安全生產操作培訓系統(tǒng)在煉化廠中的應用

陳鑫，張曉, 戴維

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

煉化行業(yè)是國民經濟重要支柱產業(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)的員工進行操作培訓十分重要。美國石油協(xié)會(API)規(guī)定： 必須對所有操作人員進行培訓, 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]。操作培訓系統(tǒng)OTS(operation training system)作為一種不影響生產安全，而又與生產實際相符的培訓手段，可以有效保證操作人員的操作技能水平達到安全規(guī)定要求[2]。

OTS是以計算機技術為手段, 通過建立過程的動態(tài)數(shù)學模型,在以計算機為基礎的硬件環(huán)境上再現(xiàn)真實過程系統(tǒng)特性的軟硬件系統(tǒng)。其主要目的是使生產操作人員在實際生產操作前,了解、熟悉、掌握生產過程和操作環(huán)境,以培養(yǎng)技術熟練、經驗豐富的操作人員[3]。

近年來, 中國的大型煉化一體化項目或大型合資項目均采用OTS進行員工培訓, 應用較多的OTS提供商主要有西門子，Aspen，Invensys，Honeywell等外資公司，以及華康達、東方仿真等國內公司[4-7]。1985年北京化工大學與中國石化燕山石化公司合作研制成功國內第一套通用性的石化OTS。2009年大慶石化公司培訓中心開發(fā)出煉油化工安全技術與技能OTS, 填補了國內煉化領域的空白[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煉化流程的數(shù)字化OTS，能夠助力企業(yè)達到更高標準，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到真實工廠，但虛擬工廠對操作做出的響應是對真實工廠的模擬。在該基礎上建立的OTS能夠提供虛擬試車、操作員培訓、標準操作流程培訓、事故預案虛擬演練等功能，并幫助企業(yè)在實際投入生產之前模擬優(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操作為實際對象，依托西門子SIMIT平臺，建立自動化控制仿真和工藝仿真相結合的OTS，實現(xiàn)生產工藝流程的“數(shù)字化雙胞胎”。

1 操作培訓系統(tǒng)結構

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、動力學方程和傳質動力學模型對煉油裝置進行流程模擬；能夠對動態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)實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，實現(xiàn)對培訓服務器與客戶端的控制；系統(tǒng)的各部分之間能夠實時通信。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)中進行實際操作的各種模擬，實現(xiàn)生產工藝流程“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盡可能地具有真實性。所有仿真的過程數(shù)據(jù)包括P&ID圖、工藝數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)和DCS數(shù)據(jù)，在仿真培訓系統(tǒng)中均可模擬顯示與操作。該軟件平臺有以下特點： 操作員站和服務器使用和實際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行，和實際DCS控制器有相同操作方式;安裝于服務器上的SIMIT軟件包還可以創(chuàng)建相應用于連續(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設計和石油、石化、煉油工程設計計算分析。Aspen Hysys在油氣加工模擬領域功能強大，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，在國內外各大煉油設計院應用非常廣泛。在煉油過程中的模擬功能也很強大，動態(tài)模擬準確，原油數(shù)據(jù)更加齊全[9]。在OTS中，Aspen Hysys動態(tài)模型可以導入Aspen OTS Framework中，作為OPC Server為培訓提供和現(xiàn)場實時一致的仿真服務。

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構架示意

表1 氣體分餾裝置OTS構成及其功能

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上使用的人機界面環(huán)境與實際的DCS一樣，培訓效果會有很大提高。 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操作培訓系統(tǒng)

該氣體分餾裝置的OTS基于圖1所示的結構開發(fā)，系統(tǒng)構架如圖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。連接順序為： 先啟動Aspen OTS Framework并運行OPC Server，然后啟動SIMIT SP并運行，仿真程序進入運行狀態(tài)。同時虛擬控制器在SIMIT虛擬控制器站也運行起來?？稍赟IMIT軟件中實現(xiàn)對現(xiàn)場操作的模擬，現(xiàn)場機泵或風機的操作界面如圖3所示。

圖2 氣體分餾裝置OTS構架示意

圖3 SIMIT SP模擬現(xiàn)場操作控制界面示意

3 操作培訓系統(tǒng)的應用結果分析

通過該氣體分餾裝置OTS的應用，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，培訓效果較傳統(tǒng)培訓大幅提高，解決了煉化企業(yè)由于連續(xù)生產不能進行實際操作演練的難題, 涵蓋安全知識與技術、安全技能、事故案例分析、事故應急預案演練四個方面內容, 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 結束語

本文基于生產流程“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，實現(xiàn)了工廠生產流程和自動控制的同步虛擬工廠，借助數(shù)字化技術實現(xiàn)了OTS的升級。目前中國有許多新建煉化企業(yè)或煉化裝置擴能改造項目，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。通過推廣實際工業(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。