新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)在水泥工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

林海燕 陽勇福 郭獻(xiàn)軍 王曉峰

洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系 河南洛陽 471023

新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)在水泥工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

林海燕 陽勇福 郭獻(xiàn)軍 王曉峰

洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系 河南洛陽 471023

新型干法水泥生產(chǎn)仿真教學(xué)具有實(shí)用性好、靈活性大、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐成本低的優(yōu)點(diǎn)。將新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)引入水泥工程的實(shí)踐教學(xué)中，可豐富教學(xué)內(nèi)容，靈活多樣的教學(xué)方式能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)水泥工程的全局觀和創(chuàng)新意識(shí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足。

新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)；水泥工程；實(shí)踐教學(xué)

Abstract: Simulation teaching to NSP technology is characterized by good practicability, perfect adaptability, great integration and low practice cost. When the simulation technique to NSP system is introduced into the practice teaching of cement engineering, instructional information is enriched, and variable instructional strategies can be used to arouse the students’ interest and study initiative, cultivate students’ global idea and creativity. Simulation teaching method covers the shortage of traditional practice teaching, and good teaching effect has received.

Key words: simulation technique to NSP system; cement engineering; practice teaching

新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)具有理論性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合生產(chǎn)過程進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)是水泥生產(chǎn)工程教育的重要組成部分，在這個(gè)過程中讓學(xué)生理解工程教育的特性：實(shí)踐性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良的工程素質(zhì)有著重要的作用[1]。近年來，為適應(yīng)快速發(fā)展的水泥行業(yè)對(duì)技術(shù)人才的需求，國內(nèi)許多院校對(duì)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)做了大量的教學(xué)改革與研究工作[2-5]，培養(yǎng)了大批水泥企業(yè)急需的技術(shù)人才。但是由于學(xué)生人數(shù)不斷增加，實(shí)習(xí)時(shí)間也不斷受到擠壓，投入經(jīng)費(fèi)不斷縮減，企業(yè)內(nèi)部管理制度也有其局限性，這些因素導(dǎo)致學(xué)生實(shí)習(xí)中的技術(shù)指導(dǎo)人員不足，學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少，在工廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)期間收獲不大，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求。而且這種狀態(tài)在一定時(shí)期內(nèi)或?qū)⒁恢贝嬖?，不利于?duì)學(xué)生專業(yè)技能、專業(yè)思想、工程素質(zhì)的培養(yǎng)，僅僅停留在就實(shí)踐論實(shí)踐的層面，無法達(dá)到師生實(shí)踐的“主體意識(shí)”層面[6]。為此，我們開發(fā)了新型干法水泥生產(chǎn)仿真系統(tǒng)，采用仿真教學(xué)方式，把教學(xué)思路和教學(xué)環(huán)節(jié)充分融入課堂教學(xué)中，形象具體地表達(dá)教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)新型干法水泥生產(chǎn)的內(nèi)在規(guī)律，為學(xué)生對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)的認(rèn)知提供豐富的感性經(jīng)驗(yàn)和思維素材，同時(shí)學(xué)生可在仿真系統(tǒng)操作界面上進(jìn)行新型干法水泥生產(chǎn)的模擬操作與控制，豐富學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的熱情，促進(jìn)學(xué)生對(duì)技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。

1 新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)

新型干法水泥生產(chǎn)仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，以新型干法水泥生產(chǎn)操作與控制技術(shù)理論為基礎(chǔ)，在微機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代水泥生產(chǎn)過程中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)和操作參數(shù)的模擬顯示，再現(xiàn)各種設(shè)定條件下實(shí)際生產(chǎn)過程中的可能性行為表象，實(shí)時(shí)分析、判斷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及故障類型，并運(yùn)用適當(dāng)方法解決生產(chǎn)問題，以保證實(shí)際生產(chǎn)過程中能及時(shí)、準(zhǔn)確、熟練操作，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。目前，由我院研究開發(fā)的新型干法水泥生產(chǎn)仿真系統(tǒng)已成為水泥各相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中不可或缺的重要輔助工具，在水泥工程實(shí)踐教學(xué)和技術(shù)人員培訓(xùn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，它具有鮮明的教學(xué)特點(diǎn)。

1.1 實(shí)用性強(qiáng)

