仿真培训技术在化工职业院校的应用

仿真培训技术在化工职业院校的应用

仿真培训技术在化工职业院校的应用

　　朱景洋　张　星　穆远庆　杨建平

　　一、发展仿真技术的客观原因

　　1.学生校外实习困难重重

　　企业走向市场，更加注重生产效益、技术保密和生产安全，学校难以建立长期稳定、专业对口的校外实习基地。企业对学生下厂实习的态度从积极到应付，进而变为消极，各种限制条件很多，实习往往变成了参观。笔者学院与兖矿鲁南化肥厂一直保持着密切的校企合作关系，化工专业学生在完成氨合成、尿素等专业课程的学习后，在该厂进行为期1个月的生产实习。但1999年以后，由于企业政策的变化，生产实习开始变得困难，学生的实践技能培养遭遇了尴尬。

　　2.增加实训工位，提高动手能力的要求

　　学生校外实习变得困难重重，于是实习只能依托校内实习基地。但由于经费不足，各实训室所能提供的实习工位严重不足，远远不能满足实训教学的要求。理论学习与实践操作严重脱节，使学生的职业技能和职业综合素质的培养不到位，特别是在讲授有关工艺流程，装置开、停车和事故处理相关内容时，学生厌学，教师难教，教学质量出现了滑坡。

　　1990年，北京化工大学仿真中心在国内首先提出并倡导采用全数字仿真技术解决本科生的工程实践教学问题。2005年，笔者学院开始把仿真训练软件引入生产实习教学环节，这一系统投资小、运行和维护费用较低，能够兼容多种典型的化工流程，具有工业级规模精准的静态与动态特性，因此在有效满足实习工位的前提下，很好地满足了实训教学的要求。

　　3.企业自动化控制技术发展的必然要求

　　化学工业是国民经济的重要支柱产业，大型化工基地遍布全国。随着我国改革开放和现代化建设的飞速发展，化工企业的规模迅速扩大，大量先进的生产装置被投入生产，这些新投产的装置具有很高的自动化和信息化水平。目前，国内外大中型化工生产装置普遍采用DCS（分布式控制系统），以实现生产过程的集中显示和分散控制。2009年，国家安全监管总局也下发文件将涉及危险化工工艺的化工企业作为自动化控制改造的重点。可以预见，自动化控制是今后一段时期化工装置控制技术发展的方向。

　　4.节能降耗、减少开支的需要

　　仿真培训系统的推广应用，为我国化工职业技术训练开辟了一条新的途径。它在保障安全生产、降低操作成本、节能、节省原料、保障人身安全、保护生态环境等方面发挥了越来越大的作用。

　　5.企业技能鉴定和员工培训的必然要求

　　近年来，越来越多的企业将仿真系统应用于初级工、中级工和高级工的技能等级鉴定。如，中国石化的四个高级技师基地将仿真系统用于技师培训与考核；在山东省职业技能鉴定中心下发的《高级化工总控工操作技能考核准备通知单》中，要求把化工单元操作仿真软件或化工单元操作训练装置作为实操考核内容项目。

　　仿真系统已经成为企业员工培训不可或缺的手段。目前，石化企业已经全面应用仿真系统，新建或改造装置操作技能培训、在岗人员技能提升培训、系统操作员的技能培训、新入厂操作人员与技术人员的操作技能培训。

　　二、化工仿真软件涵盖的培训内容

　　目前，国内大中专职业院校普遍采用北京东方仿真控制技术有限公司开发的教学培训软件。笔者学院化工仿真培训的主要内容包括单元操作仿真和工段级仿真两个层面，单元操作培训使用北京东方仿真控制技术有限公司的CSTS2007版本，基本涵盖了所有常用化工操作单元。

　　工段级仿真（五套）：甲醇合成工段、常减压炼油、丙烯酸甲酯、空气分离、乙醛氧化制醋酸，涉及煤化工和石油化工等相关领域。

　　三、化工仿真培训的不足

　　当然，再好的仿真软件也代替不了实际生产，因此，有条件的学校还是应该购置实验实训设备，结合仿真软件开展教学，效果会更好。正版仿真软件价格不菲，而国外职业教育实习仿真软件虽发展较快，但由于涉及知识产权和软件汉化等制约因素，引入国内还需时日。同时，仿真技术并非十全十美，其不足主要体现为以下几个方面。

　　一是软件的开发需要采集化工装置的各项工艺参数建立数学模型，但因为各种影响因素相互制约，实际生产时的工艺条件变化比仿真模拟时要复杂得多。二是程序开发有漏洞，违反操作规程的程序设计时有发生。三是一机（计算机）一位（工位），在装置开、停车过程中，操作者既担任内操角色，又担任外操角色，无法训练两个角色间的团队配合及协调行动。四是软件无法模拟现场装置的实际动手操作，也就是培训中还需要培养操作人员对现场装置的几何空间概念的把握，以及对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握。

　　四、仿真技术的发展展望

　　1.3D仿真软件的研制开发

　　3D仿真软件具有化工工艺仿真、场景展示、设备展示、系统展示、结构展示、功能特性展示、参数展示、工作原理展示等传统2D仿真软件所不具备的功能。通过3D仿真模拟，学生可体验真实化工工艺系统的所有功能（开采和生产过程、操作、控制、性能、安装、维护等）。软件人机界面友好，功能齐全，流程简明，更易于学习、掌握。

　　北京东方仿真控制技术有限公司已经开始了3D仿真软件的研制开发，并取得了初步成功，目前正处于测试和推广应用阶段。相信在不久的将来，3D仿真软件会逐步取代传统2D仿真软件。

　　2.全流程级半实物仿真工厂的建立

　　随着我国煤化工和石油化工的快速发展，装置不断大型化、复杂化，自动化水平普遍提高，这对职业技术培训提出了更高的要求。为提高技术培训的成效，在仿真培训硬件设施上，需要建立典型的、有代表性的、有较强适应性的流程级、规模化实训装置，特别是要求仿真培训系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还应当模拟现场装置的实际动手操作，也就是要培养操作人员对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握，其中还必须包括控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调。这些训练内容对于实际生产中复杂系统的开停车、非正常工况的处理以及事故紧急状态处置等非常重要。

　　2007年，由上海市教委投资，北京化工大学仿真中心、上海信息技术学校与东方仿真控制技术有限公司合作完成了全流程级半实物仿真工厂，将我国化工仿真技术发展到一个新的水平。本装置吸取了国内外相关系统的优点，将缩小型（10:1）半实物流程装置、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了多种先进技术的集成创新，即定量动态建模与仿真技术。它具有工业级尺寸、工业级增益和时间常数、高精度动态模型，采用了半实物仿真平台技术（具有真实的三维空间位置、真实的操作力度）和过程控制组态平台技术等。现代化工仿真工厂集多种教学和实训功能于一身，全工况可操作，真实感强，一机多用，无需物料，没有产物和副产物，维修简单，节能、安全、环保，投资小、见效快，符合对实训系统的要求，是工业实训技术的一个新的飞跃。

　　（作者单位：山东化工技师学院）

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