化工过程虚拟仿真实验教学模式探索

靳满满, 田文德, 陈秋阳

(青岛科技大学 化工学院, 山东 青岛 266042)

化工过程虚拟仿真实验教学模式探索

靳满满, 田文德, 陈秋阳

(青岛科技大学 化工学院, 山东 青岛 266042)

针对化工专业实验中实验装置体积大、流程复杂、物料和设备损耗大、化学物料易燃和有毒等特点,自主研发了20余套化工专业实验教学虚拟仿真软件,并实现了虚拟仿真实验教学资源共享。按照虚实结合、能实不虚的原则构建了高度仿真的虚拟实验环境,提供了可靠、安全和经济的实验项目。虚拟仿真实验实现了真实实验难以完成的教学功能,提高了学生的计算动手能力和解决实际工程问题的能力。

化工过程实验； 虚拟仿真； 教学方法

随着计算机和网络技术的快速发展,虚拟仿真技术日益成熟,使得借助虚拟设备进行实验教学成为可能。半实物、全数字化动态模型及3D虚拟现实仿真技术将传统化工装置的硬件功能软件化,这给实验教学带来了深刻的变化[1-3]。青岛科技大学化工过程计算中心经过20多年的努力,自主研发出了动态模拟分析系统(DSAS)。DSAS继承了经典稳态流程模拟系统的数据结构和重要算法,并采用“跟踪逼近法”开发机理模型,取得了动态模拟快速、精确的效果。

1 动态模拟分析系统DSAS研发概况

DSAS采用Visual C++面向对象开发,可模拟多种化工过程常规和事故状态的动态行为,并可对人员的操作情况进行自动评分。DSAS已成功应用于20多套化工装置的动态仿真系统开发,涉及合成氨、聚甲醛、醋酸、己内酰胺、氯乙烯、甲醇等化工生产工艺。

DSAS采用严格的机理模型来动态仿真不同工艺状况。目前,许多化工仿真软件由自控专业的人员开发,因为不同层次、不同目的，往往采用不同的数学模型,但有时整个工艺计算信息难以相互衔接,形成一些“孤岛”,不方便用户的使用和维护。与之不同,DSAS采用统一模拟仿真系统,具体特点如下:

(1) 采用相同的物性计算方法,使之可适应整个操作范围；

(2) 采用统一化工设备数学模型来模拟、优化、培训、校正数据；

(3) 统一模型包括了设备正常和异常变化方程,可以在模拟正常操作过程时,随时进行异常工况模拟；

(4) 统一的关系数据库,避免“数出多源”,保持数据的一致性,具有状态记忆、时标设定等功能。

2 虚拟仿真实验教学资源探索

基于虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术[4-5],对化工过程设计与操作的各个环节进行虚拟仿真,形成了独具特色的“一体化、多层次、模块化、重开放”的虚拟仿真实验教学体系,如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学体系

2.1 化工过程仿真训练实验教学模块

为了使学生更好地了解化工工艺过程和控制系统的动态特性,建立了化工过程仿真训练实验教学模块。生产中种种波动和干扰,都会引起化工生产原有的稳态过程和平衡发生破坏,而使系统向着新的平衡发展。动态仿真将给出这一过程的分析[6-8]。化工过程仿真主要具有以下几个特点:

(1) 考虑了物料和热量的累计量,因此可获得更多、更详细的有关安全、操作、稳定性方面的系统信息；

(2) 采用化工机理模型编制而成,具有时标设定、状态记忆与调用、故障设置、自动评分等功能,可用于化工及相近专业学生的认识实习和生产实习,加深学生对生产工艺的理解；

(3) 具有教师机功能,可以通过网络遥控学员操作台及设置故障,查看学员操作情况并评阅操作成绩；

(4) 由后台计算模块和前台仿CS3000界面组成,二者通过TCP/IP协议通信,可以通过局域网实现多操作站对同一工艺模块的联合操作,实现协同配合,加强学生的团队协作能力。操作界面如图2、图3所示。

