CC BY
17
УДК 62.53, 378.147
М. М. Андреева, Н. А. Староверова
СПЕЦИФИКА ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА «СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ» ДЛЯ БАКАЛАВРОВ ИНЖЕНЕРОВ-ТЕХНОЛОГОВ В КОНТЕКСТЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ
Ключевые слова: бакалавры, рабочая программа, учебный план, компетентности.
Представлен анализ рабочей программы дисциплины «Системы управления химико-технологическими процессами» преподаваемый для большинства специальностей инженеров-технологов химических направлений. Показана наполняемость данного курса и обоснован выбранный материал с точки зрения достижения поставленных целей и компетенций определяемых стандартом (на примере направления 240100-химические технологии). Показана необходимость увеличения времени преподавания данного предмета.
Keywords: bachelors, working program, curriculum, competence.
The analysis of the working program of discipline "Management systems chemical and technological processes" taught for the majority ofprofessions ofprocess engineers of the chemical directions is provided. The fullness of this course is shown and the selected material from the point of view of achievement of goals and competences of difinienda by the standard (on the example of the direction 240100-chemical technologies) is reasonable. Need of increase in time of teaching of this subject is shown.
Основные цели современной системы образования - интеллектуальное и нравственное развитие личности, формирование критического и творческого мышления, умения работать с информацией, умение сотрудничать в команде. Поэтому современная система образования должна быть построена таким образом, чтобы предоставить учащимся возможности размышлять, сопоставлять разные точки зрения, формулировать и аргументировать собственную позицию, опираясь на знания фактов, законов, закономерностей науки, на собственные наблюдения, на свой и чужой опыт.
Кроме того необходимо напомнить, что современное образование в России переходит на новую систему. Это, во-первых, двухуровневое образование, предусматривающие подготовку на первом этапе бакалавров, а затем магистров; и во-вторых, компетентностный подход в обучении, когда предварительно формулируются цели в подготовке специалистов, как в профессиональной, так и в общекультурной сфере. Немного подробнее остановимся на каждом из этих преобразований.
Подготовка бакалавров и магистров предполагает более жёсткие требования к выпускникам учебных заведений. Ожидается, что дипломированные бакалавры по окончанию ВУЗа должны быть готовыми приступить к работе на предприятиях. Следовательно, в программе подготовки бакалавров, необходимо сделать особый акцент на профессиональные дисциплины [1, 2]. Иначе обстоит ситуация с формированием образовательных программ магистров. Их содержание в первую очередь зависит от того, в какой сфере предполагает развиваться магистр - по специальности, в науке или в преподавании.
Второй момент - это компетенции, которые сформированы для каждой специальности. Их достижение обеспечивается по мере прохождения курсов учебной программы [3, 4].
Таким образом, подготовка учебно-методического комплекса по каждой дисциплине цикла должна строиться с учетом вышеизложенных условий. В представленной статье на примере структуры предмета «Системы управления химико-технологическими процессами» будет дана оценка положительных и отрицательных сторон внедряемой системы подготовки бакалавров, а также даны практические рекомендации. Выбор этой дисциплины связан в первую очередь с тем, что он относится к базовой части профессионального цикла большинства специальностей технологических вузов [2, 5].
Для успешного усвоения дисциплины «Системы управления химико-технологичесими процессами» студент должен знать:
- основные химические производства, физико-химические основы процессов отрасли, аппараты, реакторы, технологические процессы и производства отрасли;
- программные средства инженерной и компьютерной графики; основы работы в локальных и глобальных сетях;
- основные понятия и законы электрических и магнитных цепей; принципы работы электромагнитных устройств;
уметь:
- выполнять и читать чертежи технических изделий и схем технологических процессов, использовать средства компьютерной графики для изготовления чертежей, а также оценивать производительность вычислительных машин и систем;
- рассчитывать основные характеристики химического процесса, выбирать рациональную схему производства заданного продукта, оценивать технологическую эффективность производства;
владеть:
- методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях;
- современными программными средствами инженерной и компьютерной графики;
- методами определения оптимальных и рациональных технологических режимов работы оборудования;
- методами определения технологических показателей процесса;
- навыками разработки технологического процесса с использованием автоматизированных систем в составе авторского коллектива;
- навыками расчета и проектирования отдельных стадий технологического процесса с использованием стандартных средств автоматизации проектирования;
А также, принимать участие в разработке проектной и рабочей технической документации.
Целями освоения дисциплины является предоставление студентам знаний по основам автоматизации, о принципах, методах и технических средствах систем управления химико-технологическими процессами. Студенты должны познакомиться со структурами современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), с приемами выбора и использования систем контроля, сигнализации, блокировки и защиты. Кроме того, задачей курса является выработка у студентов практических навыков грамотного использования разнообразных систем управления и автоматизации, а также их элементов. Это одна из основных дисциплин профиля, так как без знания современных систем управления технологическими процессами невозможно сознательно и эффективно выполнить квалификационную работу бакалавра и в дальнейшем успешно работать по специальности.
