現(xiàn)代多媒體仿真技術(shù)在化工實訓基地建設中的應用

呂營王豫

（沈陽市化工學校 遼寧 沈陽 110122）

現(xiàn)代多媒體仿真技術(shù)在化工實訓基地建設中的應用

呂營王豫

（沈陽市化工學校 遼寧 沈陽 110122）

實訓基地建設是職業(yè)教育培養(yǎng)技能型人才的關(guān)鍵，其目的是使實踐教學得以有效實施。沈陽市化工學校在化學工藝實訓基地（全國示范性實訓基地）建設實踐中，營造高層面的化工仿真實訓基地，貼近化工企業(yè)生產(chǎn)實際，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才創(chuàng)造了條件。

多媒體仿真技術(shù)；實訓基地；化工

隨著我國職業(yè)教育的快速發(fā)展，實訓基地建設成為了一個重要的課題。就職業(yè)教育的特點而言，建實訓基地最根本的目的是使實踐教學得以有效實施。工程類專業(yè)是直接面向企業(yè)生產(chǎn)一線的專業(yè)，更需要建設與企業(yè)一致的校內(nèi)生產(chǎn)性實訓基地，這樣才能更好地促進實踐教學，培養(yǎng)學生的工程感和動手能力。但由于化工行業(yè)的特殊性，對于化學工藝這樣的專業(yè)而言，無論從規(guī)模上、安全性上還是從成本上考慮，都無法建成與化工企業(yè)完全一致的生產(chǎn)性實訓基地。要合理地解決這個問題，培養(yǎng)出優(yōu)秀的化工技能人才，只有引入現(xiàn)代仿真技術(shù)，使硬件設施與仿真技術(shù)有機結(jié)合，營造高層次的化工仿真實訓基地。

化工行業(yè)的特點

化工生產(chǎn)主要基于連續(xù)生產(chǎn)過程，涉及復雜的化學反應，產(chǎn)品加工往往是連續(xù)進行不能中斷的，生產(chǎn)過程的剛性較強，物料流、能量流、信息流始終不間斷地貫穿于整個生產(chǎn)過程。能量流在生產(chǎn)過程中交錯使用，物料流需要循環(huán)、反復加工等生產(chǎn)特點使得生產(chǎn)裝置間存在十分嚴重的耦合作用，且生產(chǎn)過程一般伴有高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆、有毒等環(huán)境問題，生產(chǎn)過程也經(jīng)常受到原料供應量、原料組份變化等干擾因素的影響。不合格的產(chǎn)品以及超量的污染排放，或者由于控制系統(tǒng)失靈而引起的生產(chǎn)裝置停車，都將產(chǎn)生相當嚴重的后果。

可以看出，化工工業(yè)通常以大批量、高強度、連續(xù)化的生產(chǎn)方式組織生產(chǎn)，成本高、過程控制復雜，還要滿足平穩(wěn)、長周期、低消耗、高質(zhì)量、安全性等多項生產(chǎn)過程要求。因此，要在職業(yè)學校建成與企業(yè)真正一致的實訓基地是不現(xiàn)實的。

多媒體仿真技術(shù)簡介

多媒體仿真技術(shù)通過將仿真的信息和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楸桓惺艿膱鼍啊D示和過程，輔助人們進行決策。它充分利用圖形、動畫、影像和聲音等多種媒體手段，將可視化、臨場感等結(jié)合起來產(chǎn)生一種沉浸感，使人的感官和思維進入仿真回路。

多媒體仿真技術(shù)充分地利用視覺和聽覺媒體的處理和合成技術(shù)，將表達模型信息的各種媒體集成在一起，提供了模型信息表達的有力工具，將模型的屬性、狀態(tài)和行為從抽象空間轉(zhuǎn)移到視覺和聽覺空間。它所提供的臨場體驗擴大了可視仿真的范圍，允許將實景圖像與虛擬景象結(jié)合起來產(chǎn)生近乎真實的環(huán)境。

