新型干法水泥生产仿真技术在水泥工程实践教学中的应用

林海燕 阳勇福 郭献军 王晓峰

洛阳理工学院材料科学与工程系 河南洛阳 471023

新型干法水泥生产仿真技术在水泥工程实践教学中的应用

林海燕 阳勇福 郭献军 王晓峰

洛阳理工学院材料科学与工程系 河南洛阳 471023

新型干法水泥生产仿真教学具有实用性好、灵活性大、综合性强、实践成本低的优点。将新型干法水泥生产仿真技术引入水泥工程的实践教学中，可丰富教学内容，灵活多样的教学方式能充分调动学生学习的主动性和积极性，培养学生对水泥工程的全局观和创新意识，弥补传统实践教学的不足。

新型干法水泥生产仿真技术；水泥工程；实践教学

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

新型干法水泥生产技术具有理论性强、技术性强、综合性强、实践性强的优点。结合生产过程进行的实践教学是水泥生产工程教育的重要组成部分，在这个过程中让学生理解工程教育的特性：实践性、综合性、经济性和创新性，对培养学生优良的工程素质有着重要的作用[1]。近年来，为适应快速发展的水泥行业对技术人才的需求，国内许多院校对无机非金属材料工程专业做了大量的教学改革与研究工作[2-5]，培养了大批水泥企业急需的技术人才。但是由于学生人数不断增加，实习时间也不断受到挤压，投入经费不断缩减，企业内部管理制度也有其局限性，这些因素导致学生实习中的技术指导人员不足，学生动手操作的机会很少，在工厂生产实习、毕业实习期间收获不大，难以达到教学目标的要求。而且这种状态在一定时期内或将一直存在，不利于对学生专业技能、专业思想、工程素质的培养，仅仅停留在就实践论实践的层面，无法达到师生实践的“主体意识”层面[6]。为此，我们开发了新型干法水泥生产仿真系统，采用仿真教学方式，把教学思路和教学环节充分融入课堂教学中，形象具体地表达教学内容，体现新型干法水泥生产的内在规律，为学生对新型干法水泥生产的认知提供丰富的感性经验和思维素材，同时学生可在仿真系统操作界面上进行新型干法水泥生产的模拟操作与控制，丰富学生的经验，激发学生参与教学活动的热情，促进学生对技术知识的学习和掌握。

1 新型干法水泥生产仿真技术教学特点

新型干法水泥生产仿真技术是利用计算机模拟技术，以新型干法水泥生产操作与控制技术理论为基础，在微机平台上实现现代水泥生产过程中各设备的运行状态、运行参数和操作参数的模拟显示，再现各种设定条件下实际生产过程中的可能性行为表象，实时分析、判断系统运转状况及故障类型，并运用适当方法解决生产问题，以保证实际生产过程中能及时、准确、熟练操作，达到稳定生产的目的。目前，由我院研究开发的新型干法水泥生产仿真系统已成为水泥各相关专业实践教学中不可或缺的重要辅助工具，在水泥工程实践教学和技术人员培训中发挥着越来越重要的作用，它具有鲜明的教学特点。

1.1 实用性强

为满足新型干法水泥工业快速发展对中控操作技术人员的迫切需求，我院于1992年开始新型干法水泥生产仿真系统的研究开发工作。在多厂实地调研获得大量一手资料的基础上，选择当时最为先进的2000 t/d熟料预分解窑系统为模拟对象，根据大量的热工计算和推导，结合生产实际中积累的经验，开发了第一代新型干法水泥生产仿真系统。随着水泥工业的快速发展，生产线的建设规模逐渐扩大，我院对新型干法水泥生产仿真系统进行了升级，以适应目前5000 t/d熟料生产线为主体的新型干法水泥生产体系的教学与培训。由于紧密结合生产实际，尤其是预分解窑系统的故障处理模拟系统，收集了水泥生产过程中20种常见故障的工艺参数，并开发了与目前水泥企业中控操作界面相仿的仿真系统操作平台，实用性非常强。在教学表现方式上，教师机(相当于新型干法水泥生产线)向学员机(相当于中控操作界面)的工艺参数发布方式分为指定发布、统一发布和随机发布。指定发布、统一发布主要适用于教师讲解以及学生在已知故障类型情况下熟悉各工艺参数(各点温度、压力、气体成分、电流、喂料量、喂煤量、电机功率等)的变化规律并进行相应的操作处理等情况，这主要是学生对新型干法水泥生产过程中各种现象的认知。如果学生不知道生产过程中出现了哪类故障，需要根据整个生产系统工艺参数的变化规律及时发现问题，分析、判断故障点及故障类型，并进行中控操作处理和生产现场处理，这主要是学生对所学操作与控制技术的应用，完全模拟实际生产现场，这时就适合使用随机发布的方式。实践证明，经过仿真系统培训的学员，在中控操作中可快速掌握中控操作技能并成为企业技术骨干。

