污水處理過程風險控制的仿真系統

席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學管理與經濟學部）

污水處理過程風險控制的仿真系統

席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學管理與經濟學部）

污水處理過程生化反應過程復雜，現場實驗不僅時間長且成本高。為了有效節約崗前培訓時間、提高員工對設備認知度，建立了一套基于可視化軟件的污水處理過程仿真系統，并輔以HAZOP分析強化仿真效果。通過系統關鍵節點信息彈窗，污水處理過程工藝仿真實現與實際處理過程相結合，能夠有效地提高崗前培訓效果，改善生產安全現狀并提高設備管理水平。

污水處理；可視化軟件；系統仿真；HAZOP分析

0　引 言

污水處理過程作為復雜的生化反應過程，現場實驗時間長、成本很高。實驗教學是許多學科尤其是石油煉化企業進行學習及崗前培訓重要環節之一，實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性和創新性。因此，設計了一套基于虛擬軟件的仿真系統用以模擬污水處理過程的工藝流程，以期望達到實驗教學的目的。

1　虛擬仿真平臺的適用性及優點

仿真是利用模型代替實際系統進行實驗和研究［1］。虛擬儀器是一種功能意義上的測量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合［2］。采用虛擬設備技術仿真設計，可以縮短系統組件時間，降低開發費用［3］。基于模型的計算機仿真軟件即可用于新工藝的開發、探討新運行策略的可行性；又能節省人力財力、提高科研效率和過程控制效果，因此，仿真軟件對污水處理系統格外重要［4］。

在通用計算機平臺上，根據測試任務的需要定義和設計儀器的測試功能，充分利用計算機實現和擴展傳統儀器功能，開發結構簡單、操作方便、費用低的虛擬實驗儀器，包括數字示波器、頻譜分析儀、函數發生器等［5］，既可以減少實驗設備資金的投入，又能為學員做創新性實驗、掌握現代儀器技術提供條件［5］。

系統以Lab VIEW 軟件為基礎，對某污水處理廠區全過程進行仿真，并將其中關鍵節點所涉及的儀器設備信息進行標注，并輔以HAZOP分析結果強化仿真效果，有效的提高了新員工崗前培訓效果，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時間，保證了廠區污水處理過程的高效運行狀態。

目前，虛擬儀器的開發軟件有許多，但Lab VIEW比起傳統的語言和其他控制及數據采集程序包具有更大的優勢。Lab VIEW是一種新型的圖形編程平臺，稱為G圖形語言的可視化交互技術［6］。與使用傳統的編程語言相比，Lab VIEW大大提高了生產效率。經過在小項目上的比較測試得出結論：用C語言的效率比用Lab VIEW的效率低4/5［5］。

污水處理過程的仿真可分為兩種類型：一是對某一環節或某一控制策略的實施進行仿真［7］，此類仿真程序在文獻中較為常見；二是對污水處理整個過程進行仿真［8］，此類仿真能對不同狀態下系統出水的效果分析、辨識，還可以添加控制模塊對系統控制效果進行模擬。

2　虛擬仿真系統的設計

系統所設計的虛擬平臺主要針對新員工崗前培訓及安全工程專業學生學習所用，主要用于輔助員工及學生完成對工藝流程的認識，以達到盡快熟悉操作系統的目的。因此，在設計操作界面時，盡量以系統P&ID圖的方式呈現。工藝流程如圖1所示。

圖1　含油污水處理工藝流程

現以油水分離過程子系統為例，展示本虛擬仿真系統的設計思路及界面設計。

由于該含油污水仿真系統旨在針對新員工崗前培訓及安全工程專業學生學習，因此為了方便學習及認知，特別將系統的可視化界面設計為類P&ID圖的方式，這樣在結合現場工藝操作流程時可以有效減少因仿真界面與實際操作現場誤差過大造成的認知誤差。同時，為了提高效果，特別將HAZOP分析結果及關鍵節點所涉及的儀器設備信息進行標注，強化對工藝流程及可能存在的安全隱患的認識。

