化工仿真技術(shù)與前景分析

周姣

湖南省輕紡設(shè)計院有限公司 湖南 長沙 410015

1 化工仿真培訓(xùn)系統(tǒng)興起背景

工廠良好運營的最關(guān)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(shù)操作工進行培訓(xùn)：①通過課堂培訓(xùn)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(shè)備操作訓(xùn)練，來提高他們的操作技能；③對操作工進行在職培訓(xùn)，在實際工廠操作中學(xué)習(xí)技巧。

然而，從操作技術(shù)發(fā)展角度看，傳統(tǒng)培訓(xùn)計劃并不是十分有效。在現(xiàn)實中，雖工廠高度重視生產(chǎn)和運作的安全性，可新的或技術(shù)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(chǎn)，必須依靠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(OTS)的幫助。裝置開工是石化生產(chǎn)中的最復(fù)雜、覆蓋面最廣的重要環(huán)節(jié)，OTS是模擬石化裝置開、停工操作的最好平臺[1]。

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)目標(biāo)

操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可用于在工廠正式開工前、后培訓(xùn)操作員，目的在于：提供安全性，減少環(huán)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(chǎn)；提高操作員的知識水平和技術(shù)水平，使操作員對工藝過程有深入的了解，積累工藝經(jīng)驗和故障診斷經(jīng)驗；提高操作員素質(zhì)，熟悉工藝操作和DCS操作，減少和避免由于人為因素導(dǎo)致的事故、損失，培訓(xùn)操作班組處理緊急、異常工況的能力；進行以下操作培訓(xùn)：冷態(tài)、熱態(tài)開車；正常停工、緊急停車；緊急狀態(tài)處理、操作異常調(diào)節(jié)、常見事故處理、設(shè)備故障處理等；正常操作、改生產(chǎn)方案等培訓(xùn)。

開工前，OTS用于：評估操作員的培訓(xùn)情況和操作能力；標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)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(xùn)中評估裝置的安全程度；可單獨設(shè)置、測試、檢驗開工、停工、生產(chǎn)方案切換及緊急工況處理預(yù)案，還可用來測試設(shè)備故障時候的應(yīng)變程序；DCS正式投用前，檢查DCS界面，檢查順序控制邏輯、聯(lián)鎖邏輯、復(fù)雜控制方案；利用仿真器進行控制回路整定。

正常生產(chǎn)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(xué)習(xí)，指導(dǎo)優(yōu)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(yù)測生產(chǎn)工況、工藝操作過程、產(chǎn)品質(zhì)量等；指導(dǎo)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(xùn)系統(tǒng)說明

3.1 系統(tǒng)的應(yīng)用

利用動態(tài)仿真器建立的虛擬工廠代表著一個和實際工廠相近的環(huán)境，可被應(yīng)用到很多場合。

3.1.1 過程分析和檢查。不光穩(wěn)態(tài)操作可以進行，過程和控制系統(tǒng)的動態(tài)分析和檢查也可進行。例如，下列的內(nèi)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(yù)先準(zhǔn)備和檢驗開、停車。在重新改造管路和設(shè)備前，可以預(yù)先考察一些限制及容量數(shù)據(jù)。在進料量、操作負(fù)荷、設(shè)備等改變前，可以進行先期可行性分析?？梢詸z驗控制系統(tǒng)變化的效果，以整定控制系統(tǒng)參數(shù)。

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(shè)備裝置性能、控制系統(tǒng)功能。設(shè)備及裝置有關(guān)內(nèi)部變量能得到實時顯示，學(xué)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(xùn)。操作員能身臨其境地學(xué)習(xí)工廠操作，處理各種不同工況下的操作。訓(xùn)練包括開停車、設(shè)備故障、不正常情況下的緊急操作、工況或負(fù)荷改變等操作[3]。

3.2 系統(tǒng)的功能模塊

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

3.2.2 執(zhí)行控制模塊：負(fù)責(zé)管理整個動態(tài)仿真器的執(zhí)行及數(shù)據(jù)，是指揮部。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫模塊：提供實時位號數(shù)據(jù)庫功能?？杀４婺Ｐ瓦\行時的數(shù)據(jù)、中間計算數(shù)據(jù)、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(xiàn)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(tǒng)（包括DCS）以連接OTS的功能，使得培訓(xùn)可在真實的現(xiàn)場操作界面上進行。也可用來檢驗過程控制系統(tǒng)的控制邏輯。

3.2.6 教員輔助模塊：提供學(xué)員監(jiān)測、故障設(shè)置、教員變量設(shè)置、評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置、題庫設(shè)置、事件記錄等教學(xué)功能。

