淺談化工仿真技術在實踐教學中的應用

摘 要 通過引入化工仿真技術，借助計算機對化工專業(yè)的學生進行仿真實習教學，能夠較好地解決學生到工廠中只能眼看不能動手的尷尬局面，極大地提升學生的學習興趣，豐富教學的形式和內(nèi)容，仿真科學與技術將勢必成為現(xiàn)代教育的重要手段。

關鍵詞 化工仿真；實踐教學；應用

中圖分類號 G434 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）10-0056-02

Application of Chemical Simulation Technology in Practice Teaching//Fu Jiaxin，Yin Xianqing，Wu Hongte

Abstract Introducing Chemical Simulation Technology with computer on the simulation practice teaching to the students of Chemical Engineering professional，so that solving the embarrassed situations so much when the students can only see and cannot operate in the factory，promoting the biggest interests of the students，enriching the form and contents of teaching. Simulation science and technique certainly will become the educational important means.

Key words chemical simulation；practice teaching；application

Author’s address College of Chemical and Environmental Engineering，Yangtze University，Jingzhou， Hubei 434023

化工仿真實踐教學是運用實物、半實物或全數(shù)字化動態(tài)模型，深層次揭示化工過程的新技術，是計算機輔助教學的高級階段。化工仿真技術在實踐教學中大大彌補了傳統(tǒng)教學的不足，已成功地應用到實踐教學中。通過仿真教學，可使學生不進工廠就能了解化工生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)和操作，完成對生產(chǎn)裝置實際操作的培訓，鞏固所學知識，以實現(xiàn)理論與實踐的統(tǒng)一，從而提高教學質(zhì)量，為企業(yè)輸送合格的人才。目前，國內(nèi)許多學校競相采用仿真培訓系統(tǒng)，解決實踐教學中學生不能親自動手和實習經(jīng)費嚴重不足的矛盾。長江大學于2007年開始采用半實物和全數(shù)字化多種形式的仿真系統(tǒng)開展對學生的培訓，已經(jīng)取得了初步的成效。

1 化工仿真實訓系統(tǒng)簡介

多功能過程與控制仿真實訓系統(tǒng)（MPCE-1000）是一個半實物的仿真系統(tǒng)，它由硬件（小型流程設備盤臺、數(shù)字式軟儀表與接口）和軟件（系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過程模型軟件）兩部分組成。該系統(tǒng)通過小型實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調(diào)運行，完成復雜的過程與控制模擬實驗。

1.1 小型流程設備盤臺在可操作的盤臺上安裝有不銹鋼制按比例縮小的流程設備模型。主設備包括：1臺臥式儲罐、2臺高位計量罐、1臺帶攪拌器的釜式反應器、1臺列管式熱交換器、3臺離心泵、10個手動/自動雙效閥門和若干管路系統(tǒng)。在垂直的儀表盤面上分布有壓力、流量、溫度、物位、功率、組成和閥位等傳感器（變送器）插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺是直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境，本環(huán)境給操作員以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成等，必須通過儀表檢測才能被觀察，因此，本系統(tǒng)通過過程監(jiān)控軟件及過程模擬軟件處理，將其表征得和真實過程的觀測界面完全一致，做到了虛擬現(xiàn)場的超真實性、可觀感性和可操作性。

1.2 動態(tài)數(shù)學模型軟件本測試系統(tǒng)采用動態(tài)定量數(shù)學模型模擬真實工藝流程，并提供各變量隨時間變化的瞬態(tài)值。具體分為5種流程的動態(tài)仿真模型：1）離心泵及三級液位動態(tài)仿真模型；2）壓力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型；3）熱交換器過程動態(tài)仿真模型；4）連續(xù)反應（CSTR）動態(tài)仿真模型；5）間歇反應動態(tài)仿真模型。

1.3 控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件為了靈活地設計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統(tǒng)提供專用的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計算機“桌面”上通過圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成控制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法與集散型控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，并進一步增加了控制算法的組態(tài)設計功能。也就是說集成了DCS和MATLAB的雙重功能，并且更直觀、更簡明、更符合控制技能測試的要求。

