智能化工實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)原則

劉香，張雨佳，孫云雷，任玉杰

(浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 綠色智能制藥產(chǎn)業(yè)學(xué)院，浙江 東陽 322100)

0 引言

邁入工業(yè)4.0時(shí)代，無論是美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，德國工業(yè)4.0，還是中國制造2025，其核心都是圍繞智能[1]，就目前而言，我國高等職業(yè)院校普通化工實(shí)訓(xùn)室普遍存在設(shè)備落后和“智能工廠”脫節(jié)、學(xué)生化工實(shí)訓(xùn)方式單一、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和企業(yè)崗位貼合度不夠、實(shí)訓(xùn)時(shí)教師示范時(shí)間短、化工綜合實(shí)訓(xùn)大量投料生產(chǎn)對學(xué)校環(huán)境不友好等問題。在新時(shí)代背景下，具備前瞻性與技術(shù)先進(jìn)性的智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)必不可少，因此對智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)開展探究，起到拋磚引玉的作用。

智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的總體規(guī)劃：根據(jù)專業(yè)特色劃分了四個(gè)相互獨(dú)立的模塊，分別為化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室、化工單元操作實(shí)訓(xùn)室、化工儀表及自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)室、supOS控制化工生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)室。根據(jù)實(shí)際提出軟硬件配置需求，儀器設(shè)備智能化組網(wǎng)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目資源共享化、實(shí)訓(xùn)結(jié)果終端顯示屏可視化。此外，智能化工實(shí)訓(xùn)室投資較大，專業(yè)實(shí)踐性比較強(qiáng)，牽涉范圍廣，智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)可以全面規(guī)劃，逐步實(shí)施，以校企合作形式來共建共享，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

1 智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)構(gòu)思

1.1 化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

在信息技術(shù)不斷深入發(fā)展下，虛擬仿真技術(shù)日漸成熟，被應(yīng)用于化工實(shí)訓(xùn)中。虛擬仿真區(qū)別于傳統(tǒng)仿真的關(guān)鍵點(diǎn)，在于仿真模型和場景更加注重利用人體多感官全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的感知能力，使學(xué)生在虛擬的3D空間體驗(yàn)真實(shí)空間的感受[2]。傳統(tǒng)的化工仿真，學(xué)生通過操作鼠標(biāo)、鍵盤等來控制計(jì)算機(jī)軟件提供二維的模擬場景，很大程度上限制學(xué)生對化工生產(chǎn)過程直觀的認(rèn)識(shí)。2019年，《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》明確指出為適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需要[3]，大力推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)與普遍應(yīng)用。以中國知網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，進(jìn)入高級搜索，以“化工虛擬仿真”為主題，不限制年限，搜索獲得246篇相關(guān)文獻(xiàn)，其中學(xué)科為“職業(yè)教育”僅占18篇；以“化工虛擬仿真與VR”為主題搜索獲得135篇，其中學(xué)科為“職業(yè)教育”僅占10篇，由此可知高等職業(yè)院校化工虛擬仿實(shí)訓(xùn)室建設(shè)和應(yīng)用需要加快進(jìn)度。

化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)應(yīng)用VR虛擬仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)等已成為主要趨勢。為滿足實(shí)踐教學(xué)需要虛擬系統(tǒng)內(nèi)要有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練模式；虛擬實(shí)訓(xùn)場景中，要有計(jì)時(shí)與記錄成績的功能，系統(tǒng)考核模式中要含操作步驟過程記錄以及成績記錄，而后將記錄的數(shù)據(jù)傳遞到后臺(tái)服務(wù)器，支持匯總打印等功能，教師通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)，掌握到每位學(xué)生的操作情況。在化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，學(xué)生可以從熱交換、吸收及解析、精餾、流體輸送及管路拆裝、反應(yīng)釜/板框過濾聯(lián)動(dòng)實(shí)訓(xùn)、化工生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)等選擇項(xiàng)目，根據(jù)系統(tǒng)提示開始訓(xùn)練，學(xué)生正確佩戴VR眼鏡、控制手柄和動(dòng)作識(shí)別硬件等設(shè)備可以進(jìn)行獨(dú)立操作，同時(shí)使用AR設(shè)備會(huì)更好的提高3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的逼真性。化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)成功跨越時(shí)間和空間的限制，讓學(xué)生充分了解儀器設(shè)備模型，使得學(xué)生能夠獲得生動(dòng)直觀的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)對抽象原理的理解。

