邱會東, 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)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐

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

現(xiàn)代化工； 半實物仿真生產(chǎn)線； 實踐教學(xué)

2013年,在教育部的指導(dǎo)下,我國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)盟副理事長單位和重慶市地方高校轉(zhuǎn)型發(fā)展聯(lián)盟理事長單位。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)體制機制[2-3],特別重視實踐教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要作用。為使本科實踐教學(xué)不受企業(yè)條件、安全環(huán)保等方面的制約,學(xué)校開展了半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的建設(shè)。

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

現(xiàn)代化工[4-6]呈現(xiàn)高度集群化、專業(yè)化、精細(xì)化、自動化、信息化等特點,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,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)場的實習(xí)受到很多限制,通常無法親自動手操作,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)場實習(xí)的效果,影響學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力的培養(yǎng),導(dǎo)致工程實訓(xùn)及生產(chǎn)實習(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)代化工半實物仿真實驗?zāi)転閷W(xué)生營造真實的工程環(huán)境,可對學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)的工程實踐訓(xùn)練,實現(xiàn)教學(xué)資源的零消耗、實踐教學(xué)過程的零污染,不但實踐教學(xué)效果好,而且豐富了實踐教學(xué)內(nèi)容,消除了實踐教學(xué)過程中的危險性,增加了學(xué)生動手操作的機會和對化工生產(chǎn)連續(xù)性、自動化、安全生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的真實體驗[9-12]。因此,建設(shè)現(xiàn)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺具有重要的意義。

2 建設(shè)理念和建設(shè)思路

現(xiàn)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的建設(shè)堅持“科學(xué)規(guī)劃、確保先進(jìn),促進(jìn)融合、共享資源,突出重點、提高效益”的理念,以全面提高工科類專業(yè)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新精神為宗旨,以“虛實結(jié)合、能實不虛、分批建設(shè)、縱橫擴展”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物仿真生產(chǎn)線”的實踐教學(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)建實驗室-虛擬工廠-真實工廠三位一體工程教育資源為重點,以系列虛-實有機結(jié)合的工程實踐專題開發(fā)為驅(qū)動,以建成化學(xué)工程技術(shù)人才工程實踐能力教育平臺為目標(biāo),建立一套完善、先進(jìn)的開放性運行管理體制與網(wǎng)絡(luò)運行管理平臺,培養(yǎng)學(xué)生的化工大工程觀整體思維和工程實踐能力、專業(yè)設(shè)計能力和科技開發(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)代化工仿真實踐教學(xué)平臺。

3 建設(shè)目標(biāo)

現(xiàn)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的建設(shè)體現(xiàn)學(xué)科特點,依托實物模擬裝置和設(shè)備,模擬典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝,發(fā)揮計算機動態(tài)仿真的優(yōu)勢,校企合作共建一套半實物仿真生產(chǎn)線。在建設(shè)平臺的同時,建立以師資隊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)實踐教學(xué)資源校企共享機制,進(jìn)而強化實踐教學(xué)與工程實際有效銜接的教學(xué)效果；注重樹立學(xué)生的大工程觀思維,提升學(xué)生的工程實踐能力、設(shè)計能力和綜合實踐能力,培養(yǎng)出具有鮮明的行業(yè)特色、能夠解決工程實際問題的應(yīng)用技術(shù)型人才。

4 半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的構(gòu)建

該現(xiàn)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺——丙烯酸甲酯化工過程半實物仿真生產(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。平臺題材取自東方化工廠的丙烯酸甲酯工藝路線,以酯化級丙烯酸(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)線實踐教學(xué)平臺的組成

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),按照實際化工生產(chǎn)線設(shè)計成10個單元(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)、甲醇儲槽裝置區(qū)),每個單元中包括1個主體設(shè)備。在金屬框架上安裝按實物比例縮小、可實現(xiàn)工業(yè)級尺寸工藝參數(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、手動閥、控制閥、壓力表、流量表、溫度表、無線傳感器、功率計、料位計和閥位測控傳感器等。

軟件部分位于中控室,包括半實物仿真生產(chǎn)線模擬監(jiān)控系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)工藝仿真軟件、計算機控制系統(tǒng)(DCS)仿真、實訓(xùn)評價與管理系統(tǒng)、智能實時故障診斷軟件等。

軟、硬件之間通過小型實時數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)字通信機制協(xié)調(diào)運行,完成對丙烯酸甲酯生產(chǎn)過程的模擬。裝置區(qū)按照真實的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計,為用戶提供相關(guān)設(shè)備的實物外觀以及動手操作的環(huán)境,可以直接對工藝流程進(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物仿真生產(chǎn)線單元工藝流程圖

圖3 半實物仿真生產(chǎn)線現(xiàn)場圖

4.2 模擬測控系統(tǒng)