Согласно большинству рабочих планов по подготовки инженеров-технологов химической, пищевой, нефтегазоперерабатывающей отрасли, освоение данной дисциплины позволяет достичь ряда компетенций сходных по своему содержанию для этих направлений. Поэтому в качестве примера считаем возможным рассмотреть компетенции, предусмотренные для специальности 240100 — химическая технология при освоении дисциплины «Системы управления химико-технологичесими процессами».
Общепрофессиональные компетенции (ОК):
- ОК-3 способностью и готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе;
- ОК-6 готовностью к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства, способностью приобретать новые знания в области техники и технологии, математики, естественных, гуманитарных, социальных и экономических наук; Профессиональные компетенции (ПК):
- ПК-1 способностью и готовностью осуществлять технологический процесс в соответ-
ствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции;
- ПК-9 готовностью к освоению и эксплуатации вновь вводимого оборудования;
- ПК-11 способностью анализировать технологический процесс как объект управления;
- ПК-18 использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления;
- ПК-20 разрабатывать проекты в составе авторского коллектива;
- ПК-22 проектировать технологические процессы с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства в составе авторского коллектива.
Профессионально прикладные компетенции
(ППК)
- ППК-1 готовностью подготавливать к работе технологическое оборудование, инструменты, оснастку, осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса;
- ППК-3 способностью выявлять и устранять отклонения от режимов работы технологического оборудования и параметров технологического процесса;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:
- современные технические средства систем управления (преобразователи технологических параметров, регуляторы, исполнительные механизмы, контроллеры);
- архитектуру АСУТП, основные понятия теории автоматического управления технологическими процессами;
- статические и динамические характеристики объектов и звеньев управления;
- основные виды систем автоматического регулирования и законы управления;
- типовые системы автоматического управления в химической промышленности;
- методы и средства диагностики и контроля основных технологических параметров;
уметь:
- определять основные статические и динамические характеристики объектов;
- выбирать рациональную систему регулирования технологического процесса;
- выбирать конкретные типы приборов для контроля и регулирования химико-технологического процесса;
владеть:
- методами управления химико-технологическими системами и методами регулирования химико-технологических процессов.
Таким образом, освоение данной дисциплины складывается из перечисленных знаний, умений, навыков, а также ряда представленных компетенций, которыми по мере обучение должен овладеть будущий бакалавр. Способы, позволяющие достичь этих целей, определяются, в первую очередь, такими факторами, как структурой и содержанием дисциплины. Для успешного освоения предмета «Системы управления химико-технологическими процессами» наиболее эффективным вариантом структуры является такой, при котором возможно комплексное видение дисциплины - теоретическая подготовка в виде лекционного материала, и, практическая - в форме лабораторных занятий и семинаров с последующим выполнением расчетно-графической работы. В качестве итоговой аттестации - зачёт, экзамен.
Запрос современного рынка труда в химико-технологическом секторе, а также тенденции его развития во многом являются определяющими при формировании содержания дисциплины «Системы управления химико-технологическими процессами». Лекционный цикл представляет собой совокупность 4 модулей, охватывающих различные аспекты изучаемой дисциплины. Остановимся на них подробнее: Методы контроля технологических параметров. Здесь приоритетными являются следующие темы:
- Перспективы и значение автоматизации в повышении эффективности производства.
- Понятие об автоматизированных системах управления (АСУ), их классификация.
- Роль человека-оператора и вычислительной техники в АСУ.
- Химико-технологические объекты управления.
- Определение технического объекта управления (ТОУ), классификация ТОУ, требования к ТОУ.
- Основные термины и определения теории автоматического управления. Необходимость изучения этих тем заключается в том, что курс дисциплины подразумевает управление химико-технологическими процессами, а, следовательно, студенты должны понимать, что такое управление, что является объектом управления и каким образом осуществляется процесс управления и автоматизации.