2.2 化工基础实验仿真教学模块

为了使学生更好地进行自主实验,能够在实验前直观地了解实验步骤和操作方法,开发了化工基础实验——流体力学综合实验、传热综合实验、精馏综合实验、管路设计与安装等仿真软件,建立了化工基础仿真实验教学模块。其中流体力学综合实验的DCS操作界面及3D操作场景如图4、图5所示。

图2 DCS操作界面

图3 3D操作界面

图4 流体力学综合实验DCS操作界面

图5 3D操作场景

流体力学综合实验仿真操作系统实现了实验现象、实验设备、设备操作、测量和读数的仿真,可以测定流体在管路中的流动阻力、直管摩擦系数与雷诺数关系曲线以及局部阻力系数。学生可借助视觉、听觉及触觉等与虚拟世界进行自然交互。在此系统上可以实现系统设置、查看信息、时标设定、调节通信周期、记忆状态、恢复状态、事故处理、智能评分、帮助等功能。

3 工程背景下的虚拟仿真教学探索

以山东省能源化工、轻工造纸等主要产业为背景,融合了化工、轻工、生物、制药和材料等学科群的研究内容,强化基础化学分子模拟、单元操作的流体力学模拟、工艺流程的大系统模拟,全面覆盖微观、介观、宏观的多尺度仿真模拟过程。虚拟仿真实验教学环节涵盖了化学基础实验、专业基础化工原理实验和化工专业实验,能及时反映化工、轻工、材料、环境、制药、生物、食品等行业在工程开发、建设、管理等方面的共同需要,在校内实训、认识实习和生产实习中发挥了重要的作用。在虚拟仿真实验教学过程中,增加了一批新型单元操作和流程虚拟仿真软件,以过程工程为主要内容,构建了学科群公共虚拟仿真实验教学平台,不仅避免了重复建设,节约了投资,丰富了各专业的实验教学内容,而且可以提高实验装备水平,使教学内容和实验环境更加贴近实际生产,提高了学生的实验设计和实践操作能力[9-13]。

将仿真研究成果商品化后,能够准确、快速地为企业及学生提供多项技术服务。

(1) 利用独立研发的ECSS工程化学模拟系统,成功开发了具有国际先进水平和拥有自主知识产权的MDI制造技术,打破了国外公司对MDI制造技术的垄断,使我国成为第五个拥有该制造技术自主知识产权的国家。MDI制造技术获国家科技进步二等奖,获其他市级以上奖项10多项。

(2) 利用研制的DSAS动态模拟分析系统,开发出20余套炼油和化工装置的仿真软件系统,涵盖聚甲醛、己内酰胺、聚丙烯、聚乙烯、加氢、空分、芳烃、催化裂化等众多化工工艺,在企业员工培训和工艺改造中发挥了重要的作用。

(3) 将成熟的专业仿真技术融入化学工程生产实践中,充分体现了虚拟仿真教学的虚实结合、虚实相互补充的原则,使学生在校内的虚拟实验教学环节中就可以获取现场的实用操作经验。

4 虚拟仿真实验教学资源共享

虚拟仿真实验教学资源的共享,可以有效提高学生的工程设计与操作能力,有助于培养综合素质高、理论基础扎实和专业知识宽厚的化工专业毕业生,并能提高学生的实践动手能力。目前通过虚拟仿真实验教学网络平台,在山东省大学生化工过程实验技能竞赛中，在与其他高校、企业的交流合作中实现了虚拟仿真实验教学资源的共享。

4.1 虚拟仿真实验教学网络平台

虚拟仿真实验教学网络平台能有效整合学校、相关科研单位、合作企业的资源,为学生提供平等的虚拟实验教学环境；能够将实验教材、实验教学视频、工厂生产视频、专业软件、虚拟仿真软件、系统优化与工程量计算等多层次实验教学资源整合；能够打破对实验人时数的限制,允许学生反复进行实验操作,从而达到熟悉某个化工流程的目的；提供了丰富的仿真实验教学资源,具有良好的人机交互性,有利于培养学生自主学习能力,提高学生的专业综合设计能力和创新能力。

4.2 山东省大学生化工过程实验技能竞赛

山东省大学生化工过程实验技能竞赛依托青岛科技大学化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心和化工技术基础实验中心举办,是面向山东省普通本科高校的具有导向性、示范性和群众性的化工过程实验技能竞赛。

