以仿真实习为主导的热动专业生产实习教学模式

摘要：本文针对目前热能与动力工程专业学生生产实习普遍存在的联系实习单位困难、现场实习效果不理想、指导教师缺乏工程实践经验和实习经费不足等问题，提出了以仿真实习为主导的专业实习教学模式，并从仿真系统的组成和功能角度出发讨论了仿真系统的功能要求和特点。

关键词：仿真实习；热能与动力工程；实践教学

作者简介：杨晨（1963-），男，天津人，重庆大学动力工程学院副院长，教授；苟小龙（1972-），男，四川南充人，重庆大学动力工程学院，教授。（重庆 400044）

中图分类号：G642.44     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）22-0107-03

能源行业企业的技术创新引发了对热能与动力工程专业人才的旺盛需求，这也使得热动专业实践教学改革势在必行：热动专业的工程教育背景决定了生产实习实践环节的重要性。在新形势下如何既快又好地培养工程专业人才，达到生产实习的目标是我们所面临的严峻挑战。

热能与动力工程专业学生在校期间要接受一系列的实践性教学的训练。其中专业生产实习是热能与动力工程专业教学计划中一个重要的实践性教学环节，任务主要是让学生将课堂里学到的专业理论知识与生产实际相结合，使学生对电厂设备和系统的启停操作、正常运行调整、事故处理分析的方法、内容和步骤等能有一个比较深入、亲历的了解；培养学生分析和解决生产实际问题的能力。然而，专业实习究竟采用何种教学模式，实习内容如何适应拓宽专业的要求，如何保证实习质量等问题一直困扰着我们。因此，如何改革产生实习教学模式，使其真正达到专业实习目的是培养热动专业合格人才的一个亟待解决的重要问题。

一、专业实习的现状

近年来由于企业改革和学校体制改革的深入，在安排生产实习和实施上出现了一些问题，对实践性教学带来了一些不利的影响。主要表现在以下几个方面。[1-3]

（1）联系实习单位困难。由于专业的要求，联系实习基地时往往需要选择电力企业及其相关行业。电力企业要求稳定、安全的生产。大批学生在同一时间进厂实习，不仅会影响企业正常的生产秩序，对企业的管理也带来了许多不便，一旦发生生产安全事故，后果不堪设想。因此企业往往视学生的实习为“额外负担”，不愿接受学生或勉强接受学生的实习。

（2）实习效果不理想。目前通常采用的生产实习基本流程：几十个学生在指导教师带领下，由企业工程师进行安全教育，然后结合本厂生产的实际情况，讲授电力的生产工艺，再由企业的相关人员带领下参观学习。由于现场环境的限制，加之学生在实习过程中走马观花式地参观，被动地听和看，缺乏动手机会，实习只起到了参观和旁观的效果，实习结束后学生对许多问题还是似懂非懂，达不到生产实习的基本要求。

（3）年轻指导教师缺乏工程实践经验。目前，各大高校每年都要新进数量众多的博士毕业生作为教学和科研的新生力量。而生产实习的指导教师通常就由青年教师和新进博士承担。他们大部分都是从学校毕业又到学校工作，没有在电厂的工作经验，无法及时准确解决实习中学生提出的技术问题。因此只能起到带队管理的作用，而不能对学生的实习进行有效的指导，也影响了实习的效果。

（4）实习经费不足。以往的实习厂方不收费用，或者收取的费用较少，近年来随着经济意识的增强企业普遍不愿意无偿接收学生实习，实习费用涨幅较大，而学校所拨的实习费用并无增加，从而迫使实习只能在就近便宜原则下缩短实习的时间或在有限的经费下删减实习内容，无疑降低了对学生能力的培养，实习效果不理想。

针对目前专业生产实习存在的上述问题，结合学校实施的素质教育，笔者所在单位采用了以实践性教学环节改革，施行仿真与现场实习相结合，以仿真实习为主导，现场参观为辅的实践教学模式。

