在線操作員培訓仿真系統在大型煉化一體化項目中的應用

劉齊忠,林 融

(1.福建聯合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800; 2.中國石化工程建設公司,北京 100101)

0 引 言

在石油化工生產技術日新月異、市場競爭日趨激烈的今天,提高操作人員的操作技能、精簡員工數量已成為各大石化公司降低成本、挖潛增效的重要手段之一。提高操作人員的操作技能可以減少事故發生次數、降低事故損失和提高生產效率,但高超的操作技能卻不是一蹴而就的。特別是對于沒有任何操作經驗的新建工藝裝置,要想提高操作人員的技術水平需經過大量的理論和實際培訓。理論培訓只需時間即可,而實際培訓則需在實際裝置親自動手操作和經歷各種開停工及事故處理才能達到理想的效果,這在國內同類裝置培訓、只能看不能動的條件下是很難實現的,特別是對于大型煉化一體化項目,由于具有裝置多、操作人員少及技術復雜等特點,操作員培訓的任務尤顯艱巨。鑒于此,在20世紀90年代到21世紀初國內大型石化項目中操作員培訓仿真系統(OTS)得到了越來越多的應用:它不僅可以解決裝置培訓中難以解決的難題,還可以在作為培訓基地長期培訓企業操作員的同時優化工藝生產方案和提高自動控制水平。

1 OTS簡介

OTS是以計算機技術為手段,通過建立過程的動態數學模型,并在以計算機為基礎的硬件環境上再現真實過程系統特性的軟硬件系統。它的軟硬件環境一般包括計算機、系統軟件、仿真軟件、生產過程數學模型。它是建立在過程工藝技術、過程控制技術、信息技術等基礎上的多學科綜合技術。其主要目的是使生產操作人員在進行實際生產操作前,了解、熟悉、掌握生產過程和操作環境,以培養一批技術熟練、經驗豐富的操作人員。

操作員培訓仿真系統的開發包括工藝過程機理剖析、數學模型開發與合理簡化、仿真算法選擇、計算機圖形技術、基于軟件技術的交互環境的開發等,可謂是一項集計算機應用技術之大全的復雜系統工程。因此了解過程仿真技術發展的歷史、現狀和發展趨勢,對于更好地選擇和應用OTS有非常重要的意義。

1.1 仿真技術發展歷史

仿真技術經過半個多世紀的發展,從研究簡單系統到現在已經成為人們研究復雜系統的有力工具,大致經歷了三個階段。

a)發展階段。二次大戰末期至20世紀60年代,自第一臺通用電子模擬計算機的誕生,到導彈、核電站和航天領域的仿真技術應用,使仿真技術從產生得以逐步發展。

b)成熟階段。在軍事需求推動下,20世紀70年代仿真技術不但在軍事領域迅速發展,而且擴展到許多領域,如飛行員和工業系統的操作員仿真培訓,相繼出現了一些從事仿真設備和仿真系統生產的專業化公司,使仿真技術達到了專業化水平和產業化應用的成熟階段。

c)高級階段。20世紀80年代到90年代,隨著國防工業和工業系統的發展,被仿真的系統日益復雜,規模越來越大,為了更好地實現信息、資源共享,促進仿真系統的互操作和提高使用效率,以美國為代表的發達國家在分布交互仿真、先進的并行分布交互仿真以及聚合級仿真的基礎上,仿真技術開始向仿真的高層體系結構(HLA)發展。

在國內石化行業仿真技術的應用主要體現在OTS及衍生的輔助功能設計和先進過程控制方案,該文主要討論內容是以 OTS為主要對象。1985年國內化工行業先后引進了美國公司的幾套OTS,ABB公司和Audy Dynamic公司的產品。由此,不但使OTS的應用得到推廣(特別是近十年來,國內大型煉化一體化項目或大型合資項目均采用了OTS),也產生了具有一定實力的國內供應商(1987年北京化工大學與燕山石化合作研制成功國內第一套通用性的石化OTS)。目前,在國內石化行業應用較多的OTS廠商有國外的Aspen, Invensys,Honeywell公司和國內的華康達公司及東方仿真公司等。

