蒸壓釜作業(yè)人員培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的開發(fā)*

舒安慶 游 鋒 陳翠梅 陳 忠 許銀萍 楊 紅，2

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術(shù)研究中心 3.武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所)

0 前言

承壓類特種設(shè)備在石油化工、能源、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活等方面起著重要作用。由于承壓類特種設(shè)備涉及生產(chǎn)和生命安全，國家頒布實(shí)施了 《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》[1]，規(guī)定特種設(shè)備作業(yè)人員須經(jīng)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門考核合格，取得作業(yè)證書，方可從事相關(guān)的作業(yè)。從承壓類特種設(shè)備發(fā)生的事故統(tǒng)計(jì)，由于操作人員錯(cuò)誤操作造成事故占事故率50%以上，因此，提高承壓類特種設(shè)備作業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)和實(shí)際操作能力是保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要措施。

現(xiàn)有培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)中，主要采用課堂上理論授課，考核采用筆答及口答的形式，實(shí)際操作部分基本上沒有滿足規(guī)范的要求，或者僅限于計(jì)算機(jī)模擬，沒有與現(xiàn)場操作設(shè)備相結(jié)合。作業(yè)人員無法通過必要的實(shí)際操作訓(xùn)練來掌握相關(guān)操作技能，尤其對(duì)設(shè)備故障排除、常見事故處置、節(jié)能減排等相關(guān)知識(shí)很欠缺，并且沒有科學(xué)的培訓(xùn)教案和操作考核的試題庫。這些因素制約了作業(yè)人員實(shí)際操作能力的有效提高。因此，開發(fā)科學(xué)、高效的壓力容器作業(yè)人員培訓(xùn)考核的新方法和新模式，開發(fā)能夠滿足培訓(xùn)和考核需要、致力于提高作業(yè)人員實(shí)際操作能力的培訓(xùn)考核設(shè)備，已成為一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。本課題從壓力容器安全事故幾率、事故危害性、使用廣泛性、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等因素考慮，以快開門式蒸壓釜為例，模擬壓力容器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、各種操作和各種故障，使培訓(xùn)人員更直觀地了解壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備及其工藝流程、工作原理等，進(jìn)而提高作業(yè)人員的技能水平。

1 蒸壓釜工作人員培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

蒸壓釜是廣泛應(yīng)用于建筑材料生產(chǎn)的壓力容器，是利用蒸汽的壓力能對(duì)容器有效空間內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行相關(guān)工藝加工處理的設(shè)備，并配備保證安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行所必需的附屬設(shè)備以及自控系統(tǒng)與保護(hù)裝置系統(tǒng)。其顯著特點(diǎn)是快開門結(jié)構(gòu)、需頻繁開啟和關(guān)閉、運(yùn)行操作安全水平要求高。圖1為蒸壓釜基本工藝流程圖。

圖1 蒸壓釜基本工藝流程

1.2 系統(tǒng)的控制部分

考核培訓(xùn)系統(tǒng)控制部分是基于現(xiàn)場設(shè)備開放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)可編程控制器構(gòu)建下位機(jī)單元，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備控制，以MCGS工控組態(tài)軟件和通用PC為軟、硬件平臺(tái)構(gòu)建上位機(jī)系統(tǒng)，提供圖文界面環(huán)境；基于通用的以太網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間的通信，并可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。

該系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)技術(shù)的仿真儀表控制卡，通過單片機(jī)程序控制仿真儀表控制卡，由仿真儀表控制卡產(chǎn)生控制信號(hào)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)、完成儀表模擬仿真的目的。系統(tǒng)還選擇觸摸屏形式的人機(jī)對(duì)話方式，使培訓(xùn)考核操作過程的環(huán)境更加完善。

1.3 系統(tǒng)的功能特征

系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和設(shè)備實(shí)物結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)造逼真的設(shè)備操作環(huán)境，模擬典型設(shè)備實(shí)際操作和考核的全過程，為壓力容器培訓(xùn)考核提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)平臺(tái)。系統(tǒng)的培訓(xùn)考核功能齊全，開發(fā)中體現(xiàn)了以下特點(diǎn)。

（1）能滿足 《壓力容器安全管理人員和操作人員考核大綱》[2]的教學(xué)考核要求，對(duì)學(xué)員進(jìn)行專業(yè)知識(shí)、安全管理和安全操作的培訓(xùn)和考核，可以幫助不同行業(yè)的操作人員在培訓(xùn)過程中掌握本行業(yè)典型設(shè)備的流程原理和操作方法，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)便于針對(duì)不同行業(yè)的學(xué)員實(shí)施有重點(diǎn)的分類培訓(xùn)，以提高培訓(xùn)質(zhì)量。

（2）能把典型設(shè)備的工藝流程原理以動(dòng)畫形式顯示出來，逼真地模擬實(shí)際操作環(huán)境，及時(shí)地顯示溫度、壓力變化情況，模擬操作步驟與壓力、溫度的邏輯關(guān)系，并將壓力、溫度、操作過程等參數(shù)顯示在計(jì)算機(jī)上。

