半實(shí)物仿真工廠在《反應(yīng)器操作與控制》課程中的應(yīng)用研究

鄧桂花

【摘 要】本文針對化工專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)反應(yīng)器操作與控制課程時，不能到工廠動手操作，理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫離的問題，將半實(shí)物仿真技術(shù)引入到課程中，在實(shí)物構(gòu)建的接近工廠真實(shí)生產(chǎn)的環(huán)境下，模擬實(shí)際生產(chǎn)操作，在提高學(xué)生反應(yīng)器操作與控制能力的同時，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)，為走向工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】半實(shí)物仿真;反應(yīng)器操作與控制課程;動手能力;應(yīng)用

中圖分類號： TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代化工生產(chǎn)中，因?yàn)樯a(chǎn)的連續(xù)化、生產(chǎn)裝置的大型化，生產(chǎn)的自動化程度越來越高、控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，生產(chǎn)過程必須按規(guī)操作，職業(yè)院校學(xué)生很難參與實(shí)際開車、停車、故障等操控練習(xí)，也無法完成突發(fā)故障與事故應(yīng)急處理的訓(xùn)練。高職化工類專業(yè)學(xué)生缺乏有效的手段完成實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生技能培養(yǎng)很難達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)需求，為此我校構(gòu)建了包含一個單元實(shí)訓(xùn)中心、兩個仿真實(shí)訓(xùn)機(jī)房、一個半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)工廠和一個氧化鋅中試車間的綜合實(shí)訓(xùn)平臺用于實(shí)踐及專業(yè)課程教學(xué)。反應(yīng)器操作與控制課程借助半實(shí)物仿真工廠構(gòu)建虛擬教學(xué)情境，提升了學(xué)生典型反應(yīng)設(shè)備的操作、控制、工況維持及事故預(yù)判與緊急處理能力。

1 半實(shí)物仿真技術(shù)

全數(shù)字仿真用計算機(jī)模擬了DCS控制系統(tǒng)，用實(shí)時運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)生產(chǎn)裝置，在仿真軟件上對進(jìn)行操作技能訓(xùn)練。但是軟件上的設(shè)備模型與現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)設(shè)備存在較大差異，訓(xùn)練過程缺少實(shí)物感，仿真訓(xùn)練更像電腦游戲，無法完全代替實(shí)物實(shí)訓(xùn)。

我校構(gòu)建的流程級煤制甲醇仿真實(shí)訓(xùn)裝置，屬于第三代仿真技術(shù)“半實(shí)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(shí)訓(xùn)生產(chǎn)工藝是以神華包頭180萬噸/年煤制烯烴生產(chǎn)工藝為背景，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行一定比例的縮小，刪除備用系統(tǒng)、簡化了工藝流程后設(shè)計安裝的。每個工段包含一個主體設(shè)備模型，裝置中安裝了真實(shí)的管道、閥門、控制儀表、傳感器、儲罐容器及模擬的動設(shè)備和傳質(zhì)傳熱設(shè)備等。仿真機(jī)通過軟件模擬生產(chǎn)中總控室DCS自動控制系統(tǒng)和工廠真實(shí)操作參數(shù)，生產(chǎn)裝置區(qū)手動閥門的開度、工藝指標(biāo)轉(zhuǎn)換成電信號傳送給仿真機(jī)，仿真機(jī)再將數(shù)據(jù)模型計算的結(jié)果和控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號傳送到裝置區(qū)，通過相關(guān)儀表實(shí)時顯示各現(xiàn)場工藝指標(biāo)，模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)中裝置開停車操作、常見故障處理、及正常生產(chǎn)中參數(shù)受擾動的變化趨勢。煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠的開放性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)能很好地培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力，并在操作過程中獲取知識、熟練技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維創(chuàng)新。

2 半實(shí)物仿真工廠的功能和優(yōu)點(diǎn)

我校開發(fā)的煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠是完全按照實(shí)訓(xùn)中心場地情形進(jìn)行設(shè)計，仿真軟件高精度模擬實(shí)際DCS操作界面，與流程裝置實(shí)時交互，真實(shí)再現(xiàn)工廠情景，系統(tǒng)能耗低，安全無污染。學(xué)生可以結(jié)合實(shí)體裝置，既可在電腦上進(jìn)行單機(jī)離線全流程仿真操作，也可小組分崗位內(nèi)外操聯(lián)合操作，并且可以進(jìn)行一些安全培訓(xùn)演練。實(shí)訓(xùn)環(huán)境更安全、更經(jīng)濟(jì)，實(shí)踐性和可操作性極強(qiáng)，有效地解決了現(xiàn)場實(shí)習(xí)難、操作技能訓(xùn)練難的問題，大大提高對學(xué)生實(shí)踐操作技能的培養(yǎng)。