1.2 OTS發展趨勢

OTS完成操作培訓的目的,已經比較成熟,但隨著信息技術和自動化技術的發展,以及流程工業工藝技術的進步,操作培訓仿真技術發展方興未艾,其發展趨勢主要表現在以下幾個方面。

a)仿真過程的智能化。實現建模與仿真的前端和后端智能化是其一大發展趨勢。前端智能化是通過智能化人機交互界面來了解待建模系統的信息,并利用已有的模型庫、專家知識庫來構造系統仿真模型,從而達到充分利用專家知識減輕開發者建模負擔的目的;后端的智能化則是使仿真系統自身具有分析仿真實驗結果并對仿真過程的性能做出判斷,提出修補措施或自動適當地改變仿真模型的結構與參數。

b)多用途化。隨著仿真技術的進一步發展,將使得過程仿真培訓系統能夠完成更多的任務,主要包括:

1)新的操作工藝和技巧的設計與開發。

2)輔助決策。

3)故障診斷技術的訓練。

4)先進控制技術的測試與應用。

5)優化裝置的運行,達到節能降耗的目的。

c)面向對象仿真建模技術的應用。該技術在理論上突破了傳統的仿真方法的概念,根據組成系統的對象及其相互作用關系構造仿真模型,且仿真模型的對象表示實際系統中相應的實體,從而拉近了模型與實際系統之間的距離,使建模仿真的思想與人們認識客觀世界的自然思維方式一致;且容易實現與計算機圖形學、人工智能和管理決策科學的結合,但目前在仿真的實現機理和仿真邏輯等理論上還需進一步研究。

d)三維可視化仿真。可視化就是充分利用多媒體技術來實現仿真系統人機交互。用戶界面是人與仿真世界交流的途徑。目前的應用狀況有以下幾個特點。

1)采用圖形用戶界面(GUI)實現友好人機交互和通過GUI使仿真及分析的輸入輸出更加簡明易懂。

2)在培訓仿真和分析系統中廣泛應用動畫和三維圖形,將仿真數據和分析結果結合起來形成直觀的圖像。

3)虛擬現實技術的應用。VR利用計算機生成三維交互環境,容許人通過三維圖形、觸感、運動感知等方式感受仿真世界并直接操作其中的物體,在空間自動移動視點,并與其他交互局中的人員彼此可視,從而使受訓人員沉浸在一種接近真實的仿真訓練環境中。

e)在線(On-line)仿真技術。是指將過程控制系統(如:DCS,CCS,PLC等)中的過程實時數據從接口服務器內的實時數據庫傳遞到仿真系統服務器(又稱模型服務器)內的關系型數據庫,從而實現下列幾項功能。

1)仿真模型的輸入數據與過程實時數據基本同步(允許有2 s的滯后),保持OTS對過程操作的實時跟蹤。

2)操作畫面由DCS操作員站畫面經過圖形轉換而來,以保證操作員仿真培訓的環境與實際操作的環境基本類似。

3)仿真系統的控制模型也能按照DCS設計組態的控制算法轉換而來,控制精度很高。

4)仿真系統能夠保存DCS的歷史數據,實現數據重演功能,并能實現與DCS的趨勢曲線比較功能。

5)根據仿真系統的運算和分析結果,對工藝操作參數和過程控制系統參數進行實時調整及優化。

2 OTS的項目需求和技術方案選擇

隨著石化工業日趨大型化、一體化和智能化,所包含的煉油化工裝置的技術也日益復雜化、控制功能也達到了很高的智能化水平,這就為項目的設計、實施和裝置開工試運及后續的安全生產提出了更嚴格的要求,同時還可對企業帶來多方效益。其中包括在安全的前提下,減少裝置開、停車次數;對操作規程進行安全、快速地評價;在完全沒有毀壞性的環境中進行出色的操作員培訓,并有重放功能;支持控制和應用工程師設計高級功能;在完全安全的環境中實現操作員的合格驗證和再驗證;實現控制系統響應和性能的準確分析與故障排除;為控制工程師提供了一個系統改造和升級的理想設計環境;使技術員能學習和理解診斷的技能和控制回路協調理論;加速生產優化和改進,如脫瓶頸分析。

