張 瑩，沈孟龍

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053）

化工、石化類型的生產(chǎn)企業(yè)，常常具有連續(xù)操作、設(shè)備密集、高溫易蝕、易燃易爆、有毒有害等特點，而往往由于企業(yè)對安全方面的重視程度問題，容易引發(fā)各類化工企業(yè)安全事故。而操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以在計算機上仿真模擬化工/石化/煉油等行業(yè)各流程的真實生產(chǎn)過程，建立對應(yīng)的“虛擬工廠”，包含其生產(chǎn)過程及其控制邏輯。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對工廠過程和控制邏輯的模擬、調(diào)整和培訓(xùn)。這種仿真模擬技術(shù)[1]可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行及各種事故過程的現(xiàn)象和操作，是生產(chǎn)裝置操作工培訓(xùn)和工藝方案研究的高效手段。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)成為提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，降低生產(chǎn)成本，提高其在國際市場中的創(chuàng)新力、應(yīng)變力、適應(yīng)力和綜合競爭力的主要手段之一。

為此，開發(fā)了一套中控技術(shù)公司自己的操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)OTS（operator training system），與公司已有的產(chǎn)品相配套，不但可以彌補傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的不足，通過計算機仿真技術(shù)模擬實際裝置，實現(xiàn)操作人員在裝置開車、停車、正常運行及緊急事故處理等各類工況下的操作訓(xùn)練，從而快速、高效地提升其操作技能。因此，OTS 對企業(yè)的生產(chǎn)運行具有重要意義，還可以提高公司市場競爭力，對公司發(fā)展起到推動作用。

1 VxOTS 簡介

OTS 可以模擬工廠各種生產(chǎn)狀況，如開工、停工、正常操作、設(shè)備故障和緊急狀況等，對操作員進行操作培訓(xùn)[2]，幫助用戶保障現(xiàn)場安全，縮短開停車時間，減小環(huán)境不確定因素影響，延長各裝置連續(xù)生產(chǎn)時間，提高操作員知識技術(shù)水平，降低產(chǎn)品不合格率，評估操作員培訓(xùn)情況和操作能力。

中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于中控智慧仿真平臺架構(gòu)。該平臺采用微軟新一代的WPF（Windows presentation foundation，Windows 呈現(xiàn)基礎(chǔ)）界面框架技術(shù)，為用戶提供直觀、友好且功能強大的開發(fā)及培訓(xùn)功能；支持OPC，Modbus 等通信協(xié)議，使系統(tǒng)具有更好的靈活性、開放性、可擴展性。

中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由仿真建模平臺、教師站軟件、學(xué)員站軟件、操作評價軟件等4 個組件組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。類比真實DCS系統(tǒng)架構(gòu)，VxOTS 中的VF（visual field）仿真虛擬控制器對應(yīng)DCS 的真實控制器，VxOTS 系統(tǒng)中的仿真模型對應(yīng)實際生產(chǎn)裝置。其中VxOTS 仿真模型部分與DCS 系統(tǒng)的具體對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 VxOTS 架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VxOTS architecture

圖2 VxOTS 仿真模型Fig.2 VxOTS simulation modle

2 測試方向

區(qū)別于中控技術(shù)公司傳統(tǒng)的工控軟件，VxOTS軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件的測試更關(guān)注現(xiàn)場應(yīng)用。如： 仿真算法是否符合現(xiàn)場設(shè)備及物質(zhì)的運行原理，現(xiàn)有功能是否滿足現(xiàn)場培訓(xùn)要求，培訓(xùn)模式是否足夠靈活，培訓(xùn)規(guī)模是否能夠支持，軟件操作對培訓(xùn)人員是否易掌握，人員及設(shè)備安全是否造成威脅，等。對軟件測試而言，軟件實際應(yīng)用的關(guān)注點即測試重點，在此對六大測試方向進行梳理分析，如圖3所示。

圖3 VxOTS 測試重點Fig.3 VxOTS test point

3 測試方法

結(jié)合軟件實際的應(yīng)用場景[3]，針對所提煉出的測試重點，拓展測試內(nèi)容，羅列出相應(yīng)的測試方法，大致如圖4所示。

（1）功能算法測試

功能算法測試[4]用于了解運行原理和聯(lián)立方程求解機制。如：壓力流量平衡計算是將所有壓力流量聯(lián)立求解，組分平衡和能量平衡是滿足物質(zhì)守恒、能量守恒及相平衡原理，計算裝置出口溫度、濃度、相分率、密度、焓熵等信息，拓撲排序，從前往后，序貫求解；做熱力學(xué)計算，已知溫度、壓力、氣液固相組成、物性數(shù)據(jù)，求解熵、焓、密度等；閃蒸算法（PT，PH，PS），已知出入口壓力、總組分、溫度（總焓、總熵）等，求解氣液固三相組成（溫度）等。

了解以上要求及計算原理，從正確性和易用性方面，可以設(shè)計相應(yīng)的測試場景。

1）物質(zhì)流算法 在界面上拖一股物質(zhì)流，進行相應(yīng)的條件設(shè)置，進行閃蒸。將閃蒸結(jié)果與相同條件下Aspen 軟件[5]的閃蒸結(jié)果進行驗證對比。

2）設(shè)備模塊算法 例如調(diào)節(jié)閥，連接相應(yīng)的物質(zhì)流，并設(shè)置邊界條件：①驗證錯誤的邊界條件設(shè)置，運行是否會有相應(yīng)的錯誤提示；②合理的邊界條件下，驗證算法結(jié)果的準(zhǔn)確，例如閥門的壓降、流量、熱力學(xué)物性是否正確。

