《化工仪表及自动化》课程教学大纲

本文格式为Word版，下载可任意编辑——《化工仪表及自动化》课程教学大纲

《化工仪表及自动化》课程教学大纲

开课学院：适用专业：编写人员：

石油化工学院肖东彩

教研室主任审核：院长签字：

2023年9月

-1-

《化工仪表及自动化》课程教学大纲

一、课程基本状况

课程基本状况表

课程名称课程编码学分学时适用专业先修课程后续课程化工仪表及自动化4学分；64学时课程类别开课学期?核心?必修□选修第三学期安全生产监测监控、石油化工技术、光伏材料制备技术《高等数学》、《化工识图与制图》、《电工基础》、《电子技术》《顶岗实习》二、课程说明

本课程是工科化工与制药类安全生产监测监控、石油化工技术、光伏材料制备技术专业的专

业基础课程，为保证现代工业生产过程的平稳运行起着不可替代的作用。本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本设计方法的讲解；在培养实践能力方面着重设计构思和基本设计技能的基本训练，使学生把握化工生产中各类仪表的用途和工作原理，把握化工自动化的基础知识，并可以独立设计简单的自动化控制系统的能力。

三、课程学习目标

1．学习自动化及化工仪表知识，把握化工四大参数的测量方法与常见的测量仪表，其常用的结构、特性等基本知识，具有选用化工行业中适合的仪表的能力。

2．通过自动控制系统的学习，了解构成自动控制系统的各个基本环节，能够在生产实践中根据生产工艺及自动控制两个方面的要求，为自动控制系统的设计提供合理的、确凿的工艺条件及数据。

3．了解化工仪表、化工自动化的前沿和新发展动向，了解计算机控制系统的组成、特点，集散控制系统的特点、组成，具有了解常见系统的能力。

4．培养学生树立正确的设计思想，了解自动控制系统设计过程中国家有关的经济、环境、法律、安全、健康等政策和制约因素。

5．培养学生的工程实践学习能力，使学生把握典型仪表的使用方法，具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。

课程教学内容与学习目标矩阵

序号12345678（一）绪论（二）化工检测仪表（三）自动控制系统的基本概念（四）过程特性及其数学模型（五）自动控制仪表（六）执行器（七）简单控制系统（八）繁杂控制系统课程内容目标1●●●●●目标2●●●●●●●目标3●●●●目标4●●●●目标5●●●●●●910（九）计算机控制系统（十）典型化工单元的控制方案●●●●●●四、课程教学内容及教学要求

（一）绪论1．教学内容

化工自动化的概念；化工自动化的特点；化工仪表作用、分类及化工仪表的发展。2．重点、难点无。

3．教学要求

了解本课程研究的对象、内容，学习的意义及目的，化工仪表及自动化的发展及课程的主要内容。

（二）化工检测仪表1．教学内容

过程测量的基本概念和误差基本知识；压力、温度、流量、液位、物质成分等参数的测量原理、方法及应用；新型传感器的介绍。

2．重点、难点

重点：误差的基本知识；各类压力、温度、流量、液位、物质成分测量仪表的基本原理及其应用范围。

难点：各类压力、温度、流量、液位、物质成分测量仪表的基本原理及其应用范围。3．教学要求

通过现场实训装置、仪器、仪表的拆装及运行等方式，使学生了解测量过程与测量仪表，测量误差的分类；理解绝对误差、相对误差的概念；把握仪表的精度和量程的选择，压力的检测方法、了解压力表的选择、校验及安装方法，常见的流量检测仪表；理解差压式流量计的测量原理及流量基本方程；了解差压式流量计的安装及其他一些流量仪表，常见的物位检测仪表。理解差压变送器的测量原理及零点迁移问题；了解其他一些物位测量仪表，常见的温度检测仪表及方法、重点把握热电偶温度计的测量原理及温度补偿的问题；把握热电阻及其测温原理；了解温度变送器的作用，显示仪表的功能、各种显示方式。

