陳鑫，張曉, 戴維

(1. 中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500；2. 西門子(中國)有限公司，上海 200030)

煉化行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，由于煉化過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等風(fēng)險，一旦發(fā)生事故，危害程度較大，為此對煉化行業(yè)的員工進(jìn)行操作培訓(xùn)十分重要。美國石油協(xié)會(API)規(guī)定： 必須對所有操作人員進(jìn)行培訓(xùn), 以便保證操作人員對所操作的裝置具有必備的知識和熟練程度[1]。操作培訓(xùn)系統(tǒng)OTS(operation training system)作為一種不影響生產(chǎn)安全，而又與生產(chǎn)實(shí)際相符的培訓(xùn)手段，可以有效保證操作人員的操作技能水平達(dá)到安全規(guī)定要求[2]。

OTS是以計算機(jī)技術(shù)為手段, 通過建立過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,在以計算機(jī)為基礎(chǔ)的硬件環(huán)境上再現(xiàn)真實(shí)過程系統(tǒng)特性的軟硬件系統(tǒng)。其主要目的是使生產(chǎn)操作人員在實(shí)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)技術(shù)熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員[3]。

近年來, 中國的大型煉化一體化項(xiàng)目或大型合資項(xiàng)目均采用OTS進(jìn)行員工培訓(xùn), 應(yīng)用較多的OTS提供商主要有西門子，Aspen，Invensys，Honeywell等外資公司，以及華康達(dá)、東方仿真等國內(nèi)公司[4-7]。1985年北京化工大學(xué)與中國石化燕山石化公司合作研制成功國內(nèi)第一套通用性的石化OTS。2009年大慶石化公司培訓(xùn)中心開發(fā)出煉油化工安全技術(shù)與技能OTS, 填補(bǔ)了國內(nèi)煉化領(lǐng)域的空白[8]。隨著工業(yè)4.0時代的到來，智能工廠成為未來的發(fā)展趨勢，OTS也面臨著從傳統(tǒng)模式過渡到智能模式的新挑戰(zhàn)，因此建立一套基于真實(shí)煉化流程的數(shù)字化OTS，能夠助力企業(yè)達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，鍛造持久競爭力。

本文針對煉化流程采用“數(shù)字化雙胞胎(digital twin)”的新思想，建立基于數(shù)字化虛擬工廠的OTS，實(shí)現(xiàn)裝置DCS程序無縫集成的流程模擬，對虛擬工廠的操作不會直接反應(yīng)到真實(shí)工廠，但虛擬工廠對操作做出的響應(yīng)是對真實(shí)工廠的模擬。在該基礎(chǔ)上建立的OTS能夠提供虛擬試車、操作員培訓(xùn)、標(biāo)準(zhǔn)操作流程培訓(xùn)、事故預(yù)案虛擬演練等功能，并幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前模擬優(yōu)化、仿真和測試等操作，成為企業(yè)通往智能工廠道路上的鋪路磚。隨后以某煉化廠氣體分餾裝置生產(chǎn)操作為實(shí)際對象，依托西門子SIMIT平臺，建立自動化控制仿真和工藝仿真相結(jié)合的OTS，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的“數(shù)字化雙胞胎”。

1 操作培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為煉化流程的OTS需要滿足以下功能： 動態(tài)過程仿真系統(tǒng)，基于精確的熱、動力學(xué)方程和傳質(zhì)動力學(xué)模型對煉油裝置進(jìn)行流程模擬；能夠?qū)討B(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時的自動化仿真控制，保持參數(shù)一致；有一套虛擬控制平臺，實(shí)現(xiàn)對培訓(xùn)服務(wù)器與客戶端的控制；系統(tǒng)的各部分之間能夠?qū)崟r通信。為此本文提出一種基于西門子SIMIT自動化仿真軟件和Aspen Hysys工藝仿真軟件無縫集成的OTS，能夠在虛擬的數(shù)字化系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際操作的各種模擬，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程“數(shù)字化雙胞胎”。

1.1 SIMIT自動化仿真軟件

SIMIT 是西門子開發(fā)用于模擬工藝狀況和控制器執(zhí)行的仿真軟件平臺，可以保證操作員培訓(xùn)盡可能地具有真實(shí)性。所有仿真的過程數(shù)據(jù)包括P&ID圖、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)和DCS數(shù)據(jù)，在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中均可模擬顯示與操作。該軟件平臺有以下特點(diǎn)： 操作員站和服務(wù)器使用和實(shí)際DCS/SIS相同的硬件和軟件包;安裝在仿真站上的軟控制器軟件包用于仿真控制器的邏輯運(yùn)行，和實(shí)際DCS控制器有相同操作方式;安裝于服務(wù)器上的SIMIT軟件包還可以創(chuàng)建相應(yīng)用于連續(xù)過程的模塊。