多年以來，多媒體仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于教育教學中，但傳統(tǒng)意義上的化工仿真技術(shù)只是簡單地利用計算機進行模擬，比如一些較為常見的化工實訓軟件，學生只能通過鼠標、鍵盤的操作來控制軟件提供的模擬場景。在這個層次的仿真實訓中，學生對化工生產(chǎn)過程依然不會產(chǎn)生直觀的認識，更不會培養(yǎng)起工程感、動手能力以及處理突發(fā)問題的能力，與企業(yè)對工人素質(zhì)的要求還是脫軌的。

多媒體仿真技術(shù)在化工實訓基地建設中的應用

沈陽市化工學校在化工專業(yè)實訓基地建設中，為使學生有效掌握化工技能，打破常規(guī)實訓基地的建設思路，實現(xiàn)多媒體仿真技術(shù)與化工實訓硬件設施有機結(jié)合，在基礎(chǔ)建設上，力求呈現(xiàn)實景化工業(yè)場景；在培訓體系上，強調(diào)將企業(yè)需求直接轉(zhuǎn)化成課程的設置安排；在培訓硬件設施上，建立典型的、有代表性的、有較強適應性的流程級、規(guī)?；瘜嵱栄b置，使其與企業(yè)生產(chǎn)接軌，特別是要求多媒體仿真系統(tǒng)不但能夠模擬控制室內(nèi)的計算機控制系統(tǒng)（DCS）的操作，還能模擬現(xiàn)場裝置的實際動手操作，也就是要解決操作人員對現(xiàn)場裝置的幾何空間概念的把握和對操作設備與部件的操作力度、動態(tài)時機的把握。其中，還必須包括控制室操作人員與現(xiàn)場操作人員的團隊配合及協(xié)調(diào)行動。這些訓練內(nèi)容對復雜系統(tǒng)的開停車、非正常工況的處理，尤其是在遇事故緊急狀態(tài)時特別需要。

從這些理念出發(fā)，整個實訓基地建設成為占地面積2100平方米、高9米的真正意義上的車間，購置了大型設備21套，采用工廠實景布局，并建有中央控制室，裝有仿真軟件與DCS控制系統(tǒng)以及遠程控制實訓基地的所有設備，使整個實訓基地成為大型仿真工廠?，F(xiàn)以流程級丙烯酸乙酯裝置為例，對多媒體仿真技術(shù)在實訓基地建設中的應用進行說明。

丙烯酸乙酯實訓裝置的設計思路是通過軟、硬件結(jié)合的方式，打造無物料運行的全方位化工實訓系統(tǒng)，主要包括以下組成部分。

硬件裝置 這套裝置總長18米，高7米，分為上下兩層平臺，將工業(yè)裝置中大型設備，如塔器、反應器、貯槽、換熱器、輸送設備等，在保持原設備的結(jié)構(gòu)特點情況下按一定比例縮小，通過連接真實管路、手動閥門、自控閥門及壓力、流量、溫度、物位、功率、組成和閥位測控傳感器等，組成丙烯酸乙酯全流程裝置的硬件框架。裝置的硬件設施是學生直接操作和運行系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本裝置模擬了工業(yè)生產(chǎn)的真實環(huán)境，所有閥門均可真實操作，同時，真實工業(yè)生產(chǎn)裝置的參數(shù)是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此和真實工業(yè)裝置的觀測界面完全一致。本裝置開車、停車、正常操作、事故處理等過程可訓練學生在真實生產(chǎn)環(huán)境中的操作技能。

