任 云

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315000）

近年來，受國際油價一直居于高位等因素刺激，國內的各類新型煤化工裝置得到了快速的發(fā)展。新型煤化工裝置具有控制要求復雜，操作自動化程度高等特點。從實際裝置的開車運行來看，要順利、安全的對煤化工裝置進行開車運行，工藝操作人員對流程操作過程的熟練程度對裝置的安全平穩(wěn)開車運行起著關鍵的作用。新型煤化工裝置對熟練操作員的需求，進而促進了一批煤化工裝置操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 的設計開發(fā)應用。操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 有助于操作員理解自動控制及操作規(guī)程，并能大幅度提升操作員的操作水平，減少開停工次數(shù)，避免事故發(fā)生，使裝置更加安全、穩(wěn)定。本文以國內某煤化工裝置為例，介紹操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 在煤化工裝置中的設計應用。

1 操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS

OTS:Operator Training System,即操作員培訓仿真系統(tǒng)。是利用計算機仿真各種實際工程技術，構造一種以教學和訓練為目的，再現(xiàn)一個真實的系統(tǒng)行為的系統(tǒng)。

1.1 OTS 組成及功能

1）操作員站

操作員站即學員站,學員在操作員站上完成裝置基本操作練習及各種模擬故障排除。操作員站的操作界面、功能及操作方式與裝置實際生產所用的DCS 操作員站完全一致，是操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 的主要用戶界面。

2）教員站

教員站負責管理和監(jiān)控學員的學習情況，為其設置各種模擬工況及故障點，對學員進行考評等。教員站能對教員變量（如原料組分、環(huán)境溫度等）進行修改，并且能夠方便的回溯到任何一個模擬工況節(jié)點上，以供學員對某個模擬工況操作進行反復操作。

3）工程師站

工程師站具備操作員站的功能，同時可以進行DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的編輯、組態(tài)和維護工作。

4）現(xiàn)場站

現(xiàn)場站用于模擬實現(xiàn)裝置生產中DCS 系統(tǒng)操作站之外的操作，如現(xiàn)場機泵開停、現(xiàn)場閥門的開關、輔操臺的聯(lián)鎖復位及投用等。

5）仿真控制器

仿真擬控制器用于實現(xiàn)激勵仿真，完全模擬真實DCS 控制器的運用和功能，可直接使用DCS現(xiàn)場組態(tài)，在使用、維護等各個環(huán)節(jié)均與工廠DCS 一致。

6）模型服務器

模型服務器通過數(shù)學模型對已配置好的對象模型進了模擬仿真，完成復雜的仿真計算，并將計算結果通訊到各DCS 操作站，反應出操作參數(shù)的變化及報警信息，實現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能。模型服務器具有工藝模型開發(fā)、調試、修改及數(shù)據(jù)管理等功能，同時具備工藝模型基礎算法的編制、修改和研究功能。

1.2 OTS 硬件架構

此煤化工裝置操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 共設置了5 個學員站、1 個教員站、1 個工程師站。采用了標準計算機做為教員站、學員站和工程師站，其中一臺學員站兼具仿現(xiàn)場站操作功能，教員站兼具模型服務器功能，工程師站兼具仿真服務器功能，工程師站配備一臺打印機。

在同一個局域網上，可以同時運行1 個教員站和多個學員操作站，教員站和學員站都采用標準的計算機操作系統(tǒng)，網絡協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議、以太網連接的多用戶、多任務可遠程訪問的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件架構如下圖1 所示。

圖1 OTS 系統(tǒng)硬件架構圖

1.3 OTS 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是OTS 系統(tǒng)的核心，仿真模型的精度和對工廠控制系統(tǒng)的模擬程度決定了OTS 系統(tǒng)的質量。仿真培訓模擬系統(tǒng)（OTS）軟件系統(tǒng)主要包含了仿真軟件、虛擬控制器軟件和DCS-OTS接口軟件三個關鍵軟件。

1）仿真軟件

仿真軟件是一個基于嚴格計算的、功能全面的、成熟的動態(tài)過程模擬系統(tǒng)，運用基于機理的技術和嚴格的熱力學數(shù)據(jù)，其計算結果經過大量實踐檢驗，準確可靠。仿真軟件計算引擎是動態(tài)模擬應用于工程分析的主要功能模塊，實現(xiàn)工藝模型仿真模擬計算等功能。

