化工仿真技術與前景分析

周姣

湖南省輕紡設計院有限公司 湖南 長沙 410015

1 化工仿真培訓系統興起背景

工廠良好運營的最關鍵的因素在于是否擁有一批技能嫻熟的操作工。通常，新建工廠需要通過下列步驟來對其技術操作工進行培訓：①通過課堂培訓的方式使其操作工掌握對控制機械閥門、泵、熱交換器等的操作原理；②安排其操作工到供貨商處進行裝置設備操作訓練，來提高他們的操作技能；③對操作工進行在職培訓，在實際工廠操作中學習技巧。

然而，從操作技術發展角度看，傳統培訓計劃并不是十分有效。在現實中，雖工廠高度重視生產和運作的安全性，可新的或技術欠佳的操作人員卻很少有機會親身體驗開工、停工、工況波動和緊急情況。鑒于此，工人要想順利進行安全操作生產，必須依靠仿真培訓系統(OTS)的幫助。裝置開工是石化生產中的最復雜、覆蓋面最廣的重要環節，OTS是模擬石化裝置開、停工操作的最好平臺[1]。

2 仿真培訓系統目標

操作員仿真培訓系統可用于在工廠正式開工前、后培訓操作員，目的在于：提供安全性，減少環境不確定性影響，縮短開工、停工時間，延長裝置實際運行時間，減少不合格品生產；提高操作員的知識水平和技術水平，使操作員對工藝過程有深入的了解，積累工藝經驗和故障診斷經驗；提高操作員素質，熟悉工藝操作和DCS操作，減少和避免由于人為因素導致的事故、損失，培訓操作班組處理緊急、異常工況的能力；進行以下操作培訓：冷態、熱態開車；正常停工、緊急停車；緊急狀態處理、操作異常調節、常見事故處理、設備故障處理等；正常操作、改生產方案等培訓。

開工前，OTS用于：評估操作員的培訓情況和操作能力；標準操作規程測試；測試、驗證裝置的安全性，在工廠驗收測試及操作培訓中評估裝置的安全程度；可單獨設置、測試、檢驗開工、停工、生產方案切換及緊急工況處理預案，還可用來測試設備故障時候的應變程序；DCS正式投用前，檢查DCS界面，檢查順序控制邏輯、聯鎖邏輯、復雜控制方案；利用仿真器進行控制回路整定。

正常生產時，OTS還可作為公用工具，供操作員、工程師對工藝及控制等方面的研究：用于工藝學習，指導優化操作；仿真器上可進行工藝脫瓶頸研究；對于原料變化，可預測生產工況、工藝操作過程、產品質量等；指導工程師修改工藝卡；幫助大修前技改方案的制定[2]。

3 仿真培訓系統說明

3.1 系統的應用

利用動態仿真器建立的虛擬工廠代表著一個和實際工廠相近的環境，可被應用到很多場合。

3.1.1 過程分析和檢查。不光穩態操作可以進行，過程和控制系統的動態分析和檢查也可進行。例如，下列的內容可以在工廠實際運行之前得到檢查：在實際工廠開工前，可以預先準備和檢驗開、停車。在重新改造管路和設備前，可以預先考察一些限制及容量數據。在進料量、操作負荷、設備等改變前，可以進行先期可行性分析。可以檢驗控制系統變化的效果，以整定控制系統參數。

3.1.2 化工過程教育。通過對虛擬工廠的操作可提高分析能力。熟悉設備裝置性能、控制系統功能。設備及裝置有關內部變量能得到實時顯示，學員可得到對過程及控制得更好理解，幫助理解真實的工廠操作過程。

