華 潔， 林圣濤， 陳 琳， 錢 皓， 馬晨波， 於秋萍

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037； 2.南京智誠(chéng)月光信息科技有限公司, 南京 210039)

0 引 言

實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)的困難，已成為高校人才培養(yǎng)的瓶頸。2016年，教育部副部長(zhǎng)林蕙青[1]在中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)與廈門大學(xué)聯(lián)合主辦的“一流大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)高峰論壇”上指出：實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，是一些學(xué)校包括高水平大學(xué)在人才培養(yǎng)方面存在的問題。建設(shè)一流本科教育，要著力深化教學(xué)改革，也是“雙一流”建設(shè)的重要任務(wù)。

造成這一現(xiàn)狀的主要原因是：缺乏政策的引導(dǎo)，企業(yè)缺乏激勵(lì)制度，積極性不高。對(duì)于過程裝備與控制工程專業(yè)，實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)困難的主要因素還在于操作過程安全風(fēng)險(xiǎn)較高。工藝操作條件高溫、高壓，介質(zhì)有毒、有害，管道和設(shè)備連接處容易跑、冒、滴、漏，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)本身就必須時(shí)刻嚴(yán)密監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)，以確保生產(chǎn)安全進(jìn)行。在校大學(xué)生沒有經(jīng)過系統(tǒng)全面的操作培訓(xùn)，貿(mào)然進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，必然帶來重大的安全隱患。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[2]的開發(fā)為解決這一矛盾提供了可能，充分使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，促進(jìn)大數(shù)據(jù)時(shí)代下網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)[3]的發(fā)展。虛擬技術(shù)的使用在行業(yè)內(nèi)也有各種嘗試[4-5]。本文通過生物質(zhì)氣體液化過程這一虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過程裝備與控制工程專業(yè)知識(shí)在虛擬世界的融會(huì)貫通，有效地避免了工程實(shí)踐中可能遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)，打通了課堂教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是一次有效的新工科實(shí)踐創(chuàng)新的嘗試。

1 生物質(zhì)氣體液化過程工藝開發(fā)

生物質(zhì)氣，也稱沼氣，來源于有機(jī)廢物。其本身含有大量的雜質(zhì)而很難充分利用，多數(shù)直接作為燃料燃燒，造成了大量的浪費(fèi)。去除雜質(zhì)以后，生物甲烷在應(yīng)用中比其他可再生能源更為靈活，利用生物甲烷作為能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)的關(guān)鍵一環(huán)。近年來，對(duì)生物甲烷的生產(chǎn)和利用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。生物甲烷經(jīng)過液化后可以很好的存儲(chǔ)和運(yùn)輸，是一種有效的利用方式。工藝上生物甲烷液化過程是在液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)技術(shù)[6]的基礎(chǔ)上針對(duì)生物甲烷的處理量小[7]和具備季節(jié)性的特點(diǎn)發(fā)展起來的。工藝開發(fā)的過程主要包括以下3個(gè)方面：

(1) 工藝流程。在自主開發(fā)的超低溫自復(fù)疊式制冷裝置[8]基礎(chǔ)上開發(fā)生物質(zhì)氣體液化過程的虛擬實(shí)驗(yàn)。圖1對(duì)工藝過程進(jìn)行了描述。該制冷系統(tǒng)由3個(gè)循環(huán)構(gòu)成，分別為預(yù)冷循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)兩個(gè)閉式循環(huán)以及生物甲烷液化開式循環(huán)；預(yù)冷循環(huán)和混合制冷劑循環(huán)構(gòu)成復(fù)疊式制冷循環(huán)。開機(jī)前，將閉式循環(huán)抽真空，灌裝入制冷劑，預(yù)先把制冷劑在閉式循環(huán)中沖裝完成。當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)符合液化生物甲烷的條件時(shí)，隨時(shí)打開壓縮機(jī)便可驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組。當(dāng)制冷機(jī)組啟動(dòng)一段時(shí)間后，連接開式循環(huán)液化換熱器達(dá)到液化溫度，即可打開連接生物甲烷的截止閥通入氣態(tài)甲烷，出口可以得到液化的產(chǎn)品。

圖1 液化制冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

(2) 典型設(shè)備。液化過程的工藝流程中可以看出，雖然是可撬裝式的小型裝置，但是包含了多種典型設(shè)備和機(jī)器：換熱器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥、截止閥、氣液分離器、毛細(xì)管以及過濾器等。這些設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)幾乎涵蓋和綜合利用了過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課程《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》、《過程流體機(jī)械》、《過程裝備控制技術(shù)》、《過程裝備成套技術(shù)》等各門功課的學(xué)科知識(shí)。

(3) 設(shè)備及管道布置。設(shè)備型號(hào)和規(guī)格選擇之后，需要確定各個(gè)設(shè)備的相互位置關(guān)系，可以通過設(shè)備布置圖進(jìn)行規(guī)劃。為有效利用空間，設(shè)備布置成兩層：動(dòng)設(shè)備布置在下層，便于保持底座的穩(wěn)定；靜設(shè)備和低溫設(shè)備布置在上層，便于后期保溫材料的包裹。完成設(shè)備布置之后，下一步的工作就是用管道連接各個(gè)設(shè)備，使介質(zhì)的流通符合工藝流程圖的要求。

