自動化專業(yè)實踐教學(xué)基地建設(shè)研究

摘要：自動化專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)立足于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力。以往的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在著設(shè)計題目工程背景淡化及學(xué)生動手操作不足等問題。通過建設(shè)自動化實踐教學(xué)基地，加強學(xué)生工程能力訓(xùn)練，推動自動化專業(yè)科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué)基地；綜合實踐；畢業(yè)設(shè)計；生產(chǎn)實習(xí)；工程能力

作者簡介：聶建英（1972-），女，湖南桃源人，中國石油大學(xué)（北京）自動化系，講師；羅雄麟（1963-），男，湖南汨羅人，中國石油大學(xué)（北京）自動化系，教授，博士生導(dǎo)師。（北京#8194;102249）

基金項目：本文系2010年教育部第六批高校特色專業(yè)項目（項目編號：TS11822）的研究成果。

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）15-0080-03

在中國石油大學(xué)（北京）（以下簡稱“我校”）自動化專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，與專業(yè)相關(guān)的主要實踐課程有：生產(chǎn)實習(xí)、過程控制綜合實踐、計算機控制綜合實踐以及畢業(yè)設(shè)計等。但是，在實踐教學(xué)課程的實際運行中，存在著綜合實踐課程與生產(chǎn)實習(xí)脫節(jié)，生產(chǎn)實習(xí)嚴(yán)禁學(xué)生操作而導(dǎo)致實習(xí)效果欠佳等問題。我校作為一所具有鮮明石油特色的高等院校，自動化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后將直接進(jìn)入石油石化行業(yè)就業(yè)。校園是大學(xué)生學(xué)習(xí)最重要的地方，強化學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的工程教育要結(jié)合行業(yè)和區(qū)域特點，建構(gòu)合理的實踐教學(xué)體系，實施工程教育創(chuàng)新，提高學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力。[1，2]

一、當(dāng)前自動化專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題及改革措施

1.綜合實踐及畢業(yè)設(shè)計存在的問題

當(dāng)前我校自動化專業(yè)實踐教學(xué)缺乏對學(xué)生工程意識的培養(yǎng)。校內(nèi)綜合實踐及畢業(yè)設(shè)計題目工程背景呈淡化趨勢。自動化專業(yè)綜合實踐以教為主，缺少現(xiàn)場資料，培養(yǎng)的學(xué)生“從學(xué)校到學(xué)?！保こ虒嵺`能力不強。不能使學(xué)生具有從事實際工作的實用技能。畢業(yè)設(shè)計選題通常是教師出題，學(xué)生選題方式，教師擬定的題目往往與其所授科目及從事的研究方向有關(guān)。學(xué)生不了解，難以發(fā)揮學(xué)生的積極主動性。[1]

2.生產(chǎn)實習(xí)中存在的問題

實習(xí)環(huán)節(jié)在專業(yè)培養(yǎng)計劃中肩負(fù)著專業(yè)理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用直接關(guān)聯(lián)的任務(wù)，實習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式也直接顯示了學(xué)校的辦學(xué)特色。過去，我校自動化生產(chǎn)實習(xí)的場所均在各石油化工企業(yè)，石油石化企業(yè)現(xiàn)代化管理制度的日益完善，使得學(xué)生進(jìn)入石油石化企業(yè)現(xiàn)場的難度增大，生產(chǎn)單位不愿意接待學(xué)生實習(xí)，實習(xí)的內(nèi)容在不斷簡化，學(xué)生只能看、不能動手實踐，現(xiàn)場實習(xí)時間縮短，因此實習(xí)教學(xué)的效果在下降。但同時，現(xiàn)代化石油石化企業(yè)對所接受本科畢業(yè)生的要求不僅沒有改變反而更高，他們希望大學(xué)生到工作現(xiàn)場后能快速適應(yīng)環(huán)境，但是，學(xué)生的實際表現(xiàn)往往與他們的期望脫節(jié)，學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生需要經(jīng)過二次培訓(xùn)才能達(dá)到企業(yè)的實際要求。