（三）自动控制系统的基本概念1．教学内容

控制系统的组成；控制系统的方块图构成；控制系统的分类；控制系统的过渡过程及其性能指标。

2．重点、难点

过程控制系统的组成、结构、分类及其过渡过程和性能指标。3．教学要求

了解化工检测的发展趋势；理解检测仪表的品质指标；把握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；理解自动控制系统中常用的各种术语，把握方块图的意义及画法；熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义；了解控制系统的几种分类形式，把握系统的动态与静态，闭环控制系统在阶跃干扰（扰动）作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。

（四）过程特性及其数学模型1．教学内容

化工过程的特点及其描述方法；对象数学模型的建立；描述对象特性的参数。2．重点、难点

被控对象的数学描述、特性参数及其对控制系统的影响。3．教学要求

了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；把握用机理建模的方法建立简单对象数学模型，表征被控对象特性的三个参数，即放大系数、时间常数、滞后时间的物理意义及其对控制质量的影响；了解被控对象特性的试验测定方法。

（五）自动控制仪表1．教学内容

基本控制规律及其对系统过渡过程的影响。2．重点、难点

重点：基本控制规律及其对系统过渡过程的影响。难点：基本控制规律对系统过渡过程的影响。3．教学要求

了解控制仪表的发展状况；通过仿真、实体装置操作，把握常见的基本控制规律、PID控制作用规律的特点和使用，模拟式控制器的基本组成和DDZ-Ⅲ型控制器的特点；了解数字式控制器的基本组成和特点；可编程控制器的功能和特点。

（六）执行器1．教学内容

气动执行器的结构、分类、流量特性、控制阀的选择。电气转换器与电气阀门定位器。2．重点、难点

控制阀的流量特性及控制阀的选择。3．教学要求

了解气动执行器的结构及分类；把握控制阀的流量特性及控制阀的选择；了解阀门定位器的功能和选用，电动执行器概念及分类，电气转换器及电气阀门定位器概念及工作原理。

（七）简单控制系统1．教学内容

简单控制系统的机构与组成；简单控制系统的设计；控制器参数的工程整定。2．重点、难点

重点：简单控制系统的设计方案。难点：控制器正、反作用确定的方法。3．教学要求

了解简单控制系统的结构、组成及作用；把握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则；了解各种基本控制规律的特点及应用场合；把握控制器正、反作用确定的方法，控制器参数工程整定的方法，单回路的控制系统实际设计、运行控制操作以及仿真参数整定。

（八）繁杂控制系统1．教学内容

串级控制系统的结构、特点、典型案例应用；均匀控制系统的结构、特点；比值控制系统的结构、特点；前馈控制系统的结构、特点；选择性控制系统的结构、特点；分程控制系统的结构、特点。

2．重点、难点

重点：串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合。

难点：串级控制系统中副变量的确定及主、副控制器正反作用的选择。3．教学要求

把握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合，串级控制系统中副变量的确定及主、副控制器正反作用的选择；了解串级控制系统中主副控制器参数的工程整定方法，设置均匀控制系统的目的及控制方案，比值控制系统的各种类型，把握单闭环比值控制方案的结构及特点；把握前馈控制系统的结构、特点及应用场合；理解连续型选择性控制系统的结构特点及控制方案，了解开关型选择性控制系统，积分饱和现象的产生及防止方法，分程控制系统的结构及应用场合，多冲量控制系统的意义；理解三冲量控制系统的结构特点。

（九）计算机控制系统1．教学内容

计算机控制系统概述；集散控制系统。2．重点、难点

重点：集散控制系统的特点及基本组成。难点：无。3．教学要求

把握直接数字控制（DDC）的PID算法；了解DDC系统的基本组成与作用；把握全开放集散控制系统（DCS）的特点及基本组成；了解DCS现场控制站及操作站的硬件与软件，全开放式控制软件ONSPEC的特点及用途，现场总线的特点及基本设备。