Известно, что любая система управления технологическим процессом подразумевает наличие информации о текущем его состоянии. Иными словами, будущий специалист должен знать каким образом происходит измерение основных параметров процесса, определяющих соблюдение технологического режима. Освещение этого материала производится в рамках следующих тем: понятие измерения, основные элементы процесса измерения, классификация измерений, классификация средств измерений. Основы теории погрешностей и обработки ре-
зультатов измерений, первичные измерительные преобразователи (датчики, сенсоры), государственная система приборов. Основные требования к измерительным приборам. Поверка измерительных приборов. Измерение температуры: Термометры расширения. Манометрические термометры. Термоэлектрические преобразователи и вторичные приборы. Термометры сопротивления. Пирометры излучения. Беспроводные датчики температуры. Оптоволоконные датчики температуры. Интеллектуальные датчики температуры. Измерение давления: Жидкостные, деформационные и электрические датчики давления (тензометрические и пьезорезо-нансные датчики). Оптоволоконные датчики давления. Интеллектуальные датчики давления. Измерение расхода и количества вещества. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры обтекания, электромагнитные, кориолисовы расходомеры. Осредняющие напорные трубки. Ультразвуковые расходомеры. Вихревые расходомеры. Счетчики для жидкостей и газов. Измерение уровня. Уровнемеры для жидких и сыпучих сред: поплавковые, гидростатические, ультразвуковые, радарные, емкостные, магнитострикционные, лопастные сигнализаторы уровня, вибрационные, рефлексно-импульсные уровнемеры. Измерение состава и физических свойств веществ. Газоанализаторы: термомагнитные, термохимические, термокондуктомет-рические, оптико-абсорбционные. Методы измерения концентрации растворов: кондуктометрический метод (контактные и бесконтактные низкочастотные приборы). Измерения вязкости. Измерение влажности газов и сыпучих материалов. Психометрический и кондуктометрический методы. Метод точки росы.
После того как мы рассмотрели структуру системы автоматизации и вспомнили как осуществляется измерение, нам необходимо некоторое время посвятить современным измерительным приборам, охватив только наиболее распространённые технологические параметры. Кроме того необходимо учитывать будущую специальность студентов и акцентировать внимание на приборах, используемых в их отраслях.
Для обзора представленных тем, предусматривающего только общие сведения, касающиеся каждого вопроса, преподавателю потребуется от 14 до 18 лекционных часов и столько же на лабораторные занятия. Включение в данный цикл таких тем, как модульные преобразователи, измерители-регуляторы технологические, интеллектуальные преобразователи параметров, исполнительные механизмы и регулирующие органы повлечет общее увеличение аудиторных занятий на 6-8 часов.
Но для того, чтобы студент начал ориентироваться в вопросах автоматизации он должен не только узнать какие технические средства автоматизации существуют, но и осознать, в чём состоит задача автоматического регулирования. Поэтому следующий модуль лекционного курса данной дисциплины - основы теории автоматического управления. В данном разделе рассматриваются - задача автоматического регулирования, виды регулирования, основные понятия и определения процесса регулиро-
вания, виды систем регулирования. Так же даются основы математического описания автоматизированных систем регулирования и их элементов. Вводится понятие автоматического регулятора, рассматривается структура регулятора, классификация, законы регулирования, а так же показатели качества регулирования и типовые процессы регулирования. Задача данного модуля - позволить студентам понять, каким образом происходит процесс принятия системой решения о воздействии на регулируемый параметр, какая логика заложена в работу средств автоматизации. Время, затрачиваемое на рассмотрение этих вопросов варьируется от 24 до 30 часов по совокупности лекционных и лабораторных занятий.
Следующий раздел позволяет уже взглянуть на современные системы автоматизации, с учётом полученных знаний, и увидеть обобщенную архитектуру автоматизированной системы управления технологическими процессами. В данном разделе целесообразно рассмотреть программно-аппаратные средства автоматизированных систем управления технологическими производствами:
— Распределенные системы управления (РСУ). Программируемые логические контроллеры. Модули ввода/вывода. Функциональные схемы цифровых систем.
— Аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи;
— Управление системами на базе ЭВМ. Цифровые системы управления. Особенности цифровых систем;
— ЭВМ в контурах систем управления. ЭВМ общего назначения;
— Языки программирования контроллера РСУ. 8САБА-системы;
— Промышленные сети верхнего уровня. НМ1 на базе операторских станций. НМ1 на базе операторских панелей;
— Контроллеры противоаварийной защиты. Аварийные сигнализации и архивирование в распределенных системах управления. Открытость информационных ресурсов по
данной тематике допускает изучение вышеизложенных вопросов студентами самостоятельно в большей степени, чем в аудитории. Таким образом количество часов, отводимое преподавателем на лекции, лабораторные и семинарские занятия может ограничится 12-16 часами.