工藝開發(fā)的過程復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)之間連接錯(cuò)綜復(fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全身。開發(fā)完成后還需要對(duì)其中的儀器儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，以確保生產(chǎn)的安全進(jìn)行。將這一過程可以用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式來完成，對(duì)于學(xué)生綜合專業(yè)技能的培訓(xùn)會(huì)非常有利。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在工藝流程的開發(fā)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其過程思維導(dǎo)圖如圖2所示。擬開發(fā)出兩個(gè)并聯(lián)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，分別為實(shí)驗(yàn)1，裝置搭建過程的虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)2，裝置運(yùn)行過程的虛擬仿真。其中搭建的過程包含設(shè)備的三維造型、設(shè)備位置布置、配管和儀器儀表，對(duì)應(yīng)于過程裝備成套技術(shù)中各個(gè)不同的設(shè)計(jì)步驟,運(yùn)行過程包含之前的電磁閥全部打開，管道內(nèi)抽真空、加制冷劑過程、開機(jī)過程、正常運(yùn)行過程和關(guān)機(jī)過程。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)思維導(dǎo)圖

以上步驟中，裝置搭建過程的主要數(shù)據(jù)來源于工藝設(shè)計(jì)的幾個(gè)成果平面圖形，并且要進(jìn)行三維可視化模擬，檢查設(shè)備布置和配管過程中存在的不合理和干涉的現(xiàn)象；裝置運(yùn)行過程中關(guān)于制冷劑的介質(zhì)、配比問題和運(yùn)行工藝參數(shù)的數(shù)值問題是前期工藝開發(fā)過程中的工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果，該計(jì)算過程復(fù)雜往往需要利用專業(yè)的工藝計(jì)算軟件如Aspen、Hysis、Chemcad等。因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)必須是在專業(yè)的基礎(chǔ)之上才能進(jìn)行，仿真軟件的開發(fā)需要不斷利用和提取工藝流程開發(fā)的數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)方法與手段

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)需要用到各種類型的軟件和程序的編寫調(diào)試。主要包括三維造型，場(chǎng)景的搭建，交互動(dòng)作的設(shè)計(jì)，腳本程序的編寫調(diào)試等，可以利用的軟件和手段也很多。

楊寧等[9]分析和展望了化學(xué)工程中介尺度科學(xué)與虛擬過程工程的聯(lián)系；周斌等[10]在虛擬過程控制實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王和虛擬的A3000進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；張穎等[11]選用 MultiGen Creator/Vega 和 Flash MX 2004 實(shí)現(xiàn)了過程流體機(jī)械的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。近年來，使用Unity 3D來開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)[12-15]已經(jīng)成為主流方法，易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的虛擬操作過程。

經(jīng)過對(duì)比與實(shí)踐，本虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)選用3D Studio Max用于三維造型和效果的制作， 該軟件可以非常方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)備、機(jī)器、閥門等化工裝置的三維造型，對(duì)其位置布置和相互之間管道連接的干涉檢查也做的非常清晰。由圖3和圖4可見,工程實(shí)踐中借助這個(gè)詳細(xì)圖，可以非常方便生成所有管道的三維正等軸側(cè)視圖，便于預(yù)制和焊接管道的彎頭、3通，減少現(xiàn)場(chǎng)的組焊失敗率。

圖3 總體規(guī)劃圖

圖4 設(shè)備及配管詳圖

選用專業(yè)開發(fā)引擎Unity3D用于完成虛擬場(chǎng)景的搭建和交互動(dòng)作的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的腳本都是通過該引擎進(jìn)行編程，最終發(fā)布成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種使用環(huán)境，不需要下載任何插件可以在網(wǎng)頁運(yùn)行，克服了早期的虛擬實(shí)驗(yàn)由于軟件的限制而不能夠廣泛使用的弊端。

4 結(jié) 語

通過生物質(zhì)氣液化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和實(shí)踐，初步完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和三維模型的構(gòu)建，學(xué)習(xí)了專業(yè)的開發(fā)引擎并且把設(shè)計(jì)思想在其中實(shí)現(xiàn)，取得了較好的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)效果。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即將完成之際，以下兩點(diǎn)體會(huì)提出來討論，為開發(fā)新的虛擬過程參考。

虛實(shí)結(jié)合很必要。虛擬實(shí)驗(yàn)是在專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)之上來開發(fā)的，如果沒有實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程或者裝置，就只是紙上談兵。本課題組的生物質(zhì)氣液化過程已經(jīng)有了多年的積累與沉淀，并且有小型撬裝式的實(shí)驗(yàn)裝置，但是基于安全操作的考慮，以及整個(gè)深冷裝置外包了厚厚的發(fā)泡保溫層，沒法直接觀察到其內(nèi)部的設(shè)備外形，開發(fā)了仿真虛擬實(shí)驗(yàn)。虛實(shí)結(jié)合，能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中更好的掌握專業(yè)知識(shí)，并且加以實(shí)踐升華。

打通各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)過程貫穿整個(gè)專業(yè)學(xué)習(xí)過程。對(duì)工藝流程的開發(fā)和設(shè)備機(jī)器的選型以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是主干學(xué)科在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)需要完成的重要教學(xué)內(nèi)容之一；整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過程的操作是實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)很好的補(bǔ)充；對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過程則可以完成優(yōu)秀的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品。因此，該項(xiàng)目的開發(fā)和利用，可以很好的打通各個(gè)專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的積極性，是一次成功的嘗試。