劉 濤，朱建軍，金紅嬌，李佳怡，孟亞男
(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)
《工業(yè)過程控制工程》是自動化專業(yè)的核心課程[1-2]，重點(diǎn)研究具有延時特性、連續(xù)生產(chǎn)過程的控制理論和控制規(guī)律，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的工程學(xué)科，其教學(xué)過程需要理論與實(shí)踐并重[3-5]。然而，面對實(shí)際的石化生產(chǎn)裝置其工藝特點(diǎn)多為高溫、高壓、易燃易爆等危險(xiǎn)性，學(xué)生很難有機(jī)會在實(shí)際裝置上進(jìn)行生產(chǎn)過程控制、控制參數(shù)調(diào)試與整定等操作[6-8]，學(xué)生難以了解精餾生產(chǎn)過程裝置的特性及控制方法，從而導(dǎo)致理論知識學(xué)習(xí)與動手實(shí)踐能力脫節(jié)。
為此，我校信息與控制工程學(xué)院設(shè)計(jì)開發(fā)出了精餾分離自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，并對該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)研究，本文首先對精餾自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，然后詳細(xì)介紹該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的組成部分及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和管理方法，最后進(jìn)行評價與總結(jié)。
精餾自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合石化企業(yè)尋求專業(yè)知識與實(shí)踐能力全面協(xié)調(diào)發(fā)展的應(yīng)用型人才的需要，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，通過建立精餾裝置生產(chǎn)過程控制的動態(tài)模型，結(jié)合VR三維仿真技術(shù)[9-11]實(shí)現(xiàn)對精餾分離生產(chǎn)過程的控制與實(shí)景再現(xiàn)，如圖1所示。
圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)框架結(jié)構(gòu)
精餾分離自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用“理論知識與虛擬實(shí)驗(yàn)”一體化的教學(xué)模式，依據(jù)自動化專業(yè)的培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱設(shè)計(jì)開發(fā)出了三個模塊(即過程控制知識要點(diǎn)學(xué)習(xí)、精餾裝置與儀表檢測實(shí)景再現(xiàn)、精餾生產(chǎn)過程控制仿真模擬)、七項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容的遞進(jìn)式分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生通過知識點(diǎn)在線課程視頻、精餾裝置與檢測設(shè)備實(shí)景操作、精餾生產(chǎn)過程控制仿真模擬這三部分的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作，可加深學(xué)生對精餾生產(chǎn)工藝的認(rèn)識，提高學(xué)生對精餾工藝過程的控制與參數(shù)整定的操作技能。儀表控制系統(tǒng)檢修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對實(shí)際生產(chǎn)過程日常檢修維護(hù)有更深入的感性認(rèn)識，完善了知識結(jié)構(gòu)，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)了動手與實(shí)踐能力。
(一) 過程控制知識要點(diǎn)學(xué)習(xí)
《工業(yè)過程控制工程》由于該課程的工程應(yīng)用性強(qiáng)、控制結(jié)構(gòu)知識要點(diǎn)復(fù)雜，學(xué)生經(jīng)常對控制結(jié)構(gòu)與參數(shù)調(diào)節(jié)的概念理解不清，對相似的理論與應(yīng)用發(fā)生混淆，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不知道如何整定控制參數(shù)，對該課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容難以理解和掌握，進(jìn)而失去動手實(shí)踐的興趣形成惡性循環(huán)。針對教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)的問題，從“激發(fā)興趣，啟發(fā)式教學(xué)”的角度出發(fā)，充分結(jié)合線上網(wǎng)絡(luò)資源，將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以“可視化”模式引入到精餾分離自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，針對實(shí)驗(yàn)中的每一個知識點(diǎn)錄制在線開放授課視頻，授課內(nèi)容將理論部分和工程應(yīng)用案例以動畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，如圖2所示。由抽象枯燥的知識變得具體化，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程中相關(guān)概念、方法和工作過程的理解，激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，針對每一個知識點(diǎn)在線學(xué)習(xí)視頻都有相關(guān)章節(jié)測試，測試成績低于60分的同學(xué)不允許進(jìn)入下一級實(shí)驗(yàn)操作，以增加實(shí)驗(yàn)的過程考核管理。
(b) 精餾塔常規(guī)控制方案圖2 實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)在線開放視頻
(二) 精餾裝置與儀表檢測實(shí)景再現(xiàn)
