孫志敏，馬 舜，韓樹新，趙 輝

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

0 引言

鍋爐是我國重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，為了與發(fā)電用的大型鍋爐相區(qū)別，我國把容量在65 t/h以下為工業(yè)生產(chǎn)供熱、為建筑物供暖的鍋爐稱之為工業(yè)鍋爐[1]。目前我國在用的工業(yè)鍋爐數(shù)量眾多，約60多萬臺(tái)[2]。工業(yè)鍋爐是一種危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備，根據(jù)國務(wù)院頒布的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》及國家質(zhì)檢總局頒布的《鍋爐司爐人員考核管理規(guī)定》，我國在用的鍋爐必須由經(jīng)過培訓(xùn)考核并取得操作證的司爐人員來操作。因此司爐人員所具有的專業(yè)理論知識(shí)和操作技術(shù)水平對(duì)于鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)司爐工進(jìn)行定期的技能培訓(xùn)具有重要的意義。

然而目前我國工業(yè)鍋爐的運(yùn)行管理能力比較低，尤其是中小型鍋爐，不僅分布廣泛，而且自動(dòng)化程度較低，多數(shù)以人工操作為主，而司爐人員的總體文化水平又比較低，其技術(shù)水平參差不齊[3]，每年僅因司爐人員操作不當(dāng)引起的鍋爐事故多達(dá)數(shù)百起，而由操作不合理導(dǎo)致的鍋爐長期低效率運(yùn)行的情況則更加普遍，這直接對(duì)國家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全構(gòu)成了很大威脅。由于在真實(shí)的鍋爐上開展操作技能培訓(xùn)不僅要耗費(fèi)大量燃料和水電，而且還存在很大的危險(xiǎn)性，難以實(shí)現(xiàn)，因此研究合理的培訓(xùn)考核方式并開發(fā)智能的培訓(xùn)裝置來提高司爐工的實(shí)際操作技能、事故應(yīng)急處理能力及安全節(jié)能意識(shí)顯得十分必要。本文針對(duì)工業(yè)鍋爐的操作培訓(xùn)方式及其裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

1 工業(yè)鍋爐操作培訓(xùn)方式

目前我國的工業(yè)鍋爐操作培訓(xùn)考核方式主要有三種：傳統(tǒng)方式、微機(jī)仿真操作培訓(xùn)考核方式、半物理仿真操作培訓(xùn)考核方式。三種方式的特點(diǎn)如表1所示。

1.1 傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)的鍋爐操作培訓(xùn)方式是通過一定量的理論學(xué)習(xí)以及一段時(shí)間的實(shí)際參觀和操作實(shí)習(xí)后，經(jīng)過專業(yè)部門的考核確認(rèn)后頒發(fā)上崗證[4]。這種培訓(xùn)方式以理論知識(shí)教學(xué)為主，培訓(xùn)枯燥且周期長，由于考慮鍋爐生產(chǎn)和人員安全等問題，學(xué)員缺少實(shí)際練習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，培訓(xùn)時(shí)多數(shù)通過圖片和文字形式來講解，學(xué)員動(dòng)手的機(jī)會(huì)很少，獨(dú)立操作的機(jī)會(huì)則更少，因此學(xué)員技能長進(jìn)緩慢，培訓(xùn)效果較差。此外，考核形式主要采用書面筆試和口頭面試，在評(píng)價(jià)學(xué)員成績時(shí)存在一定的人為因素，難以準(zhǔn)確量化。

1.2 微機(jī)仿真操作培訓(xùn)考核方式

近年來，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)成為了鍋爐培訓(xùn)的新型方式。其中一種稱為微機(jī)仿真操作方式，采用純計(jì)算機(jī)軟件來仿真模擬真實(shí)鍋爐，學(xué)員通過操作鼠標(biāo)鍵盤和觀察電腦顯示屏來鍛煉鍋爐操作技能。相比傳統(tǒng)方式，采用計(jì)算機(jī)仿真操作方式大大提高了培訓(xùn)效率，但對(duì)于司爐人員的實(shí)際動(dòng)手能力卻沒有明顯的提升作用。盡管計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可以生動(dòng)地模擬出鍋爐真實(shí)運(yùn)行情況并激發(fā)學(xué)員判斷控制實(shí)際情況的潛力，但是采用純粹的計(jì)算機(jī)軟件來模擬鍋爐，學(xué)員觀看計(jì)算機(jī)屏幕上的數(shù)據(jù)變化，通過鼠標(biāo)操作代替實(shí)際閥門操作，和實(shí)際相差甚遠(yuǎn)[5]。再加之司爐工自身文化水平有限，對(duì)計(jì)算機(jī)不熟悉，因此培訓(xùn)效果一般。