（3）培訓(xùn)操作過程具有可選擇性，可實(shí)現(xiàn)操作步驟語音提示和設(shè)備常見故障判斷、故障排除、故障應(yīng)急處理等培訓(xùn)功能，為學(xué)員提高事故處理能力提供了學(xué)習(xí)鍛煉的真實(shí)環(huán)境。

（4）系統(tǒng)具有考核試題題庫 （題庫包括設(shè)備基本操作、典型環(huán)節(jié)安全措施操作、安全巡視過程中設(shè)備故障應(yīng)急處理操作、節(jié)能工藝操作等知識(shí)），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組卷、考核計(jì)時(shí)、考核自動(dòng)評(píng)卷、試題數(shù)據(jù)庫管理、學(xué)員考核信息管理等功能。

(5)為實(shí)現(xiàn)操作人員培訓(xùn)考核的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化，提高培訓(xùn)考核的管理質(zhì)量，提供了硬件支持條件，可避免傳統(tǒng)培訓(xùn)考核中的個(gè)性化差異。

2 培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的技術(shù)原理及技術(shù)特性

2.1 硬件構(gòu)成

蒸壓釜作業(yè)人員培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的硬件包括設(shè)備主體、快開門、安全附件、閥門、安全聯(lián)鎖裝置、模擬儀表、觸摸屏、電源控制臺(tái)、PEC 8000和DIO 2000網(wǎng)絡(luò)可編程控制器、計(jì)算機(jī)以及投影儀等。圖2為蒸壓釜硬件構(gòu)成圖。

圖2 蒸壓釜硬件構(gòu)成

2.2 軟件構(gòu)成

計(jì)算機(jī)選用MCGS（monitor and control generated system，通用監(jiān)控系統(tǒng)）工控組態(tài)軟件進(jìn)行軟、硬件組態(tài)，通過采集和監(jiān)控可編程控制器上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供模擬操作監(jiān)控流程，實(shí)現(xiàn)操作可視化，并實(shí)現(xiàn)操作提示和培訓(xùn)考核功能。MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，由 “組態(tài)環(huán)境”和 “運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)系統(tǒng)組成，通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案。它充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)，比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，因而在自動(dòng)化領(lǐng)域使用更為廣泛。圖3為MCGS系統(tǒng)界面圖。

圖3 MCGS系統(tǒng)界面

2.3 技術(shù)特性

蒸壓釜工作人員培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)包含了五個(gè)方面的技術(shù)并進(jìn)行了合理運(yùn)用和融合：壓力容器實(shí)際操作人員安全培訓(xùn)、壓力容器安全技術(shù)、基于計(jì)算機(jī)的虛擬仿真技術(shù)、基于計(jì)算機(jī)的實(shí)物仿真技術(shù)、基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控技術(shù)。

壓力容器實(shí)際操作人員安全培訓(xùn)應(yīng)該根據(jù)TSG特種設(shè)備技術(shù)規(guī)范R6001—2011《壓力容器安全管理人員和操作人員考核大綱》附件B和C的要求，完成對(duì)操作人員實(shí)際操作技能的培訓(xùn)和考核。該系統(tǒng)對(duì)壓力容器安全技術(shù)方面的問題 （如安全聯(lián)鎖裝置、安全附件設(shè)置、安全裝置操作程序等）進(jìn)行了全面的綜合考慮，并將其全部體現(xiàn)到了培訓(xùn)考核系統(tǒng)中。利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，將系統(tǒng)操作過程對(duì)系統(tǒng)工藝流程的作用反映在屏幕上，使學(xué)習(xí)者更容易理解和掌握安全操作程序及其原理。運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)物模擬技術(shù)，通過單片機(jī)程序控制設(shè)計(jì)，由仿真儀表控制卡產(chǎn)生控制信號(hào)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)、完成儀表模擬仿真的目的，從而使模擬操作與計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)環(huán)境相結(jié)合。運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能，將操作人員的操作過程完整記錄下來，并且根據(jù)正確操作程序進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)行培訓(xùn)考核的信息化管理。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)實(shí)際試用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，對(duì)操作人員的培訓(xùn)達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）該培訓(xùn)考核系統(tǒng)在開發(fā)手段和實(shí)際性能上具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)造性，對(duì)于提高培訓(xùn)水平、科學(xué)評(píng)價(jià)培訓(xùn)效果意義重大，并且已取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）該系統(tǒng)還具有彌補(bǔ)教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)條件限制等優(yōu)點(diǎn)，能與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，對(duì)培養(yǎng)高技能、復(fù)合型人才可發(fā)揮重要的作用。

[1] 特種設(shè)備安全監(jiān)察條例 [S] .2009.

[2] TSG R6001—2011.壓力容器安全管理人員和操作人員考核大綱 [S] .

[3] 承壓類特種設(shè)備作業(yè)人員培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)研究報(bào)告 [R] .武漢：武漢工程大學(xué)，2011.

[4] 程英超，陳明懷，牟元平.燃料乙醇裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā) [J] .化工科技，2006，14（4）：44-46.