半實(shí)物仿真工廠內(nèi)通過實(shí)物再現(xiàn)，學(xué)生可以認(rèn)識各種顯示儀表，體驗(yàn)各種閥門的使用方法，能夠幫助學(xué)生了解典型的化學(xué)工藝過程的原理、生產(chǎn)方法、工藝流程及主要設(shè)備的操作方法。仿真軟件提供了一個與真實(shí)裝置非常相似的操作環(huán)境，其中操作界面、數(shù)值信息動態(tài)顯示、狀態(tài)信息動態(tài)指示、操作方式等方面與真實(shí)化工裝置的DCS操作環(huán)境相同，具有很強(qiáng)的交互性、重復(fù)性。仿真操作在“中控室”內(nèi)進(jìn)行，學(xué)生可利用時標(biāo)設(shè)定、快門設(shè)定、程序凍結(jié)、成績評定、趨勢記錄等功能靈活、反復(fù)進(jìn)行開停車、事故處理及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)維持等全面訓(xùn)練。

3 半實(shí)物仿真工廠在《反應(yīng)器操作與控制》課程中的實(shí)踐研究

“反應(yīng)器操作與控制”課程是應(yīng)用化工專業(yè)的核心課程，是集理論和實(shí)際操作于一體的課程，要求學(xué)生既要掌握化工生產(chǎn)中典型反應(yīng)器的理論知識，又要具備較強(qiáng)的反應(yīng)設(shè)備崗位實(shí)際操作技能，能完成生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備—反應(yīng)器的正常操作和維護(hù)，從而確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。[1]

3.1 《反應(yīng)器操作與控制》課程教學(xué)的整體設(shè)計

本標(biāo)準(zhǔn)的總體設(shè)計思路是：課程以工作過程為導(dǎo)向，根據(jù)化工生產(chǎn)的職業(yè)崗位群進(jìn)行工作任務(wù)和職業(yè)能力分析，對接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按照生產(chǎn)流程，將實(shí)際工作中需要完成的各關(guān)聯(lián)任務(wù)和所需的技能進(jìn)行歸納整合，形成滿足完成崗位（群）工作任務(wù)要求的典型工作，設(shè)定職業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)。[2]按照“學(xué)歷證書與職業(yè)資格證書嵌入式”的要求，按“化工生產(chǎn)”確定工作任務(wù)，以“工作過程”為導(dǎo)向，緊緊圍繞完成工作任務(wù)的需要，選擇課程內(nèi)容，并以典型化工生產(chǎn)項(xiàng)目為載體，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置“釜式反應(yīng)器的操作和控制”“管式反應(yīng)器的操作和控制”“固定床反應(yīng)器的操作和控制”“流化床反應(yīng)器的操作和控制”和“塔式反應(yīng)器的操作和控制”等八個教學(xué)情境。在基于反應(yīng)器操作工作過程設(shè)計的教學(xué)情境中，以化工半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)工廠、化工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中心、校外實(shí)訓(xùn)基地等校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地為依托，在煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠接近真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中組織教學(xué)。學(xué)生經(jīng)歷結(jié)構(gòu)完整的工作過程，在與工作過程各要素的交互中，獲得與實(shí)際工作過程有著緊密聯(lián)系的帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的工作過程知識;采用小組聯(lián)合操作等多種方法，實(shí)現(xiàn)“教學(xué)做一體化”。[3]

3.2 半實(shí)物仿真工廠應(yīng)用于《反應(yīng)器操作與控制》課程的實(shí)施過程

在反應(yīng)器操作與控制課程的教學(xué)過程中，針對學(xué)生學(xué)習(xí)時普遍感到教學(xué)內(nèi)容抽象、枯燥、不好學(xué)、難理解的問題，在化工仿真實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容上選擇典型裝置，如煤制甲醇裝置進(jìn)行訓(xùn)練。裝置以DCS操作與現(xiàn)場操作結(jié)合。課程中反應(yīng)器的設(shè)計選型及操作情境的具體任務(wù)均來自企業(yè)，學(xué)生借助半實(shí)物仿真工廠及仿真實(shí)訓(xùn)軟件完成任務(wù)。如“固定床反應(yīng)器設(shè)計與選型”與“固定床反應(yīng)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(chuàng)建虛擬教學(xué)情境。

在教學(xué)過程中，首先下發(fā)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)編撰的教學(xué)任務(wù)單——甲醇合成反應(yīng)器選型設(shè)計。1）學(xué)生根據(jù)老師推送的課件，自學(xué)固定床反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu)，返回課堂后學(xué)生在煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠通過動畫展示和現(xiàn)場觀察，總結(jié)分析固定床的類型、結(jié)構(gòu)及操作特點(diǎn)。2）學(xué)生基于在煤制甲醇仿真工廠的認(rèn)識實(shí)習(xí)，已經(jīng)對甲醇合成的工藝流程和反應(yīng)器有個直觀認(rèn)識，通過老師推送的知識鏈接了解甲醇合成詳細(xì)工藝流程及反應(yīng)原理;3）然后根據(jù)甲醇合成的工藝特點(diǎn)——溫度、壓力、催化劑，首先確定需要采用氣固非均相催化反應(yīng)器;然后根據(jù)反應(yīng)的熱效應(yīng)及反應(yīng)速率，確定需要采用的固定床反應(yīng)器的類型，并進(jìn)行簡單設(shè)計計算。