（十）典型化工单元的控制方案1．教学内容

热交换器温度反馈—静态前馈控制系统的组成以及生产过程对系统设计的要求；流体输送设备的典型控制方案；反应器的典型控制方案；精馏塔的典型控制方案；常减压蒸馏过程的控制；催化裂化过程的控制；乙烯生产过程的控制；聚合过程的控制；生化过程的控制；化肥生产过程的控制。

2．重点、难点

重点：流体输送设备的典型控制方案；传热设备的控制方案。难点：精馏塔的典型控制方案。3．教学要求

通过相应仿真软件的运行演示以及播放企业现场录制的视屏等方式，使学生把握离心泵和往复泵控制方案的特点；了解离心式压缩机防喘振控制的一般方法；理解传热设备控制的一般方法；理解精馏塔提馏段温控与精馏段温控的特点和方法；了解釜式、固定床、流化床反应器控制的一般方法；了解常压、减压蒸馏塔的控制方案，裂解气分馏塔的控制方案，乙烯精馏塔的典型控制方案，聚氯乙烯、聚乙烯生产过程的控制方案，谷氨酸发酵工艺过程的控制方案，合成氨生产过程的控制方案。

课程教学内容学时分派表课程教学内容主要内容学时112444311111211321重点知识点，可以通过工程案例专题讲解建议安排现场教学备注1．化工自动化的概念，化工自动化的特点（一）绪论2．化工仪表作用、分类及化工仪表的发展1．过程测量的基本概念和误差基本知识2．各类压力测量仪表的结构、测量原理及选用原则3．各类温度测量仪表的结构、测量原（二）化工检测仪表理及选用原则4．各类流量测量仪表的结构、测量原理及选用原则5．各类液位测量仪表的结构、测量原理及选用原则6．过程检测技术的新进展1．控制系统的组成2．控制系统的方块图构成（三）自动控制系统的基本概念3．控制系统的分类4．控制系统的过渡过程及其性能指标5.工程综合案例专题（四）过程特性及其数学模型（五）自动控制仪表1．化工过程的特点及其描述方法，对象数学模型的建立2．描述对象特性的参数基本控制规律及其对系统过渡过程的影响。1．气动执行器的结构、分类、流量特性、控制阀的选择。2．电气转换器与电气阀门定位器（六）执行器

课程教学内容主要内容1．简单控制系统的机构与组成，简单控制系统的设计学时3164211111111222备注（七）简单控制系统2．控制器参数的工程整定3．单回路的控制系统设计、运行控制及仿真参数的工程整定1．串级控制系统的结构、特点2．串级控制系统典型案例应用（八）繁杂控制系统3．均匀、比值控制系统的工程应用实例4．前馈、选择性、分程控制系统的工程应用实例（九）计算机控制系统1．计算机控制系统概述2．集散控制系统与现场总线控制系统1．热交换器温度反馈—静态前馈控制系统的组成以及生产过程对系统设计的要求2．流体输送设备的典型控制方案（十）典型化工单元的控制方案3．反应器的典型控制方案4．精馏塔的典型控制方案5．常减压蒸馏过程的控制6．乙烯生产过程的控制7．典型过程单元控制系统设计及仿真串级控制系统PID参数的整定合计学时64学时，其中理论56学时，实践8学时五、课程考核方式

本课程为考试课，考核方式实施“N+1+1〞的过程考核制度，其中“N〞是教学过程的考核次数，占总成绩的40%，分别是：作业10%，小论文(或制作PPT)10%，期中测验10%，试验10%；第一个“1〞是期末考试，占总成绩的50%；其次个“1〞是课堂笔记，占总成绩的10%。见下表：

总评构成评价方式作业N小论文(或制作PPT)测试试验11期末考试课堂笔记比例10%10%10%10%50%10%六、课程教学资料

（一）建议教材

厉玉鸣主编．化工仪表及自动化（第5版）．化学工业出版社,2023.3（二）参考教材

[1]俞金寿等主编．过程控制系统．机械工业出版社,2023

[2]戴连奎等主编．过程控制工程（第3版）．化学工业出版社,2023[3]粱森等主编．自动检测技术及应用（第2版）．机械工业出版社,2023

附件：实践教学内容

（一）化工仪表认识试验1.试验内容

流量、液位、压力、温度的检测和变送。弹簧管式压力表工作原理，了解DDZ仪表和智能仪表、DDC、PLC及DCS的工作原理，了解电动调理阀的基本结构，包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件、弹性联轴器和位置反馈等部件。