1.2 灵活性大

仿真系统包含新型干法水泥生产工艺流程动态模拟显示系统、新型干法水泥生产设备操作规程模拟系统、预分解窑系统故障处理模拟系统等，可根据不同教学专业、教学对象，选择不同实验模块进行教学。同时，针对计算机仿真系统的特点，可使学生有针对性地对水泥生产控制技术进行反复演练，这就从根本上解决了学生在实习过程中无法见到、学到，更不能亲自进行现代化水泥生产线的调节和控制并对常见故障进行判断与处理的难题。

1.3 综合性强

新型干法水泥生产线的操作与控制是最终实现设计意图、挖掘设备能力、提高企业效益最为重要的环节，尤其是窑系统的中控操作。作为中控操作员，必须掌握整个生产线的工艺流程，设备的转向、转速、功率等性能，设备轴承温升、润滑、水冷、风冷系统，各检测点的温度、压力、流量，各管路阀门的开度等相关参数及运转状态，熟悉现场、中控、机械装置自身三者之间的差别，掌握PC系统的控制、连锁关系，并能读懂运行曲线趋势图，分析设备的运行状况。尤为重要的是，操作员必须准确判断窑况，根据不同原燃料的情况，保持风、煤、料及窑速的均衡匹配，优化工艺参数，稳定热工制度，实现优质、高效、稳定生产。因此，新型干法水泥生产的操作与控制是一项综合性非常强的工作。我们在开发仿真系统时非常注重这一特点，综合运用了流体力学、热力学、工艺学等各方面的理论知识，既准确表达了各工艺参数的内在含义，又全面体现了它们之间的变化规律。这样，在实训过程中，既可使学生综合运用流体力学、热力学、工艺学等理论知识分析问题，提高理论应用水平，又可理解新型干法水泥生产操作与控制的精髓，逐步形成科学的操作理念。

1.4 实践成本低

学生进厂实习或企业员工参加培训时，为稳定生产，企业不可能人为制造故障让学生或接受培训的人员进行演练、处理。因此，他们在实习或培训过程中，不可能经历水泥厂所有的常见故障的分析、处理过程，培训收获不大。而仿真系统不存在出现故障带来巨大生产损失的问题，学生可对水泥厂所有常见故障进行反复演练，实践成本非常低。

2 仿真系统在新型干法水泥生产教学中的实践

2.1 仿真系统的组成

仿真系统硬件主要有新型干法水泥生产工艺流程动态显示屏、工控机、多台计算机(1台教师机，1台网络服务器，其余为学员机，连成网络)、工控机控制动态显示屏。计算机用来产生各种仿真数据，显示新型干法水泥生产系统的工艺流程、工艺参数、运行状态及控制参数等。其中教师机用来向所选择的学员机(操作站)发送信息。服务器用来存放仿真软件系统、正常生产的工艺参数数据库、工艺流程图、屏幕位置参数文件等。仿真系统采用集散控制系统。

2.2 仿真教学内容

按照“工程专业教学与工程素质培养相结合、模拟操作与工程实训相融合”的实践教学理念，构建了适应不同层次、不同对象的仿真教学体系。将教学内容划分为六大实验模块：材料工程基础模拟实验、水泥生产工艺动态模拟实验、预分解窑系统设备模拟操作实验、水泥生产中控操作及故障处理模拟实验、工程模拟设计实验和生产过程参数采集与控制实验。材料工程基础模拟实验主要包括沿程阻力模拟、局部阻力模拟、均化库模拟、换热单元模拟等实验，通过这些模拟实验，学生可加深对流体力学、热力学理论知识的理解。预分解窑系统设备模拟操作实验包括生料制备系统操作模拟、煤粉制备系统操作模拟、熟料烧成系统操作模拟、水泥制成系统操作模拟、预分解窑点火操作模拟等实验，学生可熟悉新型干法水泥生产系统的操作规程。水泥生产中控操作及故障处理模拟实验包括来料突然中断等20个水泥厂常见故障的处理模拟实验，要求学生综合运用所学专业知识，学会分析故障原因，熟悉故障处理的基本理念与方法。通过上述仿真教学，密切结合实验室的实物教学及工厂的现场教学，充分调动学生学习的主动性与积极性，培养学生对水泥工程的全局观念和创新意识。