對精餾裝置進(jìn)行過程參數(shù)控制，首先要了解它的生產(chǎn)工藝流程，然后根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝參數(shù)的特點(diǎn)確定控制方案、檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型型號。精餾裝置與儀表檢測實(shí)景再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊包含：廠區(qū)裝置工藝探索、儀表裝置操作、檢測儀表檢修三個部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
1.廠區(qū)裝置工藝探索
本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)搭建一個高度還原的三維立體化精餾裝置生產(chǎn)場景，如圖3所示。
(a) 塔頂回流罐巡檢
(b) 精餾塔管線巡檢圖3 廠區(qū)裝置工藝探索
該場景主要展現(xiàn)的是脫丙烷塔的生產(chǎn)工藝流程，學(xué)生以第一人的視角在生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)進(jìn)行巡檢，對精餾塔分離裝置的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行探索，從原料罐區(qū)到原料預(yù)熱換熱器，再到精餾裝置的進(jìn)料塔板以及原料與產(chǎn)品管線的布置，每一套設(shè)備和儀表裝置學(xué)生都可以自由切換視角去觀察和了解其結(jié)構(gòu)和安裝位置，學(xué)生通過廠區(qū)裝置工藝探索實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可加深對精餾工藝的了解，熟悉精餾設(shè)備上的溫度、壓力、流量、液位檢測儀表的工作原理、安裝原理，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程，為儀表操作與檢修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。
2.儀表裝置操作實(shí)驗(yàn)
儀表裝置操作實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)規(guī)定的生產(chǎn)操作內(nèi)容，以第一視角去操作生產(chǎn)現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，了解其工作原理、掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提升自己的實(shí)踐操作能力，在該場景中主要完成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，以及其他檢測儀表的功能巡檢操作，例如：精餾塔塔釜液位控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)、塔頂回流罐液位計(jì)的檢查，以及冷凝器物料出口調(diào)節(jié)閥的開關(guān)調(diào)節(jié)等，如圖4所示。
(a) 回流罐液位計(jì)的檢查
(b) 塔釜液位氣動調(diào)節(jié)閥的手動調(diào)節(jié)圖4 儀表裝置操作實(shí)驗(yàn)
學(xué)生可通過該模塊的學(xué)習(xí)掌握執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與工藝參數(shù)控制的實(shí)際意義，從而提升學(xué)生對過程控制理論知識與儀表檢測知識的融合，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主動性。
3.檢測儀表檢修實(shí)驗(yàn)
在儀表檢修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，儀表的結(jié)構(gòu)與工作原理、儀表安裝注意事項(xiàng)等內(nèi)容都以三維立體動畫的形式進(jìn)行展示，如圖5、6所示。
學(xué)生可以對儀表設(shè)備與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬3D拆裝了解其結(jié)構(gòu)組成，并配合著3D立體動畫演示進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過此環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可深入掌握檢測儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及設(shè)備安裝規(guī)范等相關(guān)知識。在儀表檢修實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生根據(jù)儀表的檢修規(guī)范自行編寫檢測儀表的檢修文件，依據(jù)檢測儀表的零部件結(jié)構(gòu)，完成儀表檢修的備品備件材料表的撰寫，以這兩項(xiàng)文件的撰寫來提升學(xué)生對檢測儀表工作原理、儀表設(shè)備安裝規(guī)范的了解，增強(qiáng)學(xué)生對檢測儀表工程實(shí)踐的熟悉度加深認(rèn)識。
在廠區(qū)裝置工藝探索、儀表裝置操作這兩個實(shí)踐環(huán)節(jié)，涉及檢測儀表認(rèn)識與執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作學(xué)習(xí)時，學(xué)生可以自行操作跳轉(zhuǎn)到檢測儀表結(jié)構(gòu)與工作原理三維立體動畫展示環(huán)節(jié)，隨時對儀表設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，確保了學(xué)生對各個實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的掌握，做到邊學(xué)邊實(shí)驗(yàn)。
圖5 檢測儀表檢修實(shí)驗(yàn)場景
(三) 精餾生產(chǎn)過程控制仿真模擬
精餾生產(chǎn)過程控制仿真實(shí)驗(yàn)包含：精餾DCS控制系統(tǒng)操作實(shí)驗(yàn)、精餾塔控制回路參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)界面如圖7所示。在DCS控制系統(tǒng)操作實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生以操作員的身份根據(jù)工藝要求進(jìn)行精餾分離冷態(tài)開車，在DCS控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面設(shè)置進(jìn)料流量、塔頂壓力、回流量、塔釜液位以及塔頂產(chǎn)出量等工藝參數(shù)的設(shè)定值，并手動操作調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度減少工藝參數(shù)波動并投自動運(yùn)行，使工藝參數(shù)達(dá)到設(shè)定值平穩(wěn)運(yùn)行，如圖8所示。
