工業鍋爐仿真培訓系統的研究現狀與發展趨勢*

孫志敏，馬 舜，韓樹新，趙 輝

（杭州市特種設備檢測院，浙江 杭州 310003）

0 引言

鍋爐是我國重要的熱能動力設備，為了與發電用的大型鍋爐相區別，我國把容量在65 t/h以下為工業生產供熱、為建筑物供暖的鍋爐稱之為工業鍋爐[1]。目前我國在用的工業鍋爐數量眾多，約60多萬臺[2]。工業鍋爐是一種危險性較大的特種設備，根據國務院頒布的《特種設備安全監察條例》及國家質檢總局頒布的《鍋爐司爐人員考核管理規定》，我國在用的鍋爐必須由經過培訓考核并取得操作證的司爐人員來操作。因此司爐人員所具有的專業理論知識和操作技術水平對于鍋爐的安全和經濟運行至關重要，對司爐工進行定期的技能培訓具有重要的意義。

然而目前我國工業鍋爐的運行管理能力比較低，尤其是中小型鍋爐，不僅分布廣泛，而且自動化程度較低，多數以人工操作為主，而司爐人員的總體文化水平又比較低，其技術水平參差不齊[3]，每年僅因司爐人員操作不當引起的鍋爐事故多達數百起，而由操作不合理導致的鍋爐長期低效率運行的情況則更加普遍，這直接對國家財產和人民生命安全構成了很大威脅。由于在真實的鍋爐上開展操作技能培訓不僅要耗費大量燃料和水電，而且還存在很大的危險性，難以實現，因此研究合理的培訓考核方式并開發智能的培訓裝置來提高司爐工的實際操作技能、事故應急處理能力及安全節能意識顯得十分必要。本文針對工業鍋爐的操作培訓方式及其裝置的研究現狀和發展趨勢進行綜述。

1 工業鍋爐操作培訓方式

目前我國的工業鍋爐操作培訓考核方式主要有三種：傳統方式、微機仿真操作培訓考核方式、半物理仿真操作培訓考核方式。三種方式的特點如表1所示。

1.1 傳統方式

傳統的鍋爐操作培訓方式是通過一定量的理論學習以及一段時間的實際參觀和操作實習后，經過專業部門的考核確認后頒發上崗證[4]。這種培訓方式以理論知識教學為主，培訓枯燥且周期長，由于考慮鍋爐生產和人員安全等問題，學員缺少實際練習的經驗，培訓時多數通過圖片和文字形式來講解，學員動手的機會很少，獨立操作的機會則更少，因此學員技能長進緩慢，培訓效果較差。此外，考核形式主要采用書面筆試和口頭面試，在評價學員成績時存在一定的人為因素，難以準確量化。

1.2 微機仿真操作培訓考核方式

近年來，隨著計算機仿真技術的發展，通過計算機仿真系統進行培訓成為了鍋爐培訓的新型方式。其中一種稱為微機仿真操作方式，采用純計算機軟件來仿真模擬真實鍋爐，學員通過操作鼠標鍵盤和觀察電腦顯示屏來鍛煉鍋爐操作技能。相比傳統方式，采用計算機仿真操作方式大大提高了培訓效率，但對于司爐人員的實際動手能力卻沒有明顯的提升作用。盡管計算機仿真系統可以生動地模擬出鍋爐真實運行情況并激發學員判斷控制實際情況的潛力，但是采用純粹的計算機軟件來模擬鍋爐，學員觀看計算機屏幕上的數據變化，通過鼠標操作代替實際閥門操作，和實際相差甚遠[5]。再加之司爐工自身文化水平有限，對計算機不熟悉，因此培訓效果一般。

1.3 半物理仿真操作培訓考核方式

隨著多媒體、傳感檢測、微處理器等技術的發展和應用，由計算機和實物模型組成的半物理仿真模擬裝置逐漸在操作人員的技能培訓考核中發揮作用。半物理仿真操作式的工業鍋爐培訓裝置由縮小比例的鍋爐實體或模型結合后臺仿真計算機組成，通常又稱為鍋爐模擬機、鍋爐混合仿真系統、半實物鍋爐模擬器等。這類系統采用與真實鍋爐相似的操作控制臺和本體外形結構，但沒有燃料水汽，鍋爐的運行由后臺仿真軟件模擬。相比純軟件的仿真培訓方式，在模擬機上操作各類閥門儀表，感受多媒體設備模擬出的鍋爐運行的各種聲音視覺效果，有利于學員快速獲得現場操作手感和空間感，有效提升實際操作技能，利用培訓裝置模擬工業鍋爐的常見事故，還可以鍛煉學員正確處理事故的能力，具有較好的培訓效果。但是，這種培訓方式也存在一些缺點，如培訓裝置開發費用較高，占地面積大，擴展性差，需要專業人員維護，使用時一臺設備只允許一人操作，培訓效率不高。

