李強(qiáng)(山東理工職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272067)

0 引言

化工過程控制是化工自動化類高職專業(yè)的一門學(xué)科交叉、工程實踐性很強(qiáng)的課程。如果只是在課堂上進(jìn)行單純理論講解，學(xué)生是無法真正理解并掌握的。因此教師必須要重視過程控制實驗教學(xué)，讓學(xué)生真正的去動手實踐，“做中學(xué)，學(xué)中做”，理論知識與實驗過程相融合才能真正達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)[1]。過程控制實驗教學(xué)的目的是要能讓學(xué)生理解生產(chǎn)過程工藝及自動控制要求，提高解決控制工程實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。為此高職院校需要根據(jù)崗位能力要求提供相應(yīng)的實驗教學(xué)條件，來滿足教學(xué)需要。如果缺少實驗教學(xué)裝置，缺少真實的實驗環(huán)境，就很難培養(yǎng)出滿足企業(yè)需要的人才。但由于過程控制技術(shù)主要應(yīng)用在化工、石油、制藥等行業(yè)的控制系統(tǒng)上。而這些行業(yè)企業(yè)所涉及的過程控制流程相對復(fù)雜，生產(chǎn)過程往往存在化學(xué)反應(yīng)，因此很難把實際生產(chǎn)裝置直接移植到實驗室。那么如何既能滿足企業(yè)對過程控制技能人才的需求，又能高效安全的進(jìn)行實驗，對高職院校過程控制實驗教學(xué)提出了更高要求。選擇合適的實驗裝置，實施有效的過程控制實驗教學(xué)，對于培養(yǎng)高職學(xué)生過程控制技能具有重要意義。

1 過程控制實驗裝置現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)過程控制實驗裝置

高職院校傳統(tǒng)的過程控制實驗普遍采用小型化實物裝置。這些裝置雖然用的是真實儀器儀表，具有體積緊湊、結(jié)構(gòu)簡單和外形直觀的特點[2]，但無法實現(xiàn)與工業(yè)真實裝置一樣的功能，存在明顯不足。比如實驗對象往往采用以水槽或儲罐為主，造成實驗項目單一。除了進(jìn)行流量、液位與傳熱實驗外，無法完成復(fù)雜的過程控制控制實驗。另外在實驗過程中儀器儀表會被頻繁使用，甚至超量程使用，以及實驗過程中難以避免的誤操作甚至亂操作，會導(dǎo)致性能下降甚至損壞，同時實驗重復(fù)性差，很難保證控制效果，對學(xué)生學(xué)習(xí)造成困擾。

1.2 純仿真過程控制實驗裝置

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，很多高校開始把仿真技術(shù)引入到過程控制實驗教學(xué)。例如MATLAB是一個高級的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算軟件，可以用作動態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)的建模與仿真[3]。但利用MATLAB進(jìn)行仿真實驗，必須熟悉過程控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好、抽象思維能力相對強(qiáng)的本科生來說，使用這種仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程控制理論知識有一定的作用。但對于高職院校的學(xué)生，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，無法理解其中的含義，對仿真過程毫無興趣，對仿真結(jié)果只是停留在表面觀察上，因此這類實驗裝置反而會打擊高職學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.3 半實物過程控制仿真實驗裝置

半實物過程控制仿真實驗裝置是比較先進(jìn)的實驗系統(tǒng)，有多種實現(xiàn)方式。其中一種是采用三維軟件建立虛擬三維對象，而硬件采用真實的控制系統(tǒng)。學(xué)生可以在虛擬場景中基于仿真對象進(jìn)行實驗，但由于現(xiàn)場儀表都是虛擬對象，學(xué)生只能在計算機(jī)上模擬控制和訓(xùn)練操作，無法獲得真實操作體驗，不利于未來進(jìn)行現(xiàn)場系統(tǒng)的維護(hù)調(diào)試工作。

