煉化廠安全生產(chǎn)操作培訓系統(tǒng)應用

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摘要：由于煉化過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等風險，一旦事故發(fā)生，危害較大，因此對煉化行業(yè)的員工進行操作培訓十分重要?；趯嶋H工藝流程，采用西門子SIMIT自動化仿真軟件和AspenHysys工藝仿真軟件建立了一套集成的操作培訓系統(tǒng)（OTS），該系統(tǒng)具有效果逼真、危險性低和培訓方式靈活等特點，通過具體應用，驗證了該系統(tǒng)的良好應用價值。

關鍵詞：操作培訓系統(tǒng)；煉化過程；仿真；數(shù)字化雙胞胎

煉化行業(yè)是國民經(jīng)濟重要支柱產(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（operationtrainingsystem）作為一種不影響生產(chǎn)安全，而又與生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)操作人員在實際生產(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(nèi)公司［47］。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(nèi)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(shù)與技能OTS，填補了國內(nèi)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（digitaltwin）”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(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，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的“數(shù)字化雙胞胎”。

1操作培訓系統(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、動力學方程和傳質(zhì)動力學模型對煉油裝置進行流程模擬；能夠?qū)討B(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?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AspenHysys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(chǎn)工藝流程“數(shù)字化雙胞胎”。1．1SIMIT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。1．2AspenHysys工藝仿真軟件AspenHysys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。AspenHysys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(nèi)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，AspenHysys動態(tài)模型可以導入AspenOTSFramework中，作為OPCServer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AspenHysys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AspenOTSFramework提供OPCServer，SIMIT作為OPCClient，從而實現(xiàn)自動化控制仿真和工藝仿真之間的通信。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(chǎn)操作培訓系統(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PCS7DCS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AspenOTSFramework，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，SIMITSP與AspenOTSFramework通過SIMIT軟件的AOTS（OPCClient）與AspenHysys軟件的模型數(shù)據(jù)連接。連接順序為：先啟動AspenOTSFramework并運行OPCServer，然后啟動SIMITSP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。

3操作培訓系統(tǒng)的應用結(jié)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(chǎn)不能進行實際操作演練的難題，涵蓋安全知識與技術(shù)、安全技能、事故案例分析、事故應急預案演練四個方面內(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。

參考文獻：

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［3］劉齊忠，林融．在線操作員培訓仿真系統(tǒng)在大型煉化一體化項目中的應用［J］．石油化工自動化，2011，47（03）：2429．

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［8］廖和明．國內(nèi)首套煉化安全仿真培訓軟件開發(fā)成功［J］．石油工業(yè)計算機應用，2009（01）：53．

［9］孫蘭義．化工流程模擬實訓———AspenPlus教程［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2012．

作者：陳鑫 張曉 戴維 單位：中國石化青島煉油化工有限責任公司