1.2 化工單元操作實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)能夠很大程度上模擬實(shí)訓(xùn)實(shí)景，但還是不能代替真實(shí)實(shí)訓(xùn)。以雷諾實(shí)驗(yàn)、伯努力方程實(shí)驗(yàn)、離心泵性能曲線測定及孔板流量計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、篩板精餾試驗(yàn)、吸收和解析實(shí)驗(yàn)、綜合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)等單元操作為基礎(chǔ)的智能實(shí)訓(xùn)室，在建設(shè)時(shí)以水、氣及化工基礎(chǔ)原料為載體，以真實(shí)的化工設(shè)備、儀表和電器為主體，參照現(xiàn)代化化工車間的真實(shí)情況來進(jìn)行布置和運(yùn)行。智慧教室與化工實(shí)訓(xùn)區(qū)域分離、以化工實(shí)訓(xùn)區(qū)域?yàn)橹行闹車植贾瘜W(xué)倉庫、醫(yī)藥應(yīng)急箱、消防應(yīng)急器材包、消防聯(lián)動(dòng)控制器、智能電力設(shè)施、應(yīng)急水池以及三廢處理站等，此外實(shí)訓(xùn)室壁面設(shè)置實(shí)驗(yàn)室安全管理和HSE管理制度欄目，促進(jìn)校企文化融合。

智能化工實(shí)訓(xùn)室設(shè)備組網(wǎng)以雷諾實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)開始前學(xué)生通過虹膜識(shí)別門禁陸續(xù)進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室，穿戴實(shí)驗(yàn)服，分別佩戴定位胸牌，將學(xué)生分配相應(yīng)的設(shè)備的管控位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中，智能信息采集器會(huì)自動(dòng)收集智能開關(guān)、進(jìn)水閥、溢流觀測點(diǎn)、浮子式水溫水位計(jì)、顏色指示劑、玻璃管道觀察點(diǎn)、泄水閥、智能電磁流量計(jì)、智能控制閥、聲像儀等數(shù)據(jù)。智能信息采集器將收集好的數(shù)據(jù)通過路由交換機(jī)傳遞到智能控制中心，智能解析后，可視化呈現(xiàn)包括但不限于不同流速下的雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)、現(xiàn)象、相應(yīng)流型。此外，化工實(shí)訓(xùn)室的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)區(qū)域的網(wǎng)，為了保護(hù)實(shí)訓(xùn)室數(shù)據(jù)安全設(shè)置防火墻防止互聯(lián)網(wǎng)病毒、黑客的攻擊。

1.3 化工儀表及自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

化工儀表及自動(dòng)化本質(zhì)是以生產(chǎn)單元作為控制對象組成控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表對工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制。目前，多數(shù)高等職業(yè)院?；x表自動(dòng)化設(shè)備存在自動(dòng)化程度低，設(shè)備數(shù)量少，設(shè)施精度不高；教師對化工行業(yè)智能設(shè)備了解不全面；實(shí)訓(xùn)室建設(shè)消耗資金較大與學(xué)院實(shí)際情況沖突等問題。為了解決該類問題，青年教師有組織的定期去企業(yè)學(xué)習(xí)，了解企業(yè)真實(shí)情況，為實(shí)訓(xùn)室建設(shè)添磚加瓦，為帶好學(xué)生實(shí)訓(xùn)打基礎(chǔ)。此外，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)時(shí)大型設(shè)備可以選用中試設(shè)備，小型設(shè)備和儀表(測量儀表、控制及儀表、執(zhí)行儀表、顯示報(bào)警儀)盡可能選用與工廠類型相同，化工流程的設(shè)備上配置一些自動(dòng)化裝置，并將其與DCS系統(tǒng)或supOS系統(tǒng)連接，處理近程及遠(yuǎn)程控制[4-6]，節(jié)省下的成本，集中投入到智能化設(shè)備建設(shè)中。未來，化工儀表及化工自動(dòng)化工程控制智能程度會(huì)再次升級，體現(xiàn)出驚人的存儲(chǔ)能力、程序性控制功能、記憶監(jiān)督故障功能。加強(qiáng)對學(xué)生的智能化實(shí)訓(xùn)，使其能夠熟練操控自動(dòng)化儀器設(shè)備，拓寬學(xué)生就業(yè)面，幫助其順利完成智能化生產(chǎn)工作。