高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT是將全數(shù)字仿真技術(shù)與實物外觀模擬裝置相結(jié)合，集多種實驗功能于一體的半實物仿真實驗裝置[4]。實驗裝置由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件又由上下兩部分組成，下面安裝有接口硬件電氣設(shè)備以及嵌入式工控機(jī)，上面是為用戶提供工藝設(shè)備的實物模型以及可以對工藝流程進(jìn)行操作的調(diào)節(jié)閥和顯示工藝參數(shù)的仿真儀表。實驗裝置軟件系統(tǒng)包括了可以用于進(jìn)行實驗項目管理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)視以及控制系統(tǒng)組成等實驗功能的上位機(jī)軟件，完成實時動態(tài)工藝過程仿真計算及數(shù)據(jù)管理仿真引擎系統(tǒng)，還有其他用于軟、硬件通信的接口軟件。采用高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT能夠模擬出由鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程。因此與其他實驗裝置相比，SMPT實驗裝置工程化背景強(qiáng)，實驗對象的工藝流程來源于實際生產(chǎn)裝置，設(shè)備與工藝參數(shù)及特性都與實際裝置一致。所有的變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均具有真實外觀并分布在實際位置，可直接觀察，演示作用明顯。實驗環(huán)境能給學(xué)生以全真實的位置、操作和時間特性感覺。實驗裝置具有良好的擴(kuò)展性，設(shè)備對象參數(shù)可自定義，能夠滿足開展創(chuàng)新性和綜合性的過程控制實驗。我院擁有五套SMPT實驗裝置，運(yùn)行可靠，能夠滿足過程控制實驗教學(xué)需要，是比較理想的過程控制實驗裝置。

隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提升，化工企業(yè)開始引入DCS系統(tǒng)進(jìn)行過程控制。高級多功能過程控制仿真實驗裝置SMPT還配有S7-400PLC，支持德國西門子公司推出的新一代DCS產(chǎn)品—PCS7系統(tǒng)。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和分布式IO之間，分布式IO與在現(xiàn)場控制級AS站(自動化站)之間的通信從而能夠?qū)崿F(xiàn)把現(xiàn)場設(shè)備集成到過程控制系統(tǒng)中。如圖1所示，西門子PCS7可以支持實現(xiàn)三級結(jié)構(gòu)的過程控制系統(tǒng)。其中位于最上層的控制級包括了主要有用于系統(tǒng)設(shè)計、編程與維護(hù)的工程師站(ES)和用于監(jiān)控的操作員站(OS)，工程師站和操作員站需要配置相關(guān)的DCS系統(tǒng)軟件，因此在實驗室環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)實施時可以通過設(shè)置使兩個工作站在同一臺上位機(jī)工作?，F(xiàn)場控制級由西門子S7-400PLC承擔(dān)，包括了電源、CPU和通信模塊等。現(xiàn)場設(shè)備級主要由SMPT實驗裝置提供仿真被控對象，用于模擬仿真在實際工程中所使用的化工裝備、儀器儀表和執(zhí)行器等。過程控制級與現(xiàn)場控制級之間采用TCP/IP協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接?，F(xiàn)場控制級與仿真裝置之間采用現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行連接通信。由于SMPT實驗裝置屬于半實物仿真裝置，所有的仿真對象參數(shù)、特性和過程數(shù)據(jù)都由工控機(jī)軟件按照模型算法產(chǎn)生。因此實驗裝置上位機(jī)通過串口與通訊模塊PM125進(jìn)行連接，PM125能夠?qū)崿F(xiàn)串口轉(zhuǎn)PROFIBUS的功能，然后利用PROFIBUS總線與CPU的DP口連接。在PCS7系統(tǒng)中可以構(gòu)建如圖2所示為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。

圖1 SMPT實現(xiàn)的三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 PCS7系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2 過程控制實驗教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 重理論，輕實驗

高職院校過程控制實驗裝置普遍采購數(shù)量不足，并且傳統(tǒng)的過程控制實驗存在實驗內(nèi)容和步驟比較多、系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)試耗時長等一系列問題，造成教師無法在有限的課時里開展有效實驗教學(xué)。教師會用更多的時間進(jìn)行過程控制原理的理論教學(xué)，并且傳統(tǒng)過程控制實驗主要是驗證性實驗，只是用于驗證分析控制結(jié)果，在很多教師看來這種實驗可做可不做。因此有的教師甚至于不再安排學(xué)生做實驗，而是采取用圖片、動畫和視頻方式代替實驗去演示說明控制原理。事實上由于高職學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)薄弱，抽象思維差的情況，這種教學(xué)方式最終只會造成學(xué)生對于控制理論的掌握只是停留聽的層面，過程控制技能水平幾乎為零。對于高職教育，不僅要加大實驗教學(xué)，而且要提高實驗的層次，除了基本驗證實驗，還需要加大創(chuàng)新自主實驗。