2 工業鍋爐仿真培訓系統研究現狀

西方發達國家的大型企業很早就利用計算機仿真技術開發了鍋爐仿真培訓系統，在工人培訓方面取得了十分顯著的效果[6]。而針對我國司爐工及工業鍋爐使用的現狀，引進國外的技術和裝備未必適用。最近十年，我國也開發了不少工業鍋爐仿真培訓系統，開展研究的單位主要以特種設備檢驗檢測機構、石油化工企業、高校研究所、鍋爐生產商為主。

表1 三種工業鍋爐操作培訓方式比較

2.1 微機仿真培訓系統

純軟件式的鍋爐仿真培訓系統具有開發費用低、周期短、擴展靈活、維護簡單等特點，不少單位開展了研究。浙江理工大學開發了一套多組態全工況工業鍋爐操作仿真培訓系統[7-8]。該系統采用C/S構架，硬件上由一臺服務器，一臺教練PC機，若干臺培訓PC機等組成，軟件上采用MS SQL Server 2000數據庫，GE公司的iFIX 4.0組態軟件。系統功能包含了點火、上水、升壓等鍋爐正常操作模塊，以及假水位、缺水、汽水共騰等故障操作模塊。該系統采用Petri網建模技術和Flash技術建立了鍋爐仿真模型，采用鼠標點擊形式進行操作，可支持300人同時進行培訓考試。

北京恒和大風軟件技術有限公司采用組態技術和圖形化建模方式開發了一套工業鍋爐仿真教學培訓軟件，如圖1所示，使用時通過鼠標來切換各個子系統的流程畫面及熱力參數曲線，支持燃油爐、燃氣爐、QXW、DZL等多種爐型。

圖1 鍋爐仿真教學培訓軟件

北京華康達計算機應用技術有限公司利用虛擬現實技術開發了一套司爐人員3D仿真培訓考試系統，如圖2所示。該系統采用三維界面，專用的仿真鍵盤，可使操作人員在3D場景中漫游巡視。

圖2 3D鍋爐仿真培訓考試系統

此外，齊齊哈爾質監局聯合哈爾濱理工大學以130 t/h循環流化床鍋爐機組為對象，采用Ad?vanTrol-Pro組態軟件研究鍋爐培訓模擬操作方法[9]。華中科技大學針對船用燃油鍋爐開發了一套基于虛擬臺盤的鍋爐仿真培訓系統[10]，由操作員臺和教練員臺組成，采用了集總參數法分塊建立了鍋爐系統模型，通過屏幕上的虛擬儀表開關進行模擬操作。江蘇石油化工學院開發了BG410t/h型和HG220t/h型燃煤鍋爐仿真培訓軟件，并對快速仿真算法開展了研究[11]。

2.2 半物理仿真培訓系統

半物理式鍋爐培訓系統的研究熱度要高于微機仿真式。大連鍋檢所聯合大連理工大學和三浦鍋爐等單位研制了工業鍋爐實際操作考核培訓模擬機[5，12]，如圖3所示。系統的硬件部分由鍋爐本體模型及其控制臺、PLC數據采集系統、PC上位機、交換機等組成；軟件部分采用三維力控組態軟件作為開發平臺，基于C/S構架，采用Modbus通訊協議，用VB進行第三方程序開發，集成多媒體、數據庫等技術，采用模塊化設計，包括演示模塊、練習考核模塊、評分模塊等。該系統包括三種爐型，其中立式燃油鍋爐外觀更為真實。

圖3 工業鍋爐實際操作培訓模擬機

華東理工大學聯合上海鍋檢所、杭州特檢院等單位研發了燃油/燃煤鍋爐仿真培訓考核系統[13-14]，如圖4所示。該系統硬件上由鍋爐實物模型和計算機系統組成，采用單片機配合I/O板作為下位機數據采集系統，由鍋爐實體產生的各種操作信號，經信號調理、數模轉換送入下位機進行預處理，然后以通訊方式輸入上位計算機，上位機控制整個系統的運行。軟件部分同樣采用C/S構架，用組態軟件結合VB作開發平臺，包括通訊程序、鍋爐仿真程序、監控程序、考核程序、智能評分程序等幾部分。

