劉齊忠,林 融

(1.福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800; 2.中國石化工程建設(shè)公司,北京 100101)

0 引 言

在石油化工生產(chǎn)技術(shù)日新月異、市場競爭日趨激烈的今天,提高操作人員的操作技能、精簡員工數(shù)量已成為各大石化公司降低成本、挖潛增效的重要手段之一。提高操作人員的操作技能可以減少事故發(fā)生次數(shù)、降低事故損失和提高生產(chǎn)效率,但高超的操作技能卻不是一蹴而就的。特別是對于沒有任何操作經(jīng)驗的新建工藝裝置,要想提高操作人員的技術(shù)水平需經(jīng)過大量的理論和實際培訓(xùn)。理論培訓(xùn)只需時間即可,而實際培訓(xùn)則需在實際裝置親自動手操作和經(jīng)歷各種開停工及事故處理才能達到理想的效果,這在國內(nèi)同類裝置培訓(xùn)、只能看不能動的條件下是很難實現(xiàn)的,特別是對于大型煉化一體化項目,由于具有裝置多、操作人員少及技術(shù)復(fù)雜等特點,操作員培訓(xùn)的任務(wù)尤顯艱巨。鑒于此,在20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初國內(nèi)大型石化項目中操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)(OTS)得到了越來越多的應(yīng)用:它不僅可以解決裝置培訓(xùn)中難以解決的難題,還可以在作為培訓(xùn)基地長期培訓(xùn)企業(yè)操作員的同時優(yōu)化工藝生產(chǎn)方案和提高自動控制水平。

1 OTS簡介

OTS是以計算機技術(shù)為手段,通過建立過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,并在以計算機為基礎(chǔ)的硬件環(huán)境上再現(xiàn)真實過程系統(tǒng)特性的軟硬件系統(tǒng)。它的軟硬件環(huán)境一般包括計算機、系統(tǒng)軟件、仿真軟件、生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型。它是建立在過程工藝技術(shù)、過程控制技術(shù)、信息技術(shù)等基礎(chǔ)上的多學(xué)科綜合技術(shù)。其主要目的是使生產(chǎn)操作人員在進行實際生產(chǎn)操作前,了解、熟悉、掌握生產(chǎn)過程和操作環(huán)境,以培養(yǎng)一批技術(shù)熟練、經(jīng)驗豐富的操作人員。

操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)包括工藝過程機理剖析、數(shù)學(xué)模型開發(fā)與合理簡化、仿真算法選擇、計算機圖形技術(shù)、基于軟件技術(shù)的交互環(huán)境的開發(fā)等,可謂是一項集計算機應(yīng)用技術(shù)之大全的復(fù)雜系統(tǒng)工程。因此了解過程仿真技術(shù)發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,對于更好地選擇和應(yīng)用OTS有非常重要的意義。

1.1 仿真技術(shù)發(fā)展歷史

仿真技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,從研究簡單系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)成為人們研究復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具,大致經(jīng)歷了三個階段。

a)發(fā)展階段。二次大戰(zhàn)末期至20世紀(jì)60年代,自第一臺通用電子模擬計算機的誕生,到導(dǎo)彈、核電站和航天領(lǐng)域的仿真技術(shù)應(yīng)用,使仿真技術(shù)從產(chǎn)生得以逐步發(fā)展。

b)成熟階段。在軍事需求推動下,20世紀(jì)70年代仿真技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域迅速發(fā)展,而且擴展到許多領(lǐng)域,如飛行員和工業(yè)系統(tǒng)的操作員仿真培訓(xùn),相繼出現(xiàn)了一些從事仿真設(shè)備和仿真系統(tǒng)生產(chǎn)的專業(yè)化公司,使仿真技術(shù)達到了專業(yè)化水平和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的成熟階段。

c)高級階段。20世紀(jì)80年代到90年代,隨著國防工業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展,被仿真的系統(tǒng)日益復(fù)雜,規(guī)模越來越大,為了更好地實現(xiàn)信息、資源共享,促進仿真系統(tǒng)的互操作和提高使用效率,以美國為代表的發(fā)達國家在分布交互仿真、先進的并行分布交互仿真以及聚合級仿真的基礎(chǔ)上,仿真技術(shù)開始向仿真的高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)發(fā)展。