為滿足新型干法水泥工業(yè)快速發(fā)展對(duì)中控操作技術(shù)人員的迫切需求，我院于1992年開始新型干法水泥生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。在多廠實(shí)地調(diào)研獲得大量一手資料的基礎(chǔ)上，選擇當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的2000 t/d熟料預(yù)分解窯系統(tǒng)為模擬對(duì)象，根據(jù)大量的熱工計(jì)算和推導(dǎo)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際中積累的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了第一代新型干法水泥生產(chǎn)仿真系統(tǒng)。隨著水泥工業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)線的建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，我院對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，以適應(yīng)目前5000 t/d熟料生產(chǎn)線為主體的新型干法水泥生產(chǎn)體系的教學(xué)與培訓(xùn)。由于緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，尤其是預(yù)分解窯系統(tǒng)的故障處理模擬系統(tǒng)，收集了水泥生產(chǎn)過程中20種常見故障的工藝參數(shù)，并開發(fā)了與目前水泥企業(yè)中控操作界面相仿的仿真系統(tǒng)操作平臺(tái)，實(shí)用性非常強(qiáng)。在教學(xué)表現(xiàn)方式上，教師機(jī)(相當(dāng)于新型干法水泥生產(chǎn)線)向?qū)W員機(jī)(相當(dāng)于中控操作界面)的工藝參數(shù)發(fā)布方式分為指定發(fā)布、統(tǒng)一發(fā)布和隨機(jī)發(fā)布。指定發(fā)布、統(tǒng)一發(fā)布主要適用于教師講解以及學(xué)生在已知故障類型情況下熟悉各工藝參數(shù)(各點(diǎn)溫度、壓力、氣體成分、電流、喂料量、喂煤量、電機(jī)功率等)的變化規(guī)律并進(jìn)行相應(yīng)的操作處理等情況，這主要是學(xué)生對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)過程中各種現(xiàn)象的認(rèn)知。如果學(xué)生不知道生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了哪類故障，需要根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化規(guī)律及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，分析、判斷故障點(diǎn)及故障類型，并進(jìn)行中控操作處理和生產(chǎn)現(xiàn)場處理，這主要是學(xué)生對(duì)所學(xué)操作與控制技術(shù)的應(yīng)用，完全模擬實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場，這時(shí)就適合使用隨機(jī)發(fā)布的方式。實(shí)踐證明，經(jīng)過仿真系統(tǒng)培訓(xùn)的學(xué)員，在中控操作中可快速掌握中控操作技能并成為企業(yè)技術(shù)骨干。

1.2 靈活性大

仿真系統(tǒng)包含新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程動(dòng)態(tài)模擬顯示系統(tǒng)、新型干法水泥生產(chǎn)設(shè)備操作規(guī)程模擬系統(tǒng)、預(yù)分解窯系統(tǒng)故障處理模擬系統(tǒng)等，可根據(jù)不同教學(xué)專業(yè)、教學(xué)對(duì)象，選擇不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)，針對(duì)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，可使學(xué)生有針對(duì)性地對(duì)水泥生產(chǎn)控制技術(shù)進(jìn)行反復(fù)演練，這就從根本上解決了學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中無法見到、學(xué)到，更不能親自進(jìn)行現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)線的調(diào)節(jié)和控制并對(duì)常見故障進(jìn)行判斷與處理的難題。

1.3 綜合性強(qiáng)

新型干法水泥生產(chǎn)線的操作與控制是最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖、挖掘設(shè)備能力、提高企業(yè)效益最為重要的環(huán)節(jié)，尤其是窯系統(tǒng)的中控操作。作為中控操作員，必須掌握整個(gè)生產(chǎn)線的工藝流程，設(shè)備的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、功率等性能，設(shè)備軸承溫升、潤滑、水冷、風(fēng)冷系統(tǒng)，各檢測點(diǎn)的溫度、壓力、流量，各管路閥門的開度等相關(guān)參數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，熟悉現(xiàn)場、中控、機(jī)械裝置自身三者之間的差別，掌握PC系統(tǒng)的控制、連鎖關(guān)系，并能讀懂運(yùn)行曲線趨勢圖，分析設(shè)備的運(yùn)行狀況。尤為重要的是，操作員必須準(zhǔn)確判斷窯況，根據(jù)不同原燃料的情況，保持風(fēng)、煤、料及窯速的均衡匹配，優(yōu)化工藝參數(shù)，穩(wěn)定熱工制度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，新型干法水泥生產(chǎn)的操作與控制是一項(xiàng)綜合性非常強(qiáng)的工作。我們在開發(fā)仿真系統(tǒng)時(shí)非常注重這一特點(diǎn)，綜合運(yùn)用了流體力學(xué)、熱力學(xué)、工藝學(xué)等各方面的理論知識(shí)，既準(zhǔn)確表達(dá)了各工藝參數(shù)的內(nèi)在含義，又全面體現(xiàn)了它們之間的變化規(guī)律。這樣，在實(shí)訓(xùn)過程中，既可使學(xué)生綜合運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)、工藝學(xué)等理論知識(shí)分析問題，提高理論應(yīng)用水平，又可理解新型干法水泥生產(chǎn)操作與控制的精髓，逐步形成科學(xué)的操作理念。

