半實物仿真工廠在《反應器操作與控制》課程中的應用研究
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【摘 要】本文針對化工專業學生在學習反應器操作與控制課程時，不能到工廠動手操作，理論與實踐嚴重脫離的問題，將半實物仿真技術引入到課程中，在實物構建的接近工廠真實生產的環境下，模擬實際生產操作，在提高學生反應器操作與控制能力的同時，較好地培養了學生的職業綜合能力和職業素養，為走向工作崗位打下了良好的基礎。
【關鍵詞】半實物仿真;反應器操作與控制課程;動手能力;應用
中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0182-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.080
在現代化工生產中，因為生產的連續化、生產裝置的大型化，生產的自動化程度越來越高、控制系統越來越復雜，生產過程必須按規操作，職業院校學生很難參與實際開車、停車、故障等操控練習，也無法完成突發故障與事故應急處理的訓練。高職化工類專業學生缺乏有效的手段完成實踐教學，學生技能培養很難達到企業生產需求，為此我校構建了包含一個單元實訓中心、兩個仿真實訓機房、一個半實物仿真實訓工廠和一個氧化鋅中試車間的綜合實訓平臺用于實踐及專業課程教學。反應器操作與控制課程借助半實物仿真工廠構建虛擬教學情境，提升了學生典型反應設備的操作、控制、工況維持及事故預判與緊急處理能力。
1 半實物仿真技術
全數字仿真用計算機模擬了DCS控制系統，用實時運行的數學模型代替真實生產裝置，在仿真軟件上對進行操作技能訓練。但是軟件上的設備模型與現實的生產設備存在較大差異，訓練過程缺少實物感，仿真訓練更像電腦游戲，無法完全代替實物實訓。
我校構建的流程級煤制甲醇仿真實訓裝置，屬于第三代仿真技術“半實物仿真工廠”，包括水煤漿制備、氣化、CO變換、低溫甲醇洗、甲醇合成和甲醇精制六個工段。仿真實訓生產工藝是以神華包頭180萬噸/年煤制烯烴生產工藝為背景，對生產設備進行一定比例的縮小，刪除備用系統、簡化了工藝流程后設計安裝的。每個工段包含一個主體設備模型，裝置中安裝了真實的管道、閥門、控制儀表、傳感器、儲罐容器及模擬的動設備和傳質傳熱設備等。仿真機通過軟件模擬生產中總控室DCS自動控制系統和工廠真實操作參數，生產裝置區手動閥門的開度、工藝指標轉換成電信號傳送給仿真機，仿真機再將數據模型計算的結果和控制數據轉換成模擬信號傳送到裝置區，通過相關儀表實時顯示各現場工藝指標，模擬工廠實際生產中裝置開停車操作、常見故障處理、及正常生產中參數受擾動的變化趨勢。煤制甲醇半實物仿真工廠的開放性實驗實訓能很好地培養學生動手操作能力，并在操作過程中獲取知識、熟練技術，引導學生進行思維創新。
2 半實物仿真工廠的功能和優點
我校開發的煤制甲醇半實物仿真工廠是完全按照實訓中心場地情形進行設計，仿真軟件高精度模擬實際DCS操作界面，與流程裝置實時交互，真實再現工廠情景，系統能耗低，安全無污染。學生可以結合實體裝置，既可在電腦上進行單機離線全流程仿真操作，也可小組分崗位內外操聯合操作，并且可以進行一些安全培訓演練。實訓環境更安全、更經濟，實踐性和可操作性極強，有效地解決了現場實習難、操作技能訓練難的問題，大大提高對學生實踐操作技能的培養。
半實物仿真工廠內通過實物再現，學生可以認識各種顯示儀表，體驗各種閥門的使用方法，能夠幫助學生了解典型的化學工藝過程的原理、生產方法、工藝流程及主要設備的操作方法。仿真軟件提供了一個與真實裝置非常相似的操作環境，其中操作界面、數值信息動態顯示、狀態信息動態指示、操作方式等方面與真實化工裝置的DCS操作環境相同，具有很強的交互性、重復性。仿真操作在“中控室”內進行，學生可利用時標設定、快門設定、程序凍結、成績評定、趨勢記錄等功能靈活、反復進行開停車、事故處理及系統穩態維持等全面訓練。
3 半實物仿真工廠在《反應器操作與控制》課程中的實踐研究
“反應器操作與控制”課程是應用化工專業的核心課程，是集理論和實際操作于一體的課程，要求學生既要掌握化工生產中典型反應器的理論知識，又要具備較強的反應設備崗位實際操作技能，能完成生產中關鍵設備—反應器的正常操作和維護，從而確保生產的順利進行。[1]
3.1 《反應器操作與控制》課程教學的整體設計
本標準的總體設計思路是：課程以工作過程為導向，根據化工生產的職業崗位群進行工作任務和職業能力分析，對接職業標準，按照生產流程，將實際工作中需要完成的各關聯任務和所需的技能進行歸納整合，形成滿足完成崗位（群）工作任務要求的典型工作，設定職業能力培養目標。[2]按照“學歷證書與職業資格證書嵌入式”的要求，按“化工生產”確定工作任務，以“工作過程”為導向，緊緊圍繞完成工作任務的需要，選擇課程內容，并以典型化工生產項目為載體，模擬生產現場設置“釜式反應器的操作和控制”“管式反應器的操作和控制”“固定床反應器的操作和控制”“流化床反應器的操作和控制”和“塔式反應器的操作和控制”等八個教學情境。在基于反應器操作工作過程設計的教學情境中，以化工半實物仿真實訓工廠、化工生產實訓中心、校外實訓基地等校內外實訓基地為依托，在煤制甲醇半實物仿真工廠接近真實的生產環境中組織教學。學生經歷結構完整的工作過程，在與工作過程各要素的交互中，獲得與實際工作過程有著緊密聯系的帶有經驗性質的工作過程知識;采用小組聯合操作等多種方法，實現“教學做一體化”。[3]
