煉焦虛擬仿真工廠建設(shè)與教學(xué)模式探索*

孫 章，謝全安，孫曉然

(華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

我國是焦炭生產(chǎn)大國，現(xiàn)有600多家焦化企業(yè)，每年焦炭產(chǎn)量近5億噸，約占世界產(chǎn)量的70%[1]，龐大的焦化行業(yè)和活躍的生產(chǎn)活動(dòng)需求高素質(zhì)的煤化工技術(shù)人才。我校化學(xué)工程與工藝專業(yè)源自煉焦化學(xué)專業(yè)，是以煤化工為特色的國家級(jí)特色專業(yè)，每年為河北及周邊地區(qū)輸送大量煤化工技術(shù)人才，但在實(shí)踐教學(xué)過程面臨著“實(shí)習(xí)基地不穩(wěn)地、實(shí)習(xí)內(nèi)容不全面、實(shí)習(xí)深度不透徹”等多重難題。因?yàn)楝F(xiàn)代煤化工具有高度集成、連續(xù)生產(chǎn)、自動(dòng)運(yùn)行等特點(diǎn)，焦化企業(yè)又具有易燃爆、高溫壓、有毒害的高危屬性；所以焦化企業(yè)基于安全性和生產(chǎn)任務(wù)考量，限制學(xué)生實(shí)習(xí)的時(shí)間和范圍，嚴(yán)禁學(xué)生動(dòng)手操作，實(shí)習(xí)逐漸流于形式，效果不太理想[2]。針對(duì)這些問題，國外高校從本世紀(jì)初研究虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用[3]，近年來我國各級(jí)教育管理部門也大力倡導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[4]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)逐漸成為高校實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分[5]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)具有內(nèi)容層次豐富、安全環(huán)保綠色、教學(xué)效果顯著、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[6]，是地方特色高校提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[7]。2014年我校在化工學(xué)院設(shè)立“化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”[2]，建設(shè)以煤化工為特色的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。下面將對(duì)本中心的煉焦虛擬仿真工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)現(xiàn)狀及運(yùn)用情況進(jìn)行介紹。

1 煉焦虛擬工廠建設(shè)

1.1 建設(shè)思路與目標(biāo)

按照“立足人才培養(yǎng)、突出學(xué)科特色、堅(jiān)持共建共贏、著眼持續(xù)發(fā)展”的建設(shè)思路，充分發(fā)揮高校學(xué)科優(yōu)勢(shì)，積極利用企業(yè)的開發(fā)和服務(wù)能力，不斷完善實(shí)踐教學(xué)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和教學(xué)模式的改革創(chuàng)新。以大工程觀為引領(lǐng)，以煤化工企業(yè)的工藝過程為紐帶，虛實(shí)結(jié)合，分批建設(shè)，全流程生產(chǎn)裝置校外建設(shè)，以“實(shí)”為主，校內(nèi)建設(shè)以“虛”為主。

以建成培養(yǎng)化學(xué)工程技術(shù)人才工程實(shí)踐能力的煤化工仿真教育平臺(tái)為目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，建立一套在線開放運(yùn)行管理體制和云端運(yùn)行管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬仿真煤化工產(chǎn)業(yè)鏈云端共享功能，服務(wù)于京津冀化工類高校專業(yè)實(shí)習(xí)及企業(yè)員工培訓(xùn)。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

煉焦虛擬仿真工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容以煉焦生產(chǎn)工藝為核心，把配煤煉焦過程進(jìn)行數(shù)字化三維模擬，系統(tǒng)全面虛擬仿真以煤炭干餾為基礎(chǔ)的煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)過程。煉焦虛擬仿真工廠包含配煤系統(tǒng)、焦?fàn)t系統(tǒng)和四大車系統(tǒng)三大部分。

1.2.1 配煤系統(tǒng)

配煤系統(tǒng)主要虛擬仿真模擬備煤車間，數(shù)字化模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中的卸煤、裝煤、配煤過程，以三維虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)。備煤車間的大型機(jī)械設(shè)備是火車翻車機(jī)、堆取料機(jī)和配煤倉的皮帶秤(如圖1所示)，學(xué)生們能身臨其境的觀看這些設(shè)備的工作原理和運(yùn)行過程，觀察設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)。

圖1 配煤車間主要虛擬仿真設(shè)備

1.2.2 焦?fàn)t系統(tǒng)

焦?fàn)t是焦化廠的核心，焦?fàn)t系統(tǒng)主要虛擬仿真煉焦車間，將焦?fàn)t實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化模擬，以三維虛擬場(chǎng)景展現(xiàn)(如圖2所示)。學(xué)生們?nèi)缟砼R其境般的觀看焦?fàn)t生產(chǎn)的裝煤、煉焦、推焦、熄焦(干熄焦和濕熄焦)全過程，并且可以解剖焦?fàn)t近距離了解焦?fàn)t的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及煤在炭化室內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榻固康倪^程。

