仿真培訓技術在化工職業院校的應用

一、發展仿真技術的客觀原因

1.學生校外實習困難重重

企業走向市場，更加注重生產效益、技術保密和生產安全，學校難以建立長期穩定、專業對口的校外實習基地。企業對學生下廠實習的態度從積極到應付，進而變為消極，各種限制條件很多，實習往往變成了參觀。筆者學院與兗礦魯南化肥廠一直保持著密切的校企合作關系，化工專業學生在完成氨合成、尿素等專業課程的學習后，在該廠進行為期1個月的生產實習。但1999年以后，由于企業政策的變化，生產實習開始變得困難，學生的實踐技能培養遭遇了尷尬。

2.增加實訓工位，提高動手能力的要求

學生校外實習變得困難重重，于是實習只能依托校內實習基地。但由于經費不足，各實訓室所能提供的實習工位嚴重不足，遠遠不能滿足實訓教學的要求。理論學習與實踐操作嚴重脫節，使學生的職業技能和職業綜合素質的培養不到位，特別是在講授有關工藝流程，裝置開、停車和事故處理相關內容時，學生厭學，教師難教，教學質量出現了滑坡。

1990年，北京化工大學仿真中心在國內首先提出并倡導采用全數字仿真技術解決本科生的工程實踐教學問題。2005年，筆者學院開始把仿真訓練軟件引入生產實習教學環節，這一系統投資小、運行和維護費用較低，能夠兼容多種典型的化工流程，具有工業級規模精準的靜態與動態特性，因此在有效滿足實習工位的前提下，很好地滿足了實訓教學的要求。

3.企業自動化控制技術發展的必然要求

化學工業是國民經濟的重要支柱產業，大型化工基地遍布全國。隨著我國改革開放和現代化建設的飛速發展，化工企業的規模迅速擴大，大量先進的生產裝置被投入生產，這些新投產的裝置具有很高的自動化和信息化水平。目前，國內外大中型化工生產裝置普遍采用DCS(分布式控制系統)，以實現生產過程的集中顯示和分散控制。2009年，國家安全監管總局也下發文件將涉及危險化工工藝的化工企業作為自動化控制改造的重點。可以預見，自動化控制是今后一段時期化工裝置控制技術發展的方向。

4.節能降耗、減少開支的需要

仿真培訓系統的推廣應用，為我國化工職業技術訓練開辟了一條新的途徑。它在保障安全生產、降低操作成本、節能、節省原料、保障人身安全、保護生態環境等方面發揮了越來越大的作用。

5.企業技能鑒定和員工培訓的必然要求

近年來，越來越多的企業將仿真系統應用于初級工、中級工和高級工的技能等級鑒定。如，中國石化的四個高級技師基地將仿真系統用于技師培訓與考核；在山東省職業技能鑒定中心下發的《高級化工總控工操作技能考核準備通知單》中，要求把化工單元操作仿真軟件或化工單元操作訓練裝置作為實操考核內容項目。

仿真系統已經成為企業員工培訓不可或缺的手段。目前，石化企業已經全面應用仿真系統，新建或改造裝置操作技能培訓、在崗人員技能提升培訓、系統操作員的技能培訓、新入廠操作人員與技術人員的操作技能培訓。

二、化工仿真軟件涵蓋的培訓內容

目前，國內大中專職業院校普遍采用北京東方仿真控制技術有限公司開發的教學培訓軟件。筆者學院化工仿真培訓的主要內容包括單元操作仿真和工段級仿真兩個層面，單元操作培訓使用北京東方仿真控制技術有限公司的CSTS2007版本，基本涵蓋了所有常用化工操作單元，見表1。

工段級仿真（五套）：甲醇合成工段、常減壓煉油、丙烯酸甲酯、空氣分離、乙醛氧化制醋酸，涉及煤化工和石油化工等相關領域。

三、化工仿真培訓的不足

當然，再好的仿真軟件也代替不了實際生產，因此，有條件的學校還是應該購置實驗實訓設備，結合仿真軟件開展教學，效果會更好。正版仿真軟件價格不菲，而國外職業教育實習仿真軟件雖發展較快，但由于涉及知識產權和軟件漢化等制約因素，引入國內還需時日。同時，仿真技術并非十全十美，其不足主要體現為以下幾個方面。

一是軟件的開發需要采集化工裝置的各項工藝參數建立數學模型，但因為各種影響因素相互制約，實際生產時的工藝條件變化比仿真模擬時要復雜得多。二是程序開發有漏洞，違反操作規程的程序設計時有發生。三是一機（計算機）一位（工位），在裝置開、停車過程中，操作者既擔任內操角色，又擔任外操角色，無法訓練兩個角色間的團隊配合及協調行動。四是軟件無法模擬現場裝置的實際動手操作，也就是培訓中還需要培養操作人員對現場裝置的幾何空間概念的把握，以及對操作設備與部件的操作力度、動態時機的把握。

四、仿真技術的發展展望

1.3D仿真軟件的研制開發

3D仿真軟件具有化工工藝仿真、場景展示、設備展示、系統展示、結構展示、功能特性展示、參數展示、工作原理展示等傳統2D仿真軟件所不具備的功能。通過3D仿真模擬，學生可體驗真實化工工藝系統的所有功能（開采和生產過程、操作、控制、性能、安裝、維護等）。軟件人機界面友好，功能齊全，流程簡明，更易于學習、掌握。

北京東方仿真控制技術有限公司已經開始了3D仿真軟件的研制開發，并取得了初步成功，目前正處于測試和推廣應用階段。相信在不久的將來，3D仿真軟件會逐步取代傳統2D仿真軟件。

2.全流程級半實物仿真工廠的建立

隨著我國煤化工和石油化工的快速發展，裝置不斷大型化、復雜化，自動化水平普遍提高，這對職業技術培訓提出了更高的要求。為提高技術培訓的成效，在仿真培訓硬件設施上，需要建立典型的、有代表性的、有較強適應性的流程級、規模化實訓裝置，特別是要求仿真培訓系統不但能夠模擬控制室內的計算機控制系統（DCS）的操作，還應當模擬現場裝置的實際動手操作，也就是要培養操作人員對現場裝置的幾何空間概念的把握和對操作設備與部件的操作力度、動態時機的把握，其中還必須包括控制室操作人員與現場操作人員的團隊配合及協調。這些訓練內容對于實際生產中復雜系統的開停車、非正常工況的處理以及事故緊急狀態處置等非常重要。

2007年，由上海市教委投資，北京化工大學仿真中心、上海信息技術學校與東方仿真控制技術有限公司合作完成了全流程級半實物仿真工廠，將我國化工仿真技術發展到一個新的水平。本裝置吸取了國內外相關系統的優點，將縮小型（10:1）半實物流程裝置、微機控制系統與全數字仿真技術結合，實現了多種先進技術的集成創新，即定量動態建模與仿真技術。它具有工業級尺寸、工業級增益和時間常數、高精度動態模型，采用了半實物仿真平臺技術（具有真實的三維空間位置、真實的操作力度）和過程控制組態平臺技術等。現代化工仿真工廠集多種教學和實訓功能于一身，全工況可操作，真實感強，一機多用，無需物料，沒有產物和副產物，維修簡單，節能、安全、環保，投資小、見效快，符合對實訓系統的要求，是工業實訓技術的一個新的飛躍。

（作者單位：山東化工技師學院）