二、以仿真实习为重点的专业实习模式的改革

以现代计算机为主要工具的仿真技术，具有模仿性、试验性、经济性、可靠性等特点，已成为科学研究、系统设计和教育培训的重要手段。随着人工智能技术的发展和计算机图形技术的运用，基于基本事态的仿真系统得到了长足发展，在教育培训领域内展示出良好的应用前景。尤其在工程实践教学领域中必将引起教育观念、教育内容和教学方式的重大变革。因此，在实践教学体系引入仿真教学，并与其他教学手段相互协调，将为工程实践教学的改革提供一种新的途径。同时，也必将提高现有的工程实践教学质量。

1.实习教学模式改革

鉴于我校热能与动力工程专业学生班级较多，从2008年开始，专业实习采用“先现场、再仿真”分阶段实习教学模式，实习时间安排三周，现场实习一周，仿真实习两周，以仿真实习为重点，加强实践教学环节，适应创新人才培养的需要。

2.仿真实习基地的建设

采用“先现场、后仿真”分阶段实习教学模式，必然要求建立相应的仿真实习基地，这也是实施实践教学模式改革的重点建设内容。针对重庆市周边火力发电厂的布局情况和学生专业实习的要求，仿真实习基地的建设分为两期进行，第一期建设以重庆发电厂200MW火力发电机组为对象的仿真实习基地（已完成）；以此为基础，2～3年后第二期建设以300MW和600MW机组为对象的仿真实习基地，模拟机组将包括超（超）临界机组和超临界循环流化床机组。

3.仿真实习大纲的制定

原有的现场实习已有完备和成熟的实习大纲和实习内容要求，采用“先现场、后仿真”分阶段实习教学模式后，必须制定相应的仿真实习大纲。仿真实习内容和目的主要有四个方面：①在现场参观基础上对电厂热力系统的进一步认识；②机组正常运行的监视与调整；③机组冷态、热态启动和机组正常停运；④典型故障和事故模拟及处理。

仿真实习大纲的制定以国家电力公司制定的《仿真机实习指导》教学大纲为主要编写依据，以典型的200MW、300MW和600MW机组为背景，结合现场运行规程编写，同时制定出新的生产实习过程管理和成绩评定标准。

4.加强青年实习指导教师的培训

专业实习的实践性极强，而青年教师的理论知识比较丰富但缺乏实际运行等工作经历，通过派遣青年教师到企业短期学习，提前到现场进行实习准备，教授仿真基础知识和仿真机的操作和控制等要领，为教师提供更多实践培训的机会，促使他们不断深入学习和研究，保证仿真实习的质量。

三、以专业实习为主要目的的火电机组仿真机

重庆大学动力工程学院从上世纪70年代中期开始进行热力系统仿真与建模研究，初期主要从事工程分析仿真，解决火电机组设计和运行中的实际工程问题。从90年代开始培训仿真系统的研究和开发，并特别注重培训仿真机在专业教学中的作用。在十年多的工作过程中开发形成了具有自己特色的培训仿真体系结构以及开发平台。在培训仿真方面在国内首次提出了紧凑型培训仿真系统的概念，在全仿真系统的建立以及虚拟仿真系统的开发方面具有一套完善的开发工具。

1.电站仿真系统的分类

电站仿真系统根据仿真范围可分为三类。

（1）全范围仿真机。一台大型发电机组的运行培训全范围仿真机，应是完全复制其控制室设备，包括对所有的实际控制、操作盘台、指示仪、显示器等的复制。仿真对象数学模型的动态响应过程应该和实际过程的动态响应一致，甚至包括声音和视景的复现。它的数学模型应是全范围全过程的，适应各种工况和事故状态的仿真。

（2）部分范围仿真机。部分范圍仿真机是在全范围仿真机的基础上，省去部分次要的仪器仪表、报警信号和操作设备，并省去相应的数学模型。一般认为可保留全仿真80％的内容，不影响主系统、主设备的正确仿真。

（3）原理性仿真机。并不是根据某一具体对象原型进行复制和仿真，而是作了大量简化，保留了原型的基本原理。例如简化和省去控制室操作盘台较多，软件上采用的不是专用于某一特定原型的数学模型，而是原理性通用数学模型。