仿真生產(chǎn)線實現(xiàn)無實體物料運行,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。測控系統(tǒng)需要把裝置區(qū)的開關(guān)閥門、電機、離心泵等操作設(shè)備的變化轉(zhuǎn)換為模擬電信號,通過計算機實時采集裝置區(qū)操作點的信號并上傳到中控室上位計算機的仿真模型中；然后,將仿真模型運行的結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號,傳送到裝置區(qū)的相關(guān)儀表進(jìn)行模擬與實時數(shù)字顯示(如圖4所示)。

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

4.3 化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺的特點

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

4.4 教學(xué)功能的建設(shè)

化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺可以很好解決學(xué)生在化工企業(yè)實習(xí)時無法觸摸、操作生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)等問題,增強學(xué)生實習(xí)的興趣和責(zé)任感。由于能夠接近生產(chǎn)實際地去完成很多操作任務(wù),學(xué)生能夠積累操作經(jīng)驗,縮短進(jìn)入企業(yè)工作的培訓(xùn)時間,加快角色轉(zhuǎn)換。該平臺可開展化工、自動化控制、安全、石油、機械設(shè)備設(shè)計與制造等多個學(xué)科專業(yè)的實習(xí),可開設(shè)現(xiàn)場參觀、工藝流程學(xué)習(xí)、工藝設(shè)計、儀表操作控制訓(xùn)練、組態(tài)設(shè)計、故障分析與處理等50余個實驗項目,而且還可利用此平臺進(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,該平臺除面向?qū)W校5個學(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)等對外服務(wù)工作。

當(dāng)前,該平臺目前采用3種實踐教學(xué)模式。

一是專業(yè)單機訓(xùn)練。學(xué)生在教師指導(dǎo)下,根據(jù)專業(yè)實習(xí)要求,單機運行全流程仿真操作。

二是專業(yè)聯(lián)機演練。通過多人多角色、各角色“頂崗實習(xí)”協(xié)同,模擬真實生產(chǎn)運行機制,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)實習(xí)的要求聯(lián)機運行全過程操作。教師在后臺設(shè)置事故狀態(tài),考查學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、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)綜合演練以課外競賽活動的方式進(jìn)行,采用預(yù)約的形式開放進(jìn)行。由已完成專業(yè)實習(xí)的多專業(yè)學(xué)生自行組建團(tuán)隊,模擬工廠運行。教師根據(jù)運行情況給予綜合評分。

4.5 管理運行體系的建設(shè)

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

在平臺的運行管理過程中,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余項管理規(guī)章制度,并堅持“三個統(tǒng)一”。

一是實驗人員統(tǒng)一管理,包括人員的培訓(xùn)、工作安排、績效考核,從而構(gòu)成一支有組織、有紀(jì)律的實驗教學(xué)隊伍。

二是實踐教學(xué)統(tǒng)一安排,包括實踐教學(xué)大綱的制訂、項目更新與開發(fā)、實施實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)。

三是實踐教學(xué)平臺統(tǒng)一使用,對所屬實驗室具有使用及調(diào)配權(quán),可根據(jù)實際應(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)代化工半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺建成以來,形成了化學(xué)工程及相關(guān)學(xué)科的“實驗室-虛擬工廠-真實工廠”三位一體的實踐教學(xué)體系,強化了學(xué)生的化工大工程觀的思維,提高了學(xué)生的工程實踐能力、專業(yè)設(shè)計能力和科技開發(fā)能力。

首先,該平臺解決了學(xué)生下廠實習(xí)難及實習(xí)效果差的難題。利用該平臺開展了化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、安全工程、自動化控制工程等10個專業(yè)的校內(nèi)實訓(xùn)、實習(xí)教學(xué),教學(xué)任務(wù)量達(dá)30 000人時/年；開展學(xué)生畢業(yè)設(shè)計30余項/年；學(xué)生利用平臺在全國大學(xué)生化工設(shè)計大賽、全國大學(xué)生西門子杯工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽等競賽中獲獎30余項。

其次,利用該平臺培養(yǎng)了一批既懂化工專業(yè)知識,又了解信息技術(shù)及自動化控制技術(shù),還具有工程實踐背景的雙師型教師隊伍,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,該平臺為長慶油田、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。

6 結(jié)語

重慶科技學(xué)院化學(xué)化工實驗教學(xué)中心將繼續(xù)探索半實物仿真生產(chǎn)線實踐教學(xué)平臺功能的開發(fā)利用、平臺的開放共享和管理運行機制,加強與國內(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)開放半實物仿真教學(xué)資源,將資源共享服務(wù)于社會,形成高層次人才培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)和社會化服務(wù)平臺。

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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

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

邱會東(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