互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)能動專業(yè)虛擬仿真教學實踐

龔德鴻　錢進　許雯

[摘 要]虛擬仿真實驗教學已成為大學本科教育的重要實踐手段之一。我們根據(jù)能源與動力工程專業(yè)教學體系特點，在理論和實踐教學環(huán)節(jié)中引入不同模式虛擬仿真教學手段，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)虛擬仿真教學平臺的功能，構(gòu)建了四個層次虛擬仿真教學手段，對提高學生專業(yè)理解深度、激發(fā)專業(yè)熱情、增強自主創(chuàng)新實踐意識和能力、具備團隊協(xié)作精神起到較好的效果。

[關(guān)鍵詞]能源與動力工程；虛擬仿真；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）02-0027-03

貴州大學能源與動力工程專業(yè)（以下簡稱能動專業(yè)）方向為電廠熱能與動力工程，畢業(yè)生主要進入省內(nèi)外火電企業(yè)從事運行、檢修、技術(shù)管理等工作。火電機組的鍋爐、壓力管道、壓力容器等均為國家規(guī)定的特種設(shè)備，運行過程中對安全性要求極高，為有效增強學生實踐動手能力和提高理論知識學習效果，能動專業(yè)先后引進和自主開發(fā)[1]了7套火電機組仿真培訓系統(tǒng)用于實踐環(huán)節(jié)教學，取得明顯的教學效果。火電機組仿真系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)高校能動專業(yè)的教學活動[2][3][4]，有效增強了學生自主性、創(chuàng)新性、團隊協(xié)作性等方面能力。但由于大多數(shù)仿真公司提供的火電機組仿真系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端模式，服務(wù)器被運行鎖綁定，由若干臺客戶機同時訪問服務(wù)器的一個進程，各客戶端間操作相互干擾，不利于數(shù)量較多的學生同時學習；同時受到實驗室開放時間和設(shè)備狀態(tài)限制，火電機組仿真系統(tǒng)的教學輔助效果受到一定程度影響。

隨著貴州火電行業(yè)的快速發(fā)展，超臨界機組投運數(shù)量不斷增加，單元機組系統(tǒng)構(gòu)成和主機結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，同時為滿足越來越嚴格的環(huán)保排放標準，鍋爐燃燒技術(shù)和煙氣污染物處理技術(shù)已進行技術(shù)升級。針對上述情況原專業(yè)培養(yǎng)計劃和課程教學模式已難以滿足實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的現(xiàn)代火電企業(yè)運行操作需求，要求大學本科畢業(yè)應(yīng)具備更為扎實的理論知識基礎(chǔ)、出色的實踐動手能力和主動的創(chuàng)新意識。為提高畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量，增強就業(yè)競爭力和職業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ軇訉I(yè)在原火電機組仿真培訓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真學習系統(tǒng)，在理論課程和實踐環(huán)節(jié)構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)虛擬仿真手段相結(jié)合的學習平臺，通過在新生專業(yè)研探、課程課堂學習、實驗課程、實習環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計等全培養(yǎng)過程中引入不同模式虛擬仿真教學手段，充分發(fā)揮局域網(wǎng)火電機組仿真系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真平臺的特點，通過課程體系及教學內(nèi)容改革，實現(xiàn)兩種虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣互補，為在能動專業(yè)教學全過程中切實提高課堂理論教學效果、增強實踐動力能力等進行探索。