圖4 VxOTS 測試內(nèi)容及方法Fig.4 VxOTS contents and methods

3）設(shè)備模塊算法閃蒸計算 ①例如調(diào)溫器PH閃蒸，進行組態(tài)：物質(zhì)流1→調(diào)溫器1→調(diào)溫器2→物質(zhì)流2。調(diào)溫器1 限定出口溫度，運行組態(tài)，記錄其能量輸出為Q，停止運行；將調(diào)溫器2 屬性設(shè)為設(shè)定負荷，將Q 填入換熱量，則物質(zhì)流1 和物質(zhì)流2的溫度在誤差范圍內(nèi)應(yīng)該相等。②組不同物質(zhì)，在不同的設(shè)備中閃蒸，嘗試各種組合，也要區(qū)分氣液固相態(tài)的物質(zhì)；③設(shè)備中選擇不同熱力學(xué)方法，如（IDEAL，SRK，UQ）閃蒸結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4）聯(lián)立求解 測試聯(lián)立方程算法的準(zhǔn)確性和性能：①組不同的設(shè)備進行測試，嘗試各種組合如同種類型的設(shè)備組成；②組不同的物質(zhì)，嘗試各種組合，如組分包為全氣體的物質(zhì)組成，或氣液混合，或氣固混合。

（2）已有功能測試

已有功能測試為遍歷測試。與現(xiàn)場需求對比，做遍歷測試，驗證現(xiàn)有功能是否完全滿足需求。

（3）培訓(xùn)模式測試

培訓(xùn)模式測試為單機聯(lián)合切換測試。通過隨機切換單機聯(lián)合的培訓(xùn)模式，驗證功能的正確性和操作的靈活性。測試過程中，通過該測試項發(fā)現(xiàn)存在切換失敗概率，從單機切換到聯(lián)合模式時，會出現(xiàn)教室頁面和培訓(xùn)頁面展示不一致的現(xiàn)象。開發(fā)時針對該問題進行修改，保證培訓(xùn)模式靈活切換的正確性。

（4）培訓(xùn)規(guī)模測試

培訓(xùn)規(guī)模測試[6]采用虛擬機代替實體機的測試方法。分別驗證典型規(guī)模20 臺學(xué)員站和大型規(guī)模100 臺學(xué)員站的情況下，單機聯(lián)合培訓(xùn)的正確性。

（5）操作體驗測試

操作體驗測試即對比測試[7]。同時搭建同類產(chǎn)品的軟件平臺，從軟件的界面美觀性、穩(wěn)定性、易用性及完整性等方面，逐項進行比對測試，給出參考數(shù)據(jù)。

（6）安全測試

在安全測試[2-3]中，軟件通過對操作員進行反復(fù)的開車、停車、故障、裝置事故應(yīng)急等各種情景的模擬培訓(xùn)，能夠提高工廠內(nèi)操作員的安全意識，使其在實際場景中迅速做出正確處理反應(yīng)，大大減小人員、生產(chǎn)、操作安全事故的發(fā)生概率，并減少事故帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡，以一種間接的方式很大程度地保障了現(xiàn)場安全。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

針對VxOTS 軟件的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)各種測試表明，其能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場模擬培訓(xùn)的需求。該操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)已擁有多個成功應(yīng)用案例，在此給出兩例。

4.1 煉油項目

在中石化廣西某分公司500 萬噸煉油項目中，現(xiàn)場實現(xiàn)裝置有：常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整、柴油加氫、聚丙烯等6 套裝置。具體功能包括：準(zhǔn)確模擬穩(wěn)態(tài)操作，進料質(zhì)量和進料量變化對工藝的影響，制定設(shè)備跳閘（如壓縮機等）及操作條件恢復(fù)對工藝的影響，冷進料開工，熱進料開工，在設(shè)備跳閘后的工況下重新開工，正常停工和經(jīng)濟停工，正常工況操作，異常工況操作，評分功能，等。

其功能及性能完成情況為：模型穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與參照的穩(wěn)態(tài)設(shè)計數(shù)據(jù)對比的標(biāo)準(zhǔn)偏差在讀數(shù)的2%范圍之內(nèi)；流程模擬的動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)工況與實際近似，流程對象動態(tài)趨勢與實際一致，流程對象動態(tài)變化速率、幅度與實際近似。

系統(tǒng)在該廠的成功應(yīng)用為客戶創(chuàng)造了巨大效益，贏得客戶的一致好評。

4.2 采油OTS 項目

在海上離岸采油OTS 項目中，工藝技術(shù)涉及海上油氣的開采、油氣分離、氣體的壓縮、運輸及中控室和生活區(qū)等5 大平臺，模擬不僅限于整個工藝流程，還包括了采油平臺的F&G 系統(tǒng)，模擬平臺的氣、火、煙、H2S 等事故報警，再現(xiàn)海上平臺的工藝操作和事故處理流程。

測試成果在該項目得到充分的體現(xiàn)，獲得現(xiàn)場用戶的高度肯定。

5 結(jié)語

隨著仿真模擬技術(shù)的發(fā)展和推廣，操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在企業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用越來越廣泛。中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實際培訓(xùn)中。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的工藝模型兼顧了機理性、精確性與實時性，虛擬DCS 實現(xiàn)了與真實系統(tǒng)完全一致的操作體驗，訓(xùn)練工況項目內(nèi)容豐富，能夠有效地幫助操作員和其他相關(guān)技術(shù)人員在較短時間內(nèi)掌握生產(chǎn)過程的特性，并且滿足了企業(yè)實際生產(chǎn)開/停車操作技能與事故處理技術(shù)能力培的需求。