操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)OTS 在煤化工裝置中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

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(nèi)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(fù)雜，操作自動化程度高等特點(diǎn)。從實(shí)際裝置的開車運(yùn)行來看，要順利、安全的對煤化工裝置進(jìn)行開車運(yùn)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(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。新型煤化工裝置對熟練操作員的需求，進(jìn)而促進(jìn)了一批煤化工裝置操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS 的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用。操作員培訓(xùn)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(nèi)某煤化工裝置為例，介紹操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS 在煤化工裝置中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS

OTS:Operator Training System,即操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。是利用計(jì)算機(jī)仿真各種實(shí)際工程技術(shù)，構(gòu)造一種以教學(xué)和訓(xùn)練為目的，再現(xiàn)一個真實(shí)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(xué)員站,學(xué)員在操作員站上完成裝置基本操作練習(xí)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(shí)際生產(chǎn)所用的DCS 操作員站完全一致，是操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS 的主要用戶界面。

2）教員站

教員站負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控學(xué)員的學(xué)習(xí)情況，為其設(shè)置各種模擬工況及故障點(diǎn)，對學(xué)員進(jìn)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(jìn)行修改，并且能夠方便的回溯到任何一個模擬工況節(jié)點(diǎn)上，以供學(xué)員對某個模擬工況操作進(jìn)行反復(fù)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(jìn)行DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的編輯、組態(tài)和維護(hù)工作。

4）現(xiàn)場站

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

5）仿真控制器

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

6）模型服務(wù)器

模型服務(wù)器通過數(shù)學(xué)模型對已配置好的對象模型進(jìn)了模擬仿真，完成復(fù)雜的仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果通訊到各DCS 操作站，反應(yīng)出操作參數(shù)的變化及報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能。模型服務(wù)器具有工藝模型開發(fā)、調(diào)試、修改及數(shù)據(jù)管理等功能，同時具備工藝模型基礎(chǔ)算法的編制、修改和研究功能。

1.2 OTS 硬件架構(gòu)

此煤化工裝置操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS 共設(shè)置了5 個學(xué)員站、1 個教員站、1 個工程師站。采用了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)做為教員站、學(xué)員站和工程師站，其中一臺學(xué)員站兼具仿現(xiàn)場站操作功能，教員站兼具模型服務(wù)器功能，工程師站兼具仿真服務(wù)器功能，工程師站配備一臺打印機(jī)。

在同一個局域網(wǎng)上，可以同時運(yùn)行1 個教員站和多個學(xué)員操作站，教員站和學(xué)員站都采用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議、以太網(wǎng)連接的多用戶、多任務(wù)可遠(yuǎn)程訪問的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 OTS 系統(tǒng)硬件架構(gòu)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(zhì)量。仿真培訓(xùn)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(guān)鍵軟件。

1）仿真軟件

仿真軟件是一個基于嚴(yán)格計(jì)算的、功能全面的、成熟的動態(tài)過程模擬系統(tǒng)，運(yùn)用基于機(jī)理的技術(shù)和嚴(yán)格的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，其計(jì)算結(jié)果經(jīng)過大量實(shí)踐檢驗(yàn)，準(zhǔn)確可靠。仿真軟件計(jì)算引擎是動態(tài)模擬應(yīng)用于工程分析的主要功能模塊，實(shí)現(xiàn)工藝模型仿真模擬計(jì)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(shí)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(shí)際硬件而實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)過程

1）前期準(zhǔn)備

收集用于OTS 系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)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(shè)備規(guī)格尺寸、泵特性曲線、儀表控制邏輯等相關(guān)資料；編制工藝軟件概要設(shè)計(jì)書；并根據(jù)裝置工藝特點(diǎn)與OTS 開發(fā)所需的技術(shù)要求，選定虛擬控制器軟件及仿真系統(tǒng)平臺。

2）模型設(shè)計(jì)開發(fā)

分析總結(jié)前期工作收集的資料,確定系統(tǒng)模擬范圍并形成關(guān)鍵設(shè)備的靜態(tài)、動態(tài)模型設(shè)計(jì)方案。

采用仿真軟件，根據(jù)實(shí)際裝置的PID、PFD、HMB、設(shè)備數(shù)據(jù)表等資料，對整個裝置進(jìn)行動態(tài)模型開發(fā)：模擬已經(jīng)投產(chǎn)的實(shí)際現(xiàn)場裝置的組態(tài)內(nèi)容，在與實(shí)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(yùn)行過程中的工藝參數(shù)變化和相互關(guān)系；模擬仿真出與實(shí)際裝置相同的開停車流程、控制操作方案；模擬動設(shè)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(yīng)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(shí)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(guān)控制進(jìn)行研究、開發(fā)并進(jìn)行組態(tài)、完成DCS 控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。在此過程中也檢驗(yàn)了儀表控制邏輯設(shè)計(jì)的合理性，復(fù)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(shù)、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(diǎn)與粉煤化工裝置模型的關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)、通過OPC 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互、完成整個系統(tǒng)的構(gòu)建。

5） 測試驗(yàn)收

系統(tǒng)集成后，由工藝、儀表技術(shù)人員對OTS 系統(tǒng)進(jìn)行測試：對照物料平衡表、工藝流程、控制方案及關(guān)鍵工藝指標(biāo)，核實(shí)模型中關(guān)鍵設(shè)備性能參數(shù)設(shè)置；對系統(tǒng)進(jìn)行開停車等測試，觀察模型的逼真性、實(shí)時性、連續(xù)性、可靠性及應(yīng)用性。

3 結(jié)語

此套操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS 模擬已經(jīng)投產(chǎn)的實(shí)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(shí)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(shí)際操作相同的的仿真培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。OTS 系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，提高了工廠運(yùn)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(jīng)濟(jì)的損失，同時降低企業(yè)的能耗；降低控制系統(tǒng)維護(hù)，檢驗(yàn)和改造費(fèi)用，為企業(yè)節(jié)省大筆開支。