在國內(nèi)石化行業(yè)仿真技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在OTS及衍生的輔助功能設(shè)計和先進過程控制方案,該文主要討論內(nèi)容是以 OTS為主要對象。1985年國內(nèi)化工行業(yè)先后引進了美國公司的幾套OTS,ABB公司和Audy Dynamic公司的產(chǎn)品。由此,不但使OTS的應(yīng)用得到推廣(特別是近十年來,國內(nèi)大型煉化一體化項目或大型合資項目均采用了OTS),也產(chǎn)生了具有一定實力的國內(nèi)供應(yīng)商(1987年北京化工大學(xué)與燕山石化合作研制成功國內(nèi)第一套通用性的石化OTS)。目前,在國內(nèi)石化行業(yè)應(yīng)用較多的OTS廠商有國外的Aspen, Invensys,Honeywell公司和國內(nèi)的華康達公司及東方仿真公司等。

1.2 OTS發(fā)展趨勢

OTS完成操作培訓(xùn)的目的,已經(jīng)比較成熟,但隨著信息技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展,以及流程工業(yè)工藝技術(shù)的進步,操作培訓(xùn)仿真技術(shù)發(fā)展方興未艾,其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

a)仿真過程的智能化。實現(xiàn)建模與仿真的前端和后端智能化是其一大發(fā)展趨勢。前端智能化是通過智能化人機交互界面來了解待建模系統(tǒng)的信息,并利用已有的模型庫、專家知識庫來構(gòu)造系統(tǒng)仿真模型,從而達到充分利用專家知識減輕開發(fā)者建模負(fù)擔(dān)的目的;后端的智能化則是使仿真系統(tǒng)自身具有分析仿真實驗結(jié)果并對仿真過程的性能做出判斷,提出修補措施或自動適當(dāng)?shù)馗淖兎抡婺Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)與參數(shù)。

b)多用途化。隨著仿真技術(shù)的進一步發(fā)展,將使得過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠完成更多的任務(wù),主要包括:

1)新的操作工藝和技巧的設(shè)計與開發(fā)。

2)輔助決策。

3)故障診斷技術(shù)的訓(xùn)練。

4)先進控制技術(shù)的測試與應(yīng)用。

5)優(yōu)化裝置的運行,達到節(jié)能降耗的目的。

c)面向?qū)ο蠓抡娼＜夹g(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)在理論上突破了傳統(tǒng)的仿真方法的概念,根據(jù)組成系統(tǒng)的對象及其相互作用關(guān)系構(gòu)造仿真模型,且仿真模型的對象表示實際系統(tǒng)中相應(yīng)的實體,從而拉近了模型與實際系統(tǒng)之間的距離,使建模仿真的思想與人們認(rèn)識客觀世界的自然思維方式一致;且容易實現(xiàn)與計算機圖形學(xué)、人工智能和管理決策科學(xué)的結(jié)合,但目前在仿真的實現(xiàn)機理和仿真邏輯等理論上還需進一步研究。

d)三維可視化仿真?？梢暬褪浅浞掷枚嗝襟w技術(shù)來實現(xiàn)仿真系統(tǒng)人機交互。用戶界面是人與仿真世界交流的途徑。目前的應(yīng)用狀況有以下幾個特點。

1)采用圖形用戶界面(GUI)實現(xiàn)友好人機交互和通過GUI使仿真及分析的輸入輸出更加簡明易懂。

2)在培訓(xùn)仿真和分析系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用動畫和三維圖形,將仿真數(shù)據(jù)和分析結(jié)果結(jié)合起來形成直觀的圖像。

3)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。VR利用計算機生成三維交互環(huán)境,容許人通過三維圖形、觸感、運動感知等方式感受仿真世界并直接操作其中的物體,在空間自動移動視點,并與其他交互局中的人員彼此可視,從而使受訓(xùn)人員沉浸在一種接近真實的仿真訓(xùn)練環(huán)境中。

e)在線(On-line)仿真技術(shù)。是指將過程控制系統(tǒng)(如:DCS,CCS,PLC等)中的過程實時數(shù)據(jù)從接口服務(wù)器內(nèi)的實時數(shù)據(jù)庫傳遞到仿真系統(tǒng)服務(wù)器(又稱模型服務(wù)器)內(nèi)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,從而實現(xiàn)下列幾項功能。

