LPG儲配站虛擬仿真實驗開發(fā)及應(yīng)用

朱靜，唐建峰，覃楊，趙亮，徐春雯

（1.中國石油大學(xué)（華東） 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島；2.北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司，北京）

一 引言

液化石油氣（liquefied petroleum gas， LPG）作為重要的城市燃?xì)鈿庠?，其需求和消費(fèi)量在國內(nèi)持續(xù)穩(wěn)步增長[1-3]。LPG的開發(fā)利用對改善城市生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源消費(fèi)價格、促進(jìn)節(jié)能減排具有十分重要的意義[4-5]。LPG儲配站是城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，站場內(nèi)設(shè)備眾多、工藝復(fù)雜，僅依靠課堂教學(xué)效果不佳，且LPG本身為易燃易爆危險氣體，因此不可能在實驗室內(nèi)建設(shè)一套完整的LPG儲配站實驗實訓(xùn)系統(tǒng)；而現(xiàn)場實習(xí)由于安全因素，學(xué)生又無法動手操作。

虛擬仿真是時代發(fā)展的產(chǎn)物，隨著計算機(jī)、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生[6-7]。虛擬仿真實驗教學(xué)帶來眾多好處，學(xué)生可以不受時空限制開展線上實驗，節(jié)約實驗成本等[8-10]。近幾年來，國家和省市教育主管部門都把發(fā)展虛擬仿真作為一項提升高校教學(xué)質(zhì)量的重要舉措來抓，并出臺了虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心、虛擬仿真實驗教學(xué)項目等多項政策，受到了各高校的重視[8]。鑒于以上原因，依托青島市虛擬現(xiàn)實技術(shù)（BIM）工程研究中心，聯(lián)合北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司，進(jìn)行了LPG儲配站虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，并將其應(yīng)用到課程教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

二 教學(xué)設(shè)計

LPG儲配站是城市燃?xì)夤?yīng)的重要教學(xué)內(nèi)容，站內(nèi)工藝管線眾多，包括氣相管線、液相管線、殘液管線、回流管線、消防管線等；設(shè)備眾多，包括各類啟閉閥門、安全閥門、槽車、儲罐、烴泵、壓縮機(jī)、灌裝轉(zhuǎn)盤等；流程眾多，包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝；工況或方法眾多，例如鋼瓶灌裝可采用烴泵灌裝、壓縮機(jī)灌裝、烴泵-壓縮機(jī)聯(lián)合灌裝，不同灌裝方法能耗不同、時耗不同、水力工況不同。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，通過教學(xué)學(xué)生應(yīng)具備以下知識和能力：（1）掌握LPG儲配站內(nèi)包括閥門、儲罐、灌裝轉(zhuǎn)盤、烴泵、壓縮機(jī)等主要設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、操作方法等；（2）掌握LPG儲配站內(nèi)包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝流程；（3）通過運(yùn)行中儲罐及管道工況參數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析不同工況的特點(diǎn)及不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。

針對該部分教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，采用沉浸式、交互式的實驗教學(xué)方法，使學(xué)生由被動聽變?yōu)橹鲃訉W(xué)、動手做，將教學(xué)變成學(xué)生體驗式的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生通過理論及認(rèn)知學(xué)習(xí)、模擬操作、數(shù)據(jù)監(jiān)測、方案討論、現(xiàn)場考核的方式，層層遞進(jìn)，達(dá)到掌握知識、培養(yǎng)能力的學(xué)習(xí)目的。

三 LPG儲配站虛擬仿真實驗開發(fā)

LPG儲配站虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)以PISP平臺為開發(fā)工具，PISP仿真支撐平臺是基于Windows系統(tǒng)PC機(jī)的動態(tài)仿真軟件，即工業(yè)過程仿真平臺(Process Industry Simulation Platform)。平臺分為算法庫管理系統(tǒng)、圖形化建模系統(tǒng)、仿DCS組態(tài)系統(tǒng)、操作評定組態(tài)系統(tǒng)四部分。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，以國內(nèi)某LPG儲配站實際生產(chǎn)為原型，以站場內(nèi)工藝流程及相關(guān)設(shè)備為基礎(chǔ)，以嚴(yán)格的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，系統(tǒng)總體構(gòu)架圖如圖1所示。依照教學(xué)設(shè)計，學(xué)生利用該系統(tǒng)依次進(jìn)行理論及認(rèn)知學(xué)習(xí)、思考題測試、工藝流程實景操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)測試記錄等。教師站管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接對運(yùn)行中的仿真培訓(xùn)學(xué)員站進(jìn)行管理，具有控制培訓(xùn)項目的選擇、開始，授權(quán)設(shè)置學(xué)員站的操作、監(jiān)測、統(tǒng)計、打印學(xué)員操作成績等功能。

圖1 LPG儲配站虛擬仿真系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

四 LPG儲配站虛擬仿真實驗功能

LPG儲配站工藝復(fù)雜，包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝，下面以最典型的鋼瓶灌裝為例，說明實驗過程。