圖2 三維虛擬仿真焦?fàn)t

1.2.3 四大車系統(tǒng)

四大車系統(tǒng)主要虛擬仿真模擬焦?fàn)t配套的裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車，將四大車實(shí)際運(yùn)行的系列過程進(jìn)行數(shù)字化模擬，以三維虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)(如圖3所示)。學(xué)生們能身臨其境的觀看四大車聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝煤、推焦、攔焦、熄焦過程。

圖3 虛擬仿真四大車系統(tǒng)

2 基于虛擬工廠的教學(xué)探索

2.1 教學(xué)模式探索

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠避免化工過程高危險(xiǎn)、高消耗、高污染的安全問題，化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能讓學(xué)生能夠不受時(shí)間、空間、地域的限制，完全自主地開展工程化訓(xùn)練，滿足化工類相關(guān)專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)需求。我們依據(jù)理論與實(shí)踐、虛擬與現(xiàn)實(shí)、校內(nèi)與校外的“三結(jié)合”原則，巧用“現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知-模擬仿真-工程實(shí)訓(xùn)”三個(gè)訓(xùn)練梯度，探索“虛擬實(shí)訓(xùn)-仿真操作-實(shí)踐創(chuàng)新”三種教學(xué)模式，開展虛實(shí)結(jié)合的“三三三”教學(xué)改革與實(shí)踐(如圖4所示)，多方面鍛煉學(xué)生的化工實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型化工技術(shù)人才。

圖4 虛實(shí)結(jié)合的“三三三”仿真教學(xué)模式

2.2 教學(xué)實(shí)踐運(yùn)用

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是工科學(xué)生培養(yǎng)過程中必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于化工實(shí)際生產(chǎn)存在高溫、高壓、有毒環(huán)境，具有高危性及不可控性等特征，化工專業(yè)的實(shí)習(xí)教學(xué)普遍面臨著“實(shí)習(xí)基地不穩(wěn)地、實(shí)習(xí)內(nèi)容不全面、實(shí)習(xí)深度不透徹”等難題。因此，將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)引入生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)，把工廠實(shí)踐與仿真實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，依托現(xiàn)有的焦虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，增加虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，并在考核中增加仿真操作和現(xiàn)場(chǎng)問答環(huán)節(jié)，綜合測(cè)評(píng)學(xué)生的實(shí)習(xí)效果。

《煉焦學(xué)》是我校化工專業(yè)的煤化工特色課程，以往課堂理論教學(xué)比較抽象，學(xué)生沒有經(jīng)歷生產(chǎn)實(shí)習(xí)難以理解焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)及煉焦生產(chǎn)過程，現(xiàn)將煉焦虛擬仿真工廠引入教學(xué)，增加煉焦工藝仿真上機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，并在考核中增加現(xiàn)場(chǎng)考察成績(10%)，顯著提高授課效果。

煉焦虛擬仿真工廠實(shí)訓(xùn)平臺(tái)也為我校化工學(xué)院的能源化學(xué)工程、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、煤化工工藝學(xué)概論、化工制圖等課程提供了教學(xué)素材，開展相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)及考核形式改革。

2.3 教學(xué)實(shí)踐成果

我校化工學(xué)院有化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、能源化學(xué)工程、環(huán)境工程、化學(xué)5個(gè)專業(yè)，每年實(shí)習(xí)人數(shù)將近400人，實(shí)習(xí)基地面難以滿足這么多的學(xué)生的接待任務(wù)。將煉焦虛擬仿真工廠實(shí)訓(xùn)平臺(tái)引入專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)過程，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)資源的不足，在實(shí)踐過程中展現(xiàn)出新穎獨(dú)特的教學(xué)效果，不僅突破了生產(chǎn)實(shí)習(xí)的時(shí)空限制，而且將生產(chǎn)實(shí)習(xí)變得安全高效，學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知、工程意識(shí)和創(chuàng)新思維等多方面素質(zhì)得到顯著提升。

依托煉焦虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，2018年獲批河北省首批示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。學(xué)生也基于此平臺(tái)在大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽等各類專業(yè)競(jìng)賽中獲得省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)。

3 結(jié) 語

煉焦虛擬仿真工廠為本校化工學(xué)院提供了一個(gè)與實(shí)際焦化廠一樣的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，自2015年投用運(yùn)行以來，承擔(dān)了多門課程理論和實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。基于煉焦虛擬仿真工廠開展的虛實(shí)結(jié)合的“三三三”教學(xué)改革與實(shí)踐探索，強(qiáng)烈的激發(fā)了學(xué)生的熱情和興趣，巧妙的調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，多層次的訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手技能。學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知、工程意識(shí)和創(chuàng)新思維等多方面素質(zhì)得到了提升。化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是一項(xiàng)長期的任務(wù)，我們將建設(shè)多樣化的煤化工虛擬仿真工廠，不斷完善教學(xué)內(nèi)容和考核體系，培養(yǎng)真正的適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展需求的應(yīng)用復(fù)合型化工技術(shù)人才。