通過反應(yīng)器選型設(shè)計使學(xué)生基本掌握固定床反應(yīng)器的常見類型、結(jié)構(gòu)及基本特征之后，依然基于煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠構(gòu)建的虛擬教學(xué)情境，下發(fā)甲醇合成反應(yīng)器操作任務(wù)單。學(xué)生基于對反應(yīng)器操作特征的理解后，再結(jié)合甲醇合成基本工藝及半實(shí)物仿真工廠OTS軟件提供的生產(chǎn)任務(wù)及工藝參數(shù)，制定合適的簡要操作規(guī)程。學(xué)生根據(jù)小組制定的簡要操作規(guī)程先進(jìn)行離線全流程訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)總結(jié)操作過程中的重要問題，再引導(dǎo)學(xué)生從催化劑和反應(yīng)器基本特征去思考、解決操作難題，形成詳細(xì)的規(guī)范操作規(guī)程。最后小組分崗位聯(lián)合演練，學(xué)生在教師和企業(yè)技術(shù)人員的共同指導(dǎo)下在線規(guī)范操作反應(yīng)器并進(jìn)行各種故障的排除，通過反復(fù)訓(xùn)練，使學(xué)生達(dá)到獨(dú)立頂崗操作的能力。

課程設(shè)計整體上遵循“實(shí)踐-理論-再實(shí)踐”的教學(xué)規(guī)律，在反應(yīng)器選型與操作中，每個情境的完成都是一個虛擬生產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)施過程。[4]為達(dá)到好的訓(xùn)練效果，教學(xué)過程以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的形式實(shí)施。對于學(xué)生操作中的問題，盡量多讓學(xué)生獨(dú)立操作、思考，先讓小組學(xué)生討論分析，訓(xùn)練學(xué)生的溝通、交流、表達(dá)、分析問題、解決問題的能力。對于一些操作重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行專題解析，教師通過提示，引導(dǎo)學(xué)生和教師一起去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，構(gòu)建反應(yīng)器基本操作方法的知識體系，這樣學(xué)生很快就掌握了化工生產(chǎn)中典型反應(yīng)器的操作控制技能。

4 需要改進(jìn)的地方

4.1 加強(qiáng)軟件開發(fā)

仿真是基于真實(shí)生產(chǎn)工藝設(shè)計的數(shù)學(xué)模擬，軟件操作設(shè)置過于游戲化，使學(xué)生在操作訓(xùn)練過程中為了提高操作成績無視操作規(guī)律;且在操作中不夠注重操作系統(tǒng)的穩(wěn)定，而常處于極端及危險的操作方式里。學(xué)院應(yīng)加強(qiáng)與仿真軟件開發(fā)公司和化工企業(yè)的聯(lián)系，三方共同開發(fā)更接近生產(chǎn)實(shí)際，更突出企業(yè)現(xiàn)行先進(jìn)生產(chǎn)工藝，也便于規(guī)范學(xué)生操作提高技能的仿真軟件。

4.2 加強(qiáng)師資建設(shè)

以半實(shí)物仿真工廠創(chuàng)建反應(yīng)器選型設(shè)計、操作控制等虛擬教學(xué)情境，要求教師有非常強(qiáng)的基礎(chǔ)理論、工藝、化工產(chǎn)品生產(chǎn)及化工設(shè)計的知識，了解化工儀表及自動化控制技術(shù)、具備一定的化工企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和操作技能;要求老師動手能力強(qiáng)、知識綜合程度高。這需要我們一方面通過下廠實(shí)習(xí)和掛職鍛煉等不斷增加教師現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，另一方面可以引進(jìn)企業(yè)專家作為專業(yè)教師，提升教師隊(duì)伍的業(yè)務(wù)能力和綜合素養(yǎng)，保障課程的實(shí)施。

4.3 加快基于半實(shí)物仿真工廠的項(xiàng)目化教材的建設(shè)

我們現(xiàn)在所使用的教材是傳統(tǒng)的學(xué)科教材，教材所選工藝落后，教材內(nèi)容主要是理論知識點(diǎn)的羅列，不利于指導(dǎo)學(xué)生反應(yīng)器操作技能的提升;少量項(xiàng)目化教材也與我校已有實(shí)訓(xùn)工廠不匹配。學(xué)院亟需基于仿真工廠生產(chǎn)項(xiàng)目，優(yōu)選生產(chǎn)工段與工藝，以項(xiàng)目和任務(wù)為載體，通過典型工作任務(wù)的提取，設(shè)計編寫出緊密結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際、理念先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容新穎的一體化教材。

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