王和，侯平智，吳鋒

（1.新疆獨(dú)山子克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依833600；2.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，杭州310018）

煤化工行業(yè)在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位是非常重要的，其工藝設(shè)備逐漸大型化，自動(dòng)控制水平也越來(lái)越高，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行人員的操作能力與水平有了更高的要求。但由于生產(chǎn)裝置必須保證安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、優(yōu)化運(yùn)行，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不可能依靠實(shí)際生產(chǎn)裝置來(lái)提高和培訓(xùn)運(yùn)行人員的操作技能。發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)用仿真工廠進(jìn)行煤化工技能培訓(xùn)是最有效的方法之一［1－2］。

從小型冷模裝置、縮小型流程生產(chǎn)裝置、半實(shí)物仿真裝置，逐漸發(fā)展到目前的煤化工仿真工廠，主要是由目前的煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)操作所面臨的現(xiàn)狀決定的：裝置體積龐大、造價(jià)昂貴，難以進(jìn)課堂；煤化工生產(chǎn)裝置的日益大型化、復(fù)雜化，安全問(wèn)題日益突出；實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與實(shí)訓(xùn)手段難以滿足實(shí)際需要［3－7］。

為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)職業(yè)教育的發(fā)展，由內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院等多家單位的教學(xué)科技人員合作，以“校中廠”實(shí)訓(xùn)基地的理念為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想［8－9］，以國(guó)內(nèi)第一條投產(chǎn)運(yùn)行的“咸陽(yáng)化學(xué)工業(yè)公司德士古氣化爐工藝的單線600kt／a新型煤氣化制甲醇實(shí)際工廠”為參照［10－13］，研究、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新型煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠。

1 設(shè)計(jì)思路

新型煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠需要將職業(yè)技能培訓(xùn)與鑒定相結(jié)合，實(shí)訓(xùn)裝置的硬件與技能訓(xùn)練仿真軟件相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)代煤化工工藝過(guò)程、動(dòng)態(tài)操作、自動(dòng)檢測(cè)傳感裝置及DCS進(jìn)行仿真模擬。

為此，在真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際工廠工藝流程的基礎(chǔ)上，省略工業(yè)流程中的一些輔助工序、輔助設(shè)備，同時(shí)對(duì)重要工序、重要設(shè)備進(jìn)行了強(qiáng)化，以加深學(xué)生對(duì)煤制甲醇工業(yè)化裝置的了解。將工業(yè)裝置中大型設(shè)備如塔器、反應(yīng)器、儲(chǔ)槽、換熱器、輸送設(shè)備等在保持原設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下按一定比例縮小，通過(guò)連接真實(shí)管路、手動(dòng)閥門、控制閥門及壓力、流量、溫度、物位、功率、成分和閥位測(cè)控傳感器等，組成煤制甲醇全流程裝置。

該仿真工廠能模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)環(huán)境，能進(jìn)行煤氣化制甲醇生產(chǎn)工藝的冷態(tài)開(kāi)車、熱態(tài)開(kāi)車、正常運(yùn)行、正常停車、緊急停車、設(shè)備維護(hù)等方面的技能操作訓(xùn)練和工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練；還能通過(guò)安全手段設(shè)置各類故障，使學(xué)員能夠處理各類緊急狀況，進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程操作、分析，排除工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程故障。

仿真工廠的流程仿真軟件按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和流程進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理深入地剖析。通過(guò)機(jī)理建模建立“虛擬工廠”，可自上而下地實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠過(guò)程和控制邏輯的動(dòng)態(tài)模擬。仿真軟件的動(dòng)態(tài)模型真實(shí)地再現(xiàn)了實(shí)際工業(yè)流程狀態(tài)和行為，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地模擬工藝現(xiàn)場(chǎng)，模擬真實(shí)故障。

2 煤化工仿真工廠總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述思路，該煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠總體結(jié)構(gòu)由三大部分組成：流程工藝實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)、仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)（OTS）和DCS中控室系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠總體結(jié)構(gòu)

流程工藝實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)環(huán)境，由若干工段組成：煤漿制備工段、氣化工段、變換工段、凈化工段、甲醇合成工段、甲醇精餾工段、硫回收工段。

OTS按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和流程進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行深入地剖析；另外還能依靠組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、熱力學(xué)模塊、設(shè)備模型庫(kù)，為操作員培訓(xùn)提供精確而可靠的動(dòng)態(tài)模擬。

DCS中控室系統(tǒng)為仿真控制中心，由現(xiàn)場(chǎng)控制站、工程師站上位監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及大屏幕系統(tǒng)、仿真培訓(xùn)軟件模型機(jī)系統(tǒng)組成。

3 煤化工仿真工廠的組成與功能設(shè)計(jì)

