現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

邱會(huì)東, 熊 偉, 蘇小東, 王金波, 許弟建

(重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 401331)

現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

邱會(huì)東, 熊 偉, 蘇小東, 王金波, 許弟建

(重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 401331)

立足學(xué)科特點(diǎn),圍繞培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才的目標(biāo),從教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)意義、建設(shè)理念與思路、平臺(tái)的功能和平臺(tái)的運(yùn)行管理等方面進(jìn)行了建設(shè),構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室—虛擬工廠—真實(shí)工廠三位一體的“丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝—化工過程及裝備全流程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線”的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。探索了適用于地方應(yīng)用型本科高?；ゎ悓I(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)問題。

現(xiàn)代化工； 半實(shí)物仿真生產(chǎn)線； 實(shí)踐教學(xué)

2013年,在教育部的指導(dǎo)下,我國(guó)地方本科院校成立了應(yīng)用技術(shù)大學(xué)聯(lián)盟[1],重慶科技學(xué)院任該聯(lián)盟副理事長(zhǎng)單位和重慶市地方高校轉(zhuǎn)型發(fā)展聯(lián)盟理事長(zhǎng)單位。重慶科技學(xué)院嚴(yán)格按照產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈和人才培養(yǎng)鏈三鏈融合的要求,優(yōu)化人才培養(yǎng)格局,加快教育結(jié)構(gòu)調(diào)整,創(chuàng)新人才培養(yǎng)體制機(jī)制[2-3],特別重視實(shí)踐教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要作用。為使本科實(shí)踐教學(xué)不受企業(yè)條件、安全環(huán)保等方面的制約,學(xué)校開展了半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)。

1 建設(shè)現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的意義

現(xiàn)代化工[4-6]呈現(xiàn)高度集群化、專業(yè)化、精細(xì)化、自動(dòng)化、信息化等特點(diǎn),加之現(xiàn)代化工生產(chǎn)規(guī)模大、工藝流程復(fù)雜、投資及能耗高、生產(chǎn)過程連續(xù)不可逆,而且很多生產(chǎn)過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、腐蝕性與環(huán)境污染等危險(xiǎn)性,一旦發(fā)生事故,極易造成人員重大傷亡和環(huán)境污染。為安全生產(chǎn)與防控風(fēng)險(xiǎn),企業(yè)只允許經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)的員工上崗作業(yè),因而學(xué)生在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)習(xí)受到很多限制,通常無(wú)法親自動(dòng)手操作,而是以參觀學(xué)習(xí)為主[7-9]。這在很大程度上影響了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的效果,影響學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),導(dǎo)致工程實(shí)訓(xùn)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)中沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。

現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)転閷W(xué)生營(yíng)造真實(shí)的工程環(huán)境,可對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)的工程實(shí)踐訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的零消耗、實(shí)踐教學(xué)過程的零污染,不但實(shí)踐教學(xué)效果好,而且豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,消除了實(shí)踐教學(xué)過程中的危險(xiǎn)性,增加了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)和對(duì)化工生產(chǎn)連續(xù)性、自動(dòng)化、安全生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的真實(shí)體驗(yàn)[9-12]。因此,建設(shè)現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)具有重要的意義。

2 建設(shè)理念和建設(shè)思路

現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃、確保先進(jìn),促進(jìn)融合、共享資源,突出重點(diǎn)、提高效益”的理念,以全面提高工科類專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為宗旨,以“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、分批建設(shè)、縱橫擴(kuò)展”為原則,以化工大工程觀為引領(lǐng),以構(gòu)建“丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝-化工過程及裝備全流程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線”的實(shí)踐教學(xué)為主線,以化工企業(yè)生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)為紐帶,以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室-虛擬工廠-真實(shí)工廠三位一體工程教育資源為重點(diǎn),以系列虛-實(shí)有機(jī)結(jié)合的工程實(shí)踐專題開發(fā)為驅(qū)動(dòng),以建成化學(xué)工程技術(shù)人才工程實(shí)踐能力教育平臺(tái)為目標(biāo),建立一套完善、先進(jìn)的開放性運(yùn)行管理體制與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理平臺(tái),培養(yǎng)學(xué)生的化工大工程觀整體思維和工程實(shí)踐能力、專業(yè)設(shè)計(jì)能力和科技開發(fā)能力,促進(jìn)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的達(dá)成,全面建成具有示范性的現(xiàn)代化工仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