1)仿真模型的輸入數(shù)據(jù)與過程實時數(shù)據(jù)基本同步(允許有2 s的滯后),保持OTS對過程操作的實時跟蹤。

2)操作畫面由DCS操作員站畫面經(jīng)過圖形轉(zhuǎn)換而來,以保證操作員仿真培訓(xùn)的環(huán)境與實際操作的環(huán)境基本類似。

3)仿真系統(tǒng)的控制模型也能按照DCS設(shè)計組態(tài)的控制算法轉(zhuǎn)換而來,控制精度很高。

4)仿真系統(tǒng)能夠保存DCS的歷史數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)重演功能,并能實現(xiàn)與DCS的趨勢曲線比較功能。

5)根據(jù)仿真系統(tǒng)的運算和分析結(jié)果,對工藝操作參數(shù)和過程控制系統(tǒng)參數(shù)進行實時調(diào)整及優(yōu)化。

2 OTS的項目需求和技術(shù)方案選擇

隨著石化工業(yè)日趨大型化、一體化和智能化,所包含的煉油化工裝置的技術(shù)也日益復(fù)雜化、控制功能也達到了很高的智能化水平,這就為項目的設(shè)計、實施和裝置開工試運及后續(xù)的安全生產(chǎn)提出了更嚴(yán)格的要求,同時還可對企業(yè)帶來多方效益。其中包括在安全的前提下,減少裝置開、停車次數(shù);對操作規(guī)程進行安全、快速地評價;在完全沒有毀壞性的環(huán)境中進行出色的操作員培訓(xùn),并有重放功能;支持控制和應(yīng)用工程師設(shè)計高級功能;在完全安全的環(huán)境中實現(xiàn)操作員的合格驗證和再驗證;實現(xiàn)控制系統(tǒng)響應(yīng)和性能的準(zhǔn)確分析與故障排除;為控制工程師提供了一個系統(tǒng)改造和升級的理想設(shè)計環(huán)境;使技術(shù)員能學(xué)習(xí)和理解診斷的技能和控制回路協(xié)調(diào)理論;加速生產(chǎn)優(yōu)化和改進,如脫瓶頸分析。

除此以外,在項目實施中還應(yīng)為后續(xù)的事故處理和演練、生產(chǎn)控制優(yōu)化、生產(chǎn)方案決策等提供必要的支持功能,以進一步提高企業(yè)自身的競爭能力。

因此,近幾年新建的大型煉化一體化項目(尤其是合資項目)均在項目實施的同時為工藝技術(shù)相對復(fù)雜、操作難度和安全要求相對較高的煉油和化工裝置配置了OTS。

OTS架構(gòu)如圖1所示,OTS與實際裝置及控制系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 OTS架構(gòu)

圖2 實際裝置與OTS仿真模擬

大型一體化項目OTS的技術(shù)選取主要服從于項目環(huán)境、特點和需求。

2.1 項目環(huán)境和特點

不同項目的新建工藝裝置及操作人員對其工藝操作熟悉程度各不相同,且因所處地理位置的限制,操作培訓(xùn)的難度也各異。所以,在選取OTS之前應(yīng)視具體情況確定所需仿真的裝置范圍。

2.2 系統(tǒng)功能要求

一般來說,項目實施OTS是為實現(xiàn)冷態(tài)開車、熱態(tài)開車,正常停工、不同原因造成的緊急停車,不同原因造成的緊急狀態(tài)處理、操作異常、常見事故處理、設(shè)備故障處理等基本功能。因此,選取的技術(shù)必須能很好地提供上述功能并具有較高的精度(具有令人滿意的動態(tài)和靜態(tài)誤差),但為了充分合理地利用資源、提高投資效益還應(yīng)考慮在設(shè)計、生產(chǎn)方案優(yōu)化和先進控制等方面的應(yīng)用。

2.3 OTS供應(yīng)商

在項目實施過程中,由于受工程進度和培訓(xùn)時間保證等因素的約束、受設(shè)計資料的提供和過程控制系統(tǒng)組態(tài)等因素的影響,作為項目實施的最尾端和最先啟用的工程子包,對OTS供應(yīng)商的項目管理、技術(shù)實施的綜合能力要求極高。同時,由于在OTS投用后,還需經(jīng)過控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試和聯(lián)調(diào)、開工試車時問題的處理,從而導(dǎo)致組態(tài)內(nèi)容需進行較大的修改;OTS軟件平臺的升級;多樣性用途的功能開發(fā)和綜合利用等均需要OTS供應(yīng)商具有很好的售后服務(wù)能力和良好的聲譽。