2.DCS仿真系统

随着控制理论的发展，新的控制技术的出现，特别是计算机工业的飞速发展，使得包括热力发电厂在内的过程控制系统跨入了计算机控制时代。特别是分布式计算机控制系统DCS为生产过程的自动控制提供了强有力的手段，它采用微机智能技术，不仅具有记忆、数据运算、逻辑判断功能，还可以实现自适应、自诊断、自检铡。采用分级递阶结构，使系统功能分散、危险分散，提高了系统的可靠性，使系统更为灵活。在火力发电厂中应用分布式控制系统，不仅可以提高劳动生产率和电能质量，还能降低发电成本，改善劳动条件，为大型机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。DCS自问世至今已经开始步入第四代，DCS的可靠性及强大功能已经取代了绝大部分模拟仪表的控制，已成为火电厂自动控制的主流。

与此相对应，电站仿真系统必然要反映出DCS对火力发电厂运行和控制带来的巨大变革。根据DCS在电站仿真系统中的配置，体现DCS功能的仿真系统可分为三类。

（1）激励式（Stimulation–DCS）仿真系统。所谓激励式仿真机（Stimulation Simulator）就是将 DCS 与火电厂热力设备和机组模型直接对接构成的仿真系统。全激励模式保留原有的分散控制系统软件和硬件，接入一个只限于实现热力设备和机组模型仿真的仿真计算机。激励方式涉及激励系统至仿真计算机的接口，两个计算机系统之间的硬件接口可由通信接口实现。

激励式仿真机与实际参考机组具有软、硬件功能和人机界面HMI的高度一致性，保留了分散控制系统的全部功能，可在仿真机上方便地进行控制算法分析研究及改进，能够快速反映参考机组DCS组态的改变，也能预先测试机组的DCS组态改变。但实际DCS软、硬件价格昂贵，只能模拟参考机组，无法实现“一机多模”。

（2）虚拟（Emulation-DCS）仿真系统。虚拟仿真系统实现的DCS功能与实际参考电厂相同，但采用成本低廉的系统硬件和操作系统软件，但该类系统仍然需要采用价格昂贵的DCS软件许可。这类仿真系统有时也被称为“虚拟机”，“虚拟刺激”或“虚拟控制器”。其特征是虚拟仿真分散处理单元（DPU）和操作员站人机界面（HMI）与过程模型相连接，实现虚拟DDC的仿真机。该类系统仍然存在激励式仿真系统的模拟对象固定、无法实现“一机多模”的问题。

（3）全仿真（Simulation-DCS）系统。该类仿真系统使用仿真機专用开发工具模拟参考电厂的DCS功能，即所有软、硬件都采用价格低廉的通用硬件和工具。

全仿真系统在复制仿真对象方面具有高度灵活性，软、硬件成本低廉，无须实际DCS软件许可，可在实际DCS运行之前快速修改验证DCS组态功能。但该类系统无法使用实际DCS的数据资源，逼真反映参考对象DCS特性困难，开发工作量巨大。

3.以热动专业生产实习为主要目的的全仿真培训系统

热动专业的培养目标是培养基础扎实、知识面宽、能力较强、素质优良、富于理想与追求、勇于求实和创新、具有一定国际视野的能源转换与利用和热力环境保护领域的德、智、体、美全面发展的高层次、高素质工程技术和管理人才，以满足社会对该能源动力学科领域的科研、设计、教学、工程技术、经营管理等各方面的人才需求。专业生产实习的目有则在于了解和熟悉火电厂热力系统和自动化控制系统，了解发电厂的生产过程，掌握主要设备及系统的构成和工作原理，了解电厂热力设备的基本结构及其正常运行、启动、停机及事故处理等方面的实际知识。

