大型石油化工實體仿真實訓裝置的建設實踐

謝 偉， 李 瑞， 沈發治

(揚州工業職業技術學院 化工學院， 江蘇 揚州 225127)

大型石油化工實體仿真實訓裝置的建設實踐

謝 偉， 李 瑞， 沈發治

(揚州工業職業技術學院 化工學院， 江蘇 揚州 225127)

為使石油化工類專業的學生在實習實訓中能夠動手操作，開發出一套校內工廠化的現代石油化工生產實體仿真實訓裝置。該裝置配有真實的動設備、仿真測控系統、DCS仿真軟件、Matrix知識點系統(二維碼掃描)和操作評價管理系統，其工藝流程體現了現代石油化工真實生產過程。該裝置以水或空氣代替真實物料，以發光發煙等特效技術模擬化工廠事故。該實訓裝置虛實結合，為參加實訓的學生提供一個逼真的生產場景，為學生的技能培養提供了很好的平臺。

石油化工； 實體仿真； 實訓基地建設

化工類專業技能人才的培養需要一批校內外實踐教學基地來支撐。由于化工生產的特殊性(易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、強腐蝕等)，化工企業一般不愿意接收學生進行實習實訓。即使學生進入企業進行實習，也難以進行實際操作，不利于對學生進行職業能力的培養。

我國第一套計算機化工仿真培訓系統于1987年在北京化工大學仿真中心建成，此后，我國對仿真技術的研究愈來愈普遍和深入[1-5]。隨著我國石化生產大型化和自動化水平普遍提高，對仿真技能培訓提出了更高的要求。實體仿真是近年來化工類專業實踐教學發展的方向之一，其主要特點是能夠提供逼真的實踐教學環境，又避免了化工企業復雜而危險的實習實訓環境[6-7]。針對國內只有少數院校建有以某一精細化工產品(例如丙烯酸甲酯、環已酮)生產工藝流程為基礎的實體仿真教學裝置，但尚無典型的、有較強適應性的規模化、流程級的實訓裝置，特別缺乏融合數字化網絡技術和互聯網應用技術的化工類實體仿真實踐教學裝置的狀況，揚州工業職業技術學院開發建成一套校內工廠化的現代石油化工生產實體仿真實訓裝置。該裝置采用綠色環保、節能安全的現代生產技術和信息技術，既可滿足化工類、儀表及自動化控制類等相關專業學生綜合性技能培訓與技能考核的需要，也可用于企業員工崗位培訓和職業技能鑒定。

1 大型石油化工實體仿真實訓裝置設計原則

為滿足實訓教學和企業員工技能培訓需要，且體現安全、健康、環保的現代化工生產理念，設計大型石油化工實體仿真實訓裝置時遵循以下3項原則。

(1) 逼真性原則。鑒于常減壓等化工生產的特殊性，虛實結合的仿真實訓裝置應給受訓者提供逼真的生產場景和生產裝置，以增強對化工生產氛圍的體驗和化工生產裝置的深層次認知[8]。該實體仿真實訓裝置的工藝流程體現了現代石油化工真實生產過程，設備以實際生產裝置的1/10縮小設計，各種傳感器、執行器與實際的傳感器、執行器外形相同，便于操作人員對現場裝置空間的把握和對設備操作力度、動態時機的把握。工業級仿真軟件和DCS系統軟件動態實時模擬裝置的單元級、全流程操作，操作方法、操作界面與工廠裝置基本一致；仿真系統工藝數據采自石化企業的真實運行數據，實現了企業運行狀況的真實再現。

(2) 全面性原則。既能使學生了解和掌握正常工況下各類設備的操作和維護，又能進行裝置的冷態開車、正常運行、正常停車、緊急停車、故障處理等方面的技能操作訓練和工藝指標控制操作技能訓練。操作過程可以鍛煉控制室操作人員與現場操作人員間的團隊配合及協調能力。

(3) 教學、培訓、考核相結合的原則。既能滿足相關專業學生專業技能培養的要求，又能滿足企業員工崗位再培訓的需要；裝置既可以由個人獨立操作，也可多人配合操作；既可以單獨操作工藝單元，也可全流程整體聯動。實訓裝置軟件除包括工業級DCS控制系統外，還包括仿真操作軟件和智能考核評價軟件[9]。

2 實體仿真實訓裝置的組成與功能

我校石油化工實體仿真實訓裝置主要由全流程仿真實體裝置、仿真測量控制系統、DCS仿真軟件、Matrix(二維碼)知識點管理系統和裝置操作評價管理系統組成。

2.1 全流程仿真實體裝置

該實體仿真實訓裝置以350萬t/年現代化石油常減壓-催化裂化生產裝置為原型，按10∶1的比例縮小，在校內建設了一座占地約500 m2(30 m×17 m)，高度達9～10 m的廠房。裝置采用不銹鋼材質，框架采用碳鋼或氟碳噴涂，具有外殼真實、內部簡化甚至空置的特點。廠房內的裝置布置區面積約為250 m2，總控室約100 m2，學生學習、活動空間約150 m2。

圖1 石油化工實體仿真實訓裝置圖

裝置結構設計符合石油化工類裝置的各項設計標準與規范，總體布局體現出規范、合理、美觀和安全的特點。工藝配管設計滿足工藝流程需要，并完全按照實際生產裝置配管。管件和管道之間采用焊接連接和法蘭連接，綜合考慮了閥門等操作元件的可操作性和安裝、檢修的便利性。

2.2 仿真測量控制系統

本裝置沒有任何真實物料進出，所有化工生產中出現的工藝現象均通過仿真軟件實現。裝置運行時，以水或低壓空氣模擬流量、液位和壓力，以發光、發煙等特效技術模擬化工廠事故(見圖2)。

