現代多媒體仿真技術在化工實訓基地建設中的應用

呂營王豫

（沈陽市化工學校 遼寧 沈陽 110122）

現代多媒體仿真技術在化工實訓基地建設中的應用

呂營王豫

（沈陽市化工學校 遼寧 沈陽 110122）

實訓基地建設是職業教育培養技能型人才的關鍵，其目的是使實踐教學得以有效實施。沈陽市化工學校在化學工藝實訓基地（全國示范性實訓基地）建設實踐中，營造高層面的化工仿真實訓基地，貼近化工企業生產實際，為培養創新人才創造了條件。

多媒體仿真技術；實訓基地；化工

隨著我國職業教育的快速發展，實訓基地建設成為了一個重要的課題。就職業教育的特點而言，建實訓基地最根本的目的是使實踐教學得以有效實施。工程類專業是直接面向企業生產一線的專業，更需要建設與企業一致的校內生產性實訓基地，這樣才能更好地促進實踐教學，培養學生的工程感和動手能力。但由于化工行業的特殊性，對于化學工藝這樣的專業而言，無論從規模上、安全性上還是從成本上考慮，都無法建成與化工企業完全一致的生產性實訓基地。要合理地解決這個問題，培養出優秀的化工技能人才，只有引入現代仿真技術，使硬件設施與仿真技術有機結合，營造高層次的化工仿真實訓基地。

化工行業的特點

化工生產主要基于連續生產過程，涉及復雜的化學反應，產品加工往往是連續進行不能中斷的，生產過程的剛性較強，物料流、能量流、信息流始終不間斷地貫穿于整個生產過程。能量流在生產過程中交錯使用，物料流需要循環、反復加工等生產特點使得生產裝置間存在十分嚴重的耦合作用，且生產過程一般伴有高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆、有毒等環境問題，生產過程也經常受到原料供應量、原料組份變化等干擾因素的影響。不合格的產品以及超量的污染排放，或者由于控制系統失靈而引起的生產裝置停車，都將產生相當嚴重的后果。

可以看出，化工工業通常以大批量、高強度、連續化的生產方式組織生產，成本高、過程控制復雜，還要滿足平穩、長周期、低消耗、高質量、安全性等多項生產過程要求。因此，要在職業學校建成與企業真正一致的實訓基地是不現實的。

多媒體仿真技術簡介

多媒體仿真技術通過將仿真的信息和數據轉變為被感受的場景、圖示和過程，輔助人們進行決策。它充分利用圖形、動畫、影像和聲音等多種媒體手段，將可視化、臨場感等結合起來產生一種沉浸感，使人的感官和思維進入仿真回路。

多媒體仿真技術充分地利用視覺和聽覺媒體的處理和合成技術，將表達模型信息的各種媒體集成在一起，提供了模型信息表達的有力工具，將模型的屬性、狀態和行為從抽象空間轉移到視覺和聽覺空間。它所提供的臨場體驗擴大了可視仿真的范圍，允許將實景圖像與虛擬景象結合起來產生近乎真實的環境。

多年以來，多媒體仿真技術已經廣泛應用于教育教學中，但傳統意義上的化工仿真技術只是簡單地利用計算機進行模擬，比如一些較為常見的化工實訓軟件，學生只能通過鼠標、鍵盤的操作來控制軟件提供的模擬場景。在這個層次的仿真實訓中，學生對化工生產過程依然不會產生直觀的認識，更不會培養起工程感、動手能力以及處理突發問題的能力，與企業對工人素質的要求還是脫軌的。

多媒體仿真技術在化工實訓基地建設中的應用

沈陽市化工學校在化工專業實訓基地建設中，為使學生有效掌握化工技能，打破常規實訓基地的建設思路，實現多媒體仿真技術與化工實訓硬件設施有機結合，在基礎建設上，力求呈現實景化工業場景；在培訓體系上，強調將企業需求直接轉化成課程的設置安排；在培訓硬件設施上，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，使其與企業生產接軌，特別是要求多媒體仿真系統不但能夠模擬控制室內的計算機控制系統（DCS）的操作，還能模擬現場裝置的實際動手操作，也就是要解決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行動。這些訓練內容對復雜系統的開停車、非正常工況的處理，尤其是在遇事故緊急狀態時特別需要。

從這些理念出發，整個實訓基地建設成為占地面積2100平方米、高9米的真正意義上的車間，購置了大型設備21套，采用工廠實景布局，并建有中央控制室，裝有仿真軟件與DCS控制系統以及遠程控制實訓基地的所有設備，使整個實訓基地成為大型仿真工廠。現以流程級丙烯酸乙酯裝置為例，對多媒體仿真技術在實訓基地建設中的應用進行說明。