2）虛擬控制器軟件

虛擬控制器軟件即虛擬DPU（Distributed Processing Unit,分散處理單元）軟件，是指將實際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬DPU軟件上，使DPU 功能脫離實際硬件而實現(xiàn)的。

3）DCS-OTS 接口軟件

DCS-OTS 接口軟件是連接仿真軟件與DCS虛擬控制器的橋梁，提供仿真DCS 與工藝模型的接口，支持實時向DCS 虛擬控制器讀寫數(shù)據(jù)，以確保工藝變量與控制器輸出的連接。

2 OTS 設計過程

1）前期準備

收集用于OTS 系統(tǒng)開發(fā)的實際現(xiàn)場裝置的工藝管道儀表流程圖（P&ID）、物料及熱平衡數(shù)據(jù)、靜設備規(guī)格尺寸、泵特性曲線、儀表控制邏輯等相關資料；編制工藝軟件概要設計書；并根據(jù)裝置工藝特點與OTS 開發(fā)所需的技術要求，選定虛擬控制器軟件及仿真系統(tǒng)平臺。

2）模型設計開發(fā)

分析總結前期工作收集的資料,確定系統(tǒng)模擬范圍并形成關鍵設備的靜態(tài)、動態(tài)模型設計方案。

采用仿真軟件，根據(jù)實際裝置的PID、PFD、HMB、設備數(shù)據(jù)表等資料，對整個裝置進行動態(tài)模型開發(fā)：模擬已經投產的實際現(xiàn)場裝置的組態(tài)內容，在與實際現(xiàn)場裝置基本相同的操作條件下，建立系統(tǒng)模型，繪制仿真動態(tài)模型流程圖；模擬系統(tǒng)運行過程中的工藝參數(shù)變化和相互關系；模擬仿真出與實際裝置相同的開停車流程、控制操作方案；模擬動設備、閥門及管道堵塞等故障及排除方法；建立操作員操作考評系統(tǒng)。

應用到的模型部件包括：Drum、Tower、Heat exchanger、 combustor、 Plug flow reactor、pump、motor、valve、pipe、header、stream、source、 sink、 stream set、 slate change、transmittor 以及PID controller 等模塊。

3）DCS 控制系統(tǒng)組態(tài)

根據(jù)實際現(xiàn)場裝置的工藝流程說明、儀表控制邏輯等資料、對裝置的相關控制進行研究、開發(fā)并進行組態(tài)、完成DCS 控制系統(tǒng)部分的設計。在此過程中也檢驗了儀表控制邏輯設計的合理性，復核了控制系統(tǒng)的組態(tài)，優(yōu)化和提高現(xiàn)有的工藝方案和控制系統(tǒng)。

4）系統(tǒng)集成

利用虛擬DPU 技術、把DCS 控制系統(tǒng)組態(tài)下載到虛擬控制器中、虛擬控制器中的點與粉煤化工裝置模型的關鍵參數(shù)點、通過OPC 接口進行數(shù)據(jù)的交互、完成整個系統(tǒng)的構建。

5） 測試驗收

系統(tǒng)集成后，由工藝、儀表技術人員對OTS 系統(tǒng)進行測試：對照物料平衡表、工藝流程、控制方案及關鍵工藝指標，核實模型中關鍵設備性能參數(shù)設置；對系統(tǒng)進行開停車等測試，觀察模型的逼真性、實時性、連續(xù)性、可靠性及應用性。

3 結語

此套操作員培訓仿真系統(tǒng)OTS 模擬已經投產的實際現(xiàn)場裝置，共建立了裝置全系統(tǒng)模型；模擬仿真出與實際現(xiàn)場裝置相同的開停車流程、控制操作方案；模擬了裝置的故障及排除方法；建立了操作員操作考評系統(tǒng)；開發(fā)出了一套與實際操作相同的的仿真培訓模擬系統(tǒng)。OTS 系統(tǒng)的開發(fā)應用，提高了工廠運行水平，減少非正常停工次數(shù)；提高工人處理突發(fā)事故能力，減少事故帶來的經濟的損失，同時降低企業(yè)的能耗；降低控制系統(tǒng)維護，檢驗和改造費用，為企業(yè)節(jié)省大筆開支。