虚拟仿真实验为化工专业学生提供了相互交流、切磋的机会以及展示才华的舞台,使学生将所学知识用于工程实践与创新,培养了创新意识、创新能力和团队协作精神,提高了工程能力和科研能力。以大赛为平台,山东省各高等院校间加强了化工类课程教学的交流,也展示了各学校化工类课程教学水平和改革成果。今后,这项化工过程实验技能竞赛还将邀请省外高校参赛、观摩,促进更大范围的教学交流与合作。

4.3 校企交流与合作

近几年,青岛科技大学与海南大学、徐州工学院、赤峰学院和北京欧倍尔软件技术开发有限公司、鹰图软件技术有限公司等展开了深入的交流与合作,加强了资源共享,提高了教学资源的使用效率。各单位相互学习、借鉴虚拟仿真实验教学改革成果,建立了学校与企业合作发展的新机制,使虚拟仿真实验教学中心成为虚拟仿真实验教学理念、内容、方法、模式交流与开放共享的重要平台。

5 结语

在化工专业的实验教学过程中,逐步推广化工过程动态虚拟仿真技术,按照虚实结合、相互补充、能实不虚的原则开发和引进工艺与装备的虚拟仿真软件,共享优质实验教学资源,有利于将化工专业的学生培养成为具有较高的综合素质、扎实的理论基础和宽厚的专业知识,并有较强工程设计能力和实践动手能力的专业技术人才。

References)

[1] 周爱东,王庆,杨红晓.仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践[J].实验技术与管理,2007,24(3):84-86.

[2] 夏迎春,吴重光,张贝克,等.现代化工仿真训练工厂[J].系统仿真学报,2010(2):370-375.

[3] 李士雨.化工仿真实习教学改革的研究与实践[J].化工高等教育,2003(2):49-52.

[4] 丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理,2011,28(5):163-166.

[5] 杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2010,29(4):390-393.

[6] 靳满满,田文德,张俊梅.FCCU反再系统异常工况的安全分析[J].化工学报,2015,66(9):3649-3653.

[7] Tian Wende, Hu Minggang, Li Chuankun. Fault Prediction Based on Dynamic Model and Grey Time Series Model in Chemical Processes[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2014,22(6):643-650.

[8] Tian W D, Sun S L, Guo Q J. Fault detection and diagnosis for distillation column using two‐tier model[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2013,91(10):1671-1685.

[9] 高晓新,马江权,徐淑玲.3D化工仿真在生产实习中的应用[J].实验室科学,2013,16(4):168-170.

[10] 李海港,李金龙.化工3D虚拟仿真实训平台的构建及其教学探讨[J].化工管理,2014(35):30.

[11] 许亚岚,罗雄麟.优化实践教学体系培养复合型人才[J].实验室研究与探索,2013,32(7):175-177.

[12] 陈文江,陈国华.基于虚拟现实技术的喷射火事故三维动态仿真及应用[J].中国安全科学学报,2009,19(3):32-38.

[13] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

Exploration on experimental teaching mode of chemical engineering process virtual simulation

Jin Manman, Tian Wende, Chen Qiuyang

(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042,China)

Aiming at large volume and complicated processes of the experimental devices of chemical engineering, the great wastage of the material and equipment, flammable and toxic of chemical materials, etc., multi-set chemical virtual simulation software is self-developed, which realizes the sharing of virtual experiment teaching resources. According to the combination of virtuality and reality, a highly simulated virtual experiment environment is constructed. It provides a reliable, safe and economic experiment project, has realized the teaching function which is difficult to finish, and improves the students’ calculation ability and the ability to solve practical engineering problems.

chemical engineering process experiment; virtual simulation; teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.034

2016-10-14

国家自然科学基金项目(21576143)

靳满满(1989—),女,山东青岛,博士研究生，主要研究方向为过程系统工程(仿真)

田文德(1973—),男,山东青岛,博士,副教授,副院长,国家级虚拟仿真实验教学中心副主任,主要研究方向为过程系统工程.

P391.9

A

1002-4956(2017)3-0134-04