2.2 重演示，輕效果

由于過程控制實驗不僅要了解生產(chǎn)工藝，而且要熟悉使用各種軟硬件資源，對學(xué)生提出了很高要求。為防止學(xué)生損壞實驗裝置、提高實驗效率，很多院校的過程控制實驗變成了教師的示范演示。由于傳統(tǒng)化工過程控制課程教學(xué)，課堂教學(xué)與實驗教學(xué)是分離的。實驗教學(xué)計劃的安排也會由于各種原因?qū)е潞驼n堂教學(xué)進(jìn)程不一致。實驗教學(xué)時，教師雖然很認(rèn)真細(xì)致地演示，而學(xué)生可能無法理解，只能機(jī)械地記憶。教師任務(wù)完成了而留給學(xué)生的時間也最多僅能按照實驗手冊規(guī)定的實驗步驟和教師的示范演示進(jìn)行簡單的模仿重復(fù)。導(dǎo)致學(xué)生動手機(jī)會非常少，實驗過程索然無味，實驗報告互相抄襲，實驗成績無法客觀評價，不利于學(xué)生自主設(shè)計與創(chuàng)新實踐的能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)過程控制實驗的評價主要依據(jù)學(xué)生完成的實驗報告特別是被控變量的監(jiān)控曲線和分析計算相關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行。但由于實驗時間緊張，加之學(xué)生的應(yīng)付心理，教師也沒有足夠的時間進(jìn)行審核實驗結(jié)果，很多時候下課了實驗也就結(jié)束了，缺少實驗評價。

2.3 重課程，輕應(yīng)用

近年來，國家更加強(qiáng)調(diào)高職院校應(yīng)當(dāng)突出培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，對實驗環(huán)節(jié)提出更高層次的目標(biāo)與要求。但傳統(tǒng)過程控制實驗主要圍繞課程教材內(nèi)容展開，根據(jù)課程知識點與實驗裝置情況而不是根據(jù)崗位實際能力需求去設(shè)計實驗項目，導(dǎo)致實驗項目缺少應(yīng)用背景。學(xué)生通過實驗雖然能夠達(dá)到理解課程內(nèi)容的目的，但不能夠切實提高工程能力，不能靈活運(yùn)用所學(xué)知識去解決實際問題。

3 過程控制實驗教學(xué)改革

3.1 采用線上線下、理實一體混合教學(xué)

利用 SMPT實驗裝置提供的SMPT Lab軟件可以方便地完成實驗項目的管理、實時數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常實驗功能。同時實驗裝置由于采用了虛實結(jié)合的設(shè)計理念，在進(jìn)行過程控制實驗時不需要進(jìn)行過多的接線甚至不需要接線，而且對于執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥的操作支持多種操作模式。充分利用SMPT Lab軟件功能將大大節(jié)省實驗時間，但由于過程控制系統(tǒng)中物料供給、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物累積等都需要一定的時間。同時為了能夠幫助學(xué)生更好更及時地理解過程控制原理，在有限的課時內(nèi)能進(jìn)行更多的實驗可以采用線上線下、理實一體混合教學(xué)。通過利用智慧職教平臺，搭建課程教學(xué)平臺。教師可以課前在線上布置實驗項目，提供相關(guān)資料，讓學(xué)生提前根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計控制回路，制定初步的實驗方案。課中采取在實訓(xùn)室進(jìn)行理實一體化教學(xué)，重點講解相關(guān)控制原理的難點部分，討論實驗方案是否合理，讓學(xué)生修改完善實驗方案并自主測試。課后讓學(xué)生根據(jù)實驗測試的結(jié)果優(yōu)化控制方案，對相關(guān)原理進(jìn)行總結(jié)。教師可以把相關(guān)的實驗演示過程作為資源，供學(xué)生隨時自主觀看學(xué)習(xí)，保證學(xué)生實驗前預(yù)習(xí)有充足的資源做好知識和技能準(zhǔn)備工作，并根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況查缺補(bǔ)漏，從而能節(jié)省更多時間用于線下動手實驗，提高實驗效率。

