煤制甲醇半實物仿真工廠建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用

周艷軍 齊國金 周立岱 趙永華

遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

化工生產(chǎn)具有易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、有害等特點，存在著許多不安全因素和職業(yè)危害，比其他行業(yè)生產(chǎn)具有更大的危險性。正由于化工生產(chǎn)的特殊性及企業(yè)對安全和生產(chǎn)消息等因素的考慮，造成化工廠不愿意接受學(xué)生在廠實習(xí)，即使接受也只能以參觀形式，不允許學(xué)生親自動手操作，以免發(fā)生事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。學(xué)生實習(xí)停留在只看不動的感性認識的學(xué)習(xí)上，并且由于各種管路和設(shè)備的特殊要求都進行了包裹處理等，學(xué)生無法看到管路或設(shè)備的真實情況，所以高校化工類專業(yè)在專業(yè)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)遇到學(xué)生不能親臨生產(chǎn)現(xiàn)場參與生產(chǎn)實踐活動真實體驗等問題，生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)不能真正體驗生產(chǎn)操作，因此，遠遠不能達到實習(xí)教學(xué)的目的[1]。正是由于這種原因，許多教育工作者不斷進行研究，將虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)應(yīng)用于化工類學(xué)生生產(chǎn)實踐教學(xué)中，以適應(yīng)化工領(lǐng)域人才培養(yǎng)需求，使高危險、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等實習(xí)項目可以在校內(nèi)安全地進行，既讓學(xué)生學(xué)到了實習(xí)中應(yīng)該掌握的技術(shù)，又保護了學(xué)生學(xué)習(xí)期間的人身安全[2]。

近年來，研究者不斷開發(fā)半實物仿真工廠，并在化工類生產(chǎn)實習(xí)中得到應(yīng)用，其具有數(shù)字高仿真、工廠化對象背景、情景化真實操作、故障模擬真實設(shè)置等特點，解決了學(xué)生只能觀看而不能動手操作的問題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了動手能力和思維能力，強化了對專業(yè)知識的掌握和應(yīng)用[3-5]。遼寧工業(yè)大學(xué)將建成省內(nèi)一流應(yīng)用型高校作為發(fā)展目標(biāo)，尤其注重應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)，為提高化工類學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，投資建設(shè)煤制甲醇半實物項目，并在教學(xué)中應(yīng)用。本項目主要包括兩個部分：半實物仿真生產(chǎn)裝置和裝置配套的實習(xí)實訓(xùn)虛擬生產(chǎn)培訓(xùn)仿真軟件系統(tǒng)。

1 半實物仿真生產(chǎn)裝置介紹

本裝置是在約20 m×8 m×7.6 m(長×寬×高)的房間內(nèi)，以湖北某工廠甲醇生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，模擬60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)全過程，采用的是德士古氣化工藝，該工藝包括氣化、變換、低溫甲醇洗、甲醇合成和甲醇精餾5個工段。裝置如圖1所示。

圖1 實物裝置

裝置具有工廠情景化、操作實際化、控制網(wǎng)絡(luò)化(DCS)、故障模擬真實化等特點。裝置在設(shè)計上分為兩層：每層均能保證足夠的操作、檢修與教學(xué)空間，二層設(shè)有護欄、防滑鋼板。裝置框架采用鋼結(jié)構(gòu)確保安全可靠，所有設(shè)備需采用工業(yè)(304)不銹鋼材料制作，整體堅固耐用。

該裝置具備進行開車準備、開車、正常操作、停車、設(shè)備維護等方面的技能操作訓(xùn)練和工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練。

裝置自控儀表采用真實加仿真控制儀表，控制系統(tǒng)采用真實DCS系統(tǒng)，生產(chǎn)操作通過仿真軟件經(jīng)由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對裝置的控制，仿真軟件具有配合培訓(xùn)模式(完全模擬裝置的主控室，幾臺PC共同控制操作同一個裝置，適合對整個團隊進行培訓(xùn)與考核)與獨立培訓(xùn)模式(每個學(xué)員獨立操作整個工藝流程仿真軟件，適合對每個學(xué)員進行培訓(xùn)與考核)。

其中生產(chǎn)裝置與仿真控制儀表均由專業(yè)正規(guī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，且有廠家授權(quán)。現(xiàn)場儀表的選用符合真實裝置，溫度、壓力、流量、液位采用不同類型的改造儀表，現(xiàn)場儀表與遠傳儀表有區(qū)別。仿真儀表外形結(jié)構(gòu)與原實際類型基本一致。

2 虛擬生產(chǎn)培訓(xùn)仿真軟件

該項目的虛擬仿真培訓(xùn)軟件包括兩類，一類是與半實物裝置配套的仿真軟件，另一類是單機版練習(xí)型軟件。其中半實物生產(chǎn)操作是通過與其配套的仿真軟件完成的，該軟件經(jīng)由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對裝置的控制，具有配合培訓(xùn)模式的特點，單機版就是獨立培訓(xùn)模式。DCS仿真完全模擬實際生產(chǎn)，構(gòu)建“縮小版現(xiàn)場+DCS中控室”相結(jié)合的模式。