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

3.2.8 數(shù)據(jù)接口模塊：提供開放式標(biāo)準(zhǔn)OPC接口[4]。

3.3 系統(tǒng)的設(shè)計原理

3.3.1 培訓(xùn)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(xùn)環(huán)境更為現(xiàn)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(fā)。由VM開發(fā)的模型的逼真度高，它不僅可用來培訓(xùn)操作員，而且還可用作對工程師的操控培訓(xùn)。

3.4 系統(tǒng)與DCS/SIS/CCS/PLC等控制系統(tǒng)的配合

基于VMmaster的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對于各種DCS系統(tǒng)都可利用其PCS模塊進行兼容。采用VM的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖建模工具,可以非常方便地實現(xiàn)各種SIS/CCS/PLC等系統(tǒng)的仿真[5]。

4 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)配置

4.1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

OTS系統(tǒng)將采用與實際DCS數(shù)據(jù)直聯(lián)的方式，實際DCS的組態(tài)數(shù)據(jù)庫將直接下裝與OTS模型聯(lián)接，實現(xiàn)仿真逼真度100%。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由教員站、DCS操作員站、現(xiàn)場操作員站、仿真服務(wù)器、DCS工程師站、DCS虛擬仿真控制站、通信設(shè)備、DCS虛擬仿真控制站、打印機等組成。

DCS操作員站為學(xué)員提供真實的DCS操作培訓(xùn)界面，完成開車、停車、生產(chǎn)方案切換、故障處理等培訓(xùn)。

現(xiàn)場操作員站提供遠程仿真操作功能，即非DCS操作的現(xiàn)場設(shè)備操作、SIS、CCS、PLC等操作培訓(xùn)。

仿真服務(wù)器是可進行模型維護、開發(fā)、運行、調(diào)試等功能。過程模型的開發(fā)基于化學(xué)工程的基本原理，熱力學(xué)特性，以及設(shè)備性能/設(shè)計數(shù)據(jù)。從開工到正常操作和停工的過程中，能夠確保過程響應(yīng)的精確性。高保真模型能夠?qū)崿F(xiàn)高效和高水平的操作訓(xùn)練，意味著操作員能獲取關(guān)于工廠操作的高水平知識。過程模型通過使用裝置設(shè)備單元的模塊開發(fā)而來，它包括閥、容器、泵、塔、壓縮機、熱交換器、罐、管道系統(tǒng)等。

教員站應(yīng)用教員輔助工具箱，來提供訓(xùn)練課程并提供預(yù)設(shè)題庫、評估學(xué)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(tài)和更新；對DCS控制邏輯進行維護、組態(tài)和更新；對培訓(xùn)所涉及的DCS數(shù)據(jù)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(yīng)包括以下裝置所需預(yù)先配置的內(nèi)容：①故障：裝置預(yù)設(shè)的故障數(shù)為200以上，根據(jù)裝置復(fù)雜程度確定。②初始條件：基于買方提供的設(shè)計規(guī)范，將會提供兩個基本初始條件。第一個是周圍環(huán)境條件下的“冷態(tài)”初始條件，為開車做準(zhǔn)備；第二個由買方所提供的穩(wěn)態(tài)設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“穩(wěn)態(tài)”初始條件；此外，將根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)及需要提供其他備用初始條件，如熱態(tài)開車、生產(chǎn)方案切換、停車等。

4.2.2 模型保真度：指特定設(shè)備仿真器的精度。對穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵參數(shù)來說，模型保真度將會是2%，P&ID控制回路、關(guān)鍵機組和設(shè)備的關(guān)鍵點均為關(guān)鍵參數(shù)。

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

4.2.4 總體建模技術(shù)：將基于嚴(yán)格的工程模型基本原理而進行，參照了化學(xué)工程熱力學(xué)、反應(yīng)工程、流體力學(xué)、質(zhì)量與能量守恒、熱與質(zhì)量傳遞、單元操作等多方面知識?；驹砟Ｐ偷膽?yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備內(nèi)的復(fù)雜交互作用的仿真[7]。

5 結(jié)束語

工業(yè)4.0背景下，隨著石化企業(yè)管理水平的不斷提高、生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)、儀表控制技術(shù)的不斷改進與升級換代，擁有良好操作技能的生產(chǎn)工人是化工裝置安全穩(wěn)定、長周期運行的必要保障，所以工人的技能培訓(xùn)和快速掌握新的生產(chǎn)控制手段更顯得急迫與突出。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是公認(rèn)的操作工人最佳的技能培訓(xùn)與技能考核的現(xiàn)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(yè)的應(yīng)用實踐中已經(jīng)取得了非常好的效果。國內(nèi)化工仿真模擬技術(shù)已經(jīng)深入到石化行業(yè)的許多方面，是化工廠生產(chǎn)培訓(xùn)及安全運行保駕護航的現(xiàn)代化、智能化、自動化的關(guān)鍵技術(shù)。其也在不斷突破自我，迎接全球性競爭的挑戰(zhàn)。