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容，仿真科學與技術將勢必成為現代教育的重要手段。

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、半實物或全數字化動態模型，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裝置的生產和操作，完成對生產裝置實際操作的培訓，鞏固所學知識，以實現理論與實踐的統一，從而提高教學質量，為企業輸送合格的人才。目前，國內許多學校競相采用仿真培訓系統，解決實踐教學中學生不能親自動手和實習經費嚴重不足的矛盾。長江大學于2007年開始采用半實物和全數字化多種形式的仿真系統開展對學生的培訓，已經取得了初步的成效。

1 化工仿真實訓系統簡介

多功能過程與控制仿真實訓系統（MPCE-1000）是一個半實物的仿真系統，它由硬件（小型流程設備盤臺、數字式軟儀表與接口）和軟件（系統監控軟件及過程模型軟件）兩部分組成。該系統通過小型實時數據庫、實時數字通信協調運行，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。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）插孔和數字式軟儀表。本盤臺是直接操作和運行過程系統的環境，本環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，本系統通過過程監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，做到了虛擬現場的超真實性、可觀感性和可操作性。

1.2 動態數學模型軟件本測試系統采用動態定量數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值。具體分為5種流程的動態仿真模型：1）離心泵及三級液位動態仿真模型；2）壓力系統動態仿真模型；3）熱交換器過程動態仿真模型；4）連續反應（CSTR）動態仿真模型；5）間歇反應動態仿真模型。

1.3 控制系統圖形組態軟件為了靈活地設計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統提供專用的控制系統圖形組態軟件。能夠在計算機“桌面”上通過圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數和數據等方法完成控制系統組態。這種組態方法與集散型控制系統（DCS）組態完全相同，并進一步增加了控制算法的組態設計功能。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 實驗系統監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，稱其為狀態“全恢復”功能。本功能是測試實驗系統的一大特色，利用本特點可以任意設定干擾、故障狀態或某一特定狀態、重演過去記錄的狀態及某時間段落的變化狀態等。

1.5 測試系統硬件功能

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、PLC控制器、或其他具有4～20 mA標準工業信號的控制設備。

2）硬件組態功能。在液晶顯示器上彩色顯示15個數據單元（5個棒圖顯示和10個數碼顯示），每個顯示單元都有一個數據輸入黑色插孔。另外在設備和管道上布置了29個數據輸出插孔。通過導線連接數據輸入插孔和數據輸出插孔，則完成了對顯示單元顯示數據內容的硬件組態。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。在本系統上可以完成規模不同的試驗，每次進行試驗的過程中投入使用的設備種類和數量可以通過組態軟件定義。沒有通過組態軟件定義的數據采集點不能進行數據采集，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。現場“全恢復”功能。

5）現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。

除了上述半實物的仿真實訓系統外，還配置了若干套全數字化仿真操作系統，該系統可以完成12個典型化工過程的全數字化仿真，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（連續反應），催化裂化吸收穩定系統（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，合成氨轉化工段等。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節：

1）生產實習：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的知識。

3）課堂演示：結合工廠實際在相關課程中由教師進行課堂動態模擬演示。

4）課程設計：通過仿真操作從動態模擬軟件獲取工業數據。將設計結果進行模擬檢驗。

5）過程控制：掌握工業PID調節器的使用，參數調整及復雜控制系統的投運方法。這些技術對工程和 控制專業的學生具有同等重要意義。

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

當前化工仿真訓練已經可以達到如下效果：

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）掌握調節器的基本操作技能。熟悉調節參數在線整定。

3）掌握現代工業復雜控制系統的投運和調整技術。

4）提高對復雜化工過程動態運行的分析和決策能力。試驗和提出最優開車方案。

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過訓練后所達到的操作水平和理論聯系實際的能力。

3 化工仿真實習的優勢

多功能過程與控制仿真實訓系統有如下優點：

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的。

2）高質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、時標設定、成績評定、趨勢記錄、報警記錄、參數設定等特殊功能，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。

4）可以設定各種事故和極限運行狀態，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、優化操作方案等。真實工廠考慮到生產安全及正常生產計劃，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境污染等經濟損失。因此，仿真實習是一種最安全的實習方法。

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

綜上所述，仿真實習與傳統的下廠實習相比，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）有限的設備可實現多種過程實驗的最佳組合；

3）可實現多種過程控制方法和多種方案選擇實驗；

4）能真正實現間歇和連續反應動力學實驗；

5）無須投料，安全、節能、環保；

6）模塊化、組裝化、數字化、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 結論

1）仿真教學能更加完備地實現多種形式的教學，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節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實習的問題。

仿真教學是對傳統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代教育的重要手段。