1.3 半物理仿真操作培訓(xùn)考核方式

隨著多媒體、傳感檢測(cè)、微處理器等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，由計(jì)算機(jī)和實(shí)物模型組成的半物理仿真模擬裝置逐漸在操作人員的技能培訓(xùn)考核中發(fā)揮作用。半物理仿真操作式的工業(yè)鍋爐培訓(xùn)裝置由縮小比例的鍋爐實(shí)體或模型結(jié)合后臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)組成，通常又稱為鍋爐模擬機(jī)、鍋爐混合仿真系統(tǒng)、半實(shí)物鍋爐模擬器等。這類系統(tǒng)采用與真實(shí)鍋爐相似的操作控制臺(tái)和本體外形結(jié)構(gòu)，但沒有燃料水汽，鍋爐的運(yùn)行由后臺(tái)仿真軟件模擬。相比純軟件的仿真培訓(xùn)方式，在模擬機(jī)上操作各類閥門儀表，感受多媒體設(shè)備模擬出的鍋爐運(yùn)行的各種聲音視覺效果，有利于學(xué)員快速獲得現(xiàn)場(chǎng)操作手感和空間感，有效提升實(shí)際操作技能，利用培訓(xùn)裝置模擬工業(yè)鍋爐的常見事故，還可以鍛煉學(xué)員正確處理事故的能力，具有較好的培訓(xùn)效果。但是，這種培訓(xùn)方式也存在一些缺點(diǎn)，如培訓(xùn)裝置開發(fā)費(fèi)用較高，占地面積大，擴(kuò)展性差，需要專業(yè)人員維護(hù)，使用時(shí)一臺(tái)設(shè)備只允許一人操作，培訓(xùn)效率不高。

2 工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家的大型企業(yè)很早就利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)了鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在工人培訓(xùn)方面取得了十分顯著的效果[6]。而針對(duì)我國司爐工及工業(yè)鍋爐使用的現(xiàn)狀，引進(jìn)國外的技術(shù)和裝備未必適用。最近十年，我國也開發(fā)了不少工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，開展研究的單位主要以特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、石油化工企業(yè)、高校研究所、鍋爐生產(chǎn)商為主。

表1 三種工業(yè)鍋爐操作培訓(xùn)方式比較

2.1 微機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

純軟件式的鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有開發(fā)費(fèi)用低、周期短、擴(kuò)展靈活、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，不少單位開展了研究。浙江理工大學(xué)開發(fā)了一套多組態(tài)全工況工業(yè)鍋爐操作仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[7-8]。該系統(tǒng)采用C/S構(gòu)架，硬件上由一臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)教練PC機(jī)，若干臺(tái)培訓(xùn)PC機(jī)等組成，軟件上采用MS SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，GE公司的iFIX 4.0組態(tài)軟件。系統(tǒng)功能包含了點(diǎn)火、上水、升壓等鍋爐正常操作模塊，以及假水位、缺水、汽水共騰等故障操作模塊。該系統(tǒng)采用Petri網(wǎng)建模技術(shù)和Flash技術(shù)建立了鍋爐仿真模型，采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊形式進(jìn)行操作，可支持300人同時(shí)進(jìn)行培訓(xùn)考試。

北京恒和大風(fēng)軟件技術(shù)有限公司采用組態(tài)技術(shù)和圖形化建模方式開發(fā)了一套工業(yè)鍋爐仿真教學(xué)培訓(xùn)軟件，如圖1所示，使用時(shí)通過鼠標(biāo)來切換各個(gè)子系統(tǒng)的流程畫面及熱力參數(shù)曲線，支持燃油爐、燃?xì)鉅t、QXW、DZL等多種爐型。

圖1 鍋爐仿真教學(xué)培訓(xùn)軟件

北京華康達(dá)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有限公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了一套司爐人員3D仿真培訓(xùn)考試系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)采用三維界面，專用的仿真鍵盤，可使操作人員在3D場(chǎng)景中漫游巡視。

圖2 3D鍋爐仿真培訓(xùn)考試系統(tǒng)