根据专业培养要求，用于热能与动力工程专业本科生专业生产实习的仿真系统必须要与用于电厂职工培训用的仿真培养系统有所差别。首先，为了实现在模拟对象方面的高度灵活性和“一机多模”，我们的仿真实习基地采用全仿真（Simulation-DCS）系统。同时为了最大限度地减低成本，考虑到仿真实习的时效性，在系统硬件上没有设置专门的仿真实习用计算机网络系统，而是以学校现有的大型计算机房作为硬件平台，在每年实习期间安装相应仿真软件即可，从而大大节约了建设费用。图1为仿真系统的体系结构示意图，图中模型机与教练员站随着计算机功能的不断增强现已整合在一台计算机上，而工程师站在学生仿真实习中作用不大，可不予配置。本系统最大的特点是操作站的数量不受限制，可根据学生人数灵活配置。为了保证仿真运行的有效性，操作站可在网络环境下整体运行同一产生过程，也可以单机方式独立运行，极大地促进了仿真实习的灵活性和有效性。

其次，作为以本专业学生实习为主要用途的仿真系统，其功能设置上要体现出专业实习这一主要目的，除了传统的基本培训功能外，本仿真系统增加了电厂热力系统及设备的自学习功能，以多媒体技术为依托，学生通过该功能可对发电厂的生产过程，热力系统及主要设备的构成和工作原理进行直观和深入的学习；另外，仿真系统弱化了与实际机组运行密切相关的一些功能，如DCS的组态功能（包括控制组态、点组态等）、事故反演功能（着重模拟典型事故）、快慢速功能和打印功能等，使学生的注意力始终集中在认识了解生产过程、掌握主要设备及系统的构成和工作原理上。

为此，第一期建设的200MW机组仿真机的仿真范围如下。

（1）锅炉系统。包括炉本体系统、锅炉汽水系统、锅炉风烟系统、锅炉燃料燃烧系统、锅炉吹灰系统、锅炉疏水排污系统、锅炉蒸汽加热系统、锅炉点火系统等。（2）汽机系统。包括汽机本体系统、主蒸汽再热蒸汽及旁路系统、汽机回热抽汽系统、汽轮机润滑油系统油处理系统、汽机排汽及真空系统、汽机辅助蒸汽系统、汽封系统和汽机疏水系统、凝结水系统、给水系统、加热器疏水及排汽系统、仿真高加紧急疏水系统、密封油系统、闭式循环冷却水系统。（3）电气系统。包括发电机系统、发电机冷却系统、主变压器系统、励磁系统、厂用电系统、继电保护和自动装置系统、保安系统、直流系统、电力系统。（4）热控系统。全方位模拟机组装备的分散式控制系统DCS的控制、监视、保护、操作等。（5）就地设备。就地操作系统仿真范围为被仿机组DCS操作以外与机、电、炉、热相关的就地设备。

四、结语

将体现现代高科技应用的电站仿真技术与传统专业实习相结合的热动力专业生产实习模式改革，通过连续三年的实践已取得以下成效。

（1）促进学生参与实习的积极性。对电厂系统和设备结构、流程和工作原理、运行特性、操作特性、机组启停、事故处理等的认识显著增强。（2）学生就业竞争力改善。通过仿真实习，能够加强学生的工程素质，提高学生的综合能力，使学生在具备扎实的理论基础知识和接受通识教育的基础上，增加了对火电厂这一本专业主要服务对象的适应能力，提高学生的就业竞争能力。（3）节约实习经费，解决实习单位联系难的问题。

参考文献：

[1]徐旭,赵晓东,王玉刚.热能与动力工程专业生产实习教学模式的探讨与实践[J].中国电力教育,2008,121(9):148-149.

[2]胡刚刚,等.以仿真为特色的电厂实践教学平台建设与应用[J].中国电力教育,2009,137(5):126-127.

[3]刘亮,等.能源动力类专业毕业实习教学模式的探讨与实践[J].理工高教研究,2006,25(2):130-131.

[4]杨晨,苟小龙,唐胜利,王广军.水电机组紧凑型培训仿真机的开发[A].2003全国仿真技术学术会议论文集[C].2003.

[5]苟小龙,杨晨,唐胜利,何祖威.利用DCS 组态的仿真机软件设计[J].计算机仿真,2003,20(3):77-79.

[6]唐胜利,何祖威,杨晨,苟小龙.全模拟紧凑型电站培训仿真器的开发[J].计算机仿真,2001,18(1):25-28.

（责任编辑：麻剑飞）

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