3 建設(shè)目標(biāo)

現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)體現(xiàn)學(xué)科特點(diǎn),依托實(shí)物模擬裝置和設(shè)備,模擬典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝,發(fā)揮計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的優(yōu)勢(shì),校企合作共建一套半實(shí)物仿真生產(chǎn)線。在建設(shè)平臺(tái)的同時(shí),建立以師資隊(duì)伍能力提升為核心的可持續(xù)發(fā)展的保障體系,探索優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源校企共享機(jī)制,進(jìn)而強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)與工程實(shí)際有效銜接的教學(xué)效果；注重樹立學(xué)生的大工程觀思維,提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和綜合實(shí)踐能力,培養(yǎng)出具有鮮明的行業(yè)特色、能夠解決工程實(shí)際問題的應(yīng)用技術(shù)型人才。

4 半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

該現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)——丙烯酸甲酯化工過程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線是重慶科技學(xué)院與中石化四川維尼綸廠、建峰工業(yè)集團(tuán)有限公司和北京化工大學(xué)歷時(shí)5年的調(diào)研和論證,與北京化工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)建設(shè)的。平臺(tái)題材取自東方化工廠的丙烯酸甲酯工藝路線,以酯化級(jí)丙烯酸(CAA)和甲醇(MEOH)為原料,經(jīng)過離子交換樹脂的催化作用連續(xù)轉(zhuǎn)化生成丙烯酸甲酯,反應(yīng)生成液經(jīng)過閃蒸、脫重、萃取、精制等步驟處理得到合格產(chǎn)品丙烯酸甲酯。

4.1 生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的組成

丙烯酸甲酯生產(chǎn)線由硬件、軟件兩大部分構(gòu)成。

硬件部分為裝置區(qū),按照實(shí)際化工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成10個(gè)單元(即酯化反應(yīng)器裝置區(qū)、脫酸塔裝置區(qū)、脫輕重組分塔裝置區(qū)、薄膜蒸發(fā)器裝置區(qū)、脫重組分塔裝置區(qū)、萃取塔裝置區(qū)、甲醇回收塔裝置區(qū)、脫輕組分塔裝置區(qū)、酯精制塔裝置區(qū)、甲醇儲(chǔ)槽裝置區(qū)),每個(gè)單元中包括1個(gè)主體設(shè)備。在金屬框架上安裝按實(shí)物比例縮小、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)尺寸工藝參數(shù)特性的不銹鋼主體流程設(shè)備模型,附屬設(shè)備主要有管道、手動(dòng)閥、控制閥、壓力表、流量表、溫度表、無(wú)線傳感器、功率計(jì)、料位計(jì)和閥位測(cè)控傳感器等。

軟件部分位于中控室,包括半實(shí)物仿真生產(chǎn)線模擬監(jiān)控系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)工藝仿真軟件、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)仿真、實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)、智能實(shí)時(shí)故障診斷軟件等。

軟、硬件之間通過小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)字通信機(jī)制協(xié)調(diào)運(yùn)行,完成對(duì)丙烯酸甲酯生產(chǎn)過程的模擬。裝置區(qū)按照真實(shí)的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計(jì),為用戶提供相關(guān)設(shè)備的實(shí)物外觀以及動(dòng)手操作的環(huán)境,可以直接對(duì)工藝流程進(jìn)行操作(如圖1—圖3所示)。

圖1 丙烯酸甲酯化工過程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線總工藝流程圖

圖2 丙烯酸甲酯化工過程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線單元工藝流程圖

圖3 半實(shí)物仿真生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 模擬測(cè)控系統(tǒng)

仿真生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)無(wú)實(shí)體物料運(yùn)行,需要通過模擬控制系統(tǒng)使裝置區(qū)設(shè)備與仿真軟件關(guān)聯(lián)完成。測(cè)控系統(tǒng)需要把裝置區(qū)的開關(guān)閥門、電機(jī)、離心泵等操作設(shè)備的變化轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào),通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集裝置區(qū)操作點(diǎn)的信號(hào)并上傳到中控室上位計(jì)算機(jī)的仿真模型中；然后,將仿真模型運(yùn)行的結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),傳送到裝置區(qū)的相關(guān)儀表進(jìn)行模擬與實(shí)時(shí)數(shù)字顯示(如圖4所示)。

