淺談虛擬仿真技術(shù)與石化專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)

張軍科,曹 赟

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，陜西 西安 710300)

在石油、化工等復(fù)雜、危險(xiǎn)的過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，不允許在實(shí)際生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行各種試驗(yàn)性和訓(xùn)練性操作。由于缺乏足夠的實(shí)操訓(xùn)練機(jī)會(huì)，造成此類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的操作技能提升效率低、效果差，從前的教育資源和技能培訓(xùn)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)高速發(fā)展的現(xiàn)代化企業(yè)對(duì)高技能人才的培養(yǎng)需要，而高職院校采用虛擬仿真操作培訓(xùn)是解決以上問(wèn)題的捷徑[1-2]。本文以陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化工技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)為例, 淺析虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)中的應(yīng)用。

1 建設(shè)思路

充分考慮石油化工專(zhuān)業(yè)的特殊性(包括物理因素、安全因素、投入因素等)，依據(jù)石油化工行業(yè)崗位能力培養(yǎng)要求，滿(mǎn)足“教、學(xué)、做”一體的課程改革需要，構(gòu)建真實(shí)與仿真技術(shù)相結(jié)合、模擬企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程的石油化工技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地。培養(yǎng)學(xué)生安全、環(huán)保、質(zhì)量等職業(yè)意識(shí)與素養(yǎng)，掌握與石油煉制、石油化工、石油產(chǎn)品檢驗(yàn)等工作崗位有關(guān)的儀器設(shè)備操作技術(shù)，熟悉工藝流程，強(qiáng)化崗位技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維[3]。

2 建設(shè)內(nèi)容

圖1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系框圖

石油化工等復(fù)雜的工藝過(guò)程及工業(yè)設(shè)備具有種類(lèi)繁多、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作條件嚴(yán)苛等特點(diǎn)，學(xué)生很難有機(jī)會(huì)直接接觸和觀察到完整的工藝流程、設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和拆裝過(guò)程，課堂教學(xué)以文字、圖表為主，偏抽象化和理論化，學(xué)生理解和掌握難度都很大。專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地在建設(shè)時(shí)引入石油化工相關(guān)生產(chǎn)工藝及設(shè)備仿真軟件，此類(lèi)仿真軟件通過(guò)高精度的仿真模擬構(gòu)建出與真實(shí)工廠非常接近的虛擬生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過(guò)程，逼真地模擬設(shè)備的工作原理，工廠的開(kāi)車(chē)、停車(chē)、正常運(yùn)行和各種事故過(guò)程的現(xiàn)象和操作，其為學(xué)生提供一種近乎實(shí)際的仿真生產(chǎn)和操作環(huán)境，以及相同的操作體會(huì)和感受，從而使學(xué)生獲得相應(yīng)的技能和經(jīng)驗(yàn)積累。石油化工專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)基本內(nèi)容框架如圖1。

2.1 核心課程引入仿真實(shí)驗(yàn)

專(zhuān)業(yè)核心課程承載著核心能力培養(yǎng)的任務(wù)，以本專(zhuān)業(yè)《化工單元操作技術(shù)》課程為例，該課程包含大量化工單元操作實(shí)驗(yàn)及化工原理演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)院建有單元操作實(shí)訓(xùn)室，但實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)H局限于常見(jiàn)的幾種單元操作，且設(shè)備完好率直接決定了使用效果。學(xué)院引入了化工單元仿真軟件CSTS，軟件包含了本課程流體輸送、過(guò)濾、傳熱、精餾、吸收、萃取及干燥等通用的所有單元操作，學(xué)生能模擬這些單元操作的開(kāi)車(chē)、正常運(yùn)行、停車(chē)，將管道、閥門(mén)、調(diào)節(jié)器、泵、換熱器、塔設(shè)備等直觀的呈現(xiàn)在學(xué)生而前，讓學(xué)生在接近真實(shí)化工生產(chǎn)環(huán)境的虛擬現(xiàn)場(chǎng)看到各種化工設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，軟件還能讓學(xué)生大膽的模擬各種操作事故，并且可以無(wú)限次訓(xùn)練，軟件的投入使用完全彌補(bǔ)了實(shí)訓(xùn)室設(shè)備不全的問(wèn)題。專(zhuān)業(yè)其它課程如《無(wú)機(jī)化學(xué)》《有機(jī)化學(xué)》《分析化學(xué)》等均通過(guò)與軟件公司合作，開(kāi)發(fā)出了一批虛擬教學(xué)資源，將抽象難懂的各種化工反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)流程、反應(yīng)現(xiàn)象通過(guò)軟件直觀的反映在電腦屏幕上，不僅僅提高了學(xué)習(xí)效率，還極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 儀器分析仿真實(shí)訓(xùn)室

