大型石油化工实体仿真实训装置的建设实践

谢 伟， 李 瑞， 沈发治

(扬州工业职业技术学院 化工学院， 江苏 扬州 225127)

大型石油化工实体仿真实训装置的建设实践

谢 伟， 李 瑞， 沈发治

(扬州工业职业技术学院 化工学院， 江苏 扬州 225127)

为使石油化工类专业的学生在实习实训中能够动手操作，开发出一套校内工厂化的现代石油化工生产实体仿真实训装置。该装置配有真实的动设备、仿真测控系统、DCS仿真软件、Matrix知识点系统(二维码扫描)和操作评价管理系统，其工艺流程体现了现代石油化工真实生产过程。该装置以水或空气代替真实物料，以发光发烟等特效技术模拟化工厂事故。该实训装置虚实结合，为参加实训的学生提供一个逼真的生产场景，为学生的技能培养提供了很好的平台。

石油化工； 实体仿真； 实训基地建设

化工类专业技能人才的培养需要一批校内外实践教学基地来支撑。由于化工生产的特殊性(易燃、易爆、高温、高压、有毒、强腐蚀等)，化工企业一般不愿意接收学生进行实习实训。即使学生进入企业进行实习，也难以进行实际操作，不利于对学生进行职业能力的培养。

我国第一套计算机化工仿真培训系统于1987年在北京化工大学仿真中心建成，此后，我国对仿真技术的研究愈来愈普遍和深入[1-5]。随着我国石化生产大型化和自动化水平普遍提高，对仿真技能培训提出了更高的要求。实体仿真是近年来化工类专业实践教学发展的方向之一，其主要特点是能够提供逼真的实践教学环境，又避免了化工企业复杂而危险的实习实训环境[6-7]。针对国内只有少数院校建有以某一精细化工产品(例如丙烯酸甲酯、环已酮)生产工艺流程为基础的实体仿真教学装置，但尚无典型的、有较强适应性的规模化、流程级的实训装置，特别缺乏融合数字化网络技术和互联网应用技术的化工类实体仿真实践教学装置的状况，扬州工业职业技术学院开发建成一套校内工厂化的现代石油化工生产实体仿真实训装置。该装置采用绿色环保、节能安全的现代生产技术和信息技术，既可满足化工类、仪表及自动化控制类等相关专业学生综合性技能培训与技能考核的需要，也可用于企业员工岗位培训和职业技能鉴定。

1 大型石油化工实体仿真实训装置设计原则

为满足实训教学和企业员工技能培训需要，且体现安全、健康、环保的现代化工生产理念，设计大型石油化工实体仿真实训装置时遵循以下3项原则。

(1) 逼真性原则。鉴于常减压等化工生产的特殊性，虚实结合的仿真实训装置应给受训者提供逼真的生产场景和生产装置，以增强对化工生产氛围的体验和化工生产装置的深层次认知[8]。该实体仿真实训装置的工艺流程体现了现代石油化工真实生产过程，设备以实际生产装置的1/10缩小设计，各种传感器、执行器与实际的传感器、执行器外形相同，便于操作人员对现场装置空间的把握和对设备操作力度、动态时机的把握。工业级仿真软件和DCS系统软件动态实时模拟装置的单元级、全流程操作，操作方法、操作界面与工厂装置基本一致；仿真系统工艺数据采自石化企业的真实运行数据，实现了企业运行状况的真实再现。

(2) 全面性原则。既能使学生了解和掌握正常工况下各类设备的操作和维护，又能进行装置的冷态开车、正常运行、正常停车、紧急停车、故障处理等方面的技能操作训练和工艺指标控制操作技能训练。操作过程可以锻炼控制室操作人员与现场操作人员间的团队配合及协调能力。

(3) 教学、培训、考核相结合的原则。既能满足相关专业学生专业技能培养的要求，又能满足企业员工岗位再培训的需要；装置既可以由个人独立操作，也可多人配合操作；既可以单独操作工艺单元，也可全流程整体联动。实训装置软件除包括工业级DCS控制系统外，还包括仿真操作软件和智能考核评价软件[9]。

2 实体仿真实训装置的组成与功能

我校石油化工实体仿真实训装置主要由全流程仿真实体装置、仿真测量控制系统、DCS仿真软件、Matrix(二维码)知识点管理系统和装置操作评价管理系统组成。

2.1 全流程仿真实体装置

该实体仿真实训装置以350万t/年现代化石油常减压-催化裂化生产装置为原型，按10∶1的比例缩小，在校内建设了一座占地约500 m2(30 m×17 m)，高度达9～10 m的厂房。装置采用不锈钢材质，框架采用碳钢或氟碳喷涂，具有外壳真实、内部简化甚至空置的特点。厂房内的装置布置区面积约为250 m2，总控室约100 m2，学生学习、活动空间约150 m2。

图1 石油化工实体仿真实训装置图

装置结构设计符合石油化工类装置的各项设计标准与规范，总体布局体现出规范、合理、美观和安全的特点。工艺配管设计满足工艺流程需要，并完全按照实际生产装置配管。管件和管道之间采用焊接连接和法兰连接，综合考虑了阀门等操作元件的可操作性和安装、检修的便利性。

2.2 仿真测量控制系统

本装置没有任何真实物料进出，所有化工生产中出现的工艺现象均通过仿真软件实现。装置运行时，以水或低压空气模拟流量、液位和压力，以发光、发烟等特效技术模拟化工厂事故(见图2)。

