化学工程与工艺虚拟仿真综合实训中心建设与实践

田 轶, 曹 榆

(1. 常州大学 人事处, 江苏 常州 213164； 2. 常州大学 商学院, 江苏 常州 213164)

化学工程与工艺虚拟仿真综合实训中心建设与实践

田 轶, 曹 榆

(1. 常州大学 人事处, 江苏 常州 213164； 2. 常州大学 商学院, 江苏 常州 213164)

常州大学化学工程与工艺虚拟仿真综合实训中心利用信息化技术,结合高等教育工程能力培养的发展需求,以培养学生的工程实践能力和创新能力为目标,深入开展了虚拟仿真实验教学研究。借助于虚拟仿真实验教学,使高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性的操作变得直观、环保,更易于操作,巩固了学生所学理论知识,提高了学生实践动手能力。

化学工程与工艺； 虚拟仿真； 实训中心建设

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是教育教学与信息技术深度融合的产物[1]。随着国家虚拟仿真实验教学中心建设工程的实施,常州大学积极探索虚拟仿真实验教学方法,立足于本校的优势专业与学科,整合相关资源,建立起体现学校发展特色与优势的虚拟仿真实验教学中心——常州大学建立了化工虚拟仿真综合实训中心[2-3]。本文对该中心的建设工作进行梳理与总结,以期为其他地方本科院校的虚拟仿真实验教学中心建设提供参考。

1 常州大学虚拟仿真综合实训中心建设的发展历程概况

常州大学曾经是部属院校,“化学工程与工艺”是学校的优势学科。早在1996年,常州大学便立足于产学研合作,从辽阳化纤集团“BG-410T/h燃煤锅炉仿真软件”开发为起点,开始为石化企业开发化工仿真培训软件。2002年,常州大学建成化工仿真中心；2010年,化工仿真中心开始探索3D仿真软件的开发。2011年,该中心明确了“化工单元装置校内建设,以实为主,以虚为辅；全流程生产装置校外建设以实为主,校内建设以虚为主”的建设思路。2012年上半年,中心完成了现有实体单元装置的网上3D实验室建设并上线试用；2012年下半年,建成了常州大学化工虚拟仿真实训中心；2013年8月,合作开发(作为第一知识产权单位)的甲醇合成与精制软件，成功实现网络远程登录,标志着虚拟现实仿真软件实现了升级换代,让学生不受时间、空间的限制地进行虚拟工程训练并取得相应学分。2014年,常州大学化工虚拟仿真综合实训中心获批国家级虚拟仿真实验教学中心。

化工虚拟仿真综合实训中心的建成解决了实验教学实物或半实物装置占地面积大、维护费用高、利用率偏低、“三废”处理困难等一系列问题,在满足专业工程训练要求的同时,还可以为企业提供员工培训的服务。

2 虚拟仿真综合实训中心建设的必要性

目前,工程一线人才紧缺已成为制约我国新型工业化进程的重要因素之一。工程技术能力和实践应用能力是工程能力的重要内涵,国内许多大学建成了工程实习实训中心,也与企业合作共建了一些实践基地,一定程度上加大了对学生工程技术能力和实践应用能力培养的力度,然而对实习动手难的问题仍然没有很好地解决。

化工行业是我国国民经济的支柱产业,生产规模日益扩大。它以复杂的大型设备和高度密集的联合体为基础,自动化程度很高[4]。但是,由于化工生产过程连续且不可逆,同时存在高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性,使实体模拟生产过程的实验教学存在着巨大的风险。因而,建立虚拟仿真综合实训中心是化学工程与工艺学科群实验教学的一种有效的解决方法。

3 虚拟仿真实验教学体系构建

虚拟仿真实训中心以“商业产品生产”为主线,全面模拟工业装置的完整运行过程,对参加实习的学生提出“岗位人员”的职业规范要求。实习中心的运行完全模拟实际工业装置生产运行秩序和状态,实习者的行为也须完全遵守正式企业员工的岗位操作规范。

虚拟仿真实训中心通过充分挖掘和利用虚拟仿真技术,开发虚拟仿真实验教学运行系统及框架结构。通过设置教师站、学员站、智能操作、智能评分、专家诊断系统等,实现信息发布、实验实习数据收集、师生实时互动、成绩评定等功能[5-6]。

