VxOTS軟件仿真培訓系統的測試方法介紹

張 瑩，沈孟龍

（浙江中控技術股份有限公司，杭州310053）

化工、石化類型的生產企業，常常具有連續操作、設備密集、高溫易蝕、易燃易爆、有毒有害等特點，而往往由于企業對安全方面的重視程度問題，容易引發各類化工企業安全事故。而操作員仿真培訓系統，可以在計算機上仿真模擬化工/石化/煉油等行業各流程的真實生產過程，建立對應的“虛擬工廠”，包含其生產過程及其控制邏輯。在此基礎上，實現對工廠過程和控制邏輯的模擬、調整和培訓。這種仿真模擬技術[1]可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行及各種事故過程的現象和操作，是生產裝置操作工培訓和工藝方案研究的高效手段。仿真培訓系統已經成為提高企業的經濟效益，降低生產成本，提高其在國際市場中的創新力、應變力、適應力和綜合競爭力的主要手段之一。

為此，開發了一套中控技術公司自己的操作員仿真培訓系統OTS（operator training system），與公司已有的產品相配套，不但可以彌補傳統培訓模式的不足，通過計算機仿真技術模擬實際裝置，實現操作人員在裝置開車、停車、正常運行及緊急事故處理等各類工況下的操作訓練，從而快速、高效地提升其操作技能。因此，OTS 對企業的生產運行具有重要意義，還可以提高公司市場競爭力，對公司發展起到推動作用。

1 VxOTS 簡介

OTS 可以模擬工廠各種生產狀況，如開工、停工、正常操作、設備故障和緊急狀況等，對操作員進行操作培訓[2]，幫助用戶保障現場安全，縮短開停車時間，減小環境不確定因素影響，延長各裝置連續生產時間，提高操作員知識技術水平，降低產品不合格率，評估操作員培訓情況和操作能力。

中控VxOTS 軟件仿真培訓系統是基于中控智慧仿真平臺架構。該平臺采用微軟新一代的WPF（Windows presentation foundation，Windows 呈現基礎）界面框架技術，為用戶提供直觀、友好且功能強大的開發及培訓功能；支持OPC，Modbus 等通信協議，使系統具有更好的靈活性、開放性、可擴展性。

中控VxOTS 軟件仿真培訓系統由仿真建模平臺、教師站軟件、學員站軟件、操作評價軟件等4 個組件組成，其系統架構如圖1所示。類比真實DCS系統架構，VxOTS 中的VF（visual field）仿真虛擬控制器對應DCS 的真實控制器，VxOTS 系統中的仿真模型對應實際生產裝置。其中VxOTS 仿真模型部分與DCS 系統的具體對應關系如圖2所示。

圖1 VxOTS 架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of VxOTS architecture

圖2 VxOTS 仿真模型Fig.2 VxOTS simulation modle

2 測試方向

區別于中控技術公司傳統的工控軟件，VxOTS軟件仿真培訓系統軟件的測試更關注現場應用。如： 仿真算法是否符合現場設備及物質的運行原理，現有功能是否滿足現場培訓要求，培訓模式是否足夠靈活，培訓規模是否能夠支持，軟件操作對培訓人員是否易掌握，人員及設備安全是否造成威脅，等。對軟件測試而言，軟件實際應用的關注點即測試重點，在此對六大測試方向進行梳理分析，如圖3所示。

圖3 VxOTS 測試重點Fig.3 VxOTS test point

3 測試方法

結合軟件實際的應用場景[3]，針對所提煉出的測試重點，拓展測試內容，羅列出相應的測試方法，大致如圖4所示。

（1）功能算法測試

功能算法測試[4]用于了解運行原理和聯立方程求解機制。如：壓力流量平衡計算是將所有壓力流量聯立求解，組分平衡和能量平衡是滿足物質守恒、能量守恒及相平衡原理，計算裝置出口溫度、濃度、相分率、密度、焓熵等信息，拓撲排序，從前往后，序貫求解；做熱力學計算，已知溫度、壓力、氣液固相組成、物性數據，求解熵、焓、密度等；閃蒸算法（PT，PH，PS），已知出入口壓力、總組分、溫度（總焓、總熵）等，求解氣液固三相組成（溫度）等。

了解以上要求及計算原理，從正確性和易用性方面，可以設計相應的測試場景。

1）物質流算法 在界面上拖一股物質流，進行相應的條件設置，進行閃蒸。將閃蒸結果與相同條件下Aspen 軟件[5]的閃蒸結果進行驗證對比。

2）設備模塊算法 例如調節閥，連接相應的物質流，并設置邊界條件：①驗證錯誤的邊界條件設置，運行是否會有相應的錯誤提示；②合理的邊界條件下，驗證算法結果的準確，例如閥門的壓降、流量、熱力學物性是否正確。

