过程装备与控制工程学科研究的特点， 趋势和前沿

过程装备与控制工程学科研究的特点、趋势和前沿

高金吉

北京化工大学，北京　100029

摘 要：过程装备与控制工程学科的产生是工程科学发展的必然。本文概要介绍了该学科研究的主要特点、发展趋势和前沿。论述了过程装备与控制工程不但应为国民经济的发展，而且要为自然科学的发展做出应有的贡献。

关键词：过程装备，控制工程，研究特点、趋势

1　过程装备与控制工程的产生是工程科学发展的必然

人类的主要特点是能制造工具，富兰克林曾把人定义为制造工具的动物(tool making animal)。通过制造和使用工具，人把自然物变成他的活动器官，从而延伸了他的肢体和感官。人们制造和使用工具，有目的、有计划地改造自然、变革自然，才有了名符其实的生产劳动。

现代人越来越依赖高度机械化、自动化和智能化的产业来创造财富，因此必然要创造出现代化的工业装备和控制系统来满足生产的需要。流程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济支柱产业之一，必然要求越来越高度机械化、自动化和智能化的过程装备与控制工程。如果说制造工具是原始人与动物区别的最主要标志，那么就可以说，现代过程装备与控制系统是现代人类文明的标志之一，或者说现代人的标志之一就是创造、掌握、运用并不断改进完善过程装备与控制工程--这一为人类创造财富、创造人工自然的复杂系统和技术。

工程是人类将现有状态改造成所需状态的实践活动，而工程科学是关于工程实践的科学基础。现代工程科学是自然科学和工程技术的桥梁。工程科学具有宽广的研究领域和学科分支，如机械工程科学、化学工程科学、材料工程科学、信息工程科学、能源工程科学、冶金工程科学、建筑与土木工程科学、水利工程科学、采矿工程科学和电工程科学等。

现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，严格地讲它并不能完全归属于上述任何一个研究领域或学科。它是机械、化学、电、能源、信息、材料工程等学科的交叉学科，是密切结合过程工业生产实践的工程科学的一个分支，是在多个大学科发展的基础上交叉、融合而出现的新兴学科分支，也是生产需求牵引、工程科技发展的必然产物。显而易见，过程装备与控制工程学科具有强大的生命力和广阔的发展前景。

2　过程装备与控制工程学科研究的主要特点

过程装备与控制工程是加工制造流程性材料的由过程单元设备和机泵群通过管路、阀等连成的机电仪监控一体化的连续性复杂系统。其主要特点如下：

（1）过程装备：与生产工艺即加工流程性材料紧密结合，有其独特的过程单元设备和工程技术，如混合工程、反应工程、分离工程及其设备等，与一般机械设备完全不同，有其独特之处。

（2）控制工程：对过程装备及其系统的状态和工况进行监测、控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。

（3）过程装备与控制工程：是指机、电、仪一体化连续的复杂系统，系统中的各组成部分（机泵、过程单元设备、管道、阀、监测仪表、计算机系统等）均互相关联、互相作用和互相制约，任何一点发生故障都会影响整个系统，并且要长周期稳定运行，又由于加工的过程材料有些易燃易爆、有毒或是加工要在高温、高压下进行，系统的安全可靠性十分重要。

过程装备与控制工程的上述特点就决定了过程装备与控制工程学科研究的领域十分宽广，涉及到机械、化工、材料、动力、电、信息、控制与自动化、腐蚀与防护等多个专业领域。

过程装备与控制工程除了少数几个研究领域如混合工程、反应工程、分离工程及设备和密封技术为本学科的独特之处以外，几乎其它研究方向都是其它相关学科的主攻研究方向。举例如下：

过程装备的压缩机、风机、泵有流体机械专业；压力容器设计计算有工程力学专业；焊接对过程装备至关重要有焊接专业；过程装备选材和腐蚀防护有材料工程与腐蚀科学与防护专业；过程装备检验有无损探伤专业；过程装备控制有测试与控制工程专业等等。

由此可见，过程装备与控制工程学科的特点与绝大多数学科是不同的。其主要特点，一是要以机电工程为主干与工艺过程密切结合，创新单元工艺装备，二是要善于博采众长、综合集成，把诸多学科最新研究成果之他山之石为我所用。要善于把相关学科开的花移植到过程装备与控制工程学科结出果，因此，密切关注其它学科的新的发展动向，博采众长、综合集成，不断创新过程装备与控制工程学科是我们的重要研究方向。

3　过程装备与控制工程学科发展的趋势和前沿

我国科技部和国家科学基金委在本世纪初发表了《中国基础学科发展报告》，其中分析了世界工程科学研究的发展趋势和前沿，这也为过程装备与控制工程学科的发展指明了方向，值得借鉴和参考。

（1）全生命周期的设计/制造正成为研究的重要发展趋势。由过去单纯考虑正常使用的设计，前后延伸到考虑建造、生产、使用、维修、废弃、回收和再利用在内的全生命周期的综合决策。