学员站能够供学生进行实践操作练习。目前实训中心的教学设置有专业单机训练,即在本专业范围内一人多角色的训练；有专业联机训练,即在本专业范围内由多人、多角色实现“顶岗实习”协同；也有多专业综合训练,即多专业、多人、多角色的训练。

此外,虚拟仿真实训中心的实时智能评分系统可以对学员的仿真操作进行实时监控和评分；现场专家诊断系统可以对学员的仿真操作和事故处理进行实时指导与诊断；功能齐全的教师站具有工况选择、事故选择、控制参数的整定、工艺变量趋势的显示、仿真时标的设定、学员操作评分的监控、程序冻结与解冻、状态保存与恢复等功能。

4 虚拟仿真实验教学模块设计

常州大学化工虚拟仿真实验教学中心的资源按化工生产过程进行规划建设,目前已建成从油气储存与运输、化工工艺流程、单元操作、过程自动控制、水处理、化工安全等板块的实验教学模块。

4.1 油气储存与运输仿真实验教学平台

原料的存储与运输是化工生产的第一道工序,油气储运管道输送实验平台由罐区、泵房、工艺管线、阀组、测控仪表、DCS系统、工程师站所组成,可利用DCS系统自带的组态软件在工程师站上选择管道输送工艺的任一流程进行组态。该实验教学平台可承担管道输送工艺综合实验、油库工艺综合实验、长输管道实验、储运仪表设备及仪表认识实验、管道及泵特性调节与自动控制实验,还可进行泄漏监测、水击、流体动力学和管道输送系统自动控制等方面的仿真模拟与实验研究。

该仿真实训教学可增强学生对石油站库知识和常规作业以及油品储运和管道输送技术的认识,学习油库工艺、长输工艺、油气集输工艺以及基本站库操作技能,培养设计实验、自主实验、分析实验数据、整理实验成果以及编写实验报告的能力,提高学生对油气储运工程的实际操作、初步设计和管理能力。

4.2 化工工艺流程仿真实验教学平台

化工产品种类繁多,生产工艺各不相同,选择典型的、有代表性的、有较强适应性的化工产品生产工艺作为流程级、规模化实训装置是至关重要的[7-8]。常州大学虚拟仿真综合实训中心选择了原油炼制、煤化工、生物化工、化工医药、精细化工、新能源化工等方面典型的生产工艺进行系统的开发与建设,建成了化工工艺仿真软件群。

(1) 原油常减压3D仿真。该软件以大庆石化270万吨/年常减压装置为原型,结合计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等先进技术,采用国际广泛使用的具有丰富后台数据支撑和强大仿真计算能力的化工流程模拟软件ASPEN PLUS。该装置的模拟3D现场严格依据真实工厂设计施工资料建立,后台仿真操作界面采用现代化工厂常用的DCS控制界面仿真,3D现场的阀门、仪表等操作与后台二维仿真实时通信,使操作者有很强的沉浸感。该套实验教学平台既可进行3D仿真实习项目的教学,也可以为“化工设计概论”、“石油炼制工程”、“化工原理”等课程提供逼真的虚拟现实工厂场景,将虚拟现实的工厂环境引入校园,实现“将工厂搬进课堂”的课堂教学改革。

(2) 甲醇合成与精制工艺3D仿真。该软件以煤化工产业为背景,以真实化工厂甲醇项目为基础,选取煤制甲醇工艺中“合成气制甲醇”及“甲醇精制”部分进行开发,可进行4种初态、6个事故工况以及2个安全事故仿真操作。该套仿真实验平台建设实现了远程登录、在线仿真3D实验与实习、在线评分与成绩记载,并利用Flash实现了在场景中设备内部细节的描述。该仿真软件还具有“巡线”、“摸流程”等与实际现场实习相一致的虚拟实习模式,完成生产成本数据的采集,为与产品成本核算、物流管理、过程企业管理等管理专业的融合奠定了基础。