此外，齊齊哈爾質(zhì)監(jiān)局聯(lián)合哈爾濱理工大學(xué)以130 t/h循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組為對(duì)象，采用Ad?vanTrol-Pro組態(tài)軟件研究鍋爐培訓(xùn)模擬操作方法[9]。華中科技大學(xué)針對(duì)船用燃油鍋爐開發(fā)了一套基于虛擬臺(tái)盤的鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[10]，由操作員臺(tái)和教練員臺(tái)組成，采用了集總參數(shù)法分塊建立了鍋爐系統(tǒng)模型，通過屏幕上的虛擬儀表開關(guān)進(jìn)行模擬操作。江蘇石油化工學(xué)院開發(fā)了BG410t/h型和HG220t/h型燃煤鍋爐仿真培訓(xùn)軟件，并對(duì)快速仿真算法開展了研究[11]。

2.2 半物理仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

半物理式鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)的研究熱度要高于微機(jī)仿真式。大連鍋檢所聯(lián)合大連理工大學(xué)和三浦鍋爐等單位研制了工業(yè)鍋爐實(shí)際操作考核培訓(xùn)模擬機(jī)[5，12]，如圖3所示。系統(tǒng)的硬件部分由鍋爐本體模型及其控制臺(tái)、PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PC上位機(jī)、交換機(jī)等組成；軟件部分采用三維力控組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)，基于C/S構(gòu)架，采用Modbus通訊協(xié)議，用VB進(jìn)行第三方程序開發(fā)，集成多媒體、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括演示模塊、練習(xí)考核模塊、評(píng)分模塊等。該系統(tǒng)包括三種爐型，其中立式燃油鍋爐外觀更為真實(shí)。

圖3 工業(yè)鍋爐實(shí)際操作培訓(xùn)模擬機(jī)

華東理工大學(xué)聯(lián)合上海鍋檢所、杭州特檢院等單位研發(fā)了燃油/燃煤鍋爐仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)[13-14]，如圖4所示。該系統(tǒng)硬件上由鍋爐實(shí)物模型和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，采用單片機(jī)配合I/O板作為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由鍋爐實(shí)體產(chǎn)生的各種操作信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換送入下位機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，然后以通訊方式輸入上位計(jì)算機(jī)，上位機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。軟件部分同樣采用C/S構(gòu)架，用組態(tài)軟件結(jié)合VB作開發(fā)平臺(tái)，包括通訊程序、鍋爐仿真程序、監(jiān)控程序、考核程序、智能評(píng)分程序等幾部分。

圖4 燃油/燃煤鍋爐仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)

上面兩款鍋爐模擬機(jī)是目前在特種設(shè)備作業(yè)人員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)中推廣較好的培訓(xùn)裝置。此外，在石油化工領(lǐng)域，大慶石油管理局聯(lián)合浙江大學(xué)等單位也研發(fā)了類似的鍋爐培訓(xùn)裝置[4，6，15]，硬件由工程師站、實(shí)物仿真系統(tǒng)、數(shù)字仿真系統(tǒng)三部分構(gòu)成，三臺(tái)鍋爐模型通過數(shù)據(jù)采集卡連接一臺(tái)教練工控機(jī)，軟件采用VC++開發(fā)，運(yùn)行在若干臺(tái)學(xué)員計(jì)算機(jī)及一臺(tái)教師指令計(jì)算機(jī)中。大慶石油學(xué)院等單位基于DCS思想，采用DOS、Borland C及FIX組態(tài)軟件為開發(fā)工具開發(fā)了由十臺(tái)仿真鍋爐和仿真附屬間組成的鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[16]。中國石油大學(xué)針對(duì)勝利油田的工業(yè)鍋爐使用同樣也研制了由4臺(tái)油爐組成的混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，取得了較好的培訓(xùn)效果[17-18]。

