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仿真培訓(xùn)技術(shù)在化工職業(yè)院校的應(yīng)用
仿真培訓(xùn)技術(shù)在化工職業(yè)院校的應(yīng)用
朱景洋 張 星 穆遠(yuǎn)慶 楊建平
一、發(fā)展仿真技術(shù)的客觀原因
1.學(xué)生校外實(shí)習(xí)困難重重
企業(yè)走向市場(chǎng)，更加注重生產(chǎn)效益、技術(shù)保密和生產(chǎn)安全，學(xué)校難以建立長(zhǎng)期穩(wěn)定、專業(yè)對(duì)口的校外實(shí)習(xí)基地。企業(yè)對(duì)學(xué)生下廠實(shí)習(xí)的態(tài)度從積極到應(yīng)付，進(jìn)而變?yōu)橄麡O，各種限制條件很多，實(shí)習(xí)往往變成了參觀。筆者學(xué)院與兗礦魯南化肥廠一直保持著密切的校企合作關(guān)系，化工專業(yè)學(xué)生在完成氨合成、尿素等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)后，在該廠進(jìn)行為期1個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)習(xí)。但1999年以后，由于企業(yè)政策的變化，生產(chǎn)實(shí)習(xí)開始變得困難，學(xué)生的實(shí)踐技能培養(yǎng)遭遇了尷尬。
2.增加實(shí)訓(xùn)工位，提高動(dòng)手能力的要求
學(xué)生校外實(shí)習(xí)變得困難重重，于是實(shí)習(xí)只能依托校內(nèi)實(shí)習(xí)基地。但由于經(jīng)費(fèi)不足，各實(shí)訓(xùn)室所能提供的實(shí)習(xí)工位嚴(yán)重不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求。理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作嚴(yán)重脫節(jié)，使學(xué)生的職業(yè)技能和職業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)不到位，特別是在講授有關(guān)工藝流程，裝置開、停車和事故處理相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生厭學(xué)，教師難教，教學(xué)質(zhì)量出現(xiàn)了滑坡。
1990年，北京化工大學(xué)仿真中心在國(guó)內(nèi)首先提出并倡導(dǎo)采用全數(shù)字仿真技術(shù)解決本科生的工程實(shí)踐教學(xué)問題。2005年，筆者學(xué)院開始把仿真訓(xùn)練軟件引入生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，這一系統(tǒng)投資小、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低，能夠兼容多種典型的化工流程，具有工業(yè)級(jí)規(guī)模精準(zhǔn)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，因此在有效滿足實(shí)習(xí)工位的前提下，很好地滿足了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求。
3.企業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展的必然要求
化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，大型化工基地遍布全國(guó)。隨著我國(guó)改革開放和現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，化工企業(yè)的規(guī)模迅速擴(kuò)大，大量先進(jìn)的生產(chǎn)裝置被投入生產(chǎn)，這些新投產(chǎn)的裝置具有很高的自動(dòng)化和信息化水平。目前，國(guó)內(nèi)外大中型化工生產(chǎn)裝置普遍采用DCS（分布式控制系統(tǒng)），以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的集中顯示和分散控制。2009年，國(guó)家安全監(jiān)管總局也下發(fā)文件將涉及危險(xiǎn)化工工藝的化工企業(yè)作為自動(dòng)化控制改造的重點(diǎn)�？梢灶A(yù)見，自動(dòng)化控制是今后一段時(shí)期化工裝置控制技術(shù)發(fā)展的方向。
4.節(jié)能降耗、減少開支的需要
仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，為我國(guó)化工職業(yè)技術(shù)訓(xùn)練開辟了一條新的途徑。它在保障安全生產(chǎn)、降低操作成本、節(jié)能、節(jié)省原料、保障人身安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。
5.企業(yè)技能鑒定和員工培訓(xùn)的必然要求
近年來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)將仿真系統(tǒng)應(yīng)用于初級(jí)工、中級(jí)工和高級(jí)工的技能等級(jí)鑒定。如，中國(guó)石化的四個(gè)高級(jí)技師基地將仿真系統(tǒng)用于技師培訓(xùn)與考核；在山東省職業(yè)技能鑒定中心下發(fā)的《高級(jí)化工總控工操作技能考核準(zhǔn)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(xùn)練裝置作為實(shí)操考核內(nèi)容項(xiàng)目。
仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)員工培訓(xùn)不可或缺的手段。目前，石化企業(yè)已經(jīng)全面應(yīng)用仿真系統(tǒng)，新建或改造裝置操作技能培訓(xùn)、在崗人員技能提升培訓(xùn)、系統(tǒng)操作員的技能培訓(xùn)、新入廠操作人員與技術(shù)人員的操作技能培訓(xùn)。
二、化工仿真軟件涵蓋的培訓(xùn)內(nèi)容
目前，國(guó)內(nèi)大中專職業(yè)院校普遍采用北京東方仿真控制技術(shù)有限公司開發(fā)的教學(xué)培訓(xùn)軟件。筆者學(xué)院化工仿真培訓(xùn)的主要內(nèi)容包括單元操作仿真和工段級(jí)仿真兩個(gè)層面，單元操作培訓(xùn)使用北京東方仿真控制技術(shù)有限公司的CSTS2007版本，基本涵蓋了所有常用化工操作單元。
