商业过程模拟器在工程教育中的应用效果及开发前景

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德将商业过程模拟器集成到工程课程中Tiina M. 科穆莱宁 ** 奥斯陆和Akershus大学应用科学学院，电气工程，奥斯陆，挪威，（电话：+ 47 22453295，电子邮件：tiina. hioa.no）翻译后摘要：本文的目的是鼓励大学讲师利用商业过程模拟软件在工程课程。本文提供了四个不同的模拟模块，在奥斯陆和阿克斯胡斯大学学院的化学和电气工程课程中实施的例子。学生对模拟练习的学习效果给予了积极评价，认为模拟工具简单易用。学生的反馈与考试结果一起表明学习效果得到了提高。关键词：商业模拟器，动态过程模拟，过程响应，控制器整定。1. 介绍电子实验室，包括虚拟实验室和远程操作实验室，广泛用于工程教育（Coble et al.，2010年，Rutten等人，2012年，Corter等人，2011，Edgar，2006）。不断努力开发新的电子实验室，并提高这些实验室的质量和可访问性。由欧盟委员会共同资助的泛欧实验室图书馆项目（2013年）促进了参与机构之间利用相关教学材料交流各种虚拟和远程实验室的使用和经验。虚拟实验室是传统工程课程的重要补充，因为它们与工业实践相关，积极的学习效果以及时间和成本效益（Coble等人，2010，Martin-Villalba，2008，Rasteiro，2009）。Rutten et al.（2012）对计算机模拟学习效果的回顾表明，与传统教学相结合，模拟练习有助于学生对理论的概念理解，提高预测实验结果的能力，增加课程兴趣，提高整体学习效果。Rutten等人（2012）给出了许多关于如何通过利用计算机模拟成功增强传统教学的例子。虚拟实验室安排的重要方面是在练习之前和练习期间提供指导支持，以及以学生为中心的任务，以促进合作和积极参与（Rutten等人，2012年）。此外，Corter等人（2011）强调了社会和动机因素的重要性，以及有效合作工具的使用，无论实验室类型如何。由于虚拟实验室只是现实的近似，因此应向学生澄清模拟模型和技术的局限性（Coble等人，2010年）。根据Coble等人（2010年）和Corter等人（2011年）的研究，虚拟实验室将继续在工程师教育中发挥重要作用，但技术将更复杂，为工程专业的学生提供更真实的体验。提高虚拟实验室真实性的一种可能方法是使用工业相关的商业仿真工具。许多商业过程模拟器，基于单元操作和过程仪表的高保真非理想模型，具有过程和仪表故障的各种特征，提供工业过程的真实复制品，并经常用于培训公司 的 操 作 员 和 工 程 师 （ Cameron ， 2002 ， Wankat ，2002）。在本文中，商业过程模拟器集成到化学和电气工程课程在奥斯陆和阿克斯胡斯大学学院。四个不同的模拟模块的教学框架进行了解释，学生和教师的评价与考试结果一起提出和讨论。关于可操作性和安全性分析以及过程控 制 课 程 的 仿 真 软 件 的 使 用 的 进 一 步 实 例 ， 可 从Komulainen等人处获得。（2012年）。2. 材料和方法首先介绍了四个仿真模块的共同特点，然后介绍了模块的具体特点。2.1框架：时间、空间、小组规模、软件工具、教材和教师先决条件时间：所有的模拟模块都从两个小时的讲座开始，包括介绍学习目标和模拟练习的动机，介绍动态过程模型，介绍模拟任务和程序，以及模拟器演示。所有的模块都是基于每个学生四个小时的模拟练习。在此期间，所有学生都能够完成模拟任务。模拟课程的前两个小时由教师监督。学生在模拟会议期间开始撰写初步的模拟报告，大约需要两个小时© IFAC 274 10.3182/20130828-3-UK-2039.00007第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲275然后在研讨会之前完成报告。在两个小时的研讨会中，学生们以4人一组的新小组讨论模拟结果。在研讨会结束时，教师将在白板上总结模拟结果和整体经验。房间和团体大小：每个模块都需要一个礼堂，配备一台PC和一块白板，用于介绍讲座和研讨会，每个模拟会议需要4小时的PC教室。由于只有一名教师/讲师可用，每次模拟课程的最大学生人数限制为8名学生，即对于32名学生的班级，安排了四次相同的模拟课程。电脑教室应该为每个学生配备电脑，最好还有一个教师站和投影仪，用于额外的模拟演示。