智能化工實訓室的建設原則

劉香，張雨佳，孫云雷，任玉杰

(浙江廣廈建設職業技術大學 綠色智能制藥產業學院，浙江 東陽 322100)

0 引言

邁入工業4.0時代，無論是美國工業互聯網，德國工業4.0，還是中國制造2025，其核心都是圍繞智能[1]，就目前而言，我國高等職業院校普通化工實訓室普遍存在設備落后和“智能工廠”脫節、學生化工實訓方式單一、實訓內容和企業崗位貼合度不夠、實訓時教師示范時間短、化工綜合實訓大量投料生產對學校環境不友好等問題。在新時代背景下，具備前瞻性與技術先進性的智能化工實訓室建設必不可少，因此對智能化工實訓室建設開展探究，起到拋磚引玉的作用。

智能化工實訓室建設的總體規劃：根據專業特色劃分了四個相互獨立的模塊，分別為化工虛擬仿真實訓室、化工單元操作實訓室、化工儀表及自動化實訓室、supOS控制化工生產綜合實訓室。根據實際提出軟硬件配置需求，儀器設備智能化組網、實訓項目資源共享化、實訓結果終端顯示屏可視化。此外，智能化工實訓室投資較大，專業實踐性比較強，牽涉范圍廣，智能化工實訓室建設可以全面規劃，逐步實施，以校企合作形式來共建共享，實現資源利用最大化。

1 智能化工實訓室建設構思

1.1 化工虛擬仿真實訓室建設

在信息技術不斷深入發展下，虛擬仿真技術日漸成熟，被應用于化工實訓中。虛擬仿真區別于傳統仿真的關鍵點，在于仿真模型和場景更加注重利用人體多感官全方位調動學生的感知能力，使學生在虛擬的3D空間體驗真實空間的感受[2]。傳統的化工仿真，學生通過操作鼠標、鍵盤等來控制計算機軟件提供二維的模擬場景，很大程度上限制學生對化工生產過程直觀的認識。2019年，《國家職業教育改革實施方案》明確指出為適應“互聯網+職業教育”發展需要[3]，大力推進虛擬工廠等網絡學習空間建設與普遍應用。以中國知網為數據源，進入高級搜索，以“化工虛擬仿真”為主題，不限制年限，搜索獲得246篇相關文獻，其中學科為“職業教育”僅占18篇；以“化工虛擬仿真與VR”為主題搜索獲得135篇，其中學科為“職業教育”僅占10篇，由此可知高等職業院校化工虛擬仿實訓室建設和應用需要加快進度。

化工虛擬仿真實訓室建設應用VR虛擬仿真技術和人工智能技術等已成為主要趨勢。為滿足實踐教學需要虛擬系統內要有獨立的實驗訓練模式；虛擬實訓場景中，要有計時與記錄成績的功能，系統考核模式中要含操作步驟過程記錄以及成績記錄，而后將記錄的數據傳遞到后臺服務器，支持匯總打印等功能，教師通過系統數據，掌握到每位學生的操作情況。在化工虛擬仿真實訓室，學生可以從熱交換、吸收及解析、精餾、流體輸送及管路拆裝、反應釜/板框過濾聯動實訓、化工生產綜合實訓等選擇項目，根據系統提示開始訓練，學生正確佩戴VR眼鏡、控制手柄和動作識別硬件等設備可以進行獨立操作，同時使用AR設備會更好的提高3D虛擬仿真實訓環境的逼真性。化工虛擬仿真實訓成功跨越時間和空間的限制，讓學生充分了解儀器設備模型，使得學生能夠獲得生動直觀的認識，促進對抽象原理的理解。

1.2 化工單元操作實訓室建設

化工虛擬仿真實訓能夠很大程度上模擬實訓實景，但還是不能代替真實實訓。以雷諾實驗、伯努力方程實驗、離心泵性能曲線測定及孔板流量計標定實驗、篩板精餾試驗、吸收和解析實驗、綜合流體力學實驗等單元操作為基礎的智能實訓室，在建設時以水、氣及化工基礎原料為載體，以真實的化工設備、儀表和電器為主體，參照現代化化工車間的真實情況來進行布置和運行。智慧教室與化工實訓區域分離、以化工實訓區域為中心周圍分布著化學倉庫、醫藥應急箱、消防應急器材包、消防聯動控制器、智能電力設施、應急水池以及三廢處理站等，此外實訓室壁面設置實驗室安全管理和HSE管理制度欄目，促進校企文化融合。

