现代多媒体仿真技术在化工实训基地建设中的应用

吕营王豫

（沈阳市化工学校 辽宁 沈阳 110122）

现代多媒体仿真技术在化工实训基地建设中的应用

吕营王豫

（沈阳市化工学校 辽宁 沈阳 110122）

实训基地建设是职业教育培养技能型人才的关键，其目的是使实践教学得以有效实施。沈阳市化工学校在化学工艺实训基地（全国示范性实训基地）建设实践中，营造高层面的化工仿真实训基地，贴近化工企业生产实际，为培养创新人才创造了条件。

多媒体仿真技术；实训基地；化工

随着我国职业教育的快速发展，实训基地建设成为了一个重要的课题。就职业教育的特点而言，建实训基地最根本的目的是使实践教学得以有效实施。工程类专业是直接面向企业生产一线的专业，更需要建设与企业一致的校内生产性实训基地，这样才能更好地促进实践教学，培养学生的工程感和动手能力。但由于化工行业的特殊性，对于化学工艺这样的专业而言，无论从规模上、安全性上还是从成本上考虑，都无法建成与化工企业完全一致的生产性实训基地。要合理地解决这个问题，培养出优秀的化工技能人才，只有引入现代仿真技术，使硬件设施与仿真技术有机结合，营造高层次的化工仿真实训基地。

化工行业的特点

化工生产主要基于连续生产过程，涉及复杂的化学反应，产品加工往往是连续进行不能中断的，生产过程的刚性较强，物料流、能量流、信息流始终不间断地贯穿于整个生产过程。能量流在生产过程中交错使用，物料流需要循环、反复加工等生产特点使得生产装置间存在十分严重的耦合作用，且生产过程一般伴有高温、高压、低温、真空、易燃、易爆、有毒等环境问题，生产过程也经常受到原料供应量、原料组份变化等干扰因素的影响。不合格的产品以及超量的污染排放，或者由于控制系统失灵而引起的生产装置停车，都将产生相当严重的后果。

可以看出，化工工业通常以大批量、高强度、连续化的生产方式组织生产，成本高、过程控制复杂，还要满足平稳、长周期、低消耗、高质量、安全性等多项生产过程要求。因此，要在职业学校建成与企业真正一致的实训基地是不现实的。

多媒体仿真技术简介

多媒体仿真技术通过将仿真的信息和数据转变为被感受的场景、图示和过程，辅助人们进行决策。它充分利用图形、动画、影像和声音等多种媒体手段，将可视化、临场感等结合起来产生一种沉浸感，使人的感官和思维进入仿真回路。

多媒体仿真技术充分地利用视觉和听觉媒体的处理和合成技术，将表达模型信息的各种媒体集成在一起，提供了模型信息表达的有力工具，将模型的属性、状态和行为从抽象空间转移到视觉和听觉空间。它所提供的临场体验扩大了可视仿真的范围，允许将实景图像与虚拟景象结合起来产生近乎真实的环境。

多年以来，多媒体仿真技术已经广泛应用于教育教学中，但传统意义上的化工仿真技术只是简单地利用计算机进行模拟，比如一些较为常见的化工实训软件，学生只能通过鼠标、键盘的操作来控制软件提供的模拟场景。在这个层次的仿真实训中，学生对化工生产过程依然不会产生直观的认识，更不会培养起工程感、动手能力以及处理突发问题的能力，与企业对工人素质的要求还是脱轨的。

多媒体仿真技术在化工实训基地建设中的应用

沈阳市化工学校在化工专业实训基地建设中，为使学生有效掌握化工技能，打破常规实训基地的建设思路，实现多媒体仿真技术与化工实训硬件设施有机结合，在基础建设上，力求呈现实景化工业场景；在培训体系上，强调将企业需求直接转化成课程的设置安排；在培训硬件设施上，建立典型的、有代表性的、有较强适应性的流程级、规模化实训装置，使其与企业生产接轨，特别是要求多媒体仿真系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还能模拟现场装置的实际动手操作，也就是要解决操作人员对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握。其中，还必须包括控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调行动。这些训练内容对复杂系统的开停车、非正常工况的处理，尤其是在遇事故紧急状态时特别需要。