图2 现场事故模拟图

仿真测量控制系统作为仿真DCS软件与实体装置数据联系的“纽带”，是这些模拟技术赖以实现的保障[10]。现场设备中所有的被测物理量(例如某液位计的变化或某阀门的开启)，均通过测控系统的传感器和变送器转换成标准的模拟电压或电流信号，再通过控制技术进行模拟信号实时采集，并将采集到的信号传送至仿真模型中由计算机运算、显示和存储。当需要对某一工艺参数进行控制时，仿真测量控制系统将仿真模型的运算结果转换成模拟的电信号，传送到现场的温度、压力和液位等仪表进行实时显示。仿直测量控制系统的结构如图3所示。

图3 仿真测量控制系统结构示意图

2.3 DCS仿真软件

实训装置需配套相应的DCS仿真软件，可满足学员进行正常开/停车、运行、事故处理等操作实训，还具有对实训装置的监控数据趋势浏览和报表分析、报警查询等特殊功能[11-12]。

2.4 Matrix(二维码)知识点管理系统

将工艺、操作、设备及生产安全等理论知识分解成知识点，用文字、图片、动画、视频、微课等形式制作多媒体素材，通过知识点管理系统平台管理，并制作相应的二维码链接。在实体装置上粘贴相应的二维码，学生在布局了无线网络的实训基地中，通过手机、平板电脑等移动设备扫描二维码，即可弹出相关设备的介绍或者图片、视频展示，从而对该知识点进行访问和学习。Matrix系统如图4所示。

图4 Matrix系统示意图

2.5 操作评价管理系统

操作评价管理系统可进行操作步骤和技术指标两方面的评价，系统全程跟踪、记录操作过程，通过操作过程、操作结果与操作规程、相关指标的双向、实时比对，评定操作过程的合理性和操作质量的准确度，从而给出学生实训的成绩。此外，实训学生及教师可以通过系统保存的操作痕迹，分析、查找不足之处，并进行纠正。

教师可通过网络对学员进行授权，选择培训的项目，监测、统计学员的操作成绩。此外，也可以通过系统的实时演播功能，对装置的操作进行讲解和点评。另外，系统支持题库扩展和维护功能，指导教师可以根据培训需求发布考题或对题库进行管理。

3 石化实体仿真实训装置的使用

大型石油化工实体仿真实训装置仿真度高、职场氛围浓厚，工艺流程、工艺数据、现场设备和内操外操方式与石化企业生产实际一致，给实训学生提供了一个逼真的生产场景，增强了学生对化工生产氛围的体验和对化工生产装置操作的认知。该装置功能齐全，既可进行装置的开停车、工艺指标控制，也可进行故障的分析诊断与事故处置演练，并有客观的操作评价。该实训装置的建成填补了国内同类型装置的空白，对我国化工类专业高素质技能型人才的培养具有积极的推动和示范作用。

实体仿真实训装置自投入使用以来，累计为本校和周边职业院校化工类专业学生提供技能培训1 800多人次，为石化企业培训职工和职业技能鉴定600多人次，得到了企业的高度赞誉，社会效益和经济效益非常显著。

References)

[1] 王行仁，文传源，李伯虎，等.我国系统建模与仿真技术的发展：为纪念中国系统仿真学会成立二十周年而作[J].系统仿真学报，2009，21(21):6683-6688.

[2] 李安峰，夏涛，张贝克，等.化工过程SDG建模方法[J].系统仿真学报，2003，15(10):1364-1368.

[3] 王行仁.面向二十一世纪，发展系统仿真技术[J].系统仿真学报，1999，11(2):3-12.

[4] 吴重光.仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2000:128-137.

[5] 陈晓春，马桂荣.动态模拟技术与化学工程[J].现代化工，2002，22(3):14-17.

[6] 周泽伟.石化企业生产过程虚拟现实仿真与可视化研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[7] 杨光辉.石化安全虚拟现实平台的研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[8] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[9] 王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理，2014，31(8):9-11.

[10] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32(12):5-8.

[11] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30(12):101-104.

[12] 夏迎春，吴重光，张贝克，等.现代化工仿真训练工厂[J].系统仿真学报，2010，22(2):370-375.

Practice on construction of a large scale petrochemical entity simulation training platform

Xie Wei， Li Rui， Shen Fazhi

(School of Chemical Engineering, Yangzhou Polytechnic Institute， Yangzhou 225127, China)

In order to solve this problem，a large scale petrochemical entity simulation training platform is developed. The device is equipped with the real moving equipment，simulation and comprehensive measuring system，DCS simulation system， Matrix knowledge system (two-dimensional code scanning) and operational evaluation management system. The process reflects the modern petroleum chemical production process. During operation，the water or air is used to replace the real material，and the special effects such as emitting smoke or flashing lights are used to simulate the accidents of a chemical factory. Through combining the virtual scene and the real world，this practical training base provides a real production scene for students，which promotes the improvement of their professional skills.

petrochemical industry; entity simulation; construction of practical training base

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.029

2016-10-14

中央财政支持的(国家级)石油化工生产技术实训基地建设项目

谢伟(1979—)，男，江苏常州，博士，讲师，化工学院副院长，主要研究方向为化工分离.

E-mail：xiewei0304@163.com

TE65；TP391.9

B

1002-4956(2017)06-0119-04