工段級(jí)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(guān)領(lǐng)域。
三、化工仿真培訓(xùn)的不足
當(dāng)然，再好的仿真軟件也代替不了實(shí)際生產(chǎn)，因此，有條件的學(xué)校還是應(yīng)該購(gòu)置實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，結(jié)合仿真軟件開展教學(xué)，效果會(huì)更好。正版仿真軟件價(jià)格不菲，而國(guó)外職業(yè)教育實(shí)習(xí)仿真軟件雖發(fā)展較快，但由于涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)和軟件漢化等制約因素，引入國(guó)內(nèi)還需時(shí)日。同時(shí)，仿真技術(shù)并非十全十美，其不足主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。
一是軟件的開發(fā)需要采集化工裝置的各項(xiàng)工藝參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，但因?yàn)楦鞣N影響因素相互制約，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的工藝條件變化比仿真模擬時(shí)要復(fù)雜得多。二是程序開發(fā)有漏洞，違反操作規(guī)程的程序設(shè)計(jì)時(shí)有發(fā)生。三是一機(jī)（計(jì)算機(jī)）一位（工位），在裝置開、停車過(guò)程中，操作者既擔(dān)任內(nèi)操角色，又擔(dān)任外操角色，無(wú)法訓(xùn)練兩個(gè)角色間的團(tuán)隊(duì)配合及協(xié)調(diào)行動(dòng)。四是軟件無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際動(dòng)手操作，也就是培訓(xùn)中還需要培養(yǎng)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的幾何空間概念的把握，以及對(duì)操作設(shè)備與部件的操作力度、動(dòng)態(tài)時(shí)機(jī)的把握。
四、仿真技術(shù)的發(fā)展展望
1.3D仿真軟件的研制開發(fā)
3D仿真軟件具有化工工藝仿真、場(chǎng)景展示、設(shè)備展示、系統(tǒng)展示、結(jié)構(gòu)展示、功能特性展示、參數(shù)展示、工作原理展示等傳統(tǒng)2D仿真軟件所不具備的功能。通過(guò)3D仿真模擬，學(xué)生可體驗(yàn)真實(shí)化工工藝系統(tǒng)的所有功能（開采和生產(chǎn)過(guò)程、操作、控制、性能、安裝、維護(hù)等）。軟件人機(jī)界面友好，功能齊全，流程簡(jiǎn)明，更易于學(xué)習(xí)、掌握。
北京東方仿真控制技術(shù)有限公司已經(jīng)開始了3D仿真軟件的研制開發(fā)，并取得了初步成功，目前正處于測(cè)試和推廣應(yīng)用階段。相信在不久的將來(lái)，3D仿真軟件會(huì)逐步取代傳統(tǒng)2D仿真軟件。
2.全流程級(jí)半實(shí)物仿真工廠的建立
隨著我國(guó)煤化工和石油化工的快速發(fā)展，裝置不斷大型化、復(fù)雜化，自動(dòng)化水平普遍提高，這對(duì)職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)提出了更高的要求。為提高技術(shù)培訓(xùn)的成效，在仿真培訓(xùn)硬件設(shè)施上，需要建立典型的、有代表性的、有較強(qiáng)適應(yīng)性的流程級(jí)、規(guī)�；瘜�(shí)訓(xùn)裝置，特別是要求仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不但能夠模擬控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的操作，還應(yīng)當(dāng)模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際動(dòng)手操作，也就是要培養(yǎng)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的幾何空間概念的把握和對(duì)操作設(shè)備與部件的操作力度、動(dòng)態(tài)時(shí)機(jī)的把握，其中還必須包括控制室操作人員與現(xiàn)場(chǎng)操作人員的團(tuán)隊(duì)配合及協(xié)調(diào)。這些訓(xùn)練內(nèi)容對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)雜系統(tǒng)的開停車、非正常工況的處理以及事故緊急狀態(tài)處置等非常重要。
2007年，由上海市教委投資，北京化工大學(xué)仿真中心、上海信息技術(shù)學(xué)校與東方仿真控制技術(shù)有限公司合作完成了全流程級(jí)半實(shí)物仿真工廠，將我國(guó)化工仿真技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。本裝置吸取了國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將縮小型（10:1）半實(shí)物流程裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多種先進(jìn)技術(shù)的集成創(chuàng)新，即定量動(dòng)態(tài)建模與仿真技術(shù)。它具有工業(yè)級(jí)尺寸、工業(yè)級(jí)增益和時(shí)間常數(shù)、高精度動(dòng)態(tài)模型，采用了半實(shí)物仿真平臺(tái)技術(shù)（具有真實(shí)的三維空間位置、真實(shí)的操作力度）和過(guò)程控制組態(tài)平臺(tái)技術(shù)等。現(xiàn)代化工仿真工廠集多種教學(xué)和實(shí)訓(xùn)功能于一身，全工況可操作，真實(shí)感強(qiáng)，一機(jī)多用，無(wú)需物料，沒有產(chǎn)物和副產(chǎn)物，維修簡(jiǎn)單，節(jié)能、安全、環(huán)保，投資小、見效快，符合對(duì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的要求，是工業(yè)實(shí)訓(xùn)技術(shù)的一個(gè)新的飛躍。
（作者單位：山東化工技師學(xué)院）
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