除此以外,在項目實施中還應為后續的事故處理和演練、生產控制優化、生產方案決策等提供必要的支持功能,以進一步提高企業自身的競爭能力。

因此,近幾年新建的大型煉化一體化項目(尤其是合資項目)均在項目實施的同時為工藝技術相對復雜、操作難度和安全要求相對較高的煉油和化工裝置配置了OTS。

OTS架構如圖1所示,OTS與實際裝置及控制系統對應關系如圖2所示。

圖1 OTS架構

圖2 實際裝置與OTS仿真模擬

大型一體化項目OTS的技術選取主要服從于項目環境、特點和需求。

2.1 項目環境和特點

不同項目的新建工藝裝置及操作人員對其工藝操作熟悉程度各不相同,且因所處地理位置的限制,操作培訓的難度也各異。所以,在選取OTS之前應視具體情況確定所需仿真的裝置范圍。

2.2 系統功能要求

一般來說,項目實施OTS是為實現冷態開車、熱態開車,正常停工、不同原因造成的緊急停車,不同原因造成的緊急狀態處理、操作異常、常見事故處理、設備故障處理等基本功能。因此,選取的技術必須能很好地提供上述功能并具有較高的精度(具有令人滿意的動態和靜態誤差),但為了充分合理地利用資源、提高投資效益還應考慮在設計、生產方案優化和先進控制等方面的應用。

2.3 OTS供應商

在項目實施過程中,由于受工程進度和培訓時間保證等因素的約束、受設計資料的提供和過程控制系統組態等因素的影響,作為項目實施的最尾端和最先啟用的工程子包,對OTS供應商的項目管理、技術實施的綜合能力要求極高。同時,由于在OTS投用后,還需經過控制系統現場調試和聯調、開工試車時問題的處理,從而導致組態內容需進行較大的修改;OTS軟件平臺的升級;多樣性用途的功能開發和綜合利用等均需要OTS供應商具有很好的售后服務能力和良好的聲譽。

3 OTS項目實施

在簽訂技術選取的要求后即可以此為依據編寫項目技術規定和詢價文件并制訂初步的技術方案,在招標過程中的技術澄清和開工會時確定最終的技術方案、詳細工作內容、項目實施進度及各方職責,然后在用戶提供的設計資料基礎上進行功能設計(編寫、審查)和工程實施(軟/硬件集成、系統開發和建模、模型測試、控制系統組態軟件集成、系統測試、FAT和SAT)等工作,最后投入操作人員的培訓。

3.1 OTS的方案制訂

技術方案選取的約束條件是投資成本和使用方便,即在合理投入成本的基礎上選取一個功能齊全又實用的技術方案。從近期各大型項目選用OTS的實際經驗和國內外相關供應商所能提供的產品來看,主要有以下兩種方案。

a)單網多用戶型,即只配置一條網絡培訓所有的模擬裝置。優點:投資少,項目實施簡單(所需的控制系統仿真軟件用戶許可少,系統結構簡單);缺點則較多:系統維護量大、培訓效率低(每次只能培訓一個裝置,且培訓前須化4～6 h卸載前一裝置及安裝所需培訓裝置的仿真模型,對維護隊伍要求較高)。

b)多網單用戶型,即根據仿真范圍的要求,配置多條OTS網絡,每個網固定培訓1～2套裝置。其優缺點剛好與第一條相反。

某大型煉化一體化項目由于地處偏遠、公司維護力量薄弱、項目工期短、培訓時間急迫等,選取了上述第二種方案,具體配置如圖3所示。

圖3中,每一套可同時培訓8位操作員(每人擁有1臺操作站)。每一條網絡既可全部用于培訓某套裝置,也可同時培訓兩套不同的工藝裝置。每一套系統同時培訓兩套不同的裝置時,DCS模擬的起停、存儲等互不影響,即相當于在同一個系統中有兩套獨立的子系統。