模擬測控系統(tǒng) 模擬測控系統(tǒng)是丙烯酸乙酯實訓裝置實現(xiàn)無物料運行的關(guān)鍵部分，通過模擬測控系統(tǒng)和數(shù)學模型，可以使裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體。該系統(tǒng)的作用是把設備操作點的動作轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號，例如，利用計算機控制技術(shù)實時采集閥門轉(zhuǎn)動的模擬信號，并傳送到上位計算機的數(shù)學模型中進行運算，再把運算結(jié)果通過轉(zhuǎn)換變成模擬電信號，傳送到現(xiàn)場的各種儀表進行模擬與數(shù)字多種方式的實時顯示。所有此類功能全部采用先進的現(xiàn)場總線技術(shù)和實時監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)。

仿真培訓系統(tǒng)（OTS） 該裝置是在“無物理化學過程”的狀態(tài)下運行的，裝置本身沒有任何真實進出物料，所有化工生產(chǎn)的工藝現(xiàn)象通過仿真軟件模擬來實現(xiàn)，并將這些模擬參數(shù)送至DCS。通過仿真培訓系統(tǒng)，培訓者可以進行冷態(tài)開車、正常停車、正常生產(chǎn)維護等操作培訓，讓受訓者感受到的是一個完全真實的工業(yè)化工裝置在運行。仿真培訓系統(tǒng)主要由兩部分組成：上層的模擬軟件平臺和底層的模擬引擎。如圖1所示，上層的模擬軟件平臺提供直觀、友好和功能性的圖形用戶界面，為教員站控制仿真程序的運行開發(fā)和維護模型、學員站操作和監(jiān)視過程模型提供圖形界面支持；底層的模擬引擎是仿真培訓系統(tǒng)的核心，通過此引擎可以調(diào)用仿真模型庫、專有模型庫（指專利商的專用反應模型等）、物性數(shù)據(jù)庫以及DCS/ ESD模擬機等過程模型和控制模型，實現(xiàn)仿真模型的建模和驅(qū)動。

圖1 仿真培訓系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

DCS集散控制系統(tǒng) 使用現(xiàn)代化工常用的典型DCS集散控制系統(tǒng)，用于本裝置的控制與操作。DCS集散控制系統(tǒng)仿真包括：控制柜、操作站、顯示器、工業(yè)DCS鍵盤及DCS系統(tǒng)軟件和一個進行事故報警及連鎖系統(tǒng)監(jiān)控的輔助操作臺。DCS用于管理、調(diào)度DCS操作軟件各部分，實現(xiàn)動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫、各類標準畫面、鍵盤操作、各種算法，以及通信的協(xié)調(diào)配合，完成DCS操作站的顯示、操作等各種功能。

實訓評價與管理系統(tǒng) 最后，為了方便實訓管理和評價，裝置還設有相關(guān)軟件，滿足培訓的組織和管理要求。當實訓裝置運行時，軟件會自動記錄、分析和評價操作員的操作水平，更適于學生實訓。

結(jié)語

我?；嵱柣氐慕ㄔO大量運用現(xiàn)代多媒體仿真技術(shù)，配合工業(yè)感強的大型硬件設施和DCS集散控制系統(tǒng)，為學生創(chuàng)造出了近乎真實的化工仿真實訓工廠。多媒體仿真技術(shù)運用高精度動態(tài)數(shù)學模型，可以不受約束地模擬實際裝置的物理化學特性，全工況動態(tài)實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調(diào)控、緊急停車和事故處理。除此之外，仿真培訓系統(tǒng)可以快速初始化，無需大量的開、停車準備工作，沒有常規(guī)運行成本，有效規(guī)避了化工專業(yè)傳統(tǒng)實訓的缺點，便于教學組織，易于維護，為化工實訓基地的設計和建設提供了可供借鑒的實踐經(jīng)驗。

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呂營（1982—），男，山東菏澤人，碩士，沈陽市化工學校講師，研究方向為高分子智能故障診斷技術(shù)與職業(yè)教育學。

王豫（1966—），女，河南益陽人，碩士，沈陽市化工學校高級講師，研究方向為職業(yè)教育學。

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1672-5727（2012）04-0167-03