1.4 實驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件盤臺上的所有操作點和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設定新的狀態(tài)，稱其為狀態(tài)“全恢復”功能。本功能是測試實驗系統(tǒng)的一大特色，利用本特點可以任意設定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過去記錄的狀態(tài)及某時間段落的變化狀態(tài)等。

1.5 測試系統(tǒng)硬件功能

1）傳感器（即變送器）信號（4～20 mA）輸出及控制閥信號（4～20 mA）輸入。可以外接DCS控制系統(tǒng)、PLC控制器、或其他具有4～20 mA標準工業(yè)信號的控制設備。

2）硬件組態(tài)功能。在液晶顯示器上彩色顯示15個數(shù)據(jù)單元（5個棒圖顯示和10個數(shù)碼顯示），每個顯示單元都有一個數(shù)據(jù)輸入黑色插孔。另外在設備和管道上布置了29個數(shù)據(jù)輸出插孔。通過導線連接數(shù)據(jù)輸入插孔和數(shù)據(jù)輸出插孔，則完成了對顯示單元顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容的硬件組態(tài)。當“外控方式”時，5個自動閥控制輸出紅色插孔，可以連接任意的閥門控制輸入插孔。連接后該閥門設定為自動閥（此時手動操作不能改變閥位）。

3）測試和操作單元的自摘除功能。在本系統(tǒng)上可以完成規(guī)模不同的試驗，每次進行試驗的過程中投入使用的設備種類和數(shù)量可以通過組態(tài)軟件定義。沒有通過組態(tài)軟件定義的數(shù)據(jù)采集點不能進行數(shù)據(jù)采集，該設備在試驗進行的過程中不投入使用。同時也不能輸出模擬信號。沒有通過組態(tài)軟件定義的閥門不投入使用。

4）自動可定義的雙效閥門。所有投入使用的閥門如果沒有組態(tài)為控制閥，則自動設定為手動閥門。硬件單元通過地址開關設定地址。同類型的硬件單元可以互換?，F(xiàn)場“全恢復”功能。

5）現(xiàn)場的全部硬件設備可以通過軟件快速設定為任意的工作狀態(tài)。

除了上述半實物的仿真實訓系統(tǒng)外，還配置了若干套全數(shù)字化仿真操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成12個典型化工過程的全數(shù)字化仿真，它們分別是離心泵及液位，熱交換，鍋爐，加熱爐，透平及往復壓縮，2-硫醇基苯并噻唑的縮合（間歇反應），淤漿法丙烯聚合（連續(xù)反應），催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)（氣體吸收），大型乙烯裝置脫丁烷部分（液體精餾），原油的常減壓蒸餾，催化裂化反再系統(tǒng)，合成氨轉(zhuǎn)化工段等。通過這些實驗，拓寬學生的知識面。

2 仿真實習的教學應用及效果

仿真軟件可以應用于如下教學環(huán)節(jié)：

1）生產(chǎn)實習：解決下廠實習“只許看，不準動”的難題。學生通過親自動手模擬開車、停車和典型事故處理訓練，能提高理論聯(lián)系實際和分析問題解決問題的能力。

2）認識實習：用于新入學的學生了解化工、石油化工及煉油過程的工藝與新型計算機控制系統(tǒng)的知識。

3）課堂演示：結(jié)合工廠實際在相關課程中由教師進行課堂動態(tài)模擬演示。

4）課程設計：通過仿真操作從動態(tài)模擬軟件獲取工業(yè)數(shù)據(jù)。將設計結(jié)果進行模擬檢驗。

5）過程控制：掌握工業(yè)PID調(diào)節(jié)器的使用，參數(shù)調(diào)整及復雜控制系統(tǒng)的投運方法。這些技術對工程和 控制專業(yè)的學生具有同等重要意義。