一、建設(shè)情況

如圖1所示，能動專業(yè)虛擬仿真教學體系由兩個教學平臺構(gòu)成，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的在線虛擬仿真實驗教學平臺主要以3D虛擬火電站軟件和網(wǎng)絡(luò)虛擬教學系統(tǒng)為基礎(chǔ)。如圖2所示，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)真實火電站的廠區(qū)環(huán)境、系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)、設(shè)備外觀、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用計算機仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)的運行原理、設(shè)備的運行原理，對能動專業(yè)課程中的經(jīng)典實驗進行虛擬仿真，對單元機組簡單工藝流程進行啟停和事故處理仿真；局域網(wǎng)環(huán)境的火電機組仿真培訓及開發(fā)實驗教學平臺以覆蓋貴州電廠全容量、壓力等級的火電機組仿真培訓系統(tǒng)（如圖3所示）、大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks、流體數(shù)值模擬軟件Xflow和美國國家虛擬儀器NI LabView為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)單元機組物理模型拆裝、火電廠主要系統(tǒng)及設(shè)備交互學習、熱和流體經(jīng)典實驗的數(shù)值求解、真實電廠全系統(tǒng)運行仿真和典型工藝流程仿真系統(tǒng)構(gòu)建。目前此平臺已在能動專業(yè)四個年級的理論教學和實踐教學環(huán)節(jié)上進行應(yīng)用。[5][6]

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圖1 能動專業(yè)虛擬仿真教學體系

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圖2 3D虛擬火電站軟件示意圖

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圖3 火電機組仿真系統(tǒng)典型DCS畫面

二、建設(shè)成果

如圖1所示，根據(jù)兩種虛擬仿真教學平臺在培養(yǎng)環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況，已形成四個虛擬仿真教學手段。

（一）入門認識級虛擬仿真教學

本層次培養(yǎng)對象為一年級學生，主要在專業(yè)介紹、專業(yè)研探、認識實習教學環(huán)節(jié)中應(yīng)用，通過火電站三維虛擬漫游軟件、超臨界火電機組物理模型及火電廠CAI交互學習軟件，讓學生建立火力發(fā)電全流程概念，并對火力發(fā)電的主要設(shè)備、重要輔助設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)建立感性認識，初步激發(fā)學生的專業(yè)認同和興趣。主要實驗項目有：火電廠全廠遠景漫游、火電廠各主要設(shè)備及系統(tǒng)漫游、主要火電生產(chǎn)過程系統(tǒng)與設(shè)備認知、火電生產(chǎn)過程虛擬運行演示、火電生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)演示等。典型入門認識級虛擬仿真實驗如表1所示。

表1 典型入門認識級虛擬仿真實驗項目表

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（二）設(shè)備實踐級虛擬仿真教學

本層次培養(yǎng)對象為二、三年級學生，在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課理論教學中，利用虛擬仿真手段，對典型裝置結(jié)構(gòu)原理、工藝流程和實驗裝置等進行仿真模擬，并以課程實驗和獨立設(shè)課實驗方式加強學生的學習內(nèi)容理解和實踐能力培養(yǎng)，通過這一層次的實驗教學，使學生對火力發(fā)電生產(chǎn)過程中的主要動力設(shè)備和控制系統(tǒng)建立起全面、有效和系統(tǒng)的認知，增強學生對于真實過程的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高綜合素質(zhì)。其中在基礎(chǔ)課程教學主要針對二年級本科生實驗教學使用目前開設(shè)的仿真實驗課程主要有工程流體力學虛擬仿真實驗、泵與風機虛擬仿真實驗、傳熱學虛擬仿真實驗和熱和流體數(shù)值實驗；專業(yè)課程實驗針對三年級本科生實驗教學使用，對部分專業(yè)課程進行仿真，在虛擬仿真環(huán)境下，學生對實驗儀器的操作大致與真實環(huán)境下的操作相同，學生能增強火力發(fā)電生產(chǎn)過程中的主要動力設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)運行原理理解，并對部分設(shè)備進行拆裝仿真操作。主要仿真實驗課程包括鍋爐原理仿真實驗、熱工過程自動控制仿真實驗、電能質(zhì)量控制仿真實驗和主要動力設(shè)備拆裝仿真實驗等。表2為工程流體力學的在線虛擬仿真實驗項目。

