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刘 涛，朱建军，金红娇，李佳怡，孟亚男
(吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022)
《工业过程控制工程》是自动化专业的核心课程[1-2]，重点研究具有延时特性、连续生产过程的控制理论和控制规律，是一门应用性很强的工程学科，其教学过程需要理论与实践并重[3-5]。然而，面对实际的石化生产装置其工艺特点多为高温、高压、易燃易爆等危险性，学生很难有机会在实际装置上进行生产过程控制、控制参数调试与整定等操作[6-8]，学生难以了解精馏生产过程装置的特性及控制方法，从而导致理论知识学习与动手实践能力脱节。
为此，我校信息与控制工程学院设计开发出了精馏分离自控虚拟仿真实验平台，并对该虚拟仿真实验进行了实践教学研究，本文首先对精馏自控虚拟仿真实验的总体设计方案进行阐述，然后详细介绍该虚拟仿真实验的组成部分及实验内容和管理方法，最后进行评价与总结。
精馏自控虚拟仿真实验结合石化企业寻求专业知识与实践能力全面协调发展的应用型人才的需要，依托虚拟现实、多媒体人机交互、数据库和网络通信等技术与实验教学内容有机融合，通过建立精馏装置生产过程控制的动态模型，结合VR三维仿真技术[9-11]实现对精馏分离生产过程的控制与实景再现，如图1所示。
图1 虚拟仿真实验框架结构
精馏分离自控虚拟仿真实验采用“理论知识与虚拟实验”一体化的教学模式，依据自动化专业的培养方案、教学大纲设计开发出了三个模块(即过程控制知识要点学习、精馏装置与仪表检测实景再现、精馏生产过程控制仿真模拟)、七项实验操作内容的递进式分层实验教学模式。学生通过知识点在线课程视频、精馏装置与检测设备实景操作、精馏生产过程控制仿真模拟这三部分的学习与实验操作，可加深学生对精馏生产工艺的认识，提高学生对精馏工艺过程的控制与参数整定的操作技能。仪表控制系统检修实验环节，使学生对实际生产过程日常检修维护有更深入的感性认识，完善了知识结构，激发了学生的实验兴趣，培养了动手与实践能力。
(一) 过程控制知识要点学习
《工业过程控制工程》由于该课程的工程应用性强、控制结构知识要点复杂，学生经常对控制结构与参数调节的概念理解不清，对相似的理论与应用发生混淆，导致学生在实验过程中不知道如何整定控制参数，对该课程实验的内容难以理解和掌握，进而失去动手实践的兴趣形成恶性循环。针对教学实践过程中发现的问题，从“激发兴趣，启发式教学”的角度出发，充分结合线上网络资源，将实践教学内容以“可视化”模式引入到精馏分离自控虚拟仿真实验教学中来，针对实验中的每一个知识点录制在线开放授课视频，授课内容将理论部分和工程应用案例以动画的形式展现给学生，如图2所示。由抽象枯燥的知识变得具体化，加深学生对实验课程中相关概念、方法和工作过程的理解，激发学生兴趣，增强实验教学效果，针对每一个知识点在线学习视频都有相关章节测试，测试成绩低于60分的同学不允许进入下一级实验操作，以增加实验的过程考核管理。
(b) 精馏塔常规控制方案图2 实验知识点在线开放视频
(二) 精馏装置与仪表检测实景再现
对精馏装置进行过程参数控制，首先要了解它的生产工艺流程，然后根据生产过程和工艺参数的特点确定控制方案、检测仪表和执行机构的类型型号。精馏装置与仪表检测实景再现实验教学模块包含：厂区装置工艺探索、仪表装置操作、检测仪表检修三个部分的实验内容。
1.厂区装置工艺探索
本实验环节搭建一个高度还原的三维立体化精馏装置生产场景，如图3所示。
(a) 塔顶回流罐巡检
(b) 精馏塔管线巡检图3 厂区装置工艺探索
该场景主要展现的是脱丙烷塔的生产工艺流程，学生以第一人的视角在生产装置区内进行巡检，对精馏塔分离装置的生产工艺过程进行探索，从原料罐区到原料预热换热器，再到精馏装置的进料塔板以及原料与产品管线的布置，每一套设备和仪表装置学生都可以自由切换视角去观察和了解其结构和安装位置，学生通过厂区装置工艺探索实验环节，可加深对精馏工艺的了解，熟悉精馏设备上的温度、压力、流量、液位检测仪表的工作原理、安装原理，以及执行机构的工作过程，为仪表操作与检修实验环节打下基础。
2.仪表装置操作实验
仪表装置操作实验环节，学生按照实验规定的生产操作内容，以第一视角去操作生产现场的执行机构，了解其工作原理、掌握其内部结构以提升自己的实践操作能力，在该场景中主要完成现场执行机构的操作，以及其他检测仪表的功能巡检操作，例如：精馏塔塔釜液位控制气动调节阀的开度调节、塔顶回流罐液位计的检查，以及冷凝器物料出口调节阀的开关调节等，如图4所示。
(a) 回流罐液位计的检查