从这些理念出发，整个实训基地建设成为占地面积2100平方米、高9米的真正意义上的车间，购置了大型设备21套，采用工厂实景布局，并建有中央控制室，装有仿真软件与DCS控制系统以及远程控制实训基地的所有设备，使整个实训基地成为大型仿真工厂。现以流程级丙烯酸乙酯装置为例，对多媒体仿真技术在实训基地建设中的应用进行说明。

丙烯酸乙酯实训装置的设计思路是通过软、硬件结合的方式，打造无物料运行的全方位化工实训系统，主要包括以下组成部分。

硬件装置 这套装置总长18米，高7米，分为上下两层平台，将工业装置中大型设备，如塔器、反应器、贮槽、换热器、输送设备等，在保持原设备的结构特点情况下按一定比例缩小，通过连接真实管路、手动阀门、自控阀门及压力、流量、温度、物位、功率、组成和阀位测控传感器等，组成丙烯酸乙酯全流程装置的硬件框架。装置的硬件设施是学生直接操作和运行系统的基础。本装置模拟了工业生产的真实环境，所有阀门均可真实操作，同时，真实工业生产装置的参数是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此和真实工业装置的观测界面完全一致。本装置开车、停车、正常操作、事故处理等过程可训练学生在真实生产环境中的操作技能。

模拟测控系统 模拟测控系统是丙烯酸乙酯实训装置实现无物料运行的关键部分，通过模拟测控系统和数学模型，可以使装置与仿真软件联合成一体。该系统的作用是把设备操作点的动作转变为模拟电信号，例如，利用计算机控制技术实时采集阀门转动的模拟信号，并传送到上位计算机的数学模型中进行运算，再把运算结果通过转换变成模拟电信号，传送到现场的各种仪表进行模拟与数字多种方式的实时显示。所有此类功能全部采用先进的现场总线技术和实时监控技术实现。

仿真培训系统（OTS） 该装置是在“无物理化学过程”的状态下运行的，装置本身没有任何真实进出物料，所有化工生产的工艺现象通过仿真软件模拟来实现，并将这些模拟参数送至DCS。通过仿真培训系统，培训者可以进行冷态开车、正常停车、正常生产维护等操作培训，让受训者感受到的是一个完全真实的工业化工装置在运行。仿真培训系统主要由两部分组成：上层的模拟软件平台和底层的模拟引擎。如图1所示，上层的模拟软件平台提供直观、友好和功能性的图形用户界面，为教员站控制仿真程序的运行开发和维护模型、学员站操作和监视过程模型提供图形界面支持；底层的模拟引擎是仿真培训系统的核心，通过此引擎可以调用仿真模型库、专有模型库（指专利商的专用反应模型等）、物性数据库以及DCS/ ESD模拟机等过程模型和控制模型，实现仿真模型的建模和驱动。

图1 仿真培训系统的总体架构图

DCS集散控制系统 使用现代化工常用的典型DCS集散控制系统，用于本装置的控制与操作。DCS集散控制系统仿真包括：控制柜、操作站、显示器、工业DCS键盘及DCS系统软件和一个进行事故报警及连锁系统监控的辅助操作台。DCS用于管理、调度DCS操作软件各部分，实现动态实时数据库、各类标准画面、键盘操作、各种算法，以及通信的协调配合，完成DCS操作站的显示、操作等各种功能。

实训评价与管理系统 最后，为了方便实训管理和评价，装置还设有相关软件，满足培训的组织和管理要求。当实训装置运行时，软件会自动记录、分析和评价操作员的操作水平，更适于学生实训。

结语

我校化工实训基地的建设大量运用现代多媒体仿真技术，配合工业感强的大型硬件设施和DCS集散控制系统，为学生创造出了近乎真实的化工仿真实训工厂。多媒体仿真技术运用高精度动态数学模型，可以不受约束地模拟实际装置的物理化学特性，全工况动态实时模拟装置的开车、停车、正常运行调控、紧急停车和事故处理。除此之外，仿真培训系统可以快速初始化，无需大量的开、停车准备工作，没有常规运行成本，有效规避了化工专业传统实训的缺点，便于教学组织，易于维护，为化工实训基地的设计和建设提供了可供借鉴的实践经验。

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吕营（1982—），男，山东菏泽人，硕士，沈阳市化工学校讲师，研究方向为高分子智能故障诊断技术与职业教育学。

王豫（1966—），女，河南益阳人，硕士，沈阳市化工学校高级讲师，研究方向为职业教育学。

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1672-5727（2012）04-0167-03