圖4 丙烯酸甲酯化工過程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)

化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線集多種教學(xué)和實(shí)訓(xùn)功能于一身,全流程、無(wú)物料、安全、節(jié)能、無(wú)腐蝕、零污染、零排放,能真實(shí)地再現(xiàn)生產(chǎn)情景,能在工藝裝置上對(duì)受訓(xùn)學(xué)生進(jìn)行全方位操作培訓(xùn)。所有的操作點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整,工藝過程中的溫度、壓力、流量等通過儀表檢測(cè),與真實(shí)系統(tǒng)的觀測(cè)界面完全一致,可全工藝流程實(shí)時(shí)模擬裝置的開車、停車、運(yùn)行調(diào)控、緊急停車、故障診斷等操作,給學(xué)生以真實(shí)的空間氛圍、真實(shí)的操作力度感和動(dòng)態(tài)響應(yīng),能讓學(xué)生體驗(yàn)到一個(gè)“真實(shí)”工業(yè)化裝置的運(yùn)行。

4.4 教學(xué)功能的建設(shè)

化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以很好解決學(xué)生在化工企業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)無(wú)法觸摸、操作生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)等問題,增強(qiáng)學(xué)生實(shí)習(xí)的興趣和責(zé)任感。由于能夠接近生產(chǎn)實(shí)際地去完成很多操作任務(wù),學(xué)生能夠積累操作經(jīng)驗(yàn),縮短進(jìn)入企業(yè)工作的培訓(xùn)時(shí)間,加快角色轉(zhuǎn)換。該平臺(tái)可開展化工、自動(dòng)化控制、安全、石油、機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與制造等多個(gè)學(xué)科專業(yè)的實(shí)習(xí),可開設(shè)現(xiàn)場(chǎng)參觀、工藝流程學(xué)習(xí)、工藝設(shè)計(jì)、儀表操作控制訓(xùn)練、組態(tài)設(shè)計(jì)、故障分析與處理等50余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,而且還可利用此平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā),滿足教學(xué)研究與科技創(chuàng)新。

為提高教學(xué)資源的利用率與開放力度,該平臺(tái)除面向?qū)W校5個(gè)學(xué)院相關(guān)專業(yè)開放之外,還接待了重慶市高校的學(xué)生實(shí)訓(xùn)、教師工程能力提升以及企業(yè)新上崗員工的崗前培訓(xùn)等對(duì)外服務(wù)工作。

當(dāng)前,該平臺(tái)目前采用3種實(shí)踐教學(xué)模式。

一是專業(yè)單機(jī)訓(xùn)練。學(xué)生在教師指導(dǎo)下,根據(jù)專業(yè)實(shí)習(xí)要求,單機(jī)運(yùn)行全流程仿真操作。

二是專業(yè)聯(lián)機(jī)演練。通過多人多角色、各角色“頂崗實(shí)習(xí)”協(xié)同,模擬真實(shí)生產(chǎn)運(yùn)行機(jī)制,將學(xué)生按不同角色分組并分別承擔(dān)崗位工作,根據(jù)專業(yè)實(shí)習(xí)的要求聯(lián)機(jī)運(yùn)行全過程操作。教師在后臺(tái)設(shè)置事故狀態(tài),考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、操作熟練程度和處理應(yīng)急事故狀態(tài)能力。

三是綜合演練。專業(yè)綜合演練以課外競(jìng)賽活動(dòng)的方式進(jìn)行,采用預(yù)約的形式開放進(jìn)行。由已完成專業(yè)實(shí)習(xí)的多專業(yè)學(xué)生自行組建團(tuán)隊(duì),模擬工廠運(yùn)行。教師根據(jù)運(yùn)行情況給予綜合評(píng)分。

4.5 管理運(yùn)行體系的建設(shè)

化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)屬于重慶市市級(jí)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),其管理運(yùn)行體系嚴(yán)格按照重慶市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的模式進(jìn)行管理。該平臺(tái)實(shí)行示范中心主任負(fù)責(zé)制?；は蹈敝魅螀f(xié)助管理；實(shí)驗(yàn)員負(fù)責(zé)平臺(tái)的日常管理；教師除承擔(dān)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)和對(duì)外培訓(xùn)工作外,還進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容等方面的研究。