丙烯酸乙酯實訓裝置的設計思路是通過軟、硬件結合的方式，打造無物料運行的全方位化工實訓系統，主要包括以下組成部分。

硬件裝置 這套裝置總長18米，高7米，分為上下兩層平臺，將工業裝置中大型設備，如塔器、反應器、貯槽、換熱器、輸送設備等，在保持原設備的結構特點情況下按一定比例縮小，通過連接真實管路、手動閥門、自控閥門及壓力、流量、溫度、物位、功率、組成和閥位測控傳感器等，組成丙烯酸乙酯全流程裝置的硬件框架。裝置的硬件設施是學生直接操作和運行系統的基礎。本裝置模擬了工業生產的真實環境，所有閥門均可真實操作，同時，真實工業生產裝置的參數是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此和真實工業裝置的觀測界面完全一致。本裝置開車、停車、正常操作、事故處理等過程可訓練學生在真實生產環境中的操作技能。

模擬測控系統 模擬測控系統是丙烯酸乙酯實訓裝置實現無物料運行的關鍵部分，通過模擬測控系統和數學模型，可以使裝置與仿真軟件聯合成一體。該系統的作用是把設備操作點的動作轉變為模擬電信號，例如，利用計算機控制技術實時采集閥門轉動的模擬信號，并傳送到上位計算機的數學模型中進行運算，再把運算結果通過轉換變成模擬電信號，傳送到現場的各種儀表進行模擬與數字多種方式的實時顯示。所有此類功能全部采用先進的現場總線技術和實時監控技術實現。

仿真培訓系統（OTS） 該裝置是在“無物理化學過程”的狀態下運行的，裝置本身沒有任何真實進出物料，所有化工生產的工藝現象通過仿真軟件模擬來實現，并將這些模擬參數送至DCS。通過仿真培訓系統，培訓者可以進行冷態開車、正常停車、正常生產維護等操作培訓，讓受訓者感受到的是一個完全真實的工業化工裝置在運行。仿真培訓系統主要由兩部分組成：上層的模擬軟件平臺和底層的模擬引擎。如圖1所示，上層的模擬軟件平臺提供直觀、友好和功能性的圖形用戶界面，為教員站控制仿真程序的運行開發和維護模型、學員站操作和監視過程模型提供圖形界面支持；底層的模擬引擎是仿真培訓系統的核心，通過此引擎可以調用仿真模型庫、專有模型庫（指專利商的專用反應模型等）、物性數據庫以及DCS/ ESD模擬機等過程模型和控制模型，實現仿真模型的建模和驅動。

圖1 仿真培訓系統的總體架構圖

DCS集散控制系統 使用現代化工常用的典型DCS集散控制系統，用于本裝置的控制與操作。DCS集散控制系統仿真包括：控制柜、操作站、顯示器、工業DCS鍵盤及DCS系統軟件和一個進行事故報警及連鎖系統監控的輔助操作臺。DCS用于管理、調度DCS操作軟件各部分，實現動態實時數據庫、各類標準畫面、鍵盤操作、各種算法，以及通信的協調配合，完成DCS操作站的顯示、操作等各種功能。

實訓評價與管理系統 最后，為了方便實訓管理和評價，裝置還設有相關軟件，滿足培訓的組織和管理要求。當實訓裝置運行時，軟件會自動記錄、分析和評價操作員的操作水平，更適于學生實訓。

結語

我校化工實訓基地的建設大量運用現代多媒體仿真技術，配合工業感強的大型硬件設施和DCS集散控制系統，為學生創造出了近乎真實的化工仿真實訓工廠。多媒體仿真技術運用高精度動態數學模型，可以不受約束地模擬實際裝置的物理化學特性，全工況動態實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調控、緊急停車和事故處理。除此之外，仿真培訓系統可以快速初始化，無需大量的開、停車準備工作，沒有常規運行成本，有效規避了化工專業傳統實訓的缺點，便于教學組織，易于維護，為化工實訓基地的設計和建設提供了可供借鑒的實踐經驗。

[1]潘巖，陸秀花.護理專業校內實訓基地建設方案設計的理論基礎及基本思路[J].教育前沿（理論版），2008，（12）：12.

[2]宋志國，吳振明.模具專業校內生產性實訓基地建設探討[J].常州信息職業技術學院學報，2009，8（6）：41.

[3]胡重慶.對我國職業教育實訓基地建設的思考[J].江西社會科學，2007，（6）：233.

[4]白繼中.校內實訓基地信息化系統建設實踐研究[J].職業教育研究，2009，（12）：151.

[5]李妍，崔永利.仿真技術在實踐教學中的應用與研究[J].信息技術，2006，（11）：107.

[6]金智鵬.校內實訓基地建設的分析和實踐探索[J].科技信息，2010，（12）：175.

[7]王子才.仿真技術發展及應用[J].中國工程科學，2003，（2）：40.

呂營（1982—），男，山東菏澤人，碩士，沈陽市化工學校講師，研究方向為高分子智能故障診斷技術與職業教育學。

王豫（1966—），女，河南益陽人，碩士，沈陽市化工學校高級講師，研究方向為職業教育學。

G718

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1672-5727（2012）04-0167-03