1.2 Aspen Hysys工藝仿真軟件

Aspen Hysys是大型的專家系統(tǒng)軟件，主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計和石油、石化、煉油工程設(shè)計計算分析。Aspen Hysys在油氣加工模擬領(lǐng)域功能強(qiáng)大，擁有數(shù)量龐大、功能齊全的單元操作模塊和物性計算包，計算精度高，收斂速度快，在國內(nèi)外各大煉油設(shè)計院應(yīng)用非常廣泛。在煉油過程中的模擬功能也很強(qiáng)大，動態(tài)模擬準(zhǔn)確，原油數(shù)據(jù)更加齊全[9]。在OTS中，Aspen Hysys動態(tài)模型可以導(dǎo)入Aspen OTS Framework中，作為OPC Server為培訓(xùn)提供和現(xiàn)場實(shí)時一致的仿真服務(wù)。

1.3 自動化控制仿真與工藝仿真集成

通過仿真控制器將SIMIT自動化控制仿真與Aspen Hysys工藝仿真相集成得到的OTS構(gòu)架如圖1所示，其中各組成部分及其功能見表1所列。在數(shù)據(jù)通信方面，由Aspen OTS Framework提供OPC Server，SIMIT作為OPC Client，從而實(shí)現(xiàn)自動化控制仿真和工藝仿真之間的通信。

圖1 自動化和工藝仿真集成的OTS構(gòu)架示意

表1 氣體分餾裝置OTS構(gòu)成及其功能

通過仿真控制器與 DCS“直接”連接，一方面可以將組態(tài)好的 DCS 數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到連接 OTS 的模擬控制器中，保證控制方案一致性，同時操作員在OTS上使用的人機(jī)界面環(huán)境與實(shí)際的DCS一樣，培訓(xùn)效果會有很大提高。 另一方面儀表工程師在OTS上可以及早發(fā)現(xiàn)控制方案的組態(tài)錯誤和邏輯錯誤，特別是有些錯誤可能要在開車時才能發(fā)現(xiàn)，這樣可以減少開車時間，提高一次開車成功率。

2 氣體分餾裝置安全生產(chǎn)操作培訓(xùn)系統(tǒng)

該氣體分餾裝置的OTS基于圖1所示的結(jié)構(gòu)開發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。該系統(tǒng)采用PCS7 DCS控制軟件，SIMIT自動化仿真軟件，以及Hysys流程模擬軟件，通過SIMIT仿真控制器進(jìn)行控制。

啟動Aspen OTS Framework，有穩(wěn)態(tài)和冷態(tài)兩個模擬流程。穩(wěn)態(tài)模型可以仿真氣體分餾裝置平穩(wěn)運(yùn)行及停車操作，冷態(tài)模型可以仿真氣體分餾裝置冷態(tài)開車操作。啟動SIMIT軟件后，SIMIT SP與Aspen OTS Framework通過SIMIT軟件的AOTS(OPC Client)與Aspen Hysys軟件的模型數(shù)據(jù)連接。連接順序?yàn)椋?先啟動Aspen OTS Framework并運(yùn)行OPC Server，然后啟動SIMIT SP并運(yùn)行，仿真程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。同時虛擬控制器在SIMIT虛擬控制器站也運(yùn)行起來?？稍赟IMIT軟件中實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場操作的模擬，現(xiàn)場機(jī)泵或風(fēng)機(jī)的操作界面如圖3所示。

圖2 氣體分餾裝置OTS構(gòu)架示意

圖3 SIMIT SP模擬現(xiàn)場操作控制界面示意

3 操作培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果分析

通過該氣體分餾裝置OTS的應(yīng)用，操作員能夠熟悉煉化過程的各種操作模式： 正常操作、開車、停車、設(shè)備故障和緊急情況的處理。通過自動化與工藝仿真集成的OTS，培訓(xùn)效果較傳統(tǒng)培訓(xùn)大幅提高，解決了煉化企業(yè)由于連續(xù)生產(chǎn)不能進(jìn)行實(shí)際操作演練的難題, 涵蓋安全知識與技術(shù)、安全技能、事故案例分析、事故應(yīng)急預(yù)案演練四個方面內(nèi)容, 能夠迅速提高崗位操作員工的安全技能和處理事故的能力。

4 結(jié)束語

本文基于生產(chǎn)流程“數(shù)字化雙胞胎”的思想，建立了自動化和工藝仿真集成的OTS，實(shí)現(xiàn)了工廠生產(chǎn)流程和自動控制的同步虛擬工廠，借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了OTS的升級。目前中國有許多新建煉化企業(yè)或煉化裝置擴(kuò)能改造項(xiàng)目，必將有大批的裝置管理人員和操作人員需要通過模擬仿真培訓(xùn)。通過推廣實(shí)際工業(yè)“數(shù)字化雙胞胎”的OTS，將在煉油人才培養(yǎng)方面提供有力的支持，也為傳統(tǒng)流程工業(yè)邁入智能工廠時代做出貢獻(xiàn)。