3.2 采用“一線兩階”的項目化教學(xué)法

只是進(jìn)行控制原理驗證性的實驗，是無法真正提高學(xué)生工程實踐能力。項目化教學(xué)已經(jīng)在高職教學(xué)中得到了廣泛推廣和應(yīng)用，并且取得了明顯成效。SMPT實驗裝置能夠根據(jù)系統(tǒng)自帶的工程項目文件實現(xiàn)對各種過程控制任務(wù)的模擬仿真，并且所有實驗項目實施都可以支持使用SMPT Lab和SIMATIC PCS7軟件實現(xiàn)。因此可以采用以SMPT的過程控制項目實施為主線，分兩個階段分別使用兩款軟件作為控制組態(tài)工具進(jìn)行項目實施的“一線兩階”教學(xué)。SMPT的控制項目可以根據(jù)五大典型被控變量—液位、流量、溫度、壓力和組分，結(jié)合SMPT的硬件組成，依托不同設(shè)備單元進(jìn)行多種類、多層次的控制系統(tǒng)實驗項目。課程前半階段采用SMPT Lab進(jìn)行項目實施，主要完成各類控制方案的設(shè)計與實施為主，使學(xué)生打好過程控制的基礎(chǔ)。課程后半階段采用SIMATIC PCS7進(jìn)行項目實施，以在SIMATIC PCS7上進(jìn)行工程實踐為主，使學(xué)生掌握DCS系統(tǒng)工程實施技能。圖3為“一線兩階”項目設(shè)計框圖。

圖3 “一線兩階”項目設(shè)計框圖

3.3 創(chuàng)新評價方法，激發(fā)學(xué)習(xí)動力

SMPT實驗裝置上位機(jī)中的SMPT Lab軟件提供了評分功能。教師可以根據(jù)實驗項目要求設(shè)置相應(yīng)詳細(xì)評分規(guī)則，比如：系統(tǒng)運(yùn)行時間、參數(shù)安全指標(biāo)、公用工程消耗指標(biāo)等。系統(tǒng)運(yùn)行時間結(jié)束后，會對學(xué)生控制方案實施結(jié)果自動作出評分，并給出完整的評分表。這樣不僅有利于對學(xué)生實驗效果進(jìn)行量化評價，而且通過各評分項得分情況能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)控制方案的不足，同時也會激發(fā)出學(xué)生挑戰(zhàn)更高分?jǐn)?shù)的動力。采用這種評價方法，能節(jié)省教師更多時間，用于對學(xué)生進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

3.4 以賽促學(xué)，拓展能力

SMPT實驗裝置是CIMC(中國智能制造挑戰(zhàn)賽)智能制造工程設(shè)計與應(yīng)用類賽項，流程行業(yè)自動化方向比賽用指定設(shè)備。近年來，該賽項都是依據(jù)在化工類企業(yè)中常見的某化學(xué)反應(yīng)工藝為背景，讓參賽人員進(jìn)行工藝對象和控制要求的分析，進(jìn)行開車步驟及控制方案的設(shè)計，完成控制系統(tǒng)的實施與優(yōu)化。圖4為2021年CIMC大賽工藝流程簡圖。與日常實驗項目相比，賽項所涉及項目更加接近真實控制系統(tǒng)，工藝機(jī)理相對復(fù)雜，而且容易忽略的生產(chǎn)原料循環(huán)使用、公用工程消耗、設(shè)備出現(xiàn)抽空或滿罐等工程要素在比賽中都有考查。因此通過鼓勵學(xué)生參加技能比賽，不僅可以使學(xué)生參與賽項相關(guān)的培訓(xùn)，得到更多的學(xué)習(xí)機(jī)會，而且能夠開拓視野，進(jìn)一步提高工程實踐能力。同時，在實驗教學(xué)中，可以把往年賽題作為拓展項目，提供給學(xué)有余力、有興趣的學(xué)生，達(dá)到分層教學(xué)的目標(biāo)。

圖4 某工藝流程簡圖

4 結(jié)語

高職院校要培養(yǎng)出滿足企業(yè)需要，具有過程控制技能的人才，就需要重視過程控制實驗教學(xué)。在教學(xué)中，要依據(jù)“必需、夠用”的原則，開展理論與實踐教學(xué)。讓學(xué)生在動手實踐中，掌握過程控制原理與技能。理想的實驗裝置能夠為人才培養(yǎng)起到極大的助力。相關(guān)高職院校應(yīng)該積極更新實驗裝置，在此基礎(chǔ)上，積極進(jìn)行教學(xué)改革探索。SMPT實驗裝置是比較理想的過程控制實驗裝置，裝置設(shè)計理念先進(jìn)，運(yùn)行可靠，為過程控制實驗提供了豐富的功能支持，能夠適應(yīng)培養(yǎng)出滿足工業(yè)企業(yè)對過程控制技能人才的不同要求。充分利用SMPT實驗裝置，及時引入新的教學(xué)理念，對改進(jìn)過程控制實驗教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。