1.4 supOS控制化工生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

基于supOS的化工生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案，設(shè)備選用工程化微縮實(shí)訓(xùn)裝置，實(shí)驗(yàn)效果能切實(shí)貼近實(shí)際化工生產(chǎn)的操作流程、工作原理及現(xiàn)象。supOS作為我國首個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)操作系統(tǒng)，以集成化、數(shù)字化和智能化手段順利解決生產(chǎn)控制[7]。系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代信息化化工過程檢測控制系統(tǒng)，可以設(shè)置故障點(diǎn)和設(shè)備檢修功能，提高“總控工”的分析以及解決問題能力。supOS的綜合實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)可以使用替代物投料、實(shí)體運(yùn)行、安全環(huán)保并且減少資源浪費(fèi)；supOS乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)中使用檸檬水代替乙酸，鹽水代替乙醇、紅墨水表示硫酸，系統(tǒng)根據(jù)投料比例、操控準(zhǔn)確性和酯化時(shí)間綜合給出乙酸乙酯產(chǎn)率。

乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)開始前，實(shí)訓(xùn)室管理人員提前半小時(shí)到智能化工實(shí)訓(xùn)室做好準(zhǔn)備工作，檢查實(shí)訓(xùn)室設(shè)備以及控制中心系統(tǒng)滿足實(shí)訓(xùn)正常使用。設(shè)備若存在故障，系統(tǒng)將自動(dòng)通知實(shí)訓(xùn)室管理員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)；學(xué)生了解并學(xué)習(xí)基于supOS工業(yè)操作系統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全操作規(guī)范手冊、實(shí)驗(yàn)手冊、常見故障核查手冊、本次實(shí)訓(xùn)目標(biāo)；實(shí)訓(xùn)開始后，學(xué)生會(huì)被分配到不同的控制站點(diǎn)做好準(zhǔn)備。實(shí)訓(xùn)進(jìn)行中，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)提示進(jìn)行操作，對系統(tǒng)提示有不清楚的地方可以及時(shí)向老師請教，老師有針對性地進(jìn)行答疑解惑。智能控制中心系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集化學(xué)反應(yīng)過程中的需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器。乙酸(CH3COOH)和乙醇(CH3CH2OH)在酸性(H2SO4)酯化釜中進(jìn)行模擬酯化反應(yīng)，反應(yīng)過程中生成粗的乙酸乙酯(CH3COOCH2CH3)進(jìn)入分相器進(jìn)行分層、富集合格的脂化物[8]。在此過程中每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)階段的數(shù)據(jù)包括但不限于反應(yīng)耗時(shí)、溫度、濕度、產(chǎn)率、顏色變化，會(huì)實(shí)時(shí)采集到實(shí)訓(xùn)室智能控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器。實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，智能控制中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示屏可以可視化呈現(xiàn)本次實(shí)訓(xùn)過程中的數(shù)據(jù)信息以及本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否滿足預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生考核評分標(biāo)準(zhǔn)對每一位學(xué)生進(jìn)行評分和總結(jié)本次實(shí)訓(xùn)的不足與提升建議。最后，supOS控制乙酸乙酯生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)和3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)交織、人機(jī)交互、環(huán)境真實(shí)化”場景，使學(xué)生的感知延伸到無限的宏觀世界和微觀世界。

2 智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的原則

高等職業(yè)院校的智能化工實(shí)訓(xùn)以培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才為出發(fā)點(diǎn)，智能化工實(shí)訓(xùn)室盡可能的采用無毒或低毒的原料進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，營造真實(shí)(或模擬真實(shí))的職業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)室在高等職業(yè)院校教學(xué)、科研和人才培養(yǎng)中的重要作用[9]。智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)應(yīng)體現(xiàn)以下4個(gè)原則：

(1)智能性原則：智能設(shè)備逐漸走進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)一線，智能機(jī)器人正在不斷頂替流程簡單、重復(fù)性和高精度的工作。智能化工實(shí)訓(xùn)以單元操作為基礎(chǔ)，側(cè)重學(xué)院辦學(xué)方向，建立智能化工實(shí)訓(xùn)室過程中，軟件設(shè)施能在未來相當(dāng)時(shí)間內(nèi)滿足行業(yè)發(fā)展的需求，建立典型的、適應(yīng)性的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；硬件設(shè)施選型及配套，要做到智能性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一。

