半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究

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　　【摘 要】本文针对化工专业学生在学习反应器操作与控制课程时，不能到工厂动手操作，理论与实践严重脱离的问题，将半实物仿真技术引入到课程中，在实物构建的接近工厂真实生产的环境下，模拟实际生产操作，在提高学生反应器操作与控制能力的同时，较好地培养了学生的职业综合能力和职业素养，为走向工作岗位打下了良好的基础。
　　【关键词】半实物仿真;反应器操作与控制课程;动手能力;应用
　　中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）16-0182-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.080
　　在现代化工生产中，因为生产的连续化、生产装置的大型化，生产的自动化程度越来越高、控制系统越来越复杂，生产过程必须按规操作，职业院校学生很难参与实际开车、停车、故障等操控练习，也无法完成突发故障与事故应急处理的训练。高职化工类专业学生缺乏有效的手段完成实践教学，学生技能培养很难达到企业生产需求，为此我校构建了包含一个单元实训中心、两个仿真实训机房、一个半实物仿真实训工厂和一个氧化锌中试车间的综合实训平台用于实践及专业课程教学。反应器操作与控制课程借助半实物仿真工厂构建虚拟教学情境，提升了学生典型反应设备的操作、控制、工况维持及事故预判与紧急处理能力。
　　1 半实物仿真技术
　　全数字仿真用计算机模拟了DCS控制系统，用实时运行的数学模型代替真实生产装置，在仿真软件上对进行操作技能训练。但是软件上的设备模型与现实的生产设备存在较大差异，训练过程缺少实物感，仿真训练更像电脑游戏，无法完全代替实物实训。
　　我校构建的流程級煤制甲醇仿真实训装置，属于第三代仿真技术“半实物仿真工厂”，包括水煤浆制备、气化、CO变换、低温甲醇洗、甲醇合成和甲醇精制六个工段。仿真实训生产工艺是以神华包头180万吨/年煤制烯烃生产工艺为背景，对生产设备进行一定比例的缩小，删除备用系统、简化了工艺流程后设计安装的。每个工段包含一个主体设备模型，装置中安装了真实的管道、阀门、控制仪表、传感器、储罐容器及模拟的动设备和传质传热设备等。仿真机通过软件模拟生产中总控室DCS自动控制系统和工厂真实操作参数，生产装置区手动阀门的开度、工艺指标转换成电信号传送给仿真机，仿真机再将数据模型计算的结果和控制数据转换成模拟信号传送到装置区，通过相关仪表实时显示各现场工艺指标，模拟工厂实际生产中装置开停车操作、常见故障处理、及正常生产中参数受扰动的变化趋势。煤制甲醇半实物仿真工厂的开放性实验实训能很好地培养学生动手操作能力，并在操作过程中获取知识、熟练技术，引导学生进行思维创新。
　　2 半实物仿真工厂的功能和优点
　　我校开发的煤制甲醇半实物仿真工厂是完全按照实训中心场地情形进行设计，仿真软件高精度模拟实际DCS操作界面，与流程装置实时交互，真实再现工厂情景，系统能耗低，安全无污染。学生可以结合实体装置，既可在电脑上进行单机离线全流程仿真操作，也可小组分岗位内外操联合操作，并且可以进行一些安全培训演练。实训环境更安全、更经济，实践性和可操作性极强，有效地解决了现场实习难、操作技能训练难的问题，大大提高对学生实践操作技能的培养。
　　半实物仿真工厂内通过实物再现，学生可以认识各种显示仪表，体验各种阀门的使用方法，能够帮助学生了解典型的化学工艺过程的原理、生产方法、工艺流程及主要设备的操作方法。仿真软件提供了一个与真实装置非常相似的操作环境，其中操作界面、数值信息动态显示、状态信息动态指示、操作方式等方面与真实化工装置的DCS操作环境相同，具有很强的交互性、重复性。仿真操作在“中控室”内进行，学生可利用时标设定、快门设定、程序冻结、成绩评定、趋势记录等功能灵活、反复进行开停车、事故处理及系统稳态维持等全面训练。
　　3 半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的实践研究
　　“反应器操作与控制”课程是应用化工专业的核心课程，是集理论和实际操作于一体的课程，要求学生既要掌握化工生产中典型反应器的理论知识，又要具备较强的反应设备岗位实际操作技能，能完成生产中关键设备—反应器的正常操作和维护，从而确保生产的顺利进行。[1]
　　3.1 《反应器操作与控制》课程教学的整体设计
　　本标准的总体设计思路是：课程以工作过程为导向，根据化工生产的职业岗位群进行工作任务和职业能力分析，对接职业标准，按照生产流程，将实际工作中需要完成的各关联任务和所需的技能进行归纳整合，形成满足完成岗位（群）工作任务要求的典型工作，设定职业能力培养目标。[2]按照“学历证书与职业资格证书嵌入式”的要求，按“化工生产”确定工作任务，以“工作过程”为导向，紧紧围绕完成工作任务的需要，选择课程内容，并以典型化工生产项目为载体，模拟生产现场设置“釜式反应器的操作和控制”“管式反应器的操作和控制”“固定床反应器的操作和控制”“流化床反应器的操作和控制”和“塔式反应器的操作和控制”等八个教学情境。在基于反应器操作工作过程设计的教学情境中，以化工半实物仿真实训工厂、化工生产实训中心、校外实训基地等校内外实训基地为依托，在煤制甲醇半实物仿真工厂接近真实的生产环境中组织教学。学生经历结构完整的工作过程，在与工作过程各要素的交互中，获得与实际工作过程有着紧密联系的带有经验性质的工作过程知识;采用小组联合操作等多种方法，实现“教学做一体化”。[3]