3.1.3 操作員培訓。操作員能身臨其境地學習工廠操作，處理各種不同工況下的操作。訓練包括開停車、設備故障、不正常情況下的緊急操作、工況或負荷改變等操作[3]。

3.2 系統的功能模塊

3.2.1 工廠模型模塊：動態仿真器是動態仿真平的核心技術，通過模塊拖放，一個大型復雜工廠的動態模型可被有效建立。

3.2.2 執行控制模塊：負責管理整個動態仿真器的執行及數據，是指揮部。

3.2.3 數據庫模塊：提供實時位號數據庫功能。可保存模型運行時的數據、中間計算數據、派生新位號等。

3.2.4 圖形化模塊：提供給終端用戶進行DCS操作及現場操作的仿真界面。

3.2.5 連接模塊：提供連接過程控制系統（包括DCS）以連接OTS的功能，使得培訓可在真實的現場操作界面上進行。也可用來檢驗過程控制系統的控制邏輯。

3.2.6 教員輔助模塊：提供學員監測、故障設置、教員變量設置、評分標準設置、題庫設置、事件記錄等教學功能。

3.2.7 自動操作模塊：提供自動執行仿真的功能，一系列的操作步驟可被準確重復，可用于步驟的核實和驗證；可自動在操作培訓場景中加入故障的發生。

3.2.8 數據接口模塊：提供開放式標準OPC接口[4]。

3.3 系統的設計原理

3.3.1 培訓員：采用與工廠在實際中操作所用的DCS操作員一致的控制臺，這使得培訓環境更為現實逼真。

3.3.2 教員：提供強大的教員輔助工具包，保證了教員工作的高效性；

3.3.3 工程師：VM 是一款基于CAD的程序仿真建模工具，該程序模型也可以像管路及儀表布置圖繪圖一樣進行開發。由VM開發的模型的逼真度高，它不僅可用來培訓操作員，而且還可用作對工程師的操控培訓。

3.4 系統與DCS/SIS/CCS/PLC等控制系統的配合

基于VMmaster的仿真培訓系統對于各種DCS系統都可利用其PCS模塊進行兼容。采用VM的聯鎖結構圖建模工具,可以非常方便地實現各種SIS/CCS/PLC等系統的仿真[5]。

4 仿真培訓系統配置

4.1 仿真培訓系統架構

OTS系統將采用與實際DCS數據直聯的方式，實際DCS的組態數據庫將直接下裝與OTS模型聯接，實現仿真逼真度100%。

仿真培訓系統由教員站、DCS操作員站、現場操作員站、仿真服務器、DCS工程師站、DCS虛擬仿真控制站、通信設備、DCS虛擬仿真控制站、打印機等組成。

DCS操作員站為學員提供真實的DCS操作培訓界面，完成開車、停車、生產方案切換、故障處理等培訓。

現場操作員站提供遠程仿真操作功能，即非DCS操作的現場設備操作、SIS、CCS、PLC等操作培訓。

仿真服務器是可進行模型維護、開發、運行、調試等功能。過程模型的開發基于化學工程的基本原理，熱力學特性，以及設備性能/設計數據。從開工到正常操作和停工的過程中，能夠確保過程響應的精確性。高保真模型能夠實現高效和高水平的操作訓練，意味著操作員能獲取關于工廠操作的高水平知識。過程模型通過使用裝置設備單元的模塊開發而來，它包括閥、容器、泵、塔、壓縮機、熱交換器、罐、管道系統等。

教員站應用教員輔助工具箱，來提供訓練課程并提供預設題庫、評估學員成績，打印成績單。

DCS工程師站對操作員站界面進行維護、組態和更新；對DCS控制邏輯進行維護、組態和更新；對培訓所涉及的DCS數據庫進行選擇和FCS 運行控制[6]。

4.2 項目過程仿真范圍

4.2.1 仿真器應包括以下裝置所需預先配置的內容：①故障：裝置預設的故障數為200以上，根據裝置復雜程度確定。②初始條件：基于買方提供的設計規范，將會提供兩個基本初始條件。第一個是周圍環境條件下的“冷態”初始條件，為開車做準備；第二個由買方所提供的穩態設計數據為基礎的“穩態”初始條件；此外，將根據用戶提供的數據及需要提供其他備用初始條件，如熱態開車、生產方案切換、停車等。

4.2.2 模型保真度：指特定設備仿真器的精度。對穩態中的關鍵參數來說，模型保真度將會是2%，P&ID控制回路、關鍵機組和設備的關鍵點均為關鍵參數。

4.2.3 培訓功能：仿真培訓系統操作員站與工廠實際中操作所用DCS操作站一致，使得培訓環境更為現實逼真，對教員站則提供了便利的培訓輸入界面，而教員站所具有的便捷及高精度建模環境，使該仿真培訓系統亦能成為一個工程師的培訓環境。

4.2.4 總體建模技術：將基于嚴格的工程模型基本原理而進行，參照了化學工程熱力學、反應工程、流體力學、質量與能量守恒、熱與質量傳遞、單元操作等多方面知識。基本原理模型的應用能夠實現設備內的復雜交互作用的仿真[7]。

5 結束語

工業4.0背景下，隨著石化企業管理水平的不斷提高、生產裝置工藝技術、儀表控制技術的不斷改進與升級換代，擁有良好操作技能的生產工人是化工裝置安全穩定、長周期運行的必要保障，所以工人的技能培訓和快速掌握新的生產控制手段更顯得急迫與突出。仿真培訓系統是公認的操作工人最佳的技能培訓與技能考核的現代化手段，對操作人員的技能提升和考核起到了非常好的作用，在各石化企業的應用實踐中已經取得了非常好的效果。國內化工仿真模擬技術已經深入到石化行業的許多方面，是化工廠生產培訓及安全運行保駕護航的現代化、智能化、自動化的關鍵技術。其也在不斷突破自我，迎接全球性競爭的挑戰。