1.4 實(shí)踐成本低

學(xué)生進(jìn)廠實(shí)習(xí)或企業(yè)員工參加培訓(xùn)時(shí)，為穩(wěn)定生產(chǎn)，企業(yè)不可能人為制造故障讓學(xué)生或接受培訓(xùn)的人員進(jìn)行演練、處理。因此，他們在實(shí)習(xí)或培訓(xùn)過程中，不可能經(jīng)歷水泥廠所有的常見故障的分析、處理過程，培訓(xùn)收獲不大。而仿真系統(tǒng)不存在出現(xiàn)故障帶來巨大生產(chǎn)損失的問題，學(xué)生可對(duì)水泥廠所有常見故障進(jìn)行反復(fù)演練，實(shí)踐成本非常低。

2 仿真系統(tǒng)在新型干法水泥生產(chǎn)教學(xué)中的實(shí)踐

2.1 仿真系統(tǒng)的組成

仿真系統(tǒng)硬件主要有新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程動(dòng)態(tài)顯示屏、工控機(jī)、多臺(tái)計(jì)算機(jī)(1臺(tái)教師機(jī)，1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其余為學(xué)員機(jī)，連成網(wǎng)絡(luò))、工控機(jī)控制動(dòng)態(tài)顯示屏。計(jì)算機(jī)用來產(chǎn)生各種仿真數(shù)據(jù)，顯示新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程、工藝參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及控制參數(shù)等。其中教師機(jī)用來向所選擇的學(xué)員機(jī)(操作站)發(fā)送信息。服務(wù)器用來存放仿真軟件系統(tǒng)、正常生產(chǎn)的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、工藝流程圖、屏幕位置參數(shù)文件等。仿真系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)。

2.2 仿真教學(xué)內(nèi)容

按照“工程專業(yè)教學(xué)與工程素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合、模擬操作與工程實(shí)訓(xùn)相融合”的實(shí)踐教學(xué)理念，構(gòu)建了適應(yīng)不同層次、不同對(duì)象的仿真教學(xué)體系。將教學(xué)內(nèi)容劃分為六大實(shí)驗(yàn)?zāi)K：材料工程基礎(chǔ)模擬實(shí)驗(yàn)、水泥生產(chǎn)工藝動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、預(yù)分解窯系統(tǒng)設(shè)備模擬操作實(shí)驗(yàn)、水泥生產(chǎn)中控操作及故障處理模擬實(shí)驗(yàn)、工程模擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程參數(shù)采集與控制實(shí)驗(yàn)。材料工程基礎(chǔ)模擬實(shí)驗(yàn)主要包括沿程阻力模擬、局部阻力模擬、均化庫模擬、換熱單元模擬等實(shí)驗(yàn)，通過這些模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可加深對(duì)流體力學(xué)、熱力學(xué)理論知識(shí)的理解。預(yù)分解窯系統(tǒng)設(shè)備模擬操作實(shí)驗(yàn)包括生料制備系統(tǒng)操作模擬、煤粉制備系統(tǒng)操作模擬、熟料燒成系統(tǒng)操作模擬、水泥制成系統(tǒng)操作模擬、預(yù)分解窯點(diǎn)火操作模擬等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可熟悉新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的操作規(guī)程。水泥生產(chǎn)中控操作及故障處理模擬實(shí)驗(yàn)包括來料突然中斷等20個(gè)水泥廠常見故障的處理模擬實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，學(xué)會(huì)分析故障原因，熟悉故障處理的基本理念與方法。通過上述仿真教學(xué)，密切結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)物教學(xué)及工廠的現(xiàn)場教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)水泥工程的全局觀念和創(chuàng)新意識(shí)。

2.3 仿真系統(tǒng)的操作

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師可在教師機(jī)上發(fā)布不同指令選擇授課內(nèi)容。學(xué)生通過輸入學(xué)號(hào)或姓名進(jìn)入故障處理仿真操作系統(tǒng)(如圖1所示)，其操作界面圖像如圖2～圖4所示，通過左上方的菜單按鈕可進(jìn)行界面的任意切換，以便觀察和分析各個(gè)界面上的生產(chǎn)工藝參數(shù)。