(3) 地沟油制生物柴油生产工艺。该项目以学校自有知识产权“利用地沟油及其他废弃油脂综合利用关键技术”为基础,与企业共同建设开发。实际生产装置安装在江苏省卡特新能源有限公司,由企业出资建设,采用生物酶催化技术工艺。仿真软件以地沟油为原料,分别开发生物酶催化技术、管道反应技术及常规间隙反应技术等3种仿真工艺,模拟生物柴油的生产过程、系统控制及公用工程,并可进一步拓展以甘油为原料的发酵法制1,3-丙二醇的3D仿真系统。目前,该项目真实生产装置已建成投产,生物柴油产品已进入市场；2D仿真软件已自主开发完成并投入使用。

4.3 网上3D虚拟实验室仿真实验教学平台

常州大学化工虚拟仿真实训中心以自主研发的化工单元操作装置、啤酒生产车间工艺装置及阿司匹林中试生产装置为原形,开发了数字化3D虚拟化工工程实验室,通过交互式虚拟实验场景及配套的网络预习系统,有效地拓展了实验室的物理空间,强化了实验教学的预习环节,提高了实验教学的效率和效果。

网上3D虚拟实验室采用3ds Max和VR-Platform三维互动虚拟平台,经过现场勘察、媒体设计、3D建模、视频摄制、虚拟场景制作合成,成功地开发出集3D高仿真展示、多媒体授课、预习、复习、数据处理为一体的“常州大学石油化工虚拟实验中心”[9]。网上3D虚拟实验室将书本中描述的生产流程立体化,将单元操作的流程、实验操作视频和实验原理动画等信息生动、逼真地呈现在学生面前,学生在高逼真的虚拟场景中可漫游和自由穿行、可实现人机互动,大大丰富了实验教学内容,有效扩展和延伸了现场实验教学。

4.4 过程自动控制仿真实验教学平台

过程自动控制仿真平台根据特定的小规模过程控制环节(例如锅炉、蒸发器、反应器)的控制要求,设计相关的模型和控制算法,并将模型和控制算法载入虚拟仿真教学平台中进行仿真测试,测试通过后再添加相关的工艺动态画面,从而实现化工工艺的自控模拟系统设计。此实验项目可让学生充分理解各控制环节的特性和控制方法,了解控制回路在化工生产过程的作用。

该仿真平台可提供的实验项目有:锅炉、换热器、反应器的对象特性测试实验,温度、液位(单参数、串级)控制实验,PID参数整定实验等13个实验。

4.5 水处理虚拟仿真实验教学平台

水处理虚拟仿真实验教学平台构造出水处理设备以及能够进行控制、读数的操作台和仪表盘图像。该虚拟仿真实验教学平台的运行,是基于水处理反应动力学和水力计算的相应理论,直接再现真实实验的进程。虚拟仿真实验教学平台能够模拟真实设备和仪器仪表的工作方式,只要按照需要调整旋钮、操作控制阀和仪器面板上的指针,便能够调整设备的一系列参数,同时获得动态的仿真结果。

虚拟仿真实验不需要实际生产设备,不受实际生产运行周期的影响,仿真实验的结果来源于基础理论和真实实验,在可行性研究时能充分利用已有的实验成果,设计时又简化了计算过程,能够进行更广泛的选择而获得优化结果。通过故障树分析软件仿真,学生能较熟练地分析大型复杂的故障树和事件树,计算它们的最小割集等参数,加深对安全系统工程的认识[10]。

5 虚拟仿真综合实训中心的教学特色

5.1 全流程仿真生产工艺和生产场景

化工虚拟仿真综合实训中心不但能够模拟化工生产控制系统的操作,还能模拟现场装置的实际手动操作。控制室内既有真实DCS系统满足自控专业相关实训,也有能满足与生产工艺相关专业实训的仿DCS系统。阀的操作可在装置现场真实操作,工艺变化的参数是软件根据生产实际数据所回归的模型“模拟计算出”的参数。

由于该装置是在“无物理化学过程”的状态下运行的,本身没有任何真实物料进出,能耗小、无污染,不会发生爆炸等危险事故。所有化工生产的工艺过程通过软硬件来模拟实现,并将这些模拟参数送至仿真DCS,部分参数送至现场仪表显示,让学生感受到的是一个完全“真实”的工业化工生产装置在运行中。

5.2 实训采用真实的工厂化管理方法

化工虚拟仿真综合实训中心按工作岗位建立了实训车间管理制度、实训车间主任岗位职责、实训车间准员工实训守则、实训车间设备管理员岗位职责、实训车间班组长岗位职责、实训车间安全员岗位职责等制度,并以生产车间的模式组织开展实训教学工作。