软 件 工 具 ： 模 拟 软 件 D-SPICE 由 Kongsberg Oil GasTechnologies提供浮动许可证（2011年）。PC教室的软件安装由大学学院的IT部门管理。许可协议不允许学生将软件下载到自己的笔记本电脑上。标准的D-SPICE仿真包包括一些演示模型，可用于教学目的。图1中给出的分离模型表示小规模油气生产设施，其包括具有节流阀的两个井、歧管、三相分离器、压缩机、热交换器、泵、四个控制回路以及控制和安全阀。多相井流由水、油和气体成分组成，压力为56巴，温度为50°C。该模型的初始状态是连续正常生产，井流流速为3600 kg/h。Fig. 1.小型石油和天然气加工设施模型。图2所示的蒸馏模型是在大学学院根据实验室规模配置的，Armfield UOP 3CC蒸馏系统。蒸馏模型由进料罐、泵、具有8个筛板的塔、再沸器、两个热交换器、加热盘管、两个产品罐以及各种测量、阀门和控制回路组成。模型的初始状态为连续乙醇-水蒸馏，进料流速为16.7mL/min。图二.蒸馏模型。教学材料：由教师准备的用户手册是针对仿真模型和仿真任务的。用户手册包括关于典型模拟命令的明确说明;如何加载模型、启动和暂停模拟、打开相关变量趋势、进行不同的过程更改、保存模拟数据以及如何解释结果。在实践中，这减少了学生之间的混淆程度，增加了相关问题的数量，并促进了模拟会议期间结果的相互比较。在模拟课程和研讨会期间，教师可以获得详细的解决方案手册。在模拟报告评分后，学生可以使用解决方案手册。教师先决条件：教师必须有动态模拟和商业过程模拟软件的经验，以便能够帮助学生解决各种过程和软件相关的问题。如果教师不熟悉过程模拟软件，建议从软件供应商那里邀请一名教师。重要的是要创造一个积极的学习环境，激励学生一起工作，并在模拟会议期间讨论结果。2.2.教与学方法、评价教学方法：教师解释模拟任务的基础知识，并在介绍讲座中进行模拟演示。在模拟课程中，教师扮演指导者的角色，只有在学生组无法自己找到解决方案时才帮助学生。在研讨会上，教师是一个主持人，为小组讨论模拟结果设定框架，并指导最终的全体会议结果。教师在模拟会议和研讨会期间向学生提供反馈，并对模拟报告进行评分。学习方法：模拟任务是为了加强小组中的社会互动，而主要的重点是让每个学生通过做模拟任务和按照自己的节奏报告来学习。鼓励在模拟会议和讲习班期间讨论模拟结果。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲276评价：学生在完成模拟任务和完成与模块2和3相关的实验室实验后，对模拟模块1、2和3进行两次评估。使用正式的多项选择问卷。模拟模块的学习成果使用正式期末考试的结果来衡量。2.3 目标、内容和先决条件根据每个学生组4小时的模拟时间，实施了四个不同的模拟模块。第一和第四模块利用小规模动态油气分离过程模型，而第二和第三模拟模块是实验室前练习并利用动态蒸馏系统模型。模拟模块的总结见表1。关于模拟模块的教学框架的进一步细节在随后的章节中给出。表1. 仿真模块模块过程模型主要学习目标1分离过程响应，正常，异常操作2蒸馏过程响应正常操作3蒸馏精馏优化序列4分离调整和测试控制器，正常操作干扰2.3.1 模块1第一个模块是基于分离模型。目的是熟悉小型油气工艺的一些正常和非正常操作。必要条件：参加第一个模拟模块的学生应了解离心泵、压缩机、三相分离器和控制回路的工作原理，这些工作原理基于讲座中提出的理论和传统的稳态计算练习。旋转的机器。环境指标基于污染，在该简单模型中，污染是采出水中的油馏分，并且通过分离器的PSV阀燃烧。表2. 模拟任务，模块1。任务变化后果响应1.1阻风门关闭产量下降。分离器，泵，压缩机，出口阀门。1.2油位设定点调节无重大变更分离器，泵。1.3出油阀关闭出口停止分离器，泵，压缩机，出口阀门1.4错误的血压设定点变化分离器中的高压分离器，PSV，泵，压缩机、出口阀1.5气体输出阀关闭出口停止分离器、PSV、泵、压缩机，出口阀门2.3.2 单元2和3蒸馏模型用于第二和第三个模拟模块，实际上是实验室前的必修练习。该模型的初始条件是连续进料到塔中的稳态。没有测量噪声被添加到模型中。前提：化工专业的学生已经熟悉模拟软件。根据讲座中介绍的理论和各种稳态计算，学生将熟悉二元蒸馏塔筛板的操作，蒸馏系统的基本元件（再沸器，塔，冷却器，阀门）和控制回路（变送器，控制器和控制元件）。