(b) 塔釜液位气动调节阀的手动调节图4 仪表装置操作实验
学生可通过该模块的学习掌握执行机构的工作原理与工艺参数控制的实际意义，从而提升学生对过程控制理论知识与仪表检测知识的融合，增强学生对实验学习的主动性。
3.检测仪表检修实验
在仪表检修实验环节中，仪表的结构与工作原理、仪表安装注意事项等内容都以三维立体动画的形式进行展示，如图5、6所示。
学生可以对仪表设备与执行机构进行模拟3D拆装了解其结构组成，并配合着3D立体动画演示进行学习，通过此环节实验的学习，学生可深入掌握检测仪表与执行机构的结构和工作原理，以及设备安装规范等相关知识。在仪表检修实验过程中，要求学生根据仪表的检修规范自行编写检测仪表的检修文件，依据检测仪表的零部件结构，完成仪表检修的备品备件材料表的撰写，以这两项文件的撰写来提升学生对检测仪表工作原理、仪表设备安装规范的了解，增强学生对检测仪表工程实践的熟悉度加深认识。
在厂区装置工艺探索、仪表装置操作这两个实践环节，涉及检测仪表认识与执行机构操作学习时，学生可以自行操作跳转到检测仪表结构与工作原理三维立体动画展示环节，随时对仪表设备进行学习，确保了学生对各个实验知识点的掌握，做到边学边实验。
图5 检测仪表检修实验场景
(三) 精馏生产过程控制仿真模拟
精馏生产过程控制仿真实验包含：精馏DCS控制系统操作实验、精馏塔控制回路参数整定实验，实验界面如图7所示。在DCS控制系统操作实验中，学生以操作员的身份根据工艺要求进行精馏分离冷态开车，在DCS控制系统监控画面设置进料流量、塔顶压力、回流量、塔釜液位以及塔顶产出量等工艺参数的设定值，并手动操作调整调节阀开度减少工艺参数波动并投自动运行，使工艺参数达到设定值平稳运行，如图8所示。
控制回路参数整定实验内容涵盖：精馏塔塔顶压力控制、原料液进口温度控制、冷凝器液位控制、塔釜液位串级控制、进料流量控制和产品流量控制等实验内容。以原料液进口温度控制为例：精馏自控虚拟仿真实验能够模拟真实的精馏过程生产环境，让学生体验DCS控制系统对精馏分离过程的参数控制，实验通过控制参数整定界面分别设置温度控制器比例、积分、微分控制参数，来实现对精馏塔原料液进口温度的P、PI或PID控制，体会在不同控制参数的控制下，原料进口温度的动态特性和过渡过程(原料液进口温度控制曲线示如图9所示)。
图6 检测仪表原理与结构三维立体动画
图7 精馏塔DCS控制系统监控画面
图8 精馏塔工艺参数监控曲线
图9 精馏塔物料进口温度控制实验
精馏生产过程控制仿真实验的每一个实验内容都有训练与考核模式，基于该实验环节学生可以进一步理解流量、温度、液位、压力等变量的控制方案特点，能够完成系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制等多种控制实验。学生可以随时开展实验，可以实现实验的多次、重复性操作，确保每位学生都能真正掌握所学内容，提升动手操作实践能力。在训练模式中，学生可以通过查看实验过程中控制参数设置、调节阀开度设置与手自动切换、被控参数的过渡过程等实验数据和操作记录，查找实验过程中不合理的参数设置与错误操作，以便进行纠正和改进；
在考核模式中，实验平台评分系统会根据学生的实验操作过程进行评价，并依据各控制回路被控参数的调整时间、系统余差和超调量等过程参数的评价值给出实验成绩。
精馏分离自控虚拟仿真实验，依托国家级虚拟仿真实验教学课程共享平台(实验空间)实施教学考核与管理，在教师授课精馏过程控制系统的基本原理知识后，学生可登录实验云平台自主学习并进行线上实验，实验考核系统根据学生的当前实验操作对其实验进行打分，按照精馏过程控制回路参数整定步骤的正确性、操作的及时性、关键参数的稳定性以及对现场检测仪表检修与维护是否及时、快速为原则，系统根据实验结果、操作步骤和完成时间等评分标准完成实验成绩的评定，成绩达到70分以上评定为实验成绩考核合格，实验合格后学生可在实验学习管理模块提交实验报告与心得体会。
本课题研究是以精馏分离自控虚拟仿真实验教学为基础，以OBE培养理念为指导完善课程实践教学内容，坚持应用型本科教育模式设计开发出了三个模块、七项实验操作内容的递进式虚拟仿真实验教学平台。该实验平台遵循“虚实结合，能实不虚”的原则，将对安全性要求严格、耗能较大学校无法开展的精馏分离控制实验移植到虚拟仿真实验平台上，解决了污染、安全隐患的问题，完善了课程实验教学体系，丰富和拓展常规实验的教学功能，进一步促进学生应用创新精神与实践能力的培养，为培养具有较强的专业背景知识和工程实践能力、适应社会发展需求的应用型人才提供了新的教学思路。
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