3 OTS項目實施

在簽訂技術(shù)選取的要求后即可以此為依據(jù)編寫項目技術(shù)規(guī)定和詢價文件并制訂初步的技術(shù)方案,在招標(biāo)過程中的技術(shù)澄清和開工會時確定最終的技術(shù)方案、詳細工作內(nèi)容、項目實施進度及各方職責(zé),然后在用戶提供的設(shè)計資料基礎(chǔ)上進行功能設(shè)計(編寫、審查)和工程實施(軟/硬件集成、系統(tǒng)開發(fā)和建模、模型測試、控制系統(tǒng)組態(tài)軟件集成、系統(tǒng)測試、FAT和SAT)等工作,最后投入操作人員的培訓(xùn)。

3.1 OTS的方案制訂

技術(shù)方案選取的約束條件是投資成本和使用方便,即在合理投入成本的基礎(chǔ)上選取一個功能齊全又實用的技術(shù)方案。從近期各大型項目選用OTS的實際經(jīng)驗和國內(nèi)外相關(guān)供應(yīng)商所能提供的產(chǎn)品來看,主要有以下兩種方案。

a)單網(wǎng)多用戶型,即只配置一條網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)所有的模擬裝置。優(yōu)點:投資少,項目實施簡單(所需的控制系統(tǒng)仿真軟件用戶許可少,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單);缺點則較多:系統(tǒng)維護量大、培訓(xùn)效率低(每次只能培訓(xùn)一個裝置,且培訓(xùn)前須化4～6 h卸載前一裝置及安裝所需培訓(xùn)裝置的仿真模型,對維護隊伍要求較高)。

b)多網(wǎng)單用戶型,即根據(jù)仿真范圍的要求,配置多條OTS網(wǎng)絡(luò),每個網(wǎng)固定培訓(xùn)1～2套裝置。其優(yōu)缺點剛好與第一條相反。

某大型煉化一體化項目由于地處偏遠、公司維護力量薄弱、項目工期短、培訓(xùn)時間急迫等,選取了上述第二種方案,具體配置如圖3所示。

圖3中,每一套可同時培訓(xùn)8位操作員(每人擁有1臺操作站)。每一條網(wǎng)絡(luò)既可全部用于培訓(xùn)某套裝置,也可同時培訓(xùn)兩套不同的工藝裝置。每一套系統(tǒng)同時培訓(xùn)兩套不同的裝置時,DCS模擬的起停、存儲等互不影響,即相當(dāng)于在同一個系統(tǒng)中有兩套獨立的子系統(tǒng)。

圖3 OTS技術(shù)方案配置

3.2 OTS的設(shè)計

在開工會完成后,用戶即可根據(jù)開工會要求,向OTS供應(yīng)商提供相關(guān)工藝包設(shè)計文件,以便確定每套裝置的模擬流程和模擬內(nèi)容。然后由后者著手編寫相關(guān)裝置模擬模型的功能設(shè)計文件并提交用戶審查,主要內(nèi)容如下。

a)制訂詳細的項目進度計劃,確定具體功能要求和工作內(nèi)容。

b)模型范圍的定義,以確定工藝流程圖、管道及儀表流程圖、過程模型的保真度模擬設(shè)備列表,明確各控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、公用工程和電氣、儀表系統(tǒng)及相應(yīng)設(shè)備的模擬要求。

c)建模方法,主要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的不同要求使用通用建模方法和特殊建模方法等兩種模擬方法。

d)邊界條件,澄清模型流入和流出的邊界條件和相關(guān)數(shù)據(jù)。

e)工藝說明和操作程序。

f)確認(rèn)和驗收,驗收測試計劃及相關(guān)內(nèi)容和方法。

3.3 OTS的工程實施

項目初期,用戶可在技術(shù)交流的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的特點和需求確定OTS的技術(shù)要求和技術(shù)方案,編寫詢價文件實施招標(biāo)。在選取中標(biāo)商后,即可完成如下項目實施工作。