3.實踐教學(xué)改革措施

在新形勢下，高校實踐環(huán)節(jié)如何改革，教學(xué)水平如何提高是高校深入教學(xué)改革的重要內(nèi)容。借鑒其他高等院校國家工程訓(xùn)練中心和企業(yè)實訓(xùn)基地的建設(shè)理念，以及現(xiàn)代仿真技術(shù)在石油石化行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用，半實物仿真基地的建設(shè)將成為石油高校主干專業(yè)實踐教學(xué)改革的必經(jīng)之路。

現(xiàn)代化的煉油和石油化工裝置對自動化控制系統(tǒng)的要求越來越高，要對裝置和工藝過程進(jìn)行有效地操作和控制，裝置工程師、控制工程師、生產(chǎn)操作人員必須在較短時間內(nèi)掌握先進(jìn)的控制技術(shù)，熟悉調(diào)節(jié)控制的方法，全面掌握工藝過程原理及動態(tài)特性等一系列與生產(chǎn)操作相關(guān)的知識。

學(xué)校建設(shè)了仿真實踐教學(xué)基地，為學(xué)生提供有效的實踐機會，全面提高學(xué)生的素質(zhì)和綜合操作技能水平、過程知識和經(jīng)驗，使他們掌握新的、先進(jìn)的控制系統(tǒng)，熟悉調(diào)節(jié)控制的方法，全面掌握和了解工藝過程本身的原理以及其動態(tài)特性，縮短將來適應(yīng)工作環(huán)境的時間，充分發(fā)揮理論和實踐相結(jié)合的優(yōu)勢。

二、自動化實踐教學(xué)基地建設(shè)

1.建設(shè)內(nèi)容

自動化實踐教學(xué)基地分兩部分建設(shè)：催化裂化工藝裝置半實物仿真系統(tǒng)；煉油化工過程的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)（DCS）和操作培訓(xùn)系統(tǒng)（operation training system，OTS）上下兩層系統(tǒng)構(gòu)成。

催化裂化半實物工藝流程仿真系統(tǒng)，按工業(yè)裝置實物比例縮小的催化裂化實物仿真裝置并與仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)配套硬件。

2.催化裂化工藝裝置半實物仿真系統(tǒng)

按工業(yè)裝置實物比例縮小的催化裂化實物仿真裝置并與仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)配套硬件，體現(xiàn)提升管反應(yīng)、兩段再生、外取熱、原料摻渣油、小回?zé)?、催化裂化產(chǎn)物分離、液化氣生產(chǎn)、汽油處理和穩(wěn)定等過程的等特點。

實物工藝流程仿真裝置為全裝置，包括反應(yīng)再生設(shè)備、塔、壓縮機、機泵、換熱器、空冷器等設(shè)備構(gòu)件。以學(xué)校提供的某真實煉油廠催化裂化裝置進(jìn)行8∶1比例縮小建設(shè)。裝置內(nèi)不運行實際物料，部分重要輸入輸出數(shù)據(jù)與實物裝置現(xiàn)相聯(lián)系。以DCS控制系統(tǒng)為中心，反應(yīng)—再生和分餾系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)在實物裝置上顯示，重要閥位數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示和調(diào)節(jié)雙向傳送。

各種閥門以及相關(guān)儀表包括流量、液位、壓力等，所有控制操作在DCS系統(tǒng)上操作完成，現(xiàn)場閥操作在裝置現(xiàn)場真實操作，工藝變化的參數(shù)為“模擬計算出”的參數(shù)，由仿真軟件提供。除了半實物催化裂化裝置，OTS系統(tǒng)還訂制開發(fā)了匹配的催化裂化工藝模型。

3.煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)

