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仿真训练系统仿真训练系统 流程级先进化工仿真实训装置 一、背景 1987 年北京化工大学仿真中心研究开发成功我国第一套计算机化工仿真培训系统。在化工、石化、炼油企业、职业技术学校、大专院校广泛应用，取得了重大的社会经济效益。随着我国化工、石油化工和炼油企业的发展，装置不断大型化、复杂化，自动化水平普遍提高，对职业技术培训提出了新的更高的要求。第一，将学生培养成合格的技术工人，满足现代企业的需要。由于化工、石化和炼油企业多，装置种类繁杂，所以要求学生毕业后的适应性比较强。第二，和企业联合，结合行业特色，建立中国一流的化工技术工人岗位培训基地，满足企业员工岗位再培训的需要。实训系统要体现绿色环保、节能安全、现代技术、信息技术于一体，实现综合性技能培训与技能考核于一身。为达到上面的目标，在培训的硬件设施上，希望建立典型的、有代表性的、有较强适应性的流程级、规模化实训装置，特别是要求仿真培训系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还应当模拟现场装置的实际动手操作。也就是要解决操作人员对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握。其中还必须包括控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调行动。这些训练内容对于复杂系统的开停车、非正常工况的处理、尤其是在事故紧急状态时特别需要。多年的计算机仿真培训经验表明，对于没有接触过化工装置现场的职业学校的学生，包括大专院校的学生，仅仅采用显示屏画面、键盘和鼠标形式的训练，还是比较抽象，获得的知识还是片面的，不完全的，尤其是缺乏团队协作能力。为了解决以上难题，研制开发了新一代流程级化工仿真实训装置。二、新一代流程级化工仿真实训装置 新一代流程级实训装置由小型流程装置、装置模拟监控系统、装置仿真软件、计算机控制系统（DCS）仿真和实训评价与管理系统五部分组成。1.全流程装置 在金属框架上安装着由不锈钢制的比例缩小（但却能够保持工业级大尺寸特性）的流程设备模型、管路、手动阀门、控制阀门、压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（V）测控传感器等。小型流程装置是学生直接操作和运行过程系统的环境。本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系 统和真实系统的观测界面完全一致。2.装置模拟测控系统 这是仿真装置无物料运行的关键部分，通过模拟测控系统，可以使仿真装置与仿真软件联合成一体，是仿真软件与实物装置的“桥梁”。测控系统一方面需要把操作设备，例如阀门的转动变换为模拟电信号，采用计算机控制技术将现场操作点的模拟信号实时采集，并传送到上位计算机的仿真模型中。另一方面需要把仿真模型的运算结果通过转换变成模拟电信号，并传送到现场的各种仪表进行模拟与数字多种方式的实时显示。所有此类功能全部采用先进的现场总线技术和实时监控技术加以解决。3.装置仿真软件 由于该装置是在“无物理化学过程”的状态下运行的，装置本身没有任何真实进出物料，所有化工生产的工艺现象通过仿真软件模拟来实现。并将这些模拟参数送至仿真 DCS（部分参数还需送至现场仪表显示）。让受训者感受到的是一个完全“真实”的工业化工装置在运行中。独立运行的仿真软件包括：工艺仿真软件、操作评分软件、运行管理软件、与 DCS 的接口通讯软件、教师指令台软件和仿 DCS 软件。能否采用半实物仿真技术进行动态地操作实训，动态数学模型是关键。为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行故障状态操作及控制，必须解决如下建模问题：动态模型应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，应能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系；动态模型应能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、流体力学特性等，这些特性常常是非线性的。动态模型应能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容高阶特性；动态模型的求解速度应达到实时要求、求解精度应满足实验要求。4.计算机控制系统（DCS）仿真 可以选择使用化工常用典型的 DCS 仿真系统，用于本装置的控制与操作。仿 DCS 类型包括TDC-TPS、CS-3000、I/AAP70 系统，每种 4 个 DCS 仿真键盘。仿真 DCS 系统操作站包括：4 台操作站（有工业键盘）。包括：4 台 19 寸液晶 PC，12 块工业 DCS 键盘，及 3 种类型仿 DCS 软件。外加一个辅助操作台进行事故报警及连锁系统监控。DCS 仿真软件用于管理、调度仿 DCS 操作软件各部分，实现动态实时数据库、各类标准画面、键盘操作、各种算法，以及通信的协调配合，完成 DCS 操作站的显示、操作等各种功能。装置模拟测控系统的结构示意图见下图所示：仿 DCS 操作控制软件模拟了真实 DCS 的以下画面功能：*菜单画面 *流程图画面 *控制组画面 *报警画面 *细目画面 仿真 DCS 系统可以对控制方案、控制画面、流程图画面、趋势画面和报警画面进行软件组态。仿DCS 操作站见下图所示。5.实训评价与管理系统 运行培训项目及事故设置软件，运行操作评价软件。主要满足培训的组织和管理问题。其中操作评价软件具有特殊的功能，可以通过组态方式修改和编辑。当实训装置运行时，软件会自动记录、分析和评价操作员的操作水平。这是国外同类软件所没有的重要功能。流程级仿真实训装置总体结构示意图 以上五个部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的、高逼真度的半实物模拟实训。五个部分采用以太网和现场总线方式互联，其中信号采集部分采用了 PCI 数据采集卡，结合先进的工业过程控制设计，具有模块化、标准化、通用化结构系统可以方便地扩展或重新组合。系统具备软件诊断功能。三、新一代流程级化工仿真实训装置特点 新一代流程级实训装置，通过将小型半实物流程装置、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种教学和实训功能于一身、全工况可操作、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保、投资省、见效快等理想实训系统的要求，是工业实训技术的一个新的飞跃。本装置的特点如下：1.采用不锈钢精密制造的缩小型全流程设备、精致的设备框架系统、管路、手动阀门、控制阀门、测控传感器系统等，具有实际装置的全部空间几何三维分布实体概念；2.采用先进测控电子技术成果，现场总线和电子操作器等专有设备，所有操作点都可以全量程手动或自动调整，具有真实的操作力度和动态响应；3.运用高精度仿真数学模型，可以不受约束地模拟实际装置物理化学特性，可以全工况动态实时模拟装置的开车、停车、正常运行调控、紧急停车和事故处理；4.控制系统（DCS）采用仿真 DCS，其要求和真实 DCS 一致，并有工业键盘。能够给受训者一个真实化工生产操作控制模式、方法与环境。5.具备运行培训项目软件、事故设置软件和运行操作评价软件。可以满足培训的自动评价、组织、全工况记录和管理问题。6.所有动设备都处于空转低负荷运行状态，因此运行能耗很低，设备磨损小寿命长；7.不需要任何物料，节省费用、时间和人力，没有腐蚀、污染和环境保护问题；8.危险工况和事故状态由仿真模型模拟，不存在任何爆炸燃烧危险；9.设备大多是不锈钢壳体，几乎没有维修工作量；10.可以通过计算机控制实施自动即开即停，工况冻结与继续，这是任何其它实训装置所无法比拟的超级功能，也是最适合于实训的功能；11.占地面积小，一般适合于职业技术学校的标准型新一代流程级实训装置，控制室占地约 60 平米，装置现场占地约 180 平米；12.结合本中心完成的国家高技术发展项目（863）“大型石化企业安全评估”的智能化计算机自动危险与可操作性分析（HAZOP）技术,新一代流程级实训装置可以升级为操作安全为内容的实训系统，同时也是智能化自解释高级实训系统。