圖4 VxOTS 測試內容及方法Fig.4 VxOTS contents and methods

3）設備模塊算法閃蒸計算 ①例如調溫器PH閃蒸，進行組態：物質流1→調溫器1→調溫器2→物質流2。調溫器1 限定出口溫度，運行組態，記錄其能量輸出為Q，停止運行；將調溫器2 屬性設為設定負荷，將Q 填入換熱量，則物質流1 和物質流2的溫度在誤差范圍內應該相等。②組不同物質，在不同的設備中閃蒸，嘗試各種組合，也要區分氣液固相態的物質；③設備中選擇不同熱力學方法，如（IDEAL，SRK，UQ）閃蒸結果的準確性。

4）聯立求解 測試聯立方程算法的準確性和性能：①組不同的設備進行測試，嘗試各種組合如同種類型的設備組成；②組不同的物質，嘗試各種組合，如組分包為全氣體的物質組成，或氣液混合，或氣固混合。

（2）已有功能測試

已有功能測試為遍歷測試。與現場需求對比，做遍歷測試，驗證現有功能是否完全滿足需求。

（3）培訓模式測試

培訓模式測試為單機聯合切換測試。通過隨機切換單機聯合的培訓模式，驗證功能的正確性和操作的靈活性。測試過程中，通過該測試項發現存在切換失敗概率，從單機切換到聯合模式時，會出現教室頁面和培訓頁面展示不一致的現象。開發時針對該問題進行修改，保證培訓模式靈活切換的正確性。

（4）培訓規模測試

培訓規模測試[6]采用虛擬機代替實體機的測試方法。分別驗證典型規模20 臺學員站和大型規模100 臺學員站的情況下，單機聯合培訓的正確性。

（5）操作體驗測試

操作體驗測試即對比測試[7]。同時搭建同類產品的軟件平臺，從軟件的界面美觀性、穩定性、易用性及完整性等方面，逐項進行比對測試，給出參考數據。

（6）安全測試

在安全測試[2-3]中，軟件通過對操作員進行反復的開車、停車、故障、裝置事故應急等各種情景的模擬培訓，能夠提高工廠內操作員的安全意識，使其在實際場景中迅速做出正確處理反應，大大減小人員、生產、操作安全事故的發生概率，并減少事故帶來的經濟損失和人員傷亡，以一種間接的方式很大程度地保障了現場安全。

4 產品應用

針對VxOTS 軟件的仿真培訓系統各種測試表明，其能夠實現現場模擬培訓的需求。該操作員培訓仿真系統已擁有多個成功應用案例，在此給出兩例。

4.1 煉油項目

在中石化廣西某分公司500 萬噸煉油項目中，現場實現裝置有：常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續重整、柴油加氫、聚丙烯等6 套裝置。具體功能包括：準確模擬穩態操作，進料質量和進料量變化對工藝的影響，制定設備跳閘（如壓縮機等）及操作條件恢復對工藝的影響，冷進料開工，熱進料開工，在設備跳閘后的工況下重新開工，正常停工和經濟停工，正常工況操作，異常工況操作，評分功能，等。

其功能及性能完成情況為：模型穩態仿真結果與參照的穩態設計數據對比的標準偏差在讀數的2%范圍之內；流程模擬的動態特性、穩態工況與實際近似，流程對象動態趨勢與實際一致，流程對象動態變化速率、幅度與實際近似。

系統在該廠的成功應用為客戶創造了巨大效益，贏得客戶的一致好評。

4.2 采油OTS 項目

在海上離岸采油OTS 項目中，工藝技術涉及海上油氣的開采、油氣分離、氣體的壓縮、運輸及中控室和生活區等5 大平臺，模擬不僅限于整個工藝流程，還包括了采油平臺的F&G 系統，模擬平臺的氣、火、煙、H2S 等事故報警，再現海上平臺的工藝操作和事故處理流程。

測試成果在該項目得到充分的體現，獲得現場用戶的高度肯定。

5 結語

隨著仿真模擬技術的發展和推廣，操作員仿真培訓系統在企業培訓中的應用越來越廣泛。中控VxOTS 軟件仿真培訓系統已成功應用于實際培訓中。應用結果表明，該系統的工藝模型兼顧了機理性、精確性與實時性，虛擬DCS 實現了與真實系統完全一致的操作體驗，訓練工況項目內容豐富，能夠有效地幫助操作員和其他相關技術人員在較短時間內掌握生產過程的特性，并且滿足了企業實際生產開/停車操作技能與事故處理技術能力培的需求。