圖1 故障處理仿真系統(tǒng)主界面

圖2 故障處理仿真系統(tǒng)操作界面—窯尾

圖3 故障處理仿真系統(tǒng)操作界面—廢氣處理

圖4 故障處理仿真系統(tǒng)操作界面—窯頭

在教師機(jī)指定發(fā)布或統(tǒng)一發(fā)布指令模式及告知學(xué)生故障類型的情況下，學(xué)生可觀察各類故障發(fā)生時(shí)各工藝參數(shù)的變化情況，分析相似故障的差異性，運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)、工藝學(xué)等進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上提出處理方法，并完成相應(yīng)操作步驟，逐步積累分析與操作經(jīng)驗(yàn)；在隨機(jī)發(fā)布指令模式下，學(xué)員機(jī)顯示的故障是隨機(jī)的，要求學(xué)生根據(jù)各工藝參數(shù)的變化特征、規(guī)律對(duì)故障所處部位和類型進(jìn)行分析、判斷，在正確分析和判斷的基礎(chǔ)上完成相應(yīng)中控操作和對(duì)現(xiàn)場問題的處理，這是在前期學(xué)習(xí)積累足夠多經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完全模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的熟練化培訓(xùn)。仿真系統(tǒng)開發(fā)了“來料突然中斷”“生料飽和比過高”“預(yù)熱器塌料”“窯后結(jié)圈”等20個(gè)故障的仿真處理程序，故障類型如圖5所示，其中既包含破壞性故障，也包含調(diào)節(jié)性故障，基本覆蓋了水泥廠所有重大故障。故障處理完成后，作為一套教學(xué)軟件，仿真系統(tǒng)對(duì)故障排除情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(如圖6所示)，這可作為判斷學(xué)生故障處理熟練程度的參考依據(jù)。

圖5 仿真系統(tǒng)故障類型

圖6 故障處理仿真系統(tǒng)操作情況統(tǒng)計(jì)

仿真系統(tǒng)可模擬中控操作人員進(jìn)行全廠生產(chǎn)的操作與控制，進(jìn)行生產(chǎn)工藝故障的排除。通過仿真系統(tǒng)訓(xùn)練，可全面理解新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程、有關(guān)生產(chǎn)過程量中主要調(diào)節(jié)量、控制量及其相互關(guān)系，理解對(duì)整個(gè)窯系統(tǒng)設(shè)備啟停的連鎖要求，掌握對(duì)其進(jìn)行集中啟動(dòng)/停車、機(jī)旁啟動(dòng)/停車的操作方法。

2.4 仿真教學(xué)的指導(dǎo)

教學(xué)內(nèi)容不同，教師教學(xué)的指導(dǎo)方式也不同。對(duì)于材料工程基礎(chǔ)模擬實(shí)驗(yàn)、水泥生產(chǎn)工藝動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，主要側(cè)重于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的感知，掌握實(shí)驗(yàn)基本原理或工作過程，為后期的實(shí)踐教學(xué)打下良好基礎(chǔ)。因此，教師可進(jìn)行集中指導(dǎo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟提出問題，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理；或通過分析、比較，讓學(xué)生理解工藝設(shè)計(jì)思想。而對(duì)于中控操作及故障處理模擬實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，由于技術(shù)性、綜合性、實(shí)踐性非常強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的理解存在個(gè)體差異，教師的角色也需要發(fā)生轉(zhuǎn)化，教師要從單純的知識(shí)傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生實(shí)踐活動(dòng)的組織者、技能學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、討論交流的參與者和素質(zhì)發(fā)展的促進(jìn)者。教師除了答疑解惑，還需要?jiǎng)討B(tài)地觀察和指導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生改善知識(shí)結(jié)構(gòu)，樹立水泥工程的全局觀念，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神和創(chuàng)新意識(shí)。這也對(duì)教師提出了更高的要求，不僅要有較高的理論水平，還要求具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和良好的工程素質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生并與學(xué)生共同進(jìn)步與成長。

3 結(jié)束語

將仿真技術(shù)引入新型干法水泥生產(chǎn)教學(xué)中，通過仿真教學(xué)與工廠實(shí)習(xí)現(xiàn)場教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)有實(shí)習(xí)場所、實(shí)習(xí)熱情但無高效實(shí)習(xí)平臺(tái)的問題。通過仿真系統(tǒng)訓(xùn)練，學(xué)生在現(xiàn)場實(shí)習(xí)時(shí)的主動(dòng)性、針對(duì)性增強(qiáng)，開闊了視野，樹立了全局觀念，掌握了生產(chǎn)調(diào)控技能，收到了良好的實(shí)習(xí)效果。同時(shí)，該仿真系統(tǒng)也為水泥企業(yè)培訓(xùn)了大量中控操作技術(shù)人員，目前已有20余套仿真系統(tǒng)被推廣到其他院校。

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Application of the simulating technique to NSP systemin cement engineering practice teaching

Lin Haiyan, Yang Yongfu, Guo Xianjun, Wang Xiaofeng
Luoyang institute of science and technology, Luoyang, 471023, China

2012-03-27

林海燕，碩士，講師。

河南高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：2009SJGLX292)資助。

(本欄責(zé)任編輯/金彩霞)