学习目标模块2：学生应能够使用学习目标：完成模拟模块后，学生应能够预测和/或测试小型石油和天然气生产设施对正常操作变化和过程干扰的动态响应。学生还应能够解释这种变化在小规模石油和天然气生产设施的主要经济和环境方面。任务：模拟任务是与小型油气生产设施的正常和非正常操作相关的。将收集和分析工艺设备的动态响应以及经济和环境指标。表2简要概述了这些任务。经济指标是根据石油和天然气的生产以及能源消费计算的，模拟软件对输入变量（刺激）进行改变，并观察输出变量（响应）的变化。学生应能解释蒸馏系统的操作变量的变化如何影响塔内温度、成分和流速的动态趋势。学生应能够使用模拟软件了解蒸馏塔中的不同变化如何影响馏出物和塔底产物的浓度和流速。学习目标模块3：学生应能够使用模拟软件测试不同的蒸馏序列，以最大限度地提高乙醇产量，并找出对总产量的影响。根据模拟，学生应能够选择最佳第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲277蒸馏序列，并将其应用于实验室实验。任务模块2：模块2中任务的目的是测试蒸馏塔中温度和浓度的动态响应，以及馏出物的浓度和流速对四种不同变化的动态响应，一次一个，如表3所示。所有的模拟场景都是从相同的初始条件开始的。将结果相互比较，以确定最有效的措施，以最大限度地提高乙醇产量。表3. 模拟任务，模块2。模块变化响应柱反应馏出物2.1入口流速2.2加热器功率2.3入口温度2.4回流比任务模块3：模块3建立在模块2的基础上，任务是设计和测试两种不同的蒸馏序列，两种序列的操作参数都至少有两次变化，总模拟时间为两小时。最佳的蒸馏序列，使最大的乙醇产量是用于实验室实验后。学生有可能运行多个序列。在研讨会上，每个小组提出一个成功或不成功的结果序列。2.3.3 模块4第四个模块包括控制器的调整和测试的PID控制器的小规模的石油和天然气生产设施下正常的操作干扰。有三个控制器与本练习相关，两个液位控制器和一个压力控制器，所有控制器都与三相分离器的操作相关。仿真模型的初始条件假设完美的测量，即没有测量噪声。控制器设置为自动，控制器参数处于非最佳“出厂设置”。必要条件：电气工程专业的学生被认为是熟悉的过程控制和简单的PID控制器的调整方法的原则。无需事先了解模拟软件或分离过程。学习目标：学生应能够使用仿真软件整定PID控制器参数，并评估在不同类型的过程干扰和设备故障下的控制器整定性能。任务：第一个任务是准备用于整定三个PID控制器的模拟数据。控制器的计算调谐参数可以基于在文献中找到的任何合适的方法。第二个任务是将控制器参数应用于仿真模型，并在表4中给出的四种不同情况下测试调整的可行性。所有的模拟场景都将从相同的初始条件开始。使用计算出的过冲和所有控制回路的稳定时间来比较整定方法。基于测试结果，可以重新调整控制器。表4. 模拟任务，模块4。任务变化扰动4.1液位设定值-10%没有一4.2液位设定值+10%长采样间隔4.3压力设定值+10%发射机噪声4.4增产长采样间隔3. 结果模块1、2和3的考试结果和学生评价基于“化学工程导论”课程（15 ECTS，2011年秋季至2012年春季）。教师评估是基于化学工程课程和3.1 学生二年级的化学学生已经评估了模拟模块，使用两个随后的多项选择问卷，包括共62个语句。二年级化学专业学生的背景是很少或一些数学软件的用户经验，如矩阵或数学软件（85%），以及很少或根本没有过程模拟工具的知识（90%）。图3总结了模拟练习对学习的影响。大部分学生认为模拟练习对学习很有帮助，使学习更有趣。超过90%的人表示，模拟练习增强了他们的知识建设，3/4报告了学习成果的增加。图三.模拟练习对学习的影响。模拟模块2和3在相关的蒸馏实验室练习之前完成。学生对模拟器利用率的评价如图4所示。几乎80%的第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲278学生认为在蒸馏实验前进行模拟练习是一个好主意，并认为透过模拟练习和实验，他们获得了实用和有用的蒸馏知识。超过90%的学生计划使用模拟结果来选择基于模拟模块3结果的精馏序列参数。近90%的学生使用了实验室的模拟结果。见图4。利用模拟结果进行精馏实验室实验。同一个PC教室的所有模块使用相同的模拟工具。学生对模拟工具可用性的评价见图5。超过60%的学生表示学习使用模拟工具相对容易，而大约40%的学生有一些小问题。没有人报告模拟器存在重大问题。大约90%的学生估计，如果有更多的时间和实践练习，他们可以成为模拟工具的熟练用户。