智能化工實訓室設備組網以雷諾實驗為例，實驗開始前學生通過虹膜識別門禁陸續進入實訓室，穿戴實驗服，分別佩戴定位胸牌，將學生分配相應的設備的管控位點。實驗過程中，智能信息采集器會自動收集智能開關、進水閥、溢流觀測點、浮子式水溫水位計、顏色指示劑、玻璃管道觀察點、泄水閥、智能電磁流量計、智能控制閥、聲像儀等數據。智能信息采集器將收集好的數據通過路由交換機傳遞到智能控制中心，智能解析后，可視化呈現包括但不限于不同流速下的雷諾準數(Re)、現象、相應流型。此外，化工實訓室的網絡是一個區域的網，為了保護實訓室數據安全設置防火墻防止互聯網病毒、黑客的攻擊。

1.3 化工儀表及自動化實訓室建設

化工儀表及自動化本質是以生產單元作為控制對象組成控制系統，自動化儀表對工藝參數進行自動檢測和自動控制。目前，多數高等職業院校化工儀表自動化設備存在自動化程度低，設備數量少，設施精度不高；教師對化工行業智能設備了解不全面；實訓室建設消耗資金較大與學院實際情況沖突等問題。為了解決該類問題，青年教師有組織的定期去企業學習，了解企業真實情況，為實訓室建設添磚加瓦，為帶好學生實訓打基礎。此外，實訓室建設時大型設備可以選用中試設備，小型設備和儀表(測量儀表、控制及儀表、執行儀表、顯示報警儀)盡可能選用與工廠類型相同，化工流程的設備上配置一些自動化裝置，并將其與DCS系統或supOS系統連接，處理近程及遠程控制[4-6]，節省下的成本，集中投入到智能化設備建設中。未來，化工儀表及化工自動化工程控制智能程度會再次升級，體現出驚人的存儲能力、程序性控制功能、記憶監督故障功能。加強對學生的智能化實訓，使其能夠熟練操控自動化儀器設備，拓寬學生就業面，幫助其順利完成智能化生產工作。

1.4 supOS控制化工生產綜合實訓室建設

基于supOS的化工生產綜合實訓室建設方案，設備選用工程化微縮實訓裝置，實驗效果能切實貼近實際化工生產的操作流程、工作原理及現象。supOS作為我國首個自主知識產權的工業操作系統，以集成化、數字化和智能化手段順利解決生產控制[7]。系統結合現代信息化化工過程檢測控制系統，可以設置故障點和設備檢修功能，提高“總控工”的分析以及解決問題能力。supOS的綜合實訓裝置設計時可以使用替代物投料、實體運行、安全環保并且減少資源浪費；supOS乙酸乙酯生產綜合實訓中使用檸檬水代替乙酸，鹽水代替乙醇、紅墨水表示硫酸，系統根據投料比例、操控準確性和酯化時間綜合給出乙酸乙酯產率。

乙酸乙酯生產綜合實訓開始前，實訓室管理人員提前半小時到智能化工實訓室做好準備工作，檢查實訓室設備以及控制中心系統滿足實訓正常使用。設備若存在故障，系統將自動通知實訓室管理員進行設備維護；學生了解并學習基于supOS工業操作系統的控制實驗設備的安全操作規范手冊、實驗手冊、常見故障核查手冊、本次實訓目標；實訓開始后，學生會被分配到不同的控制站點做好準備。實訓進行中，學生根據系統提示進行操作，對系統提示有不清楚的地方可以及時向老師請教，老師有針對性地進行答疑解惑。智能控制中心系統將實時采集化學反應過程中的需要監測的數據并存儲到數據服務器。乙酸(CH3COOH)和乙醇(CH3CH2OH)在酸性(H2SO4)酯化釜中進行模擬酯化反應，反應過程中生成粗的乙酸乙酯(CH3COOCH2CH3)進入分相器進行分層、富集合格的脂化物[8]。在此過程中每一個化學反應階段的數據包括但不限于反應耗時、溫度、濕度、產率、顏色變化，會實時采集到實訓室智能控制中心的數據服務器。實訓結束后，智能控制中心的監測數據顯示屏可以可視化呈現本次實訓過程中的數據信息以及本次實驗結果是否滿足預期目標。根據學生考核評分標準對每一位學生進行評分和總結本次實訓的不足與提升建議。最后，supOS控制乙酸乙酯生產綜合實訓和3D虛擬仿真實訓有機結合，可以實現“虛實交織、人機交互、環境真實化”場景，使學生的感知延伸到無限的宏觀世界和微觀世界。