建設(shè)基于霍尼韋爾先進(jìn)的 ePKS（即Experion 過程知識系統(tǒng)）DCS 控制系統(tǒng)及 Unisim 模擬平臺的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)。Experion 過程知識系統(tǒng)是最新一代的過程自動化系統(tǒng)，UniSimTM 是業(yè)界應(yīng)用廣泛，并經(jīng)多年工程實踐檢驗的仿真模擬平臺。它內(nèi)置嚴(yán)格的物性庫和熱力學(xué)狀態(tài)方程，采用模塊化的模擬引擎來執(zhí)行實時的工藝和控制系統(tǒng)動態(tài)模擬計算。模型今后可擴展余地很大，能不斷添加新的內(nèi)容，確保今后10到20年不落后，與目前石油石化企業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)保持一致，與企業(yè)保持技術(shù)零距離，使學(xué)生得到充分鍛煉。建成的仿真系統(tǒng)具備先進(jìn)性、開放性及標(biāo)準(zhǔn)化，易于今后的不斷擴展。

（1）煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)（DCS）和操作培訓(xùn)系統(tǒng)（OTS）上下兩層系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)總體應(yīng)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、先進(jìn)性。

（2）煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)基本配置。煉油化工過程的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)包括一套ePKS DCS控制系統(tǒng)和一套操作培訓(xùn)系統(tǒng)（OTS）。其中操作培訓(xùn)系統(tǒng)（OTS）含5套Unisim仿真模擬系統(tǒng)和5個標(biāo)準(zhǔn)工藝模型，其中FCC模型需要定制開發(fā)，與所建設(shè)的半實物工藝流程仿真裝置匹配。5個標(biāo)準(zhǔn)工藝模型分別為：常減壓蒸餾裝置模型（CDU VDU）、連續(xù)重整裝置（CCR）、柴油加氫裝置（DHDS）、加氫裂化裝置（HCU）、催化裂化（FCC）。

每套Unisim仿真模擬系統(tǒng)包括1臺仿真模型服務(wù)器（兼作模型工程師站），1臺教員站（兼作現(xiàn)場站），3臺DCS操作站，1臺DCS接口通訊站和1臺控制模擬站。其中DCS操作站和第一部分的DCS控制系統(tǒng)共享。

整套Unisim仿真模擬系統(tǒng)以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)完成人員的培訓(xùn)及其他應(yīng)用，可對所模擬裝置的冷態(tài)開車、熱態(tài)開車、正常運行、正常停車、緊急停車等進(jìn)行充分準(zhǔn)確地模擬和培訓(xùn)。

以上五套標(biāo)準(zhǔn)仿真工藝模型可在5套Unisim仿真模擬系統(tǒng)上任意切換，以達(dá)到最優(yōu)化使用；即5套仿真模擬系統(tǒng)上都加載所有5套模型，用戶可任意選擇5套仿真模擬系統(tǒng)同時運行相同的模型或不同的模型。

Unisim仿真模擬系統(tǒng)提供相應(yīng)的工具以實現(xiàn)所有仿真模擬系統(tǒng)軟、硬件的維護(hù)功能。仿真模塊本身是標(biāo)準(zhǔn)的、經(jīng)過預(yù)測試的、嚴(yán)格的動態(tài)模型，其算法由熱力學(xué)軟件包支持，包括大量的單元操作、設(shè)備類型、控制策略及其他算法的模塊庫。所用算法都經(jīng)過了嚴(yán)格測試，工程師可以放心使用這些算法建模。

（3）DCS控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)能夠切換控制包括常減壓，連續(xù)重整，柴油加氫，加氫裂化，以及催化裂化系統(tǒng)；能夠在不同時刻切換到五套不同系統(tǒng)的組態(tài)畫面進(jìn)行控制。DCS控制系統(tǒng)與企業(yè)現(xiàn)場使用的相同，但數(shù)據(jù)通訊的I/O卡板、安全柵及機柜大部分代之以通訊網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP）與OTS模型仿真軟件相聯(lián)系，保留少量I/O卡板與實物生產(chǎn)裝置相聯(lián)系。I/O卡板有DI計32通道，DO計32通道，AI計32通道，AO計64通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換16位或以上，AI和AO各通道零點和量程單獨調(diào)節(jié)。不設(shè)安全柵。