所有的学生都同意，模拟工具是一个合适的工具，化学工程课程。学生们还建议在第一次介绍性讲座中使用更多的实际演示，并使用更多的时间进行模拟练习，以提高学习效果。图五.评估模拟工具。3.2 考试成绩化学工程概论课程的多项选择期末考试分为三个部分，理论（6/20），模拟（4/20）和计算（10/20），包括20个问题，每个问题有四个备选答案。模拟部分的考试成绩，平均成绩47%，优于理论（平均成绩43%）和计算（平均成绩41%）。此外，在重新检查中，模拟部分的结果优于理论部分和计算结果（65%，分别为27%和47%）。3.3 教师模拟模块1、2和3在化学工程课程中第二次给出，模拟模块4在控制论课程中第一次给出。教师独自负责模拟模块的教学。她有几年使用模拟工具进行课程教学的经验。老师报告说，在这两个工程课程的学习环境和热情非常积极。即使是对数学软件知之甚少的学生也能很快学会模拟程序，学生们在小组中有效地工作。在模拟课程中，最多10名学生的小组规模是可控的。学生们渴望分享他们在讲习班上的经验，讨论给人的印象是通过模拟模块获得了新的知识和技能。化学工程实验室也注意到模拟的积极效果，第二次，最成功的小组是那些在模拟练习上投入了大量精力的小组。电气工程专业的学生只参加了模拟模块4，因此缺乏工艺知识，以及对油气分离系统（模块1）的正常和异常操作的了解。这导致控制器参数整定任务的时间消耗超过预期，并且必须省略控制器测试（针对测量噪声、设定点变化和过程干扰）。然而，学生们渴望完成调优任务，并了解更多有关仿真模型的信息。4. 讨论学生们对模拟练习非常积极，并希望有更多的时间和更多的模拟练习。花更多的时间在各种模拟练习上可能会提高学习效果，并为大多数学生提供积极的学习体验。化学工程课程的挑战是在传热和传质操作的不同主题之间找到正确的平衡，以及理论和实践练习之间的平衡。通过仿真第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲279练习学生学习化工厂的单元操作在实际中是如何工作的，这可能是一个比传统的设备设计练习更好的方法，在工业实践中，传统的设备设计练习总是用先进的设计软件工具来解决。考试结果并不能完全反映学习成果，因为学生往往在占总课程成绩30%的强制性项目工作中获得更好的成绩。应修订考试形式，最好是计算机考试，包括简短的模拟任务，以便更好地符合教学方法和工业实践。对于电气工程专业的学生，模拟模块1应作为模块4之前的先决条件。第一个仿真模块可以深入了解小规模石油和天然气过程的正常和异常操作，这对于成功实施过程控制器调整和测试是必要的。根据我们的经验，仿真模块4显然需要扩展到两个四小时的仿真会话，一个是使用不同理论算法的控制器整定，另一个是控制器测试。控制器测试应充分利用仿真器的真实过程仿真特性，如测量中的不同类型故障、控制器配置中的故障以及不同类型的过程扰动。从2013年秋季开始，模拟模块1将作为控制论课程之前的动态系统课程（10 ECTS）的一部分进行教学。第一个模拟模块将进行修改，增加一些关于正常操作变化的动态过程响应的任务，以更好地适应电气工程专业学生的背景和兴趣。6.结论和进一步的工作利用商业模拟工具成功地实施了化学和电气工程课程的动态过程模拟模块。学生们发现使用商业模拟工具很有用，而且相对容易学习，并报告说他们的学习成果有所增加。老师报告说，学生的积极性更高，学习环境也更协作。根据老师的说法，将商业模拟器用于教育目的的成功因素是经验丰富的教师/教师，详细的用户和解决方案手册，小组合作任务，有足够长的时间让所有学生完成模拟任务，以及总结经验和结果的研讨会。将进一步努力将软件升级到较新版本，修改现有模块，并与模拟器供应商和其他学术机构合作编写新模块。引用卡梅隆， D、 克劳森， C.的方法， 莫顿， W. 2002年。用于操作员培训的动态模拟器 于：布朗施韦格，B.， 加尼河 （编辑）软件计算机辅助工艺工程的体系结构和工具。COBLE，A.，SMALLBONE，A.，BHAVE，A.，沃森河，Braumann，A. &克拉夫特为工程专业学生和专业人士提供真实的体验通过电子实验室教育工程（EDUCON），2010 IEEE，4月2010年2010年1085-1090年。科尔特E、埃谢K.，查萨皮斯角，MA，J. &NICKERSON，J. 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