2.1系統可視化界面的設計

系統設計的目的是為了有效提高新員工崗前培訓效果，達到減少因人為操作失誤造成的非故障停車時間，并盡量保證廠區污水處理過程的高效運行狀態，因此在設計平臺操作界面時，將儀表加入操作界面，提高對工藝流程的認知度。對于較為簡單的子系統界面，如圖2所示為油水分離系統，分為工藝流程仿真區和儀表觀察區，將系統中關鍵位置的參數儀表排列于下方，以便觀察所用。圖2中下方儀表及圖標從左到右分別為：系統采樣周期設置（可調節）、隔油池液位及液位報警、含鹽污水流量、含油污水流量、子系統說明及HAZOP分析結論。有效減少了切換可視化界面造成的認識誤差。

圖2　平臺操作界面

2.2工藝流程界面設計

仿真系統的工藝流程仿真區采用類P&ID圖的設計方式，將管道中液體的流向進行標注，幫助用戶對工藝進行初步認識，并將管道中所流動介質進行標注以方便對工藝過程的理解，其中關鍵設備，如閥、泵、儀表的位號進行了標注以方便對照現場操作設備和對照工藝流程圖進行學習和認知。

2.3設備及工藝基本信息引入

為了能夠更好的對工藝流程進行認知和學習，首先需要了解其中關鍵設備的基本信息以及系統的基本運行情況。因此，在系統的仿真操作界面上，特地將搜集到的操作節點中關鍵設備如儲罐、閥、泵、儀表等的基本信息及工藝流程基本信息引入。同時，為了能夠使得受培訓的員工或學生能夠更簡單的了解到對應工藝或設備的基本信息，該仿真系統采用彈窗模式將所需信息引入，如圖3所示。為了有效區分關鍵設備及工藝，利用Lab VIEW布爾開關形式模擬儀表圖形，點擊即可彈出儀表或工藝基本信息的彈窗，方便對儀表信息及工藝流程進行有效的記憶和理解。

圖3　工藝基本信息彈窗

2.4設備儀表視窗設計

崗前培訓要求員工必須盡快適應各種儀表、閥的操作或讀數界面，因此為了提高培訓效果，在該仿真系統中加入設備儀表的示數界面，以增強直觀觀測效果，減少因工藝流程復雜所造成的培訓效果降低。另外，為了與仿真系統進行一定程度上的互動，特別加入了采集周期選擇系統以及與儀表相對應的可調高報警及低報警旋鈕，用以調整監測上下限，以方便教學或培訓之用。如圖4所示，界面左邊為采樣周期和液位報警設置界面，可根據需要進行調節，旋鈕和條形控制按鈕可以對所需數據進行粗調，而框體內可以進行具體數據的設置，以改善需要微調時條形控制按鈕和旋鈕較難控制的不足。界面右半部分為隔油池液位監視儀表的視窗，可以監控一定時間段內的液位變化，右側為液位報警裝置，當液位超過所設定的最高或最低限制時，相應的報警裝置會亮起，以醒目的紅色顯示。

圖4　液位儀表視窗界面

3　HAZOP分析的引入

HAZOP分析是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化、系統化分析方法，其分析的過程是由各專業人員組成的分析組按一定原則將工藝過程劃分為合理的分析節點（或稱工藝單元），再針對每一個分析節點識別出具有潛在危險的偏差。分析組對每個有意義的偏差都進行分析，分析其可能原因、后果、已有安全保護等，同時提出應該采取措施和行動［9］。HAZOP分析具有激發創造性、開拓思路、系統檢查全面、獲得有益知識、易于決策等優點［10］。