过程装备的监测与诊断工程、绿色再制造工程和装备的全寿命周期费用分析、安全和风险评估以及以可靠性为中心的维修(RCM: Reliability Centered Maintenance)和预测维修(PdM: Predictive Maintenance)等正在流程工业开始得到应用。

（2）工程科学的研究尺度向两极延伸。过程装备的大型化是多年发展方向，近年来又有向小型化集成化的趋势。

（3）广泛的学科交叉、融合，推动了工程科学不断深入、不断精细化，同时也提出了更高的前沿科学问题，尤其是计算机科学和信息技术的发展冲击着每个工程科学领域，影响着学科的基础格局。学科交叉导致传统的生产观念和生产模式发生了根本转变，随着需求个性化，制造信息化的进程，传统的生产观念由物质制造向信息制造转变。

学科交叉、融合和用信息化改造系统的化工机器与设备学科产生了过程装备与控制工程学科，这一学科的发展也必须依靠学科交叉和信息化。过程装备复杂系统的监控一体化和数字化是发展的必然趋势。

（4）产品的个性化、多样化和标准化已经成为工程领域竞争力的标志，要求产品更精细、灵巧并满足特殊的功能要求，产品创新和功能扩展/强化是工程科学研究的首要目标，柔性制造和快速重组技术在大流程工业中也得到了重视。

过程装备与控制工程学科的发展不仅仅要发表EI、SCI文章，而且要十分重视发明专利和标准，这样才能结束我国过程装备“出不去，挡不住”的局面。

（5）先进工艺技术得到前所未有的广泛重视，如精密、高效、短流程、净近成形、虚拟制造等先进制造技术对机械、冶金、化工、石油等制造工业产生了重要影响。

（6）可持续发展的战略思想渗透到工程科学的多个方面，表现了人类社会与自然相协调的发展趋势。制造工业和大型工程建设都面临着有限资源和破坏环境等迫切需要解决的难题，从源头控制污染的绿色设计和制造系统为今后发展的主要趋势之一。

4　过程装备与控制工程应为国民经济的发展和自然科学的发展做出应有的贡献

众所周知，过程工业是国民经济的支柱产业；是发展经济提高我国国际竞争力的不可缺少的基础；过程工业是提高人民生活水平的基础；过程工业是保障国家安全、打赢现代战争的重要支撑，没有过程工业就没有强大的国防；过程工业是实现经济、社会发展与自然相协调从而实现可持续发展的重要基础和手段。因而，过程装备与控制工程在发展国民经济的重要地位是显而易见的。

过程装备与控制工程是应用科学和工程技术，这一学科的发展会立竿见影，直接促进国民经济的发展。过程装备的现代化也会促进机械工程、材料工程、热能动力工程、化学工程、电工程、信息工程等工程技术的发展。我们不仅要看到过程装备与控制工程是一个新兴的学科，是博采诸多自然科学学科的成果而综合集成的一项工程技术，而忽略了反过来的一面，一个反馈作用，也就是过程装备与控制工程学科也应对自然科学的发展做出应有的贡献。

实际上，早在18世纪末期，自然科学的研究就超出了自然界，而是包括了整个世界即自然界和人工自然物。过程装备与控制工程属人工自然物，它也理所当然是自然科学研究的对象之一。工程科学能把过程装备与控制工程在工程实践中的宝贵经验和初步理论精练成具有普遍意义的规律，这些工程科学的规律就可能含有自然科学现在没有的东西。所以对工程科学研究的成果即工程理论再加以分析，再加以提高就可能成为自然科学的一部分。钱学森先生曾提出：“工程控制论的内容就是完全从实际自动控制技术总结出来的，没有设计和运用控制系统的经验，决不会有工程控制论。也可以说工程控制论在自然科学中是没有它的祖先的。”因此对现代过程装备与工程的研究也有可能创造出新的工程理论，为自然科学的发展做出应有的贡献。

但是过程装备与控制工程是应用于大型过程工业的复杂系统，对它的研究不会是向牛顿观察落下来的苹果发现万有引力或是法拉弟与他的弟子应用磁铁和导线在实验室里创造电磁学说那么简单，而是需要有诸多学科专门人材的学术团队的共同协作和努力，需要现代化的实验装备和测试手段，需要计算机和先进的软件。

过程装备与控制学科的发展历史地落在我们这一代人的肩上，任重道远，我们深信，过程装备与控制工程这一新兴学科一定会兴旺发达，经过一代又一代人的努力奋斗不但会为国民经济的发展建功立业，而且会为自然科学的发展做出应有的贡献。

参考文献：

［1］ 王大中、杨叔子主编.《技术科学发展与展望――院士论技术科学（2002年卷）》, 山东教育出版社, 2002

［2］ 中华人民共和国科学技术部,国家自然科学基金委员会,《中国基础学科发展报告》,北京.2001

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/892ffc8377a20029bd64783e0912a21615797f51.html