下層為操作培訓(xùn)系統(tǒng)，同時通過少量I/O卡件用于與基本的硬件的信號聯(lián)接。操作系統(tǒng)中提供5套煉油化工過程模擬軟件標(biāo)準(zhǔn)工藝模型。標(biāo)準(zhǔn)工藝模型是基于非線性、復(fù)雜工藝機理模型，反映實際動態(tài)響應(yīng)。

DCS操作站作為學(xué)員培訓(xùn)操作站，重現(xiàn)實際工廠#8202;DCS的全部功能，因此所有的DCS控制、安全保護(hù)、報警功能將被完全仿真。

（4）OTS培訓(xùn)系統(tǒng)。OTS系統(tǒng)包括模擬軟件包、教員站組態(tài)軟件包、現(xiàn)場站組態(tài)軟件包，OTS組態(tài)工具、ESD組態(tài)工具，常減壓蒸餾裝置模型、組態(tài)及聯(lián)鎖，連續(xù)重整裝置模型、組態(tài)及聯(lián)鎖，柴油加氫裝置模型、組態(tài)及聯(lián)鎖，加氫裂化裝置模型、組態(tài)及聯(lián)鎖，催化裂化裝置模型開發(fā)、組態(tài)及聯(lián)鎖。OTS系統(tǒng)中采用真實DCS組態(tài)數(shù)據(jù)庫，不做任何簡化，能和絕大多數(shù)主流DCS系統(tǒng)連接，采用DCS操作站作為培訓(xùn)站。OTS系統(tǒng)軟件有強大的物性庫支持，物性庫組分?jǐn)?shù)據(jù)不少于1500種，熱力學(xué)狀態(tài)方程不少于30種。

OTS操作培訓(xùn)系統(tǒng)包括常減壓、連續(xù)重整、柴油加氫、加氫裂化、催化裂化共5套仿真模擬系統(tǒng)及相應(yīng)的5個標(biāo)準(zhǔn)工藝模型，標(biāo)準(zhǔn)工藝模型是基于復(fù)雜工藝機理模型，反映實際動態(tài)響應(yīng)。OTS系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，具有圖形建模功能；支持OPC接口，便于各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。催化裂化工藝模型定制開發(fā)，與所建設(shè)的半實物工藝流程仿真裝置匹配。常減壓、連續(xù)重整、柴油加氫、加氫裂化工藝模型依據(jù)常見工藝流程。模型要求有良好的動態(tài)特性，能真實模擬工業(yè)現(xiàn)場的多種工況。5個標(biāo)準(zhǔn)工藝模型基于同一平臺開發(fā)。

每套仿真模擬系統(tǒng)包括 1 臺仿真模型服務(wù)器（兼作模型工程師站），1 臺教員站（兼作現(xiàn)場站），3臺DCS操作站，1臺DCS接口通訊站和1臺控制模擬站。教員控制臺的主要作用是控制仿真程序的運行。教員可以在培訓(xùn)過程中調(diào)用顯示畫面，下載模型，增加過程干擾、故障及執(zhí)行其他任務(wù)。教員能監(jiān)視模型狀態(tài)，直接控制選定故障及遠(yuǎn)程功能。仿真模擬系統(tǒng)提供相應(yīng)的工具以實現(xiàn)所有仿真模擬系統(tǒng)軟、硬件的維護(hù)功能。

整套仿真模擬系統(tǒng)以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)完成人員的培訓(xùn)及其他應(yīng)用，可對所模擬裝置的冷態(tài)開車、熱態(tài)開車、正常運行、正常停車、緊急停車等進(jìn)行充分準(zhǔn)確的模擬和培訓(xùn)。OTS系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種模擬功能。操作站共6組，其中只有1組與實物裝置相連。各模型裝置可以在其他5組操作站上任意多組上運行。

三、依托實踐基地資源，創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容體系

自動化專業(yè)依托自動化實踐基地，開展以煉油化工過程生產(chǎn)為背景的專業(yè)實踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了基于基地資源，面向?qū)嶋H問題的實踐教學(xué)內(nèi)容體系。[3]