3.1 組成設(shè)計(jì)

煤化工仿真工廠區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置，裝置規(guī)模大、設(shè)備管路呈三維空間分布。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，煤化工仿真工廠的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 功能設(shè)計(jì)

煤化工仿真工廠的功能設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)煤氣化制甲醇基本生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備組成，滿足工藝操作訓(xùn)練要求和設(shè)備操作訓(xùn)練要求，能夠安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，滿足企業(yè)多班制連續(xù)操作實(shí)習(xí)要求；主體設(shè)備關(guān)鍵部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視，便于學(xué)生對(duì)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解；能進(jìn)行開(kāi)停車操作、正常工況操作、事故處理操作等。檢測(cè)控制工藝參數(shù)同煤制甲醇系統(tǒng)工藝參數(shù)一致，并可同仿真系統(tǒng)互動(dòng)聯(lián)系，體現(xiàn)真實(shí)工藝流程運(yùn)行參數(shù)。

圖2 仿真工廠的結(jié)構(gòu)示意

該仿真工廠所擁有的煤制甲醇－二甲醚冷態(tài)模擬培訓(xùn)既具備離線仿真培訓(xùn)功能，也具備在線仿真培訓(xùn)功能。學(xué)員可以脫離工藝流程實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真培訓(xùn)，也可基于工藝流程實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)進(jìn)行在線仿真實(shí)訓(xùn)。當(dāng)學(xué)員進(jìn)行離線仿真培訓(xùn)時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)僅在學(xué)員站和OTS間傳遞。OTS服務(wù)器基于OPC通信協(xié)議接收學(xué)員站操作指令并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型計(jì)算，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果傳遞給學(xué)員站的監(jiān)控畫(huà)面加以顯示。當(dāng)學(xué)員進(jìn)行在線仿真培訓(xùn)時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)在學(xué)員站，OTS，DCS，工藝流程實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)間傳遞。

來(lái)自學(xué)員站的控制指令，通過(guò)DCS工程師站傳遞給DCS控制站并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)通過(guò)DCS傳遞給OTS以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型運(yùn)算。來(lái)自就地電氣儀表控制柜的控制操作，經(jīng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)通過(guò)DCS傳遞給OTS以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型運(yùn)算。來(lái)自就地手動(dòng)的控制操作，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)通過(guò)DCS傳遞給OTS以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型運(yùn)算。OTS的運(yùn)算結(jié)果，一方面通過(guò)OPC協(xié)議在學(xué)員站加以顯示，另一方面又通過(guò)DCS轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在就地?cái)?shù)字或模擬儀表中加以顯示。

4 煤化工仿真工廠特點(diǎn)

新型煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠具有下列特點(diǎn)：

1）既能使學(xué)員了解和掌握正常工況下各個(gè)相關(guān)流程的操作和維護(hù)，能進(jìn)行新型煤氣化制甲醇化工工藝的冷熱開(kāi)車、熱態(tài)開(kāi)車、正常運(yùn)行、正常停車、緊急停車、設(shè)備維護(hù)等方面的技能操作訓(xùn)練，工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練；又能通過(guò)安全手段設(shè)置各類故障，使學(xué)員能夠處理各類緊急狀況，進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程操作、分析，排除工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程故障。

2）仿真軟件系統(tǒng)按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、流程、重點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行模擬仿真。仿真軟件的動(dòng)態(tài)模型真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際工業(yè)流程狀態(tài)和行為，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地模擬工藝現(xiàn)場(chǎng)，模擬真實(shí)故障。

3）仿真軟件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬軟件依靠組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、熱力學(xué)模塊、設(shè)備模型庫(kù)，為操作員培訓(xùn)系統(tǒng)提供精確而可靠的動(dòng)態(tài)模擬，建立了基于嚴(yán)格機(jī)理的模擬器組件模型，并對(duì)其動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化。

4）仿真軟件系統(tǒng)通過(guò)模擬測(cè)控系統(tǒng)、DCS和數(shù)學(xué)模型，使裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體，創(chuàng)造性地將企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)工藝裝置操作和OTS仿真軟件及DCS模擬環(huán)境進(jìn)行全流程的互動(dòng)，將真實(shí)工廠的操作培訓(xùn)引入學(xué)校，建立了教、學(xué)、做、考四位一體的校中工廠。

5）替代傳統(tǒng)純仿真實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)了技能實(shí)踐、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)訓(xùn)及崗前模擬訓(xùn)練，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐職業(yè)教育發(fā)展，使得企業(yè)員工職業(yè)技能提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

該新型煤氣化制甲醇仿真工廠已在內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院投入使用。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)操作的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)感受與實(shí)際裝置接近；學(xué)員對(duì)仿真工廠系統(tǒng)給予了很高的評(píng)價(jià)。

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