智能化工实训室的建设原则

刘香，张雨佳，孙云雷，任玉杰

(浙江广厦建设职业技术大学 绿色智能制药产业学院，浙江 东阳 322100)

0 引言

迈入工业4.0时代，无论是美国工业互联网，德国工业4.0，还是中国制造2025，其核心都是围绕智能[1]，就目前而言，我国高等职业院校普通化工实训室普遍存在设备落后和“智能工厂”脱节、学生化工实训方式单一、实训内容和企业岗位贴合度不够、实训时教师示范时间短、化工综合实训大量投料生产对学校环境不友好等问题。在新时代背景下，具备前瞻性与技术先进性的智能化工实训室建设必不可少，因此对智能化工实训室建设开展探究，起到抛砖引玉的作用。

智能化工实训室建设的总体规划：根据专业特色划分了四个相互独立的模块，分别为化工虚拟仿真实训室、化工单元操作实训室、化工仪表及自动化实训室、supOS控制化工生产综合实训室。根据实际提出软硬件配置需求，仪器设备智能化组网、实训项目资源共享化、实训结果终端显示屏可视化。此外，智能化工实训室投资较大，专业实践性比较强，牵涉范围广，智能化工实训室建设可以全面规划，逐步实施，以校企合作形式来共建共享，实现资源利用最大化。

1 智能化工实训室建设构思

1.1 化工虚拟仿真实训室建设

在信息技术不断深入发展下，虚拟仿真技术日渐成熟，被应用于化工实训中。虚拟仿真区别于传统仿真的关键点，在于仿真模型和场景更加注重利用人体多感官全方位调动学生的感知能力，使学生在虚拟的3D空间体验真实空间的感受[2]。传统的化工仿真，学生通过操作鼠标、键盘等来控制计算机软件提供二维的模拟场景，很大程度上限制学生对化工生产过程直观的认识。2019年，《国家职业教育改革实施方案》明确指出为适应“互联网+职业教育”发展需要[3]，大力推进虚拟工厂等网络学习空间建设与普遍应用。以中国知网为数据源，进入高级搜索，以“化工虚拟仿真”为主题，不限制年限，搜索获得246篇相关文献，其中学科为“职业教育”仅占18篇；以“化工虚拟仿真与VR”为主题搜索获得135篇，其中学科为“职业教育”仅占10篇，由此可知高等职业院校化工虚拟仿实训室建设和应用需要加快进度。

化工虚拟仿真实训室建设应用VR虚拟仿真技术和人工智能技术等已成为主要趋势。为满足实践教学需要虚拟系统内要有独立的实验训练模式；虚拟实训场景中，要有计时与记录成绩的功能，系统考核模式中要含操作步骤过程记录以及成绩记录，而后将记录的数据传递到后台服务器，支持汇总打印等功能，教师通过系统数据，掌握到每位学生的操作情况。在化工虚拟仿真实训室，学生可以从热交换、吸收及解析、精馏、流体输送及管路拆装、反应釜/板框过滤联动实训、化工生产综合实训等选择项目，根据系统提示开始训练，学生正确佩戴VR眼镜、控制手柄和动作识别硬件等设备可以进行独立操作，同时使用AR设备会更好的提高3D虚拟仿真实训环境的逼真性。化工虚拟仿真实训成功跨越时间和空间的限制，让学生充分了解仪器设备模型，使得学生能够获得生动直观的认识，促进对抽象原理的理解。

1.2 化工单元操作实训室建设

化工虚拟仿真实训能够很大程度上模拟实训实景，但还是不能代替真实实训。以雷诺实验、伯努力方程实验、离心泵性能曲线测定及孔板流量计标定实验、筛板精馏试验、吸收和解析实验、综合流体力学实验等单元操作为基础的智能实训室，在建设时以水、气及化工基础原料为载体，以真实的化工设备、仪表和电器为主体，参照现代化化工车间的真实情况来进行布置和运行。智慧教室与化工实训区域分离、以化工实训区域为中心周围分布着化学仓库、医药应急箱、消防应急器材包、消防联动控制器、智能电力设施、应急水池以及三废处理站等，此外实训室壁面设置实验室安全管理和HSE管理制度栏目，促进校企文化融合。