因為HAZOP分析需要由不同專業不同崗位專家人員進行“頭腦風暴”，將關鍵設備設施對偏差的原因、后果、已有安全保護措施等項目進行綜合分析，識別出所有可能導致隱患和操作性問題的原因，提出改進意見和措施，以徹底解決存在的安全問題［9］。在仿真系統中，無法達到類似“頭腦風暴”的效果，為了方便員工對工藝流程和設備進行有效的認知和分析，需要將HAZOP分析所得出的關鍵設備設施風險分析直接進行標注，以方便員工或學生對比自己分析的結果進行完善。為了避免與設備基本信息混淆，將風險分析彈窗按鈕在工藝流程界面中以紅色布爾開關形式定位于存在風險的關鍵設備附近，起到提示和幫助作用，圖5為隔油池風險分析結果及現有安全防范措施，學生或崗前培訓人員可以根據專家HAZOP分析結果與自己的預先評估進行對照，達到良好的學習培訓效果。

圖5　隔油池風險分析

在將所有可能存在的隱患進行識別之后，需要對后果進行分析整理，以方便進行分析后整改。在本文設計的系統中，借用風險矩陣對可能造成的后果進行評估。風險（R）由發生的概率（L）與發生后造成的嚴重程度（C）決定。其公式為：R=L×C。

在確定概率與嚴重度后，通過上式可計算出風險R。風險矩陣中以橫坐標為L，縱坐標為C。在風險矩陣中，根據R對應值來判斷隱患所能產生的后果是否需要立刻進行改正。

經過系統分析，可以清晰的辨識出存在的不可接受的情況或必須要改正的狀態，進而提出需采取的行動，要涉及防止原因出現事件的出現和減少后果嚴重性，同時還應兼顧可操作性和經濟合理性。圖6即為存在安全隱患的隔油池及液位控制回路的風險評級及建議彈窗，其中詳細列出了該安全隱患現有的防范措施，并根據HAZOP分析確定了其后果和頻率等級從而確定了該隱患的風險等級。建議內容及建議措施的具體實施方法及控制回路的報警偏差范圍（10%）也在彈窗中有所體現，對初次接觸該套系統的用戶有很好的指導作用。

圖6　隔油池風險評級及建議彈窗

4　結 論

基于Lab VIEW的含油污水處理過程風險控制的系統仿真具有以下優點：①基于圖形化語言所設計的仿真系統不僅易于操作而且易于學習，能夠有效提高培訓及學習效率；②有效降低了污水處理過程的成本及實驗時間；③結合HAZOP分析對污水處理過程工藝流程進行學習和培訓，提高了認識和防范安全隱患的意識，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時間，保證了廠區污水處理過程的高效運行狀態。

［1］ Chen Zhaobo，Zhou Aijuan，Ren Nanqi，et al.Pollutants Removal and Simulation Model of Combined Membrane Process for Wastewater Treatment and Reuse in Submarine Cabin for Long Voyage［J］.Journal of Environmental Sciences，2009，21（11）：1503-1512.

［2］ 張軍.A/O水處理工藝虛擬設備設計［J］.河南科學，2010，28（10）：1337-1339.

［3］ 張建宏.虛擬儀器技術及其應用前景［J］.電力學報，2007，22（3）：354-355.

［4］ 李志強.SBR污水處理工藝模糊控制器設計及仿真［D］.重慶：重慶大學，2008.

［5］ 陳運濤，李彬，張富平.Lab VIEW在虛擬仿真中的應用［J］.火力與指揮控制，2004，29（4）：110-112.

［6］ 劉剛，王立香，張連俊.Lab View8.20中文版編程及應用［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［7］ 樊立萍，于海斌，袁德成，等.SBR污水生化處理系統的最優控制及改進［J］.控制與決策，2005，20（2）：237-240.

［8］ 柳春平.城市污水處理自動控制系統的研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2004.

［9］ 趙文芳，姜春明，姜巍巍，等.HAZOP分析核心技術［J］.安全、健康和環境，2005，5（3）：1-3.

［10］錢鈞，魏利軍，李少鵬.安全儀表系統等級劃分與HAZOP分析的結合應用［J］.中國安全生產科學技術，2009，5（5）：148-151.

（編輯 王蕊）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.022

1005-3158（2015）06-0077-03

2015-03-20）

席冠男，天津大學管理與經濟學部管理科學與工程專業在讀博士。研究方向：工程管理。通信地址：天津市衛津路92號天津大學49齋311，300072