圖2 現場事故模擬圖

仿真測量控制系統作為仿真DCS軟件與實體裝置數據聯系的“紐帶”，是這些模擬技術賴以實現的保障[10]?，F場設備中所有的被測物理量(例如某液位計的變化或某閥門的開啟)，均通過測控系統的傳感器和變送器轉換成標準的模擬電壓或電流信號，再通過控制技術進行模擬信號實時采集，并將采集到的信號傳送至仿真模型中由計算機運算、顯示和存儲。當需要對某一工藝參數進行控制時，仿真測量控制系統將仿真模型的運算結果轉換成模擬的電信號，傳送到現場的溫度、壓力和液位等儀表進行實時顯示。仿直測量控制系統的結構如圖3所示。

圖3 仿真測量控制系統結構示意圖

2.3 DCS仿真軟件

實訓裝置需配套相應的DCS仿真軟件，可滿足學員進行正常開/停車、運行、事故處理等操作實訓，還具有對實訓裝置的監控數據趨勢瀏覽和報表分析、報警查詢等特殊功能[11-12]。

2.4 Matrix(二維碼)知識點管理系統

將工藝、操作、設備及生產安全等理論知識分解成知識點，用文字、圖片、動畫、視頻、微課等形式制作多媒體素材，通過知識點管理系統平臺管理，并制作相應的二維碼鏈接。在實體裝置上粘貼相應的二維碼，學生在布局了無線網絡的實訓基地中，通過手機、平板電腦等移動設備掃描二維碼，即可彈出相關設備的介紹或者圖片、視頻展示，從而對該知識點進行訪問和學習。Matrix系統如圖4所示。

圖4 Matrix系統示意圖

2.5 操作評價管理系統

操作評價管理系統可進行操作步驟和技術指標兩方面的評價，系統全程跟蹤、記錄操作過程，通過操作過程、操作結果與操作規程、相關指標的雙向、實時比對，評定操作過程的合理性和操作質量的準確度，從而給出學生實訓的成績。此外，實訓學生及教師可以通過系統保存的操作痕跡，分析、查找不足之處，并進行糾正。

教師可通過網絡對學員進行授權，選擇培訓的項目，監測、統計學員的操作成績。此外，也可以通過系統的實時演播功能，對裝置的操作進行講解和點評。另外，系統支持題庫擴展和維護功能，指導教師可以根據培訓需求發布考題或對題庫進行管理。

3 石化實體仿真實訓裝置的使用

大型石油化工實體仿真實訓裝置仿真度高、職場氛圍濃厚，工藝流程、工藝數據、現場設備和內操外操方式與石化企業生產實際一致，給實訓學生提供了一個逼真的生產場景，增強了學生對化工生產氛圍的體驗和對化工生產裝置操作的認知。該裝置功能齊全，既可進行裝置的開停車、工藝指標控制，也可進行故障的分析診斷與事故處置演練，并有客觀的操作評價。該實訓裝置的建成填補了國內同類型裝置的空白，對我國化工類專業高素質技能型人才的培養具有積極的推動和示范作用。

實體仿真實訓裝置自投入使用以來，累計為本校和周邊職業院校化工類專業學生提供技能培訓1 800多人次，為石化企業培訓職工和職業技能鑒定600多人次，得到了企業的高度贊譽，社會效益和經濟效益非常顯著。

References)

[1] 王行仁，文傳源，李伯虎，等.我國系統建模與仿真技術的發展：為紀念中國系統仿真學會成立二十周年而作[J].系統仿真學報，2009，21(21):6683-6688.

[2] 李安峰，夏濤，張貝克，等.化工過程SDG建模方法[J].系統仿真學報，2003，15(10):1364-1368.

[3] 王行仁.面向二十一世紀，發展系統仿真技術[J].系統仿真學報，1999，11(2):3-12.

[4] 吳重光.仿真技術[M].北京：化學工業出版社，2000:128-137.

[5] 陳曉春，馬桂榮.動態模擬技術與化學工程[J].現代化工，2002，22(3):14-17.

[6] 周澤偉.石化企業生產過程虛擬現實仿真與可視化研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[7] 楊光輝.石化安全虛擬現實平臺的研究與實現[D].青島：中國海洋大學，2014.

[8] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):5-8.

[9] 王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理，2014，31(8):9-11.

[10] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32(12):5-8.

[11] 張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，30(12):101-104.

[12] 夏迎春，吳重光，張貝克，等.現代化工仿真訓練工廠[J].系統仿真學報，2010，22(2):370-375.

Practice on construction of a large scale petrochemical entity simulation training platform

Xie Wei， Li Rui， Shen Fazhi

(School of Chemical Engineering, Yangzhou Polytechnic Institute， Yangzhou 225127, China)

In order to solve this problem，a large scale petrochemical entity simulation training platform is developed. The device is equipped with the real moving equipment，simulation and comprehensive measuring system，DCS simulation system， Matrix knowledge system (two-dimensional code scanning) and operational evaluation management system. The process reflects the modern petroleum chemical production process. During operation，the water or air is used to replace the real material，and the special effects such as emitting smoke or flashing lights are used to simulate the accidents of a chemical factory. Through combining the virtual scene and the real world，this practical training base provides a real production scene for students，which promotes the improvement of their professional skills.

petrochemical industry; entity simulation; construction of practical training base

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.029

2016-10-14

中央財政支持的(國家級)石油化工生產技術實訓基地建設項目

謝偉(1979—)，男，江蘇常州，博士，講師，化工學院副院長，主要研究方向為化工分離.

E-mail：xiewei0304@163.com

TE65；TP391.9

B

1002-4956(2017)06-0119-04