3.2 半實物仿真工廠應用于《反應器操作與控制》課程的實施過程
在反應器操作與控制課程的教學過程中，針對學生學習時普遍感到教學內容抽象、枯燥、不好學、難理解的問題，在化工仿真實訓的內容上選擇典型裝置，如煤制甲醇裝置進行訓練。裝置以DCS操作與現場操作結合。課程中反應器的設計選型及操作情境的具體任務均來自企業，學生借助半實物仿真工廠及仿真實訓軟件完成任務。如“固定床反應器設計與選型”與“固定床反應器操作與控制”，我們均以煤制甲醇仿真工廠的甲醇合成工段來創建虛擬教學情境。 在教學過程中，首先下發根據企業生產任務編撰的教學任務單——甲醇合成反應器選型設計。1）學生根據老師推送的課件，自學固定床反應器的類型和結構，返回課堂后學生在煤制甲醇半實物仿真工廠通過動畫展示和現場觀察，總結分析固定床的類型、結構及操作特點。2）學生基于在煤制甲醇仿真工廠的認識實習，已經對甲醇合成的工藝流程和反應器有個直觀認識，通過老師推送的知識鏈接了解甲醇合成詳細工藝流程及反應原理;3）然后根據甲醇合成的工藝特點——溫度、壓力、催化劑，首先確定需要采用氣固非均相催化反應器;然后根據反應的熱效應及反應速率，確定需要采用的固定床反應器的類型，并進行簡單設計計算。
通過反應器選型設計使學生基本掌握固定床反應器的常見類型、結構及基本特征之后，依然基于煤制甲醇半實物仿真工廠構建的虛擬教學情境，下發甲醇合成反應器操作任務單。學生基于對反應器操作特征的理解后，再結合甲醇合成基本工藝及半實物仿真工廠OTS軟件提供的生產任務及工藝參數，制定合適的簡要操作規程。學生根據小組制定的簡要操作規程先進行離線全流程訓練，發現總結操作過程中的重要問題，再引導學生從催化劑和反應器基本特征去思考、解決操作難題，形成詳細的規范操作規程。最后小組分崗位聯合演練，學生在教師和企業技術人員的共同指導下在線規范操作反應器并進行各種故障的排除，通過反復訓練，使學生達到獨立頂崗操作的能力。
課程設計整體上遵循“實踐-理論-再實踐”的教學規律，在反應器選型與操作中，每個情境的完成都是一個虛擬生產項目的實施過程。[4]為達到好的訓練效果，教學過程以學生為主體、教師為主導的形式實施。對于學生操作中的問題，盡量多讓學生獨立操作、思考，先讓小組學生討論分析，訓練學生的溝通、交流、表達、分析問題、解決問題的能力。對于一些操作重點、難點進行專題解析，教師通過提示，引導學生和教師一起去發現問題、解決問題，構建反應器基本操作方法的知識體系，這樣學生很快就掌握了化工生產中典型反應器的操作控制技能。
4 需要改進的地方
4.1 加強軟件開發
仿真是基于真實生產工藝設計的數學模擬，軟件操作設置過于游戲化，使學生在操作訓練過程中為了提高操作成績無視操作規律;且在操作中不夠注重操作系統的穩定，而常處于極端及危險的操作方式里。學院應加強與仿真軟件開發公司和化工企業的聯系，三方共同開發更接近生產實際，更突出企業現行先進生產工藝，也便于規范學生操作提高技能的仿真軟件。
4.2 加強師資建設
以半實物仿真工廠創建反應器選型設計、操作控制等虛擬教學情境，要求教師有非常強的基礎理論、工藝、化工產品生產及化工設計的知識，了解化工儀表及自動化控制技術、具備一定的化工企業實踐經驗和操作技能;要求老師動手能力強、知識綜合程度高。這需要我們一方面通過下廠實習和掛職鍛煉等不斷增加教師現場操作經驗，另一方面可以引進企業專家作為專業教師，提升教師隊伍的業務能力和綜合素養，保障課程的實施。
4.3 加快基于半實物仿真工廠的項目化教材的建設
我們現在所使用的教材是傳統的學科教材，教材所選工藝落后，教材內容主要是理論知識點的羅列，不利于指導學生反應器操作技能的提升;少量項目化教材也與我校已有實訓工廠不匹配。學院亟需基于仿真工廠生產項目，優選生產工段與工藝，以項目和任務為載體，通過典型工作任務的提取，設計編寫出緊密結合企業生產實際、理念先進、結構合理、內容新穎的一體化教材。
【參考文獻】
[1]陳炳和.化學反應工程與設備[M].北京：化學工業出版社，2011：1-12
[2]王艷領，田春美.高職院?！痘瘜W反應工程》課程教學改革的探索與實踐[J].重慶工貿職業技術學院學報，2014（1）：52-55.
[3]潘欣，杜松山，高玫香，李培艷.煤基甲醇仿真工廠在促進職業教育實踐教學改革中的應用研究[J].化工管理，2017（12）：63.
[4]宋艷玲.化工仿真教學在工藝類課程中的應用[J].技術與教育，2010（1）：37-39.
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