智能化工实训室设备组网以雷诺实验为例，实验开始前学生通过虹膜识别门禁陆续进入实训室，穿戴实验服，分别佩戴定位胸牌，将学生分配相应的设备的管控位点。实验过程中，智能信息采集器会自动收集智能开关、进水阀、溢流观测点、浮子式水温水位计、颜色指示剂、玻璃管道观察点、泄水阀、智能电磁流量计、智能控制阀、声像仪等数据。智能信息采集器将收集好的数据通过路由交换机传递到智能控制中心，智能解析后，可视化呈现包括但不限于不同流速下的雷诺准数(Re)、现象、相应流型。此外，化工实训室的网络是一个区域的网，为了保护实训室数据安全设置防火墙防止互联网病毒、黑客的攻击。

1.3 化工仪表及自动化实训室建设

化工仪表及自动化本质是以生产单元作为控制对象组成控制系统，自动化仪表对工艺参数进行自动检测和自动控制。目前，多数高等职业院校化工仪表自动化设备存在自动化程度低，设备数量少，设施精度不高；教师对化工行业智能设备了解不全面；实训室建设消耗资金较大与学院实际情况冲突等问题。为了解决该类问题，青年教师有组织的定期去企业学习，了解企业真实情况，为实训室建设添砖加瓦，为带好学生实训打基础。此外，实训室建设时大型设备可以选用中试设备，小型设备和仪表(测量仪表、控制及仪表、执行仪表、显示报警仪)尽可能选用与工厂类型相同，化工流程的设备上配置一些自动化装置，并将其与DCS系统或supOS系统连接，处理近程及远程控制[4-6]，节省下的成本，集中投入到智能化设备建设中。未来，化工仪表及化工自动化工程控制智能程度会再次升级，体现出惊人的存储能力、程序性控制功能、记忆监督故障功能。加强对学生的智能化实训，使其能够熟练操控自动化仪器设备，拓宽学生就业面，帮助其顺利完成智能化生产工作。

1.4 supOS控制化工生产综合实训室建设

基于supOS的化工生产综合实训室建设方案，设备选用工程化微缩实训装置，实验效果能切实贴近实际化工生产的操作流程、工作原理及现象。supOS作为我国首个自主知识产权的工业操作系统，以集成化、数字化和智能化手段顺利解决生产控制[7]。系统结合现代信息化化工过程检测控制系统，可以设置故障点和设备检修功能，提高“总控工”的分析以及解决问题能力。supOS的综合实训装置设计时可以使用替代物投料、实体运行、安全环保并且减少资源浪费；supOS乙酸乙酯生产综合实训中使用柠檬水代替乙酸，盐水代替乙醇、红墨水表示硫酸，系统根据投料比例、操控准确性和酯化时间综合给出乙酸乙酯产率。

乙酸乙酯生产综合实训开始前，实训室管理人员提前半小时到智能化工实训室做好准备工作，检查实训室设备以及控制中心系统满足实训正常使用。设备若存在故障，系统将自动通知实训室管理员进行设备维护；学生了解并学习基于supOS工业操作系统的控制实验设备的安全操作规范手册、实验手册、常见故障核查手册、本次实训目标；实训开始后，学生会被分配到不同的控制站点做好准备。实训进行中，学生根据系统提示进行操作，对系统提示有不清楚的地方可以及时向老师请教，老师有针对性地进行答疑解惑。智能控制中心系统将实时采集化学反应过程中的需要监测的数据并存储到数据服务器。乙酸(CH3COOH)和乙醇(CH3CH2OH)在酸性(H2SO4)酯化釜中进行模拟酯化反应，反应过程中生成粗的乙酸乙酯(CH3COOCH2CH3)进入分相器进行分层、富集合格的脂化物[8]。在此过程中每一个化学反应阶段的数据包括但不限于反应耗时、温度、湿度、产率、颜色变化，会实时采集到实训室智能控制中心的数据服务器。实训结束后，智能控制中心的监测数据显示屏可以可视化呈现本次实训过程中的数据信息以及本次实验结果是否满足预期目标。根据学生考核评分标准对每一位学生进行评分和总结本次实训的不足与提升建议。最后，supOS控制乙酸乙酯生产综合实训和3D虚拟仿真实训有机结合，可以实现“虚实交织、人机交互、环境真实化”场景，使学生的感知延伸到无限的宏观世界和微观世界。