和大多數(shù)高校一樣，為滿(mǎn)足教學(xué)及教師科研工作的需要，學(xué)院配備了化工分析常用大型精密儀器，如氣相色譜儀、液相色譜儀、紅外光譜儀、原子光譜分析儀、紫外分光光度計(jì)、差示掃描量熱儀、氧氮量熱議、熱失重分析儀等，但這些儀器對(duì)操作人員要求較高，設(shè)備一旦誤操作而損壞其維修成本太大，教學(xué)基本都是以老師操作為主，學(xué)生沒(méi)有操作機(jī)會(huì)，所以學(xué)生完全沒(méi)有學(xué)習(xí)熱情，導(dǎo)致很重要的化工儀器分析類(lèi)課程成了雞肋。究其原因，高職學(xué)生最被關(guān)注的實(shí)際動(dòng)手操作能力在這些儀器面前嘎然止步[4]。

為走出這種困境，學(xué)院專(zhuān)門(mén)建設(shè)了能容納90人的化工仿真實(shí)訓(xùn)室，引入大型分析儀器仿真軟件ISTS2.0、2.5、3.0，該套軟件包含了實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)各類(lèi)大型分析儀器的模擬仿真程序，能將抽象的原理和復(fù)雜的儀器結(jié)構(gòu)直觀的出現(xiàn)在學(xué)生眼前，能完全模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景、儀器操作、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析，操作過(guò)程與真實(shí)儀器操作過(guò)程極為相似，學(xué)生在實(shí)際操作之前經(jīng)過(guò)多次反復(fù)模擬操作培訓(xùn)，最大程度的降低因?qū)W生誤操作而造成儀器損壞的可能性。學(xué)院石化專(zhuān)業(yè)安排了1周的儀器分析仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生的儀器操作能力明顯提升。

2.3 工藝流程仿真實(shí)訓(xùn)室

石油化工生產(chǎn)是以原油、原油煉制后的產(chǎn)品、油氣伴生氣或天然氣為原料，采取特定工藝，生產(chǎn)燃料性油品、潤(rùn)滑性油品、化工原料、化工中間體和化工產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)。 石油化工生產(chǎn)的物料絕大多數(shù)具有潛在危險(xiǎn)性，生產(chǎn)工藝過(guò)程復(fù)雜、工藝條件苛刻，其生產(chǎn)裝置大型化、生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)性強(qiáng)。如何設(shè)置部分或全部替代高危險(xiǎn)、高污染以及高消耗、高成木的實(shí)踐環(huán)節(jié)是本專(zhuān)業(yè)工藝實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的難點(diǎn)[5]。

學(xué)院根據(jù)本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生定位及就業(yè)方向，結(jié)合核心課程《石油化工生產(chǎn)技術(shù)》，與軟件公司共同研制開(kāi)發(fā)了常減壓、催化裂化、催化重整等石油化工典型工藝智能化模擬工廠仿真軟件。該套仿真軟件包括智能化模擬模型、DCS控制系統(tǒng)、三維虛擬仿真系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠有機(jī)的結(jié)合為一個(gè)整體來(lái)完成教學(xué)與訓(xùn)練，可實(shí)現(xiàn)控制柜操作、DCS控制操作、三維現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制操作等多種操作方式。并可將操作結(jié)果及時(shí)反饋到教師站的數(shù)學(xué)模型中，并通過(guò)智能化模擬模型、DCS控制系統(tǒng)和三維虛擬仿真系統(tǒng)的各種現(xiàn)象、數(shù)據(jù)變化，及時(shí)地反映操作后的現(xiàn)場(chǎng)情況。特別是本系統(tǒng)智能化模擬模型利用電動(dòng)、燈光、立體、透視、色彩等現(xiàn)代化手段，等比例縮小再現(xiàn)整個(gè)工藝流程，使學(xué)生直觀觀察設(shè)備結(jié)構(gòu)，從而熟悉工藝流程及生產(chǎn)操作。學(xué)生在工藝流程實(shí)訓(xùn)室培訓(xùn)1～2周，其石油化工宏觀大工藝流程概念得到明顯提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)對(duì)石油化工等復(fù)雜工藝和設(shè)備的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行影像化、形象化，讓學(xué)生能夠更加直接的進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)，通過(guò)模擬仿真軟件構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)是面前提升石油化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的最佳選擇之一。相信未來(lái)的虛擬仿真技術(shù)會(huì)將目前教學(xué)的形式從一種模式改變?yōu)榱硗庖环N更優(yōu)模式，這是一種進(jìn)步，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

[1] 北京東方仿真有限公司.操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[EB/OL].[2018-03-02].http://www.eastsim.com.

[2] 中華人民共和國(guó)教育部.教高司函〔2013〕94號(hào) 關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL]. [2018-03-03].http://www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.

[3] 張軍科,曹 赟.高職石化專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐[J].山東化工,2015,44(11):136-137.

[4] 張衛(wèi)紅，黃 怡,等.化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討[J].廣東化工，2015,42(18):195-196.

[5] 鄧?yán)?趙力維,沈 劍.化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)初探[J].廣東化工,2017,44(5):212-213.