煤制甲醇半实物仿真工厂建设与教学应用

周艳军 齐国金 周立岱 赵永华

辽宁工业大学化学与环境工程学院 辽宁锦州 121001

化工生产具有易燃、易爆、高温、高压、有毒、有害等特点，存在着许多不安全因素和职业危害，比其他行业生产具有更大的危险性。正由于化工生产的特殊性及企业对安全和生产消息等因素的考虑，造成化工厂不愿意接受学生在厂实习，即使接受也只能以参观形式，不允许学生亲自动手操作，以免发生事故，造成人员伤亡和经济损失。学生实习停留在只看不动的感性认识的学习上，并且由于各种管路和设备的特殊要求都进行了包裹处理等，学生无法看到管路或设备的真实情况，所以高校化工类专业在专业实习等实践环节遇到学生不能亲临生产现场参与生产实践活动真实体验等问题，生产实习环节不能真正体验生产操作，因此，远远不能达到实习教学的目的[1]。正是由于这种原因，许多教育工作者不断进行研究，将虚拟现实仿真技术应用于化工类学生生产实践教学中，以适应化工领域人才培养需求，使高危险、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等实习项目可以在校内安全地进行，既让学生学到了实习中应该掌握的技术，又保护了学生学习期间的人身安全[2]。

近年来，研究者不断开发半实物仿真工厂，并在化工类生产实习中得到应用，其具有数字高仿真、工厂化对象背景、情景化真实操作、故障模拟真实设置等特点，解决了学生只能观看而不能动手操作的问题，激发了学生学习兴趣，提高了动手能力和思维能力，强化了对专业知识的掌握和应用[3-5]。辽宁工业大学将建成省内一流应用型高校作为发展目标，尤其注重应用型技术人才培养，为提高化工类学生培养质量，投资建设煤制甲醇半实物项目，并在教学中应用。本项目主要包括两个部分：半实物仿真生产装置和装置配套的实习实训虚拟生产培训仿真软件系统。

1 半实物仿真生产装置介绍

本装置是在约20 m×8 m×7.6 m(长×宽×高)的房间内，以湖北某工厂甲醇生产工艺为基础，模拟60万t/a煤制甲醇生产全过程，采用的是德士古气化工艺，该工艺包括气化、变换、低温甲醇洗、甲醇合成和甲醇精馏5个工段。装置如图1所示。

图1 实物装置

装置具有工厂情景化、操作实际化、控制网络化(DCS)、故障模拟真实化等特点。装置在设计上分为两层：每层均能保证足够的操作、检修与教学空间，二层设有护栏、防滑钢板。装置框架采用钢结构确保安全可靠，所有设备需采用工业(304)不锈钢材料制作，整体坚固耐用。

该装置具备进行开车准备、开车、正常操作、停车、设备维护等方面的技能操作训练和工艺指标控制操作技能训练。

装置自控仪表采用真实加仿真控制仪表，控制系统采用真实DCS系统，生产操作通过仿真软件经由DCS系统实现对装置的控制，仿真软件具有配合培训模式(完全模拟装置的主控室，几台PC共同控制操作同一个装置，适合对整个团队进行培训与考核)与独立培训模式(每个学员独立操作整个工艺流程仿真软件，适合对每个学员进行培训与考核)。

其中生产装置与仿真控制仪表均由专业正规生产厂家生产，且有厂家授权。现场仪表的选用符合真实装置，温度、压力、流量、液位采用不同类型的改造仪表，现场仪表与远传仪表有区别。仿真仪表外形结构与原实际类型基本一致。

2 虚拟生产培训仿真软件

该项目的虚拟仿真培训软件包括两类，一类是与半实物装置配套的仿真软件，另一类是单机版练习型软件。其中半实物生产操作是通过与其配套的仿真软件完成的，该软件经由DCS系统实现对装置的控制，具有配合培训模式的特点，单机版就是独立培训模式。DCS仿真完全模拟实际生产，构建“缩小版现场+DCS中控室”相结合的模式。

DCS控制系统的主要界面包括总貌画面、各流程图画面、控制组、趋势组、报警、细目、变量监控、各种操作仪表及弹出子画面，操作方式和控制方案完全相同。

本系统包括虚拟三维化工厂培训系统如图2所示。

图2 三维仿真

3 半实物仿真装置在教学中的应用

化工行业属于易燃易爆高危行业，学生在实习或者新进工人在前期的培训当中存在着不能动手操作的问题，为了使学习者更快、更好、更直接地了解实际生产中的问题，知道化工生产中的运行状态和操作，半实物仿真装置起着至关重要的作用，根据该套装置的功能和特点，可应用于以下教学中。

3.1 课程教学实物化

根据装置工厂情景化特点，可将化工生产技术、化工工艺学、化工计算、化工设备基础和化工自动化仪表等化工类专业课程的部分教学搬到现场进行，在具有管路和设备实物装置现场，学生可通过煤制甲醇工艺流程对工艺过程有深入了解，理解和掌握工艺原理；了解管路和设备布置原则，以及仪表安装和控制。装置中部分采用真实的工厂用仪表和阀门，使学生对各种显示仪表、检测仪表及元件、调节器等有一定认识，并知其重要性，如各种流量计、温度计等。化工工艺学课程在甲醇工艺教学中将学生带到煤制甲醇半实物现场进行工艺讲解，提高了学生学习兴趣，加深了学生对工艺的掌握。

3.2 虚拟操作仿真化

单机版练习型仿真操作软件，仿真工厂实际操作过程真实地再现实际工艺流程各种操作状态和行为，通过软件操作完成该工厂开车准备、开车、正常操作、停车、故障处理等操作。学生可在电脑上开关阀门，根据生产要求，完成进料、建立液位、升温、开泵及压缩机等操作，同时动态仿真随阀门或工艺参数等的变化，观察对物料流量、装置温度、压力的影响。对结构复杂设备进行了解剖模拟，利于学生对设备内部结构的掌握，如气化炉。在仿真实训实践教学环节，要求学生在虚拟状态下完成整个装置操作，使学生了解生产操作过程，以及操作中要考虑的因素，此过程学生工程意识和工程思维能力得到提高。

3.3 生产操作实际化

该装置通过实物装置和相配套的仿真软件实现生产操作实际化，生产操作通过仿真软件由DCS系统对装置实现控制，通过信号传输可实现工厂主控和现场联合进行开车准备、开车、正常操作、停车、设备维护等方面的技能操作训练，以及工艺指标控制操作技能训练，真实准确地实现工艺现场操作，及真实故障处理。学生通过在实物装置上实际操作和主控操作相结合，不但了解生产操作过程，对生产工艺、原理、操作有了深入认识。本装置实现了可操作生产实习、顶岗实习等实践环节教学，不但增强学生现场实物操作感，避免实际生产过程中出现误操作影响生产及降低安全隐患，而且为学生走向工作岗位打下坚实的实践基础。

通过实物装置的生产实习，学生的动手能力以及工程设计能力得到提高。在后续化工设计绘制工艺流程图时，绘图质量得到了极大的提高。

由于本装置既有与装置配套的实习实训单机版虚拟生产练习仿真软件作为初级培训，也有与半实物装置现场相结合使用的生产培训配套仿真软件，所以除上述教学外还能实施化工类中、高级工培训，化工类企业职工的岗前培训，化工类技师培训的工作。通过煤制甲醇半实物仿真工厂在教学中的应用，学生工程意识与工程能力得到提高，培养了学生现代化的化工设计理念，并有多名学生在国家级、省级化工设计大赛中取得了较好成绩。