　　3.2 半实物仿真工厂应用于《反应器操作与控制》课程的实施过程
　　在反应器操作与控制课程的教学过程中，针对学生学习时普遍感到教学内容抽象、枯燥、不好学、难理解的问题，在化工仿真实训的内容上选择典型装置，如煤制甲醇装置进行训练。装置以DCS操作与现场操作结合。课程中反应器的设计选型及操作情境的具体任务均来自企业，学生借助半实物仿真工厂及仿真实训软件完成任务。如“固定床反应器设计与选型”与“固定床反应器操作与控制”，我们均以煤制甲醇仿真工厂的甲醇合成工段来创建虚拟教学情境。 　　在教学过程中，首先下发根据企业生产任务编撰的教学任务单——甲醇合成反应器选型设计。1）学生根据老师推送的课件，自学固定床反应器的类型和结构，返回课堂后学生在煤制甲醇半实物仿真工厂通过动画展示和现场观察，总结分析固定床的类型、结构及操作特点。2）学生基于在煤制甲醇仿真工厂的认识实习，已经对甲醇合成的工艺流程和反应器有个直观认识，通过老师推送的知识链接了解甲醇合成详细工艺流程及反应原理;3）然后根据甲醇合成的工艺特点——温度、压力、催化剂，首先确定需要采用气固非均相催化反应器;然后根据反应的热效应及反应速率，确定需要采用的固定床反应器的类型，并进行简单设计计算。
　　通过反应器选型设计使学生基本掌握固定床反应器的常见类型、结构及基本特征之后，依然基于煤制甲醇半实物仿真工厂构建的虚拟教学情境，下发甲醇合成反应器操作任务单。学生基于对反应器操作特征的理解后，再结合甲醇合成基本工艺及半实物仿真工厂OTS软件提供的生产任务及工艺参数，制定合适的简要操作规程。学生根据小组制定的简要操作规程先进行离线全流程训练，发现总结操作过程中的重要问题，再引导学生从催化剂和反应器基本特征去思考、解决操作难题，形成详细的规范操作规程。最后小组分岗位联合演练，学生在教师和企业技术人员的共同指导下在线规范操作反应器并进行各种故障的排除，通过反复训练，使学生达到独立顶岗操作的能力。
　　课程设计整体上遵循“实践-理论-再实践”的教学规律，在反应器选型与操作中，每个情境的完成都是一个虚拟生产项目的实施过程。[4]为达到好的训练效果，教学过程以学生为主体、教师为主导的形式实施。对于学生操作中的问题，尽量多让学生独立操作、思考，先让小组学生讨论分析，训练学生的沟通、交流、表达、分析问题、解决问题的能力。对于一些操作重点、难点进行专题解析，教师通过提示，引导学生和教师一起去发现问题、解决问题，构建反应器基本操作方法的知识体系，这样学生很快就掌握了化工生产中典型反应器的操作控制技能。
　　4 需要改进的地方
　　4.1 加强软件开发
　　仿真是基于真实生产工艺设计的数学模拟，软件操作设置过于游戏化，使学生在操作训练过程中为了提高操作成绩无视操作规律;且在操作中不够注重操作系统的稳定，而常处于极端及危险的操作方式里。学院应加强与仿真软件开发公司和化工企业的联系，三方共同开发更接近生产实际，更突出企业现行先进生产工艺，也便于规范学生操作提高技能的仿真软件。
　　4.2 加强师资建设
　　以半实物仿真工厂创建反应器选型设计、操作控制等虚拟教学情境，要求教师有非常强的基础理论、工艺、化工产品生产及化工设计的知識，了解化工仪表及自动化控制技术、具备一定的化工企业实践经验和操作技能;要求老师动手能力强、知识综合程度高。这需要我们一方面通过下厂实习和挂职锻炼等不断增加教师现场操作经验，另一方面可以引进企业专家作为专业教师，提升教师队伍的业务能力和综合素养，保障课程的实施。
　　4.3 加快基于半实物仿真工厂的项目化教材的建设
　　我们现在所使用的教材是传统的学科教材，教材所选工艺落后，教材内容主要是理论知识点的罗列，不利于指导学生反应器操作技能的提升;少量项目化教材也与我校已有实训工厂不匹配。学院亟需基于仿真工厂生产项目，优选生产工段与工艺，以项目和任务为载体，通过典型工作任务的提取，设计编写出紧密结合企业生产实际、理念先进、结构合理、内容新颖的一体化教材。
　　【参考文献】
　　[1]陈炳和.化学反应工程与设备[M].北京：化学工业出版社，2011：1-12
　　[2]王艳领，田春美.高职院校《化学反应工程》课程教学改革的探索与实践[J].重庆工贸职业技术学院学报，2014（1）：52-55.
　　[3]潘欣，杜松山，高玫香，李培艳.煤基甲醇仿真工厂在促进职业教育实践教学改革中的应用研究[J].化工管理，2017（12）：63.
　　[4]宋艳玲.化工仿真教学在工艺类课程中的应用[J].技术与教育，2010（1）：37-39.
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