И, наконец, заключительный модуль, который посвящён вопросам проектирования систем автоматизации. Он представляет собой результат освоения всех предыдущих тем и является индикатором степени подготовки студента по рассматриваемой дисциплине. Необходимость включения этого раздела в состав курса обусловлена тем, что выпускники, начав работу на предприятии должны быть способны взаимодействовать с другими специалистами и участвовать в совместных проектах. В связи с этим они должны иметь целостное представление о том, что такое техническое задание на проектирование системы автоматизации; владеть принципами разработки схемы автоматизации; знать
стандарты на изображения коммуникаций, приборов и средств автоматизации. Так как в настоящее время обеспечение основных нужд производства в области автоматизации происходит за счет зарубежных средств и разработок, а, следовательно, имеет место тесное сотрудничество с иностранными компаниями, то будущие специалисты должны владеть чтением схем и спецификаций, оформленных не только по отечественному ГОСТу, но и с использованием зарубежных стандартов. Наиболее эффективным способом в этом плане является рассмотрение в качестве примеров реальной документации с действующих производств - наиболее часто используемые схемы измерения основных технологических параметров, сигнализации, блокировки и автоматического регулирования. Данный модуль наряду с теоретической составляющей должен обладать сильной практической направленностью. Результатом занятий будет расчётно-графическая работа, выполненная студентом. Это позволит будущему бакалавру увидеть из чего должен состоять раздел автоматизации в выпускной квалификационной работе, а также получить целостное представление об изучаемом предмете. В связи с этим распределение аудиторного времени при изучении этого модуля предлагается следующим - 12 часов лекций и 18 часов семинаров.
Очевидно, что лекционный курс в наибольшей степени охватывает тематику всего курса. К тому же дисциплина технической направленности должна включать в себя проведение лабораторных работ. Содержание лабораторного практикума во многом зависит от технической оснащенности аудиторий, специализации каждой группы, заказа со стороны предприятий с которыми сотрудничает учебное заведение и других факторов. Тем не менее, объем лабораторных работ должен быть достаточен, чтобы студенты усвоили основные вопросы каждого модуля. В качестве одного из вариантов предлагаются следующие темы:
- Модуль 1 - измерение давления, температуры, уровня, расхода жидкостей и газов.
- Модуль 2 - исследование статических и динамических характеристик типовых звеньев АСР. Исследование автоматической системы регулирования с двухпозиционным регулятором. Автоматические регуляторы и типовые законы регулирования.
- Модуль 3 - Разработка проекта в SCADA системе TRACE MODE.
Таким образом, для того, чтобы достичь цели прохождения курса сформулированные вначале статьи и сделать ещё один шаг в подготовке квалифицированного специалиста, необходим следующий объём часов: лекции - 36 - 40 часов, лабораторный практикум - 36 - 40 часов, семинарские (практические) занятия — 18 часов. Итого, минимум 90ч. В данном случае речь идет исключительно об аудиторных часа, и не включает время для самостоятельной работы студентов и время, выделяемое на итоговую аттестацию. В действительности же, ситуация обстоит следующим образом: на лекции от-
водится - 18 часов, на проведение лабораторного практикума — 18 - 36 часов, семинарские занятия не предусмотрены практически ни одним учебным планом. Итого, максимум 54ч. Представленный анализ делает очевидным конфликт интересов и возможностей между предоставляемым временем на освоением дисциплины и его объективным количеством. Как следствие, остается открытым вопрос -каким образом должна осуществлятся подготовка кадров для отечественных предприятий, если одна из основных дисциплин базового профессионального цикла преподаётся только на 60% от необходимого времени. Основными аргументами сторонников снижения аудиторного времени в пользу распределения его на часы для самостоятельной работы студентов является недостаточное обеспечение аудиториями, общего времени на подготовку бакалавра и т. д. Как решение сложившейся ситуации может быть применение новых методов обучения, современных технологий в образовательном процессе, позволяющие достичь те же цели существующими ресурсами. Однако те из них, что внедрены и используются, применимы в основном к гуманитар-
ным предметам и дисциплинам естественного цикла. Для технических курсов приоритетным, на текущий момент, является работа студента в группе, в непосредственном контакте с оборудованием и присутствии преподавателя. Поэтому хочется обратить внимание тех должностных лиц, от кого зависит распределение времени на изучаемые дисциплины, чтобы это происходило исходя из значения и объёма каждого предмета.
Литература
1. Р. ДРЕЕР, Высшее образование в России. 2, 46-49, 2013.
2. Е.В. Чеканова, Базотов В.Я., Чеканова Н.А., Вестник Казанского Технологического Университета, 10, 477480, 2010.
3. Хасанова Г.Б., Вестник Казанского Технологического Университета, том 15, 20, 215-217, 2012.
4. Захаров В.М. Кочнев А.М. Вестник Казанского Технологического Университета, 10, 466-472, 2010.
5. Захаров В.М. Кочнев А.М. Вестник Казанского Технологического Университета, 24, 243-249, 2011.
© М. М. Андреева - канд. техн. наук, доцент каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации, КНИТУ, shadana@mail.ru; Н. А. Староверова - канд. техн. наук, доцент каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации, КНИТУ, nata-staroverova@yandex.ru.
© M. М. Andreeva - Cand. tehn. Science, Associate Professor of Department. automated systems for collecting and processing information , KNRTU, shadana@mail.ru; N. A. Staroverova - Cand. tehn. Science, Associate Professor of Department. automated systems for collecting and processing information , KNRTU, nata-staroverova@yandex.ru.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.05.14. по 25.10.14.