DCS控制系統(tǒng)的主要界面包括總貌畫面、各流程圖畫面、控制組、趨勢組、報警、細目、變量監(jiān)控、各種操作儀表及彈出子畫面，操作方式和控制方案完全相同。

本系統(tǒng)包括虛擬三維化工廠培訓(xùn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三維仿真

3 半實物仿真裝置在教學(xué)中的應(yīng)用

化工行業(yè)屬于易燃易爆高危行業(yè)，學(xué)生在實習(xí)或者新進工人在前期的培訓(xùn)當(dāng)中存在著不能動手操作的問題，為了使學(xué)習(xí)者更快、更好、更直接地了解實際生產(chǎn)中的問題，知道化工生產(chǎn)中的運行狀態(tài)和操作，半實物仿真裝置起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)該套裝置的功能和特點，可應(yīng)用于以下教學(xué)中。

3.1 課程教學(xué)實物化

根據(jù)裝置工廠情景化特點，可將化工生產(chǎn)技術(shù)、化工工藝學(xué)、化工計算、化工設(shè)備基礎(chǔ)和化工自動化儀表等化工類專業(yè)課程的部分教學(xué)搬到現(xiàn)場進行，在具有管路和設(shè)備實物裝置現(xiàn)場，學(xué)生可通過煤制甲醇工藝流程對工藝過程有深入了解，理解和掌握工藝原理；了解管路和設(shè)備布置原則，以及儀表安裝和控制。裝置中部分采用真實的工廠用儀表和閥門，使學(xué)生對各種顯示儀表、檢測儀表及元件、調(diào)節(jié)器等有一定認識，并知其重要性，如各種流量計、溫度計等。化工工藝學(xué)課程在甲醇工藝教學(xué)中將學(xué)生帶到煤制甲醇半實物現(xiàn)場進行工藝講解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對工藝的掌握。

3.2 虛擬操作仿真化

單機版練習(xí)型仿真操作軟件，仿真工廠實際操作過程真實地再現(xiàn)實際工藝流程各種操作狀態(tài)和行為，通過軟件操作完成該工廠開車準備、開車、正常操作、停車、故障處理等操作。學(xué)生可在電腦上開關(guān)閥門，根據(jù)生產(chǎn)要求，完成進料、建立液位、升溫、開泵及壓縮機等操作，同時動態(tài)仿真隨閥門或工藝參數(shù)等的變化，觀察對物料流量、裝置溫度、壓力的影響。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備進行了解剖模擬，利于學(xué)生對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掌握，如氣化爐。在仿真實訓(xùn)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在虛擬狀態(tài)下完成整個裝置操作，使學(xué)生了解生產(chǎn)操作過程，以及操作中要考慮的因素，此過程學(xué)生工程意識和工程思維能力得到提高。

3.3 生產(chǎn)操作實際化

該裝置通過實物裝置和相配套的仿真軟件實現(xiàn)生產(chǎn)操作實際化，生產(chǎn)操作通過仿真軟件由DCS系統(tǒng)對裝置實現(xiàn)控制，通過信號傳輸可實現(xiàn)工廠主控和現(xiàn)場聯(lián)合進行開車準備、開車、正常操作、停車、設(shè)備維護等方面的技能操作訓(xùn)練，以及工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練，真實準確地實現(xiàn)工藝現(xiàn)場操作，及真實故障處理。學(xué)生通過在實物裝置上實際操作和主控操作相結(jié)合，不但了解生產(chǎn)操作過程，對生產(chǎn)工藝、原理、操作有了深入認識。本裝置實現(xiàn)了可操作生產(chǎn)實習(xí)、頂崗實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，不但增強學(xué)生現(xiàn)場實物操作感，避免實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)誤操作影響生產(chǎn)及降低安全隱患，而且為學(xué)生走向工作崗位打下堅實的實踐基礎(chǔ)。

通過實物裝置的生產(chǎn)實習(xí)，學(xué)生的動手能力以及工程設(shè)計能力得到提高。在后續(xù)化工設(shè)計繪制工藝流程圖時，繪圖質(zhì)量得到了極大的提高。

由于本裝置既有與裝置配套的實習(xí)實訓(xùn)單機版虛擬生產(chǎn)練習(xí)仿真軟件作為初級培訓(xùn)，也有與半實物裝置現(xiàn)場相結(jié)合使用的生產(chǎn)培訓(xùn)配套仿真軟件，所以除上述教學(xué)外還能實施化工類中、高級工培訓(xùn)，化工類企業(yè)職工的崗前培訓(xùn)，化工類技師培訓(xùn)的工作。通過煤制甲醇半實物仿真工廠在教學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)生工程意識與工程能力得到提高，培養(yǎng)了學(xué)生現(xiàn)代化的化工設(shè)計理念，并有多名學(xué)生在國家級、省級化工設(shè)計大賽中取得了較好成績。