1.以命題型創(chuàng)新實踐訓(xùn)練為主，注意與生產(chǎn)實習(xí)的結(jié)合

在實踐基地給學(xué)生多項“命題”的項目，項目與生產(chǎn)實習(xí)中的煉油化工過程為控制對象實施控制方案的設(shè)計，讓學(xué)生分組完成不同項目。在給定功能目標(biāo)及相關(guān)技術(shù)要求后，從技術(shù)構(gòu)思、技術(shù)方案到具體實施，均由學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成。整個過程對學(xué)生的專業(yè)實踐能力訓(xùn)練很有價值。

2.校外生產(chǎn)實習(xí)和校內(nèi)仿真試驗相結(jié)合

煉油化工過程涉及的工作環(huán)境大多屬于易燃易爆的高危作業(yè)場所，學(xué)生實習(xí)期間不能動手。因此可以在實踐教學(xué)基地，通過使用催化裂化工藝裝置半實物仿真系統(tǒng)及煉油化工過程的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，使自動化學(xué)生了解工藝過程，熟悉DCS控制系統(tǒng)，增強感性認(rèn)識，了解其結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行DCS系統(tǒng)的組態(tài)；根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行對象分析；確定所采用的控制方案；選擇控制算法，進(jìn)行控制器設(shè)計；軟件設(shè)計；考慮抗干擾問題、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)偏差等問題。由于仿真試驗是通過半實物或計算機模型仿真工業(yè)過程，無法完全體現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的真實性、危險性和緊迫感，因此將校外生產(chǎn)實習(xí)和校內(nèi)試驗相結(jié)合，以達(dá)到較好的實習(xí)效果。

3.畢業(yè)設(shè)計以“命題型”訓(xùn)練為主，注意與綜合實踐相結(jié)合

可以將綜合實踐的部分項目轉(zhuǎn)化為畢業(yè)設(shè)計課題，要求學(xué)生即要注意綜合實踐和畢業(yè)設(shè)計在工程設(shè)計等方面的共性，更要區(qū)分它們在文獻(xiàn)調(diào)研、規(guī)范應(yīng)用、題目難度、工程實施內(nèi)容等方面的區(qū)別。在基地的軟硬件條件保障下，可以將綜合實踐題目的要求加深、細(xì)化，提高難度，注重工程化；也可以將部分科研項目分解，適當(dāng)轉(zhuǎn)換成學(xué)生能夠完成的子項目。

4.科技創(chuàng)新培訓(xùn)活動

依托基地，創(chuàng)新競賽活動。建設(shè)的實踐基地對學(xué)生開放，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。自動化系十分重視學(xué)生課外科技活動的開展，給學(xué)生創(chuàng)造課外科技活動的機會，提高學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力。通過幾年來的實踐，自動化專業(yè)各年級學(xué)生積極參加校內(nèi)外的科技創(chuàng)新活動，并取得了較好的成績。[4]

四、結(jié)語

建設(shè)自動化實踐教學(xué)基地，開展創(chuàng)新實踐教學(xué)是提高大學(xué)生在校期間綜合能力、科研素質(zhì)的有效途徑。學(xué)校、教師、學(xué)生三方互動協(xié)作，依托基地進(jìn)行實踐教學(xué)和科技創(chuàng)新活動，將對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才起到良好的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢曉凱.油氣儲運工程專業(yè)一體化實踐教學(xué)模式的探索[J].中國石油大學(xué)學(xué)報社會科學(xué)版，2011，(S2).

[2]董發(fā)勤，彭煜，晏斌，等.建構(gòu)開放式實踐教學(xué)體系#8195;強化學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011，(10).

[3]李清泉.強化高校科技優(yōu)勢轉(zhuǎn)化#8195;提升高素質(zhì)人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國高教研究，2011，(12).

[4]白忠喜，魯越青，梁偉，等.校政企共建基地#8195;開展基于項目驅(qū)動的實踐教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011，(2).

（責(zé)任編輯：宋秀麗）