目前所開發(fā)的這些半物理式鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：首先在硬件構(gòu)架上通常采取圖5所示的方案，鍋爐實(shí)體按真實(shí)工業(yè)鍋爐的縮小比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中閥門儀表等操作顯示單元在實(shí)物基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化改裝，如在閥門內(nèi)部安裝霍爾傳感器，在水位表中安裝LED光柱等，操作控制臺(tái)保留真實(shí)鍋爐的布局，下位機(jī)部分主要起到數(shù)據(jù)采集和處理的作用，對(duì)各類傳感器和數(shù)碼元件進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)方案有采用PLC、單片機(jī)，也有采用工控機(jī)。系統(tǒng)的軟件部分通常采用C/S構(gòu)架，以組態(tài)軟件結(jié)合VB、VC等為開發(fā)工具，系統(tǒng)軟件通常運(yùn)行于上位機(jī)和服務(wù)器中，其中上位機(jī)（PC客服端）上運(yùn)行鍋爐仿真程序、監(jiān)控考核評(píng)分等程序，服務(wù)器上運(yùn)行數(shù)據(jù)庫程序，進(jìn)行各類信息的管理。整套鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)涉及建模仿真、傳感器應(yīng)用、機(jī)電控制、組態(tài)、數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο缶幊?、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等專業(yè)技術(shù)，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)從90年代后期開始研制，其作用在司爐人員的操作培訓(xùn)中得到了肯定，但是當(dāng)前這些系統(tǒng)仍存在一些不足，其發(fā)展方向和需要完善的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

（1）近年來工業(yè)鍋爐的節(jié)能工作已成為我國節(jié)能減排國家戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一，而目前我國工業(yè)鍋爐的實(shí)際熱效率較低，其中燃煤鍋爐平均僅為65%左右。實(shí)踐證明，司爐工的操作水平和安全節(jié)能意識(shí)是影響鍋爐效率的決定性因素，提高司爐人員操作水平而取得的節(jié)能效果可占節(jié)能總量的1/3左右[19]，因此開展司爐工節(jié)能操作技能培訓(xùn)是非常緊迫的。目前的鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)不具備節(jié)能操作方面的技能培訓(xùn)功能，僅停留在安全操作技能培訓(xùn)方面，如正常運(yùn)行操作和事故應(yīng)急操作。開發(fā)支持節(jié)能操作技能培訓(xùn)的系統(tǒng)需要在軟硬件上具備一定條件，在硬件上多數(shù)操作信號(hào)要由開關(guān)信號(hào)改成模擬信號(hào)，如風(fēng)門開度、閥門開度、煤層厚度、轉(zhuǎn)速等操作信號(hào)需要連續(xù)可調(diào)及采樣，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而在軟件上需要支持鍋爐全工況動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行的精確數(shù)學(xué)模型，使得學(xué)員操作時(shí)系統(tǒng)各物理量之間建立聯(lián)動(dòng)關(guān)系，因此開發(fā)節(jié)能型鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)具有一定難度，但這是一個(gè)很好發(fā)展方向。

圖5 半物理式鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件構(gòu)架

（2）鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性有待提高。雖然許多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都配置了半物理式的鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，但能夠在司爐工培訓(xùn)中長期使用的并不多。由于硬件上涉及多類傳感器、數(shù)碼管等電子元件，軟件上的編寫不夠嚴(yán)謹(jǐn)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后需要專業(yè)人員修理才能恢復(fù)。較差的可靠性和維護(hù)性使得很多培訓(xùn)裝置成為了一個(gè)擺設(shè)。如何在硬件選型和設(shè)計(jì)上把關(guān)，在軟件開發(fā)上減少程序漏洞，提高鍋爐培訓(xùn)裝置的可靠性和易維護(hù)性是重要的發(fā)展方向。

（3）在仿真效果方面，除了軟件上對(duì)鍋爐仿真模型進(jìn)行改進(jìn)之外，在實(shí)物模型的外形和模擬效果上，可借鑒軍工、電力、化工等領(lǐng)域的仿真模擬器技術(shù)，應(yīng)用各類先進(jìn)的多媒體、光學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)，提高系統(tǒng)的逼真度和操作真實(shí)感。

（4）在系統(tǒng)功能方面，除了節(jié)能操作培訓(xùn)之外，智能培訓(xùn)和遠(yuǎn)程培訓(xùn)也是發(fā)展方向之一，如在練習(xí)時(shí)主動(dòng)診斷和記錄操作錯(cuò)誤，根據(jù)學(xué)員的水平和學(xué)習(xí)情況自動(dòng)選擇和調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容及進(jìn)度，對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)行為自動(dòng)評(píng)價(jià)等。

4 結(jié)束語

司爐工的操作技能水平是決定工業(yè)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。合理的培訓(xùn)方法配合先進(jìn)的培訓(xùn)裝置能有效提高司爐工的操作水平。隨著虛擬仿真、計(jì)算機(jī)、傳感檢測(cè)、機(jī)電控制等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在有效提高司爐工的實(shí)際操作技能方面起到了重要作用，帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、以及國民經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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