控制回路參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋：精餾塔塔頂壓力控制、原料液進(jìn)口溫度控制、冷凝器液位控制、塔釜液位串級控制、進(jìn)料流量控制和產(chǎn)品流量控制等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以原料液進(jìn)口溫度控制為例：精餾自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)的精餾過程生產(chǎn)環(huán)境，讓學(xué)生體驗(yàn)DCS控制系統(tǒng)對精餾分離過程的參數(shù)控制，實(shí)驗(yàn)通過控制參數(shù)整定界面分別設(shè)置溫度控制器比例、積分、微分控制參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對精餾塔原料液進(jìn)口溫度的P、PI或PID控制，體會在不同控制參數(shù)的控制下，原料進(jìn)口溫度的動態(tài)特性和過渡過程(原料液進(jìn)口溫度控制曲線示如圖9所示)。
圖6 檢測儀表原理與結(jié)構(gòu)三維立體動畫
圖7 精餾塔DCS控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面
圖8 精餾塔工藝參數(shù)監(jiān)控曲線
圖9 精餾塔物料進(jìn)口溫度控制實(shí)驗(yàn)
精餾生產(chǎn)過程控制仿真實(shí)驗(yàn)的每一個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都有訓(xùn)練與考核模式，基于該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生可以進(jìn)一步理解流量、溫度、液位、壓力等變量的控制方案特點(diǎn)，能夠完成系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋-反饋控制等多種控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以隨時開展實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的多次、重復(fù)性操作，確保每位學(xué)生都能真正掌握所學(xué)內(nèi)容，提升動手操作實(shí)踐能力。在訓(xùn)練模式中，學(xué)生可以通過查看實(shí)驗(yàn)過程中控制參數(shù)設(shè)置、調(diào)節(jié)閥開度設(shè)置與手自動切換、被控參數(shù)的過渡過程等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作記錄，查找實(shí)驗(yàn)過程中不合理的參數(shù)設(shè)置與錯誤操作，以便進(jìn)行糾正和改進(jìn)；
在考核模式中，實(shí)驗(yàn)平臺評分系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行評價，并依據(jù)各控制回路被控參數(shù)的調(diào)整時間、系統(tǒng)余差和超調(diào)量等過程參數(shù)的評價值給出實(shí)驗(yàn)成績。
精餾分離自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，依托國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(實(shí)驗(yàn)空間)實(shí)施教學(xué)考核與管理，在教師授課精餾過程控制系統(tǒng)的基本原理知識后，學(xué)生可登錄實(shí)驗(yàn)云平臺自主學(xué)習(xí)并進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)考核系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的當(dāng)前實(shí)驗(yàn)操作對其實(shí)驗(yàn)進(jìn)行打分，按照精餾過程控制回路參數(shù)整定步驟的正確性、操作的及時性、關(guān)鍵參數(shù)的穩(wěn)定性以及對現(xiàn)場檢測儀表檢修與維護(hù)是否及時、快速為原則，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、操作步驟和完成時間等評分標(biāo)準(zhǔn)完成實(shí)驗(yàn)成績的評定，成績達(dá)到70分以上評定為實(shí)驗(yàn)成績考核合格，實(shí)驗(yàn)合格后學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)管理模塊提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告與心得體會。
本課題研究是以精餾分離自控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，以O(shè)BE培養(yǎng)理念為指導(dǎo)完善課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，堅(jiān)持應(yīng)用型本科教育模式設(shè)計(jì)開發(fā)出了三個模塊、七項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容的遞進(jìn)式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺遵循“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的原則，將對安全性要求嚴(yán)格、耗能較大學(xué)校無法開展的精餾分離控制實(shí)驗(yàn)移植到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上，解決了污染、安全隱患的問題，完善了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，豐富和拓展常規(guī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)的專業(yè)背景知識和工程實(shí)踐能力、適應(yīng)社會發(fā)展需求的應(yīng)用型人才提供了新的教學(xué)思路。
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