实训将大班分为若干“班组”,让学生作为准员工体会企业的工作环境、企业管理和工作过程,实现学生自我管理,有效避免了因实训学生人数多而造成的管理困难。学生在增长专业知识、提高专业技能的同时,让学生在现场管理过程中提升自身素养,锻炼合作意识、沟通能力和责任心、最终成长为符合企业需要的现代职业人。

5.3 构建教师科研平台,带动课程教学改革

在化工虚拟仿真综合实训中心,教师可以围绕企业生产管理与经营,创新设计、组织教学内容,促进教学内容的深层次改革。专业教师可利用此实训装置进行专业课程项目化教学改革[11]。实训教学工厂的运行,还可给教师教学科研提供载体,如开发新的仿真模块、有针对性地为企业设计工艺培训包、研究校内实训基地的建设模式和校内产学一体化的教学实训基地建设、研究科学合理的课程教学评价标准等。

6 结束语

常州大学化学工程与工艺虚拟仿真综合实训中心在长期的实验与实践教学探索中,在教学理念、教学体系、自主研发、师资队伍建设等方面都取得了快速的发展。学校坚持立足于石化行业的特色,实现了石化行业的实验教学资源与科研成果的统一,并进一步融合共享,促进了仿真综合实训中心的教学品质的提升。在未来的发展方向上,化学工程与工艺虚拟仿真综合实训中心将以理念先进、硬件设备先进、软件技术先进、教学方式先进、管理模式先进、考核方式先进为目标,融合现代信息技术与化工学科专业技术,融合同一软件的多专业,实现校内外资源共享、网络共享、校企共享[12]。

References)

[1] 教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013/08/13)[2014-12-26].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 张敬南,张缪钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):101-104.

[3] 江苏省张家港职业教育中心校.虚拟仿真技术助推学校信息化建设[J].中国教育信息化,2013(15):101-104.

[4] 乐清华.筹建《化学工程与工艺专业教学实验中心》的思考与实践[J].化工高等教育,1998(3):18-22.

[5] 文衍宣.化学工程与工艺特色专业的建设与实践:以广西大学为例[J].高教论坛,2013(11):36-41.

[6] 张昱.化学工程与工艺专业实验的整合研究[D].兰州:西北民族大学,2012.

[7] 范明舫,贺楚华.化工实验仿真趋势及在我院的应用[J].广东化工,2013(23):183-185.

[8] 吴赛纳.浅析化学工程与工艺专业实验教学质量的改革与实践[J].化工管理,2014(8):95-98.

[9] 赵荣阔,刘思佳,王直亚.3D虚拟仿真技术在煤矿安全管理中的应用[J].煤矿安全,2014(4):223-225.

[10] 施祝斌.虚拟仿真技术在高职教学中的应用[J].中国职业技术教育,2013(20):78-80.

[11] 蒲丹,周舟,任安杰,等.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理,2014,31(3):5-9.

[12] 王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理,2014,31(8):9-11.

Construction and practice of virtual simulation comprehensive practice training center of chemical engineering and technology

Tian Yi, Cao Yu

(1. Human Resource Department, Changzhou University, Changzhou 213164,China; 2. School of business,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

The virtual simulation comprehensive practice traning center of chemical engineering and technology in Changzhou University, taking the information technology, connbined with the college industrial characteristics and the requirements of the development of higher education engineering training to cultivate the students’ engineering practical ability and innovative ability as the goal, carries out the virtual simulation experiment teaching exploration and research.By means of virtual simulation experiment teaching, it makes the high temperature and high pressure,inflammable and explosive,poisonous and harmful high risk more intuitive operation,environmental protection,more easy to operate, which can strengthen the students’ learning theory knowledge and improve the students’ practical ability.

chemical engineering and technology; virtual simulation; construction of practice training center

2015- 01- 19 修改日期：2015- 01- 22

田轶(1988—)，男，安徽铜陵，硕士，助理研究员，主要研究方向为高等教育管理.

E-mail：Tianyi@cczu.edu.cn

TQ02;G642

B

1002-4956(2015)7- 0160- 04