2 智能化工實訓室建設的原則

高等職業院校的智能化工實訓以培養高素質技術應用型人才為出發點，智能化工實訓室盡可能的采用無毒或低毒的原料進行實訓操作，營造真實(或模擬真實)的職業生產環境，充分發揮實訓室在高等職業院校教學、科研和人才培養中的重要作用[9]。智能化工實訓室建設應體現以下4個原則：

(1)智能性原則：智能設備逐漸走進企業的生產一線，智能機器人正在不斷頂替流程簡單、重復性和高精度的工作。智能化工實訓以單元操作為基礎，側重學院辦學方向，建立智能化工實訓室過程中，軟件設施能在未來相當時間內滿足行業發展的需求，建立典型的、適應性的虛擬仿真實訓系統；硬件設施選型及配套，要做到智能性、實用性、經濟性相統一。

(2)實用性原則：智能化工實訓室需依據企業生產、檢測、管理、運營現狀等建設，營造真實(或仿真)的職業環境。智能化工實訓室要按照真實的生產車間的模式進行布置，比如：管道走向、冷卻水的循環利用、通風設備安裝、氣瓶放置、操作空間和安全空間的預留、配置急救和消防工具箱、人員管理定位、走廊文化等。

(3)安全性原則：智能化工實訓室建設過程中綜合考慮到學生安全因素。化工行業中代替高危操作智能設備要重點引入化工實訓室，提高學生對智能設備的實際操作能力的同時降低了學生實訓過程中事故的發生概率；配置緊急事故報警設備，完善處理事故工具，警惕學生風險，鍛煉學生應急能力；企業安全管理文化與實驗實訓教育深度融合，將安全意識、責任意識、環保意識植入學生腦海。

(4)服務性原則：智能化工實訓室首先服務學生，以提高學生的動手能力和創造力，為快速適應就業崗位做準備。隨著智能化元素的滲透，實訓前期準備，學生可以跟著系統提進行操作演練，實訓的過程中教師可以從中控室監督學生實訓情況，同時學生能夠根據自身的學習進度合理跟進實訓進度。其次，智能化工實訓室能為周邊職業院校和大中專院校提供相近專業的實訓，促進資源、信息、建設經驗區域共享。

3 結語

智能化工實訓室建設緊密結合化工企業生產的真實環境和轉型方向，采用物聯網、VR和AR、自動化、人物自動識別、智能定位、信息化等先進技術。智能化工實訓室呈現出“虛實交織、人機交互、環境真實化”、安全、友好的環境，滿足“教、學、做”一體化教學，促進學生操作能力、探究能力、自主學習能力大幅的提升。此外，我國大力支持校企合作，智能化工實訓室可以協助當地企業進行產品生產的中試項目，幫助企業新技術人員的業務培訓，合理配置資源，提高智能化工實訓室儀器設備的利用率，使智能化工實訓室成為企業、教師、學生相互交流的平臺；企業也可以將創新技術、新工藝、管理要素等引入高等職業院校，促進產教融合校企合作 “雙元育人”。智能化工實訓室將滿足學生實踐教學，完成企業新員工培訓任務，推進校企合作，有望成為職業教育創新和服務當地區域發展的共享平臺。未來，化工實訓室智能化建設會不斷的提升和優化，通過實踐教學的開展，不斷培養出符合經濟社會發展和提高國家競爭力的高素質技能人才。