2.3 仿真系统的操作

根据教学内容，教师可在教师机上发布不同指令选择授课内容。学生通过输入学号或姓名进入故障处理仿真操作系统(如图1所示)，其操作界面图像如图2～图4所示，通过左上方的菜单按钮可进行界面的任意切换，以便观察和分析各个界面上的生产工艺参数。

图1 故障处理仿真系统主界面

图2 故障处理仿真系统操作界面—窑尾

图3 故障处理仿真系统操作界面—废气处理

图4 故障处理仿真系统操作界面—窑头

在教师机指定发布或统一发布指令模式及告知学生故障类型的情况下，学生可观察各类故障发生时各工艺参数的变化情况，分析相似故障的差异性，运用流体力学、热力学、工艺学等进行理论分析，在此基础上提出处理方法，并完成相应操作步骤，逐步积累分析与操作经验；在随机发布指令模式下，学员机显示的故障是随机的，要求学生根据各工艺参数的变化特征、规律对故障所处部位和类型进行分析、判断，在正确分析和判断的基础上完成相应中控操作和对现场问题的处理，这是在前期学习积累足够多经验的基础上完全模拟生产现场的熟练化培训。仿真系统开发了“来料突然中断”“生料饱和比过高”“预热器塌料”“窑后结圈”等20个故障的仿真处理程序，故障类型如图5所示，其中既包含破坏性故障，也包含调节性故障，基本覆盖了水泥厂所有重大故障。故障处理完成后，作为一套教学软件，仿真系统对故障排除情况进行了统计(如图6所示)，这可作为判断学生故障处理熟练程度的参考依据。

图5 仿真系统故障类型

图6 故障处理仿真系统操作情况统计

仿真系统可模拟中控操作人员进行全厂生产的操作与控制，进行生产工艺故障的排除。通过仿真系统训练，可全面理解新型干法水泥生产工艺流程、有关生产过程量中主要调节量、控制量及其相互关系，理解对整个窑系统设备启停的连锁要求，掌握对其进行集中启动/停车、机旁启动/停车的操作方法。

2.4 仿真教学的指导

教学内容不同，教师教学的指导方式也不同。对于材料工程基础模拟实验、水泥生产工艺动态模拟实验等内容，主要侧重于加深学生对实验内容的感知，掌握实验基本原理或工作过程，为后期的实践教学打下良好基础。因此，教师可进行集中指导，根据实验步骤提出问题，让学生理解实验原理；或通过分析、比较，让学生理解工艺设计思想。而对于中控操作及故障处理模拟实验等内容，由于技术性、综合性、实践性非常强的特点，学生对新型干法水泥生产技术的理解存在个体差异，教师的角色也需要发生转化，教师要从单纯的知识传递者转变为学生实践活动的组织者、技能学习的指导者、讨论交流的参与者和素质发展的促进者。教师除了答疑解惑，还需要动态地观察和指导学生，帮助学生改善知识结构，树立水泥工程的全局观念，培养学生的批判精神和创新意识。这也对教师提出了更高的要求，不仅要有较高的理论水平，还要求具有丰富的工程经验和良好的工程素质，引导学生并与学生共同进步与成长。

3 结束语

将仿真技术引入新型干法水泥生产教学中，通过仿真教学与工厂实习现场教学的有机结合，解决了传统实习有实习场所、实习热情但无高效实习平台的问题。通过仿真系统训练，学生在现场实习时的主动性、针对性增强，开阔了视野，树立了全局观念，掌握了生产调控技能，收到了良好的实习效果。同时，该仿真系统也为水泥企业培训了大量中控操作技术人员，目前已有20余套仿真系统被推广到其他院校。

[1] 朱高峰.工程教育中的几个理念问题[J].高等工程教育研究,2011(1):1-5.

[2] 胡成刚.从水泥行业发展谈无机非金属材料工程专业教学改革[J].长春理工大学学报:社会科学版,2011,24(1):165-167.

[3] 杨晓杰,周惠群,和春梅.高职无机非金属材料工程技术专业核心课程体系开发与实施[J].职业技术教育,2010,31(20):29-32.

[4] 张长森.应用型本科无机非金属材料专业教学改革探索[J].边疆经济与文化,2007(4):122-125.

[5] 曹建新,陈前林,林倩,钱永龄,张胤楠.对水泥专业实验教学的改革及探讨[J].贵州工业大学学报,1997,26(5):96-99.

[6] 李培根.未来工程教育中的实践意识[J].高等工程教育研究,2010(6):6-8.

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，硕士，讲师。

河南高等教育教学改革研究项目(编号：2009SJGLX292)资助。

(本栏责任编辑/金彩霞)