在平臺(tái)的運(yùn)行管理過程中,完善了“仿真生產(chǎn)線崗位管理職責(zé)”“仿真生產(chǎn)線開放管理細(xì)則”等10余項(xiàng)管理規(guī)章制度,并堅(jiān)持“三個(gè)統(tǒng)一”。

一是實(shí)驗(yàn)人員統(tǒng)一管理,包括人員的培訓(xùn)、工作安排、績(jī)效考核,從而構(gòu)成一支有組織、有紀(jì)律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。

二是實(shí)踐教學(xué)統(tǒng)一安排,包括實(shí)踐教學(xué)大綱的制訂、項(xiàng)目更新與開發(fā)、實(shí)施實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

三是實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)統(tǒng)一使用,對(duì)所屬實(shí)驗(yàn)室具有使用及調(diào)配權(quán),可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,作出適當(dāng)調(diào)整,保證教學(xué)資源的合理利用。

5 建設(shè)成效

自2013年現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建成以來(lái),形成了化學(xué)工程及相關(guān)學(xué)科的“實(shí)驗(yàn)室-虛擬工廠-真實(shí)工廠”三位一體的實(shí)踐教學(xué)體系,強(qiáng)化了學(xué)生的化工大工程觀的思維,提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力、專業(yè)設(shè)計(jì)能力和科技開發(fā)能力。

首先,該平臺(tái)解決了學(xué)生下廠實(shí)習(xí)難及實(shí)習(xí)效果差的難題。利用該平臺(tái)開展了化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、安全工程、自動(dòng)化控制工程等10個(gè)專業(yè)的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)教學(xué),教學(xué)任務(wù)量達(dá)30 000人時(shí)/年；開展學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)30余項(xiàng)/年；學(xué)生利用平臺(tái)在全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生西門子杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽等競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)30余項(xiàng)。

其次,利用該平臺(tái)培養(yǎng)了一批既懂化工專業(yè)知識(shí),又了解信息技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù),還具有工程實(shí)踐背景的雙師型教師隊(duì)伍,提升了教師的業(yè)務(wù)能力與綜合素養(yǎng),為培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才提供了師資保障。

第三,該平臺(tái)為長(zhǎng)慶油田、中石化建峰化工集團(tuán)、中石化四川維尼綸廠等10余家企業(yè)進(jìn)行新員工崗前培訓(xùn)、企業(yè)技術(shù)骨干技能提升培訓(xùn)等400多人次，接待了重慶文理學(xué)院、重慶工商大學(xué)、四川理工學(xué)院、廣西欽州學(xué)院等20余所院校的參觀與交流活動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

重慶科技學(xué)院化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將繼續(xù)探索半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)功能的開發(fā)利用、平臺(tái)的開放共享和管理運(yùn)行機(jī)制,加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)的合作與交流,面向川渝地區(qū)高校和石油化工企業(yè)開放半實(shí)物仿真教學(xué)資源,將資源共享服務(wù)于社會(huì),形成高層次人才培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)化服務(wù)平臺(tái)。

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Construction and practice on practical teaching platform for hardware-in-the-loop simulation production line of modern chemical engineering

Qiu Huidong, Xiong Wei, Su Xiaodong, Wang Jinbo, Xu Dijian

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Based on the characteristics of the discipline, and around the target for the cultivation of the applied technological talents, the construction of the teaching platform is carried out from the following aspects:the construction significance, the construction idea and thought, the functions of the platform, the operational management, etc. A practical teaching platform for the “Methyl acrylate production process-chemical process and equipment whole process hardware-in-the-loop simulation production line” with the three-in-one integration of the laboratory-virtual factory-real factory is established. The construction issue about the laboratories for the chemical engineering majors in the local application-oriented undergraduate universities is discussed.

modern chemical engineering; hardware-in-the-loopsimulation production line; practical teaching

2017-06-05

重慶市教育委員會(huì)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(153150,142012,151017)；重慶科技學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(201512,201502)

邱會(huì)東(1975—),男,山東聊城,碩士,副教授,主要從事分析化學(xué)的教學(xué)與研究工作.

E-mail：qhd324@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.029

TP391.9

A

1002-4956(2017)12-0121-04