，激發(fā)學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性和積極性。

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