圖3 OTS技術方案配置

3.2 OTS的設計

在開工會完成后,用戶即可根據開工會要求,向OTS供應商提供相關工藝包設計文件,以便確定每套裝置的模擬流程和模擬內容。然后由后者著手編寫相關裝置模擬模型的功能設計文件并提交用戶審查,主要內容如下。

a)制訂詳細的項目進度計劃,確定具體功能要求和工作內容。

b)模型范圍的定義,以確定工藝流程圖、管道及儀表流程圖、過程模型的保真度模擬設備列表,明確各控制系統、輔助系統、公用工程和電氣、儀表系統及相應設備的模擬要求。

c)建模方法,主要根據現場設備的不同要求使用通用建模方法和特殊建模方法等兩種模擬方法。

d)邊界條件,澄清模型流入和流出的邊界條件和相關數據。

e)工藝說明和操作程序。

f)確認和驗收,驗收測試計劃及相關內容和方法。

3.3 OTS的工程實施

項目初期,用戶可在技術交流的基礎上根據自己的特點和需求確定OTS的技術要求和技術方案,編寫詢價文件實施招標。在選取中標商后,即可完成如下項目實施工作。

a)召開開工會。主要任務:確定各方項目執行組織機構、聯絡人及聯絡方式;確定項目需完成的文檔目錄及文檔編碼要求;確定相關裝置模擬范圍,所需設計資料提交時間;以整個項目的實施進度為依據制訂詳細的項目實施進度;各方界面的澄清及協調程序的制訂;確定相關方設備和資料交接渠道、時間計劃和要求;確定來往函件要求和項目實施會議及周報、月報制度;OTS的工廠培訓和現場培訓要求。

b)系統設計和軟硬件配置。

c)模擬模型建立和模型測試(MAT),FA T和SAT。

整個實施過程需要10個月到1年的時間,一般來說,對于具有相當技術實力和項目實施經驗的供應商質量容易得到保證,其實施難點主要在于項目進度控制。這一點從OTS的組成即可看出: OTS主要由工藝裝置模擬系統、過程控制系統模擬和人機界面等三部分組成。其中,工藝裝置模擬系統主要由仿真模型軟件和相關計算機硬件系統構成,由OTS供應商獨立完成;而對過程控制系統模擬和人機界面來說,則除了需要由相關控制系統供應商(由OTS供應商使用全軟件仿真控制器模型除外)提供相應的軟硬件平臺外,還需將相關控制系統的組態與OTS的仿真模型軟件進行有機的集成,這樣,過程控制系統(DCS/SIS/FGS/ITCC等)的組態軟件的準確性、完整性及交接時間將直接影響OTS的整個項目執行進度。要解決此問題,需在用戶的協調下,相關各方提前制訂預警措施、密切配合。

4 實際應用效果

OTS在操作員培訓過程中發揮了重要作用,通過仿真可以實現與實際裝置基本一致的操作環境,操作人員在進行真實DCS操作之前,可放開手腳在仿真系統上提前熟悉DCS基本操作,摸索、掌握裝置操作和調節方法,并對開停工方案進行測試和演練,為操作員的考核提供了一個真實的平臺,大大縮減了培訓合格、熟練操作人員所需要的時間,使操作員在開工過程中能做到心中有數、不慌不亂。項目開工試車前,先后為公司培訓操作員及教員300多人次,在工期較短的情況下為項目相關裝置的順利開車提供了一批高素質的操作人員,為裝置安全、平穩地投產和運行提供了可靠保證。

另外,在系統開發、集成過程中,仿真系統還對DCS控制策略、控制邏輯、控制回路等進行測試和驗證,提前發現并及時糾正了 DCS/SIS/FGS/ ITCC等控制系統組態中出現的錯誤,縮短了控制系統現場調試的時間,并且為后續的公司操作員培訓、事故分析、生產方案優化及先進控制提供了一個很好的軟/硬件平臺。

5 結束語

從OTS的成功實施及后續應用開發兩個方面綜合考慮:OTS項目的成功實施,需要具備優秀的OTS供應商、工藝裝置的EPC承包商、具有一定實力的用戶項目管理及工藝生產人員;而后續的應用開發,則需要在OTS的平臺上不斷進行相應的升級、完善及功能開發,可以持續不斷地為公司提供操作員正常培訓、事故演練、生產方案測試和優化,既可提供高水平的操作員、也可為生產方案優化提供依據;功能開發則可以作為先進控制策略建模前的階躍測試和模型建成后試投用的平臺,為企業的先進控制和實時優化的成功實施提供保證。要想實現上述功能,需在企業高度重視的前提下配置一整套的人員和管理機制。

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