開啟虛擬仿真實驗系統(tǒng)，選擇進(jìn)入鋼瓶灌裝工藝單元仿真實驗界面，如圖2所示。仿真實驗界面包括5部分：主界面、功能模塊、操作質(zhì)量評分系統(tǒng)、工具欄、初始參數(shù)設(shè)置。其中主界面實景展示鋼瓶灌裝的管路連接及相關(guān)的儲罐、烴泵、壓縮機(jī)、灌裝轉(zhuǎn)盤、閥門等設(shè)備；功能模塊位于界面的左下角，包括“小瓶灌裝”“DCS”“知識點(diǎn)”及“思考題”；操作質(zhì)量評分系統(tǒng)在操作過程中同時給出評分；工具欄位于界面的右上角，包括工藝、畫面、工具、幫助及硬件故障修復(fù)5項工具。

（一） “知識點(diǎn)”功能模塊

點(diǎn)擊如圖2所示操作界面下方的“知識點(diǎn)”選項，進(jìn)入如圖3所示的“知識點(diǎn)”模塊操作界面。該模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富，包含設(shè)備知識點(diǎn)學(xué)習(xí)（舉例：如圖4為球罐知識點(diǎn)學(xué)習(xí)界面）、動畫演示工作原理（舉例：如圖5為安全閥工作原理動畫演示）、現(xiàn)場圖片、實際操作視頻等內(nèi)容。整個仿真實驗系統(tǒng)共包含知識點(diǎn)學(xué)習(xí)30項，動畫演示45項，實際操作視頻20項，分布于9個工藝單元中。學(xué)生點(diǎn)擊相應(yīng)知識點(diǎn)圖標(biāo)后，通過文本、圖片、動畫演示、實際操作視頻等形式的直觀展示，掌握站場內(nèi)各種閥門設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、作用過程及設(shè)計參數(shù)等。

圖3 知識點(diǎn)模塊操作界面

圖4 球罐知識點(diǎn)學(xué)習(xí)界面圖

圖5 安全閥工作原理動畫演示

（二） “思考題”功能模塊

學(xué)生在完成“知識點(diǎn)”界面的學(xué)習(xí)后，點(diǎn)擊如圖2所示操作界面下方的“思考題”選項，進(jìn)入“思考題”操作界面。通過思考題考查學(xué)生理論知識的掌握程度，并由評分系統(tǒng)自動進(jìn)行“思考題”的成績評定。

（三） “DCS”功能模塊

點(diǎn)擊如圖2所示操作界面下方的“DCS”選項，進(jìn)入如圖6所示的“DCS”模塊操作界面?？勺寣W(xué)生清晰認(rèn)識該工藝流程，掌握工藝操作及控制參數(shù)。

圖2 鋼瓶灌裝工藝單元仿真實驗界面

圖6 DCS模塊操作界面

（四） “小瓶灌裝”功能模塊

點(diǎn)擊“小瓶灌裝”選項，返回如圖2所示的鋼瓶灌裝仿真操作界面。在此界面中，各種閥門、設(shè)備具備開關(guān)功能，實現(xiàn)隨意的生產(chǎn)過程實景操作，流程正確打通后各種運(yùn)行參數(shù)實時顯示，可讓學(xué)生感受到真實的現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)控場景。

學(xué)生首先需要根據(jù)灌裝原理在復(fù)雜的管路系統(tǒng)中確定需開啟的閥門、設(shè)備及其開啟順序；其次，正確開啟閥門、壓縮機(jī)、烴泵、灌裝轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，打通流程；如圖7為閥門開啟界面，圖8為壓縮機(jī)操作界面。設(shè)置灌裝瓶數(shù)，打開灌裝轉(zhuǎn)盤前閥門開始灌裝。流程中以箭頭顯示流體的實際流動方向，實際灌裝瓶數(shù)達(dá)到要求瓶數(shù)，灌裝結(jié)束。灌裝過程中，利用動態(tài)數(shù)學(xué)模型實時模擬管道的水力工況，操作界面實時顯示儲罐壓力及液位、管路壓力、灌裝瓶數(shù)等參數(shù)變化，如圖9、圖10所示；亦可通過點(diǎn)擊左上角工具欄中的變量監(jiān)視查看流程中的數(shù)值變化情況。

圖7 閥門開啟界面

圖8 壓縮機(jī)局部操作圖

圖10 灌裝瓶數(shù)實時顯示

五 LPG儲配站虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)生通過賬號登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行以下學(xué)習(xí)過程：①進(jìn)行知識點(diǎn)模塊的認(rèn)知學(xué)習(xí)，掌握LPG儲配站工藝原理、管線系統(tǒng)、設(shè)備原理結(jié)構(gòu)等，并完成思考題；②在掌握工藝原理的基礎(chǔ)上，分析工藝流程，完成各流程的仿真操作；③根據(jù)流程打通后的數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析儲罐及管道工況變化。通過對不同工況、不同方案下的數(shù)據(jù)對比，分析不同工況的特點(diǎn)及不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。

實驗系統(tǒng)設(shè)置實時在線綜合評測系統(tǒng)，通過“思考題測試”“操作質(zhì)量評分系統(tǒng)”及“成績爬升圖”對學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實驗操作進(jìn)行有效評價，讓學(xué)生準(zhǔn)確了解學(xué)習(xí)進(jìn)度，并進(jìn)行有效的提高，最終達(dá)到教學(xué)大綱所要求的各項知識和能力。

教師端具有控制實驗項目的選擇及授權(quán)，監(jiān)測學(xué)生在線學(xué)習(xí)時間、實際操作情況，管理學(xué)生成績等功能。

該實驗項目的實施可深化學(xué)生對于LPG儲配站工藝流程和生產(chǎn)過程的理解，拓寬學(xué)生工程實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及工程實踐能力。