(2)實(shí)用性原則：智能化工實(shí)訓(xùn)室需依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)、檢測、管理、運(yùn)營現(xiàn)狀等建設(shè)，營造真實(shí)(或仿真)的職業(yè)環(huán)境。智能化工實(shí)訓(xùn)室要按照真實(shí)的生產(chǎn)車間的模式進(jìn)行布置，比如：管道走向、冷卻水的循環(huán)利用、通風(fēng)設(shè)備安裝、氣瓶放置、操作空間和安全空間的預(yù)留、配置急救和消防工具箱、人員管理定位、走廊文化等。

(3)安全性原則：智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)過程中綜合考慮到學(xué)生安全因素。化工行業(yè)中代替高危操作智能設(shè)備要重點(diǎn)引入化工實(shí)訓(xùn)室，提高學(xué)生對智能設(shè)備的實(shí)際操作能力的同時(shí)降低了學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程中事故的發(fā)生概率；配置緊急事故報(bào)警設(shè)備，完善處理事故工具，警惕學(xué)生風(fēng)險(xiǎn)，鍛煉學(xué)生應(yīng)急能力；企業(yè)安全管理文化與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教育深度融合，將安全意識(shí)、責(zé)任意識(shí)、環(huán)保意識(shí)植入學(xué)生腦海。

(4)服務(wù)性原則：智能化工實(shí)訓(xùn)室首先服務(wù)學(xué)生，以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造力，為快速適應(yīng)就業(yè)崗位做準(zhǔn)備。隨著智能化元素的滲透，實(shí)訓(xùn)前期準(zhǔn)備，學(xué)生可以跟著系統(tǒng)提進(jìn)行操作演練，實(shí)訓(xùn)的過程中教師可以從中控室監(jiān)督學(xué)生實(shí)訓(xùn)情況，同時(shí)學(xué)生能夠根據(jù)自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度合理跟進(jìn)實(shí)訓(xùn)進(jìn)度。其次，智能化工實(shí)訓(xùn)室能為周邊職業(yè)院校和大中專院校提供相近專業(yè)的實(shí)訓(xùn)，促進(jìn)資源、信息、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)區(qū)域共享。

3 結(jié)語

智能化工實(shí)訓(xùn)室建設(shè)緊密結(jié)合化工企業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)環(huán)境和轉(zhuǎn)型方向，采用物聯(lián)網(wǎng)、VR和AR、自動(dòng)化、人物自動(dòng)識(shí)別、智能定位、信息化等先進(jìn)技術(shù)。智能化工實(shí)訓(xùn)室呈現(xiàn)出“虛實(shí)交織、人機(jī)交互、環(huán)境真實(shí)化”、安全、友好的環(huán)境，滿足“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生操作能力、探究能力、自主學(xué)習(xí)能力大幅的提升。此外，我國大力支持校企合作，智能化工實(shí)訓(xùn)室可以協(xié)助當(dāng)?shù)仄髽I(yè)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的中試項(xiàng)目，幫助企業(yè)新技術(shù)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，合理配置資源，提高智能化工實(shí)訓(xùn)室儀器設(shè)備的利用率，使智能化工實(shí)訓(xùn)室成為企業(yè)、教師、學(xué)生相互交流的平臺(tái)；企業(yè)也可以將創(chuàng)新技術(shù)、新工藝、管理要素等引入高等職業(yè)院校，促進(jìn)產(chǎn)教融合校企合作 “雙元育人”。智能化工實(shí)訓(xùn)室將滿足學(xué)生實(shí)踐教學(xué)，完成企業(yè)新員工培訓(xùn)任務(wù)，推進(jìn)校企合作，有望成為職業(yè)教育創(chuàng)新和服務(wù)當(dāng)?shù)貐^(qū)域發(fā)展的共享平臺(tái)。未來，化工實(shí)訓(xùn)室智能化建設(shè)會(huì)不斷的提升和優(yōu)化，通過實(shí)踐教學(xué)的開展，不斷培養(yǎng)出符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和提高國家競爭力的高素質(zhì)技能人才。