2.试验目的及要求

初步了解《化工仪表及自动化》课程所研究的各种常用化工仪表的基本工作原理、结构、类型、特点及应用。了解常用传感器、智能仪表、调理阀的工作原理、结构特点及应用。

3.主要仪器及设备

四位一体多功能试验装置、仪表拆装台（二）四位一体多功能试验1.试验内容

了解四位一体检测装置的整体性能，熟悉试验用各种检测仪表的工作原理、精度、量程、性能指标、安装使用方法。选择两套装置进行运行，记录试验操作步骤，观测仪表运行状况，阐述液体流量单元、气体流量单元、压力单元、液位单元、温度单元的工艺流程，说明在该装置上所进行的试验过程。

2.试验目的及要求

熟悉仪表的性能指标，提出减小测量误差的解决方法；熟悉常用各种液位、温度、压力、流量检测仪表的结构、型号规格、适用场所、主要特点和安装使用本卷须知；熟悉差压式液位变送器和超声波液位检测的测量原理和检测方法；通过仪表的检测分析，反映工艺设备故障问题，提高动手处理问题的能力。

3.主要仪器及设备

四位一体多功能试验装置

（三）单回路（串级）控制系统设计及应用试验1．试验内容

认知控制系统回路设计试验装置的整体性能及构造；要求在温度、压力、流量三参数中任选一，设计一个简单（串级）控制系统回路，设计试验线路和试验步骤，实现相应参数的检测。

2．试验目的及要求

熟悉试验用各种检测仪表的工作原理、信号线接线、性能指标、安装使用方法；提出所需试验仪器及工具；独立设计、组装所需要的试验装置，熟悉组装后的工艺流程并绘制；把握试验操作步骤，观测仪表运行状况。通过对一个单回路控制系统的构建与操作，更深入理解一个工业自控系统的结构、工作原理以及投运步骤；把握控制系统的调整方法—工程参数整定；对整定好的控制系统的质量进行验证--对整定好的系统施加一定的外部干扰，测试其能否有效地加以战胜，调理的质量如何。

3．主要仪器及设备

智能检测控制系统全套装置。

（四）单容水箱液位PID整定试验1．试验内容

认知液位控制系统回路设计试验装置的整体性能及构造，水介质由泵P101（变频器U101驱动）从水箱V104中加压获得压头到达水箱，通过自动控制调理液位，对PID进行整定，得到合理的曲线。

3.试验目的及要求

使学生了解单回路反馈控制系统的组成和工作原理。了解用P、PI、和PID调理时的过程图形曲线。把握定性地研究P、PI、和PID调理器的参数对系统性能的影响。

3．主要仪器及设备

A3000控制系统、泵、电动调理阀：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC、涡轮番量计：量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA。

（五）锅炉动态水温度PID整定试验1．试验内容

水介质由泵P101（变频器U101驱动）从水箱V104中加压获得压头，当锅炉内的水量达到测试需要的高度后，关闭手阀QV115，开启手阀QV114，从而使锅炉、水泵P101构成一个循环回路；其中，锅炉的温度由TE101测得。本例为定值自动调理系统，可控硅GZ101功率为操纵变量，TE101为被控变量，采用PID调理来完成。

2．试验目的及要求

了解液位控制的构成环节，温度控制原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。通过试验，把握PID参数的整定。

3．主要仪器及设备

A3000控制系统、泵、电动调理阀：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC、涡轮番量计：量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA。

（六）单回路（串级）控制系统仿真试验1．试验内容

正确选择相关的支路流程，确定被控参数，选择正确的操作值通道和测量值通道，通过减曲线法（或经验试凑法）对被控参数进行PID整定，整定终止，进入评分系统进行自动评分。

4.试验目的及要求