a)召開開工會。主要任務(wù):確定各方項目執(zhí)行組織機構(gòu)、聯(lián)絡(luò)人及聯(lián)絡(luò)方式;確定項目需完成的文檔目錄及文檔編碼要求;確定相關(guān)裝置模擬范圍,所需設(shè)計資料提交時間;以整個項目的實施進度為依據(jù)制訂詳細的項目實施進度;各方界面的澄清及協(xié)調(diào)程序的制訂;確定相關(guān)方設(shè)備和資料交接渠道、時間計劃和要求;確定來往函件要求和項目實施會議及周報、月報制度;OTS的工廠培訓(xùn)和現(xiàn)場培訓(xùn)要求。

b)系統(tǒng)設(shè)計和軟硬件配置。

c)模擬模型建立和模型測試(MAT),FA T和SAT。

整個實施過程需要10個月到1年的時間,一般來說,對于具有相當(dāng)技術(shù)實力和項目實施經(jīng)驗的供應(yīng)商質(zhì)量容易得到保證,其實施難點主要在于項目進度控制。這一點從OTS的組成即可看出: OTS主要由工藝裝置模擬系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)模擬和人機界面等三部分組成。其中,工藝裝置模擬系統(tǒng)主要由仿真模型軟件和相關(guān)計算機硬件系統(tǒng)構(gòu)成,由OTS供應(yīng)商獨立完成;而對過程控制系統(tǒng)模擬和人機界面來說,則除了需要由相關(guān)控制系統(tǒng)供應(yīng)商(由OTS供應(yīng)商使用全軟件仿真控制器模型除外)提供相應(yīng)的軟硬件平臺外,還需將相關(guān)控制系統(tǒng)的組態(tài)與OTS的仿真模型軟件進行有機的集成,這樣,過程控制系統(tǒng)(DCS/SIS/FGS/ITCC等)的組態(tài)軟件的準(zhǔn)確性、完整性及交接時間將直接影響OTS的整個項目執(zhí)行進度。要解決此問題,需在用戶的協(xié)調(diào)下,相關(guān)各方提前制訂預(yù)警措施、密切配合。

4 實際應(yīng)用效果

OTS在操作員培訓(xùn)過程中發(fā)揮了重要作用,通過仿真可以實現(xiàn)與實際裝置基本一致的操作環(huán)境,操作人員在進行真實DCS操作之前,可放開手腳在仿真系統(tǒng)上提前熟悉DCS基本操作,摸索、掌握裝置操作和調(diào)節(jié)方法,并對開停工方案進行測試和演練,為操作員的考核提供了一個真實的平臺,大大縮減了培訓(xùn)合格、熟練操作人員所需要的時間,使操作員在開工過程中能做到心中有數(shù)、不慌不亂。項目開工試車前,先后為公司培訓(xùn)操作員及教員300多人次,在工期較短的情況下為項目相關(guān)裝置的順利開車提供了一批高素質(zhì)的操作人員,為裝置安全、平穩(wěn)地投產(chǎn)和運行提供了可靠保證。

另外,在系統(tǒng)開發(fā)、集成過程中,仿真系統(tǒng)還對DCS控制策略、控制邏輯、控制回路等進行測試和驗證,提前發(fā)現(xiàn)并及時糾正了 DCS/SIS/FGS/ ITCC等控制系統(tǒng)組態(tài)中出現(xiàn)的錯誤,縮短了控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的時間,并且為后續(xù)的公司操作員培訓(xùn)、事故分析、生產(chǎn)方案優(yōu)化及先進控制提供了一個很好的軟/硬件平臺。

5 結(jié)束語

從OTS的成功實施及后續(xù)應(yīng)用開發(fā)兩個方面綜合考慮:OTS項目的成功實施,需要具備優(yōu)秀的OTS供應(yīng)商、工藝裝置的EPC承包商、具有一定實力的用戶項目管理及工藝生產(chǎn)人員;而后續(xù)的應(yīng)用開發(fā),則需要在OTS的平臺上不斷進行相應(yīng)的升級、完善及功能開發(fā),可以持續(xù)不斷地為公司提供操作員正常培訓(xùn)、事故演練、生產(chǎn)方案測試和優(yōu)化,既可提供高水平的操作員、也可為生產(chǎn)方案優(yōu)化提供依據(jù);功能開發(fā)則可以作為先進控制策略建模前的階躍測試和模型建成后試投用的平臺,為企業(yè)的先進控制和實時優(yōu)化的成功實施提供保證。要想實現(xiàn)上述功能,需在企業(yè)高度重視的前提下配置一整套的人員和管理機制。

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