6）安全教育：通過動態(tài)模擬試驗了解事故動態(tài)演變過程的特性，學會事故工況下的安全處理方法、理解安全保護控制系統(tǒng)的作用原理。

當前化工仿真訓練已經(jīng)可以達到如下效果：

1）深入了解化工過程操作原理。提高學生對化工過程的開車、停車運行能力。

2）掌握調(diào)節(jié)器的基本操作技能。熟悉調(diào)節(jié)參數(shù)在線整定。

3）掌握現(xiàn)代工業(yè)復雜控制系統(tǒng)的投運和調(diào)整技術。

4）提高對復雜化工過程動態(tài)運行的分析和決策能力。試驗和提出最優(yōu)開車方案。

5）提高識別和排除事故的能力。

6）科學地嚴格地考核與評價學生經(jīng)過訓練后所達到的操作水平和理論聯(lián)系實際的能力。

3 化工仿真實習的優(yōu)勢

多功能過程與控制仿真實訓系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

1）為學生提供了充分動手的機會，可在仿真機上反復進行開車、停車訓練，這在真實工廠中是難以實現(xiàn)的。

2）高質(zhì)量的仿真器具有較強的交互性能，使學生在仿真實習過程中能夠發(fā)揮學習主動性，實習效果突出。

3）仿真軟件提供快門設定、工況凍結(jié)、時標設定、成績評定、趨勢記錄、報警記錄、參數(shù)設定等特殊功能，便于教師實施各種新的教學與培訓方法。真實工廠無法實現(xiàn)。

4）可以設定各種事故和極限運行狀態(tài)，提高學生分析能力和在復雜情況下的決策能力。真實工廠根本不允許進行。

5）在仿真機上，學生變成學習的主體。學生可以根據(jù)自己的具體情況有選擇地學習。例如自行設計、試驗不同的開、停車方案，試驗復雜控制方案、優(yōu)化操作方案等。真實工廠考慮到生產(chǎn)安全及正常生產(chǎn)計劃，決不允許這樣做。

6）仿真實習軟件具有自動評價功能，對學生掌握知識的水平隨時進行測評。在下廠實習中，一位教師無法同時跟蹤眾多學生進行測評。

7）安全性。其一是指學生在仿真器上進行事故訓練不會發(fā)生人身危險，其二是不存在物料消耗、不會造成設備損壞和環(huán)境污染等經(jīng)濟損失。因此，仿真實習是一種最安全的實習方法。

8）節(jié)省開支。采用仿真實習技術解決實習教學，可以節(jié)省設備運行費、物料能量損耗費、實習人員下廠經(jīng)費等大量開支。

綜上所述，仿真實習與傳統(tǒng)的下廠實習相比，在許多方面具有更好的效果。除此之外，化工仿真還表現(xiàn)出如下特點：

1）具有過程控制實驗和工藝過程實驗雙重功能；

2）有限的設備可實現(xiàn)多種過程實驗的最佳組合；

3）可實現(xiàn)多種過程控制方法和多種方案選擇實驗；

4）能真正實現(xiàn)間歇和連續(xù)反應動力學實驗；

5）無須投料，安全、節(jié)能、環(huán)保；

6）模塊化、組裝化、數(shù)字化、標準化；

7）易使用、易維護、低功耗、無污染、高可靠性；

8）電腦智能化教學實驗技術的全面升級。

在這一領域，北京化工大學的吳重光教授做出了突出的貢獻。

4 結(jié)論

1）仿真教學能更加完備地實現(xiàn)多種形式的教學，更能適合人類的多通道學習機制，更能激勵人們的學習興趣，因而能大大提高學習效率；

2）仿真技術為實踐教學環(huán)節(jié)提供了形象逼真的手段，解決了長期困擾學校的認識實習和生產(chǎn)實習的問題。

仿真教學是對傳統(tǒng)教學實驗技術的重大革新，是高等教學與科學實驗技術的一個新的飛躍；定量與定性仿真技術的結(jié)合，將在智能化教育領域取得重大突破。仿真科學與技術將成為現(xiàn)代教育的重要手段。