圖4 燃油/燃煤鍋爐仿真培訓考核系統

上面兩款鍋爐模擬機是目前在特種設備作業人員培訓機構中推廣較好的培訓裝置。此外，在石油化工領域，大慶石油管理局聯合浙江大學等單位也研發了類似的鍋爐培訓裝置[4，6，15]，硬件由工程師站、實物仿真系統、數字仿真系統三部分構成，三臺鍋爐模型通過數據采集卡連接一臺教練工控機，軟件采用VC++開發，運行在若干臺學員計算機及一臺教師指令計算機中。大慶石油學院等單位基于DCS思想，采用DOS、Borland C及FIX組態軟件為開發工具開發了由十臺仿真鍋爐和仿真附屬間組成的鍋爐仿真培訓系統[16]。中國石油大學針對勝利油田的工業鍋爐使用同樣也研制了由4臺油爐組成的混合仿真培訓系統，取得了較好的培訓效果[17-18]。

目前所開發的這些半物理式鍋爐仿真培訓系統具有如下特點：首先在硬件構架上通常采取圖5所示的方案，鍋爐實體按真實工業鍋爐的縮小比例進行設計，其中閥門儀表等操作顯示單元在實物基礎上進行數字化改裝，如在閥門內部安裝霍爾傳感器，在水位表中安裝LED光柱等，操作控制臺保留真實鍋爐的布局，下位機部分主要起到數據采集和處理的作用，對各類傳感器和數碼元件進行信號調理和轉換，實現方案有采用PLC、單片機，也有采用工控機。系統的軟件部分通常采用C/S構架，以組態軟件結合VB、VC等為開發工具，系統軟件通常運行于上位機和服務器中，其中上位機（PC客服端）上運行鍋爐仿真程序、監控考核評分等程序，服務器上運行數據庫程序，進行各類信息的管理。整套鍋爐培訓系統涉及建模仿真、傳感器應用、機電控制、組態、數據庫、面向對象編程、虛擬現實、人工智能等專業技術，是一個復雜的機電系統。

3 發展趨勢

工業鍋爐仿真培訓系統從90年代后期開始研制，其作用在司爐人員的操作培訓中得到了肯定，但是當前這些系統仍存在一些不足，其發展方向和需要完善的內容有以下幾個方面。

（1）近年來工業鍋爐的節能工作已成為我國節能減排國家戰略的主要內容之一，而目前我國工業鍋爐的實際熱效率較低，其中燃煤鍋爐平均僅為65%左右。實踐證明，司爐工的操作水平和安全節能意識是影響鍋爐效率的決定性因素，提高司爐人員操作水平而取得的節能效果可占節能總量的1/3左右[19]，因此開展司爐工節能操作技能培訓是非常緊迫的。目前的鍋爐培訓系統不具備節能操作方面的技能培訓功能，僅停留在安全操作技能培訓方面，如正常運行操作和事故應急操作。開發支持節能操作技能培訓的系統需要在軟硬件上具備一定條件，在硬件上多數操作信號要由開關信號改成模擬信號，如風門開度、閥門開度、煤層厚度、轉速等操作信號需要連續可調及采樣，這增加了系統的復雜度，而在軟件上需要支持鍋爐全工況動態仿真運行的精確數學模型，使得學員操作時系統各物理量之間建立聯動關系，因此開發節能型鍋爐培訓系統具有一定難度，但這是一個很好發展方向。

圖5 半物理式鍋爐仿真培訓系統硬件構架

（2）鍋爐培訓系統的可靠性、可維護性有待提高。雖然許多培訓機構都配置了半物理式的鍋爐仿真培訓系統，但能夠在司爐工培訓中長期使用的并不多。由于硬件上涉及多類傳感器、數碼管等電子元件，軟件上的編寫不夠嚴謹，系統出現故障之后需要專業人員修理才能恢復。較差的可靠性和維護性使得很多培訓裝置成為了一個擺設。如何在硬件選型和設計上把關，在軟件開發上減少程序漏洞，提高鍋爐培訓裝置的可靠性和易維護性是重要的發展方向。

（3）在仿真效果方面，除了軟件上對鍋爐仿真模型進行改進之外，在實物模型的外形和模擬效果上，可借鑒軍工、電力、化工等領域的仿真模擬器技術，應用各類先進的多媒體、光學、虛擬現實、人工智能等技術，提高系統的逼真度和操作真實感。

（4）在系統功能方面，除了節能操作培訓之外，智能培訓和遠程培訓也是發展方向之一，如在練習時主動診斷和記錄操作錯誤，根據學員的水平和學習情況自動選擇和調整學習內容及進度，對學員的學習行為自動評價等。

4 結束語

司爐工的操作技能水平是決定工業鍋爐安全經濟運行的重要因素。合理的培訓方法配合先進的培訓裝置能有效提高司爐工的操作水平。隨著虛擬仿真、計算機、傳感檢測、機電控制等技術的發展，工業鍋爐仿真培訓系統在有效提高司爐工的實際操作技能方面起到了重要作用，帶來了客觀的經濟效益和社會效益，對于安全生產、節能減排、以及國民經濟的健康可持續發展具有重要意義。

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