表2 典型設(shè)備實踐級虛擬仿真實驗項目表

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（三）系統(tǒng)實踐級虛擬仿真教學

本層次培養(yǎng)對象為三、四年級學生，以火電生產(chǎn)全過程為仿真對象，對涵蓋主要動力設(shè)備、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的熱力系統(tǒng)進行啟停操作、運行特性分析及事故處理等仿真實踐，全面提高學生的理論知識掌握能力和專業(yè)實踐能力。通過這一層次的教學，使學生能熟練掌握機組在各種條件下的啟、停過程和正常運行中的監(jiān)視操作技術(shù)；通過對火力發(fā)電生產(chǎn)過程常見故障的模擬，使學員的應(yīng)急能力和對火力發(fā)電生產(chǎn)過程運行的綜合分析能力得以提高，滿足工程技術(shù)和研究人員對該類型設(shè)備及其系統(tǒng)的研究分析的要求和進行機組運行方式的優(yōu)化和研究的需求。利用生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習和專業(yè)綜合實驗等集中實踐環(huán)節(jié)，以在線虛擬仿真實驗教學平臺中的全廠啟停機操作及安全演練與處理模塊，局域網(wǎng)火電機組仿真培訓及開發(fā)實驗教學平臺中的3套汽包鍋爐火電機組仿真培訓系統(tǒng)、2套超臨界直流鍋爐火電機組仿真培訓系統(tǒng)、1套循環(huán)流化床鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)機組仿真培訓系統(tǒng)及1套工業(yè)鍋爐仿真培訓系統(tǒng)為實驗象，對單元機組、工業(yè)鍋爐的冷態(tài)啟停、溫態(tài)啟停、熱態(tài)啟停、極熱態(tài)啟停、正常運行調(diào)整、反事故演練等典型操作進行虛擬仿真實驗教學。表3為直流鍋爐火電機組仿真運行綜合實驗項目。

表3 典型系統(tǒng)實踐級虛擬仿真實驗項目表

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（三）創(chuàng)新實踐級虛擬仿真教學

本層次培養(yǎng)對象為大學三、四年級學生，利用大學生科技項目及畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，強化大學生自主創(chuàng)新意識，培養(yǎng)團隊合作能力，提高綜合歸納能力，最終使大學生能將所學專業(yè)知識自主開展實驗及科研活動。主要以大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks和美國國家虛擬儀器NI LabView為虛擬仿真工具，開展大學生SRT項目、大學創(chuàng)新實驗項目、大學生學科競賽和畢業(yè)設(shè)計等工作。

三、結(jié)束語

在已有火電機組仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真學習平臺，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)虛擬仿真實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的能動專業(yè)虛擬仿真教學體系，并根據(jù)各年級教學特點形成了四個層次的虛擬仿真教學手段，并在每個層次均細化了多門虛擬仿真課程實驗項目。通過發(fā)揮平臺功能，對提高學生專業(yè)理解深度、激發(fā)專業(yè)熱情、增強自主創(chuàng)新實踐意識和能力、具備團隊協(xié)作精神起到了較好的效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 熊穗平，鄒建華，姜浩，莫煒先，焦健，龔德鴻.工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)節(jié)能模塊設(shè)計及實現(xiàn)[J].中國特種設(shè)備安全，2014（10）： 19-21.

[2] 王偉，牛衛(wèi)東，尹靜.仿真技術(shù)在《單元機組集控運行》職業(yè)教育中的應(yīng)用[J]. 山東電力高等專科學校學報，2013（4）：54-57.

[3] 張中林. 應(yīng)用型高校熱動專業(yè)仿真實習課程教學改革和實踐[J].中國電力教育，2012（10）：107-109.

[4] 翟永杰 ，紀蓬勃 ，王秀梅 ，馬進 ，馬良玉.電力工程全過程虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2014（8）： 5-8.

[5] 錢進.熱能與動力工程專業(yè)實驗教學改革研究[J].中國電力教育，2008（18）：152-154.

[6] 龔德鴻，錢進.基于火電機組仿真系統(tǒng)的熱動專業(yè)綜合實驗教學改革[J].中國電力教育，2006（5）：35-37.

[責任編輯：鐘 嵐]