2 智能化工实训室建设的原则

高等职业院校的智能化工实训以培养高素质技术应用型人才为出发点，智能化工实训室尽可能的采用无毒或低毒的原料进行实训操作，营造真实(或模拟真实)的职业生产环境，充分发挥实训室在高等职业院校教学、科研和人才培养中的重要作用[9]。智能化工实训室建设应体现以下4个原则：

(1)智能性原则：智能设备逐渐走进企业的生产一线，智能机器人正在不断顶替流程简单、重复性和高精度的工作。智能化工实训以单元操作为基础，侧重学院办学方向，建立智能化工实训室过程中，软件设施能在未来相当时间内满足行业发展的需求，建立典型的、适应性的虚拟仿真实训系统；硬件设施选型及配套，要做到智能性、实用性、经济性相统一。

(2)实用性原则：智能化工实训室需依据企业生产、检测、管理、运营现状等建设，营造真实(或仿真)的职业环境。智能化工实训室要按照真实的生产车间的模式进行布置，比如：管道走向、冷却水的循环利用、通风设备安装、气瓶放置、操作空间和安全空间的预留、配置急救和消防工具箱、人员管理定位、走廊文化等。

(3)安全性原则：智能化工实训室建设过程中综合考虑到学生安全因素。化工行业中代替高危操作智能设备要重点引入化工实训室，提高学生对智能设备的实际操作能力的同时降低了学生实训过程中事故的发生概率；配置紧急事故报警设备，完善处理事故工具，警惕学生风险，锻炼学生应急能力；企业安全管理文化与实验实训教育深度融合，将安全意识、责任意识、环保意识植入学生脑海。

(4)服务性原则：智能化工实训室首先服务学生，以提高学生的动手能力和创造力，为快速适应就业岗位做准备。随着智能化元素的渗透，实训前期准备，学生可以跟着系统提进行操作演练，实训的过程中教师可以从中控室监督学生实训情况，同时学生能够根据自身的学习进度合理跟进实训进度。其次，智能化工实训室能为周边职业院校和大中专院校提供相近专业的实训，促进资源、信息、建设经验区域共享。

3 结语

智能化工实训室建设紧密结合化工企业生产的真实环境和转型方向，采用物联网、VR和AR、自动化、人物自动识别、智能定位、信息化等先进技术。智能化工实训室呈现出“虚实交织、人机交互、环境真实化”、安全、友好的环境，满足“教、学、做”一体化教学，促进学生操作能力、探究能力、自主学习能力大幅的提升。此外，我国大力支持校企合作，智能化工实训室可以协助当地企业进行产品生产的中试项目，帮助企业新技术人员的业务培训，合理配置资源，提高智能化工实训室仪器设备的利用率，使智能化工实训室成为企业、教师、学生相互交流的平台；企业也可以将创新技术、新工艺、管理要素等引入高等职业院校，促进产教融合校企合作 “双元育人”。智能化工实训室将满足学生实践教学，完成企业新员工培训任务，推进校企合作，有望成为职业教育创新和服务当地区域发展的共享平台。未来，化工实训室智能化建设会不断的提升和优化，通过实践教学的开展，不断培养出符合经济社会发展和提高国家竞争力的高素质技能人才。