煉化廠安全生產操作培訓系統應用

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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，一旦事故發生，危害較大，因此對煉化行業的員工進行操作培訓十分重要。基于實際工藝流程，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（OTS），該系統具有效果逼真、危險性低和培訓方式靈活等特點，通過具體應用，驗證了該系統的良好應用價值。

關鍵詞：操作培訓系統；煉化過程；仿真；數字化雙胞胎

煉化行業是國民經濟重要支柱產業之一，由于煉化過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等風險，一旦發生事故，危害程度較大，為此對煉化行業的員工進行操作培訓十分重要。美國石油協會（API）規定：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OTS（operationtrainingsystem）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定要求［2］。OTS是以計算機技術為手段，通過建立過程的動態數學模型，在以計算機為基礎的硬件環境上再現真實過程系統特性的軟硬件系統。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境，以培養技術熟練、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［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第一套通用性的石化OTS。2009年大慶石化公司培訓中心開發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4．0時代的到來，智能工廠成為未來的發展趨勢，OTS也面臨著從傳統模式過渡到智能模式的新挑戰，因此建立一套基于真實煉化流程的數字化OTS，能夠助力企業達到更高標準，鍛造持久競爭力。本文針對煉化流程采用“數字化雙胞胎（digitaltwin）”的新思想，建立基于數字化虛擬工廠的OTS，實現裝置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，并幫助企業在實際投入生產之前模擬優化、仿真和測試等操作，成為企業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，實現生產工藝流程的“數字化雙胞胎”。

1操作培訓系統結構

作為煉化流程的OTS需要滿足以下功能：動態過程仿真系統，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；能夠對動態系統實現實時的自動化仿真控制，保持參數一致；有一套虛擬控制平臺，實現對培訓服務器與客戶端的控制；系統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AspenHysys工藝仿真軟件無縫集成的OTS，能夠在虛擬的數字化系統中進行實際操作的各種模擬，實現生產工藝流程“數字化雙胞胎”。1．1SIMIT自動化仿真軟件SIMIT是西門子開發用于模擬工藝狀況和控制器執行的仿真軟件平臺，可以保證操作員培訓盡可能地具有真實性。所有仿真的過程數據包括P＆ID圖、工藝數據、設備數據、儀表數據和DCS數據，在仿真培訓系統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軟件包還可以創建相應用于連續過程的模塊。1．2AspenHysys工藝仿真軟件AspenHysys是大型的專家系統軟件，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，動態模擬準確，原油數據更加齊全［9］。在OTS中，AspenHysys動態模型可以導入AspenOTSFramework中，作為OPCServer為培訓提供和現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構架如圖1所示，其中各組成部分及其功能見表1所列。在數據通信方面，由AspenOTSFramework提供OPCServer，SIMIT作為OPCClient，從而實現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，一方面可以將組態好的DCS數據庫導入到連接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上可以及早發現控制方案的組態錯誤和邏輯錯誤，特別是有些錯誤可能要在開車時才能發現，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

該氣體分餾裝置的OTS基于圖1所示的結構開發，系統構架如圖2所示。該系統采用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，有穩態和冷態兩個模擬流程。穩態模型可以仿真氣體分餾裝置平穩運行及停車操作，冷態模型可以仿真氣體分餾裝置冷態開車操作。啟動SIMIT軟件后，SIMITSP與AspenOTSFramework通過SIMIT軟件的AOTS（OPCClient）與AspenHysys軟件的模型數據連接。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。同時虛擬控制器在SIMIT虛擬控制器站也運行起來。可在SIMIT軟件中實現對現場操作的模擬，現場機泵或風機的操作界面如圖3所示。

3操作培訓系統的應用結果分析

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，培訓效果較傳統培訓大幅提高，解決了煉化企業由于連續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，實現了工廠生產流程和自動控制的同步虛擬工廠，借助數字化技術實現了OTS的升級。目前中國有許多新建煉化企業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“數字化雙胞胎”的OTS，將在煉油人才培養方面提供有力的支持，也為傳統流程工業邁入智能工廠時代做出貢獻。

參考文獻：

［1］石鳳勇，黨曉峰，于彥明，等．智能模擬工廠技術在煉化裝置建設階段的應用［J］．石油化工自動化，2018，54（02）：610．

［3］劉齊忠，林融．在線操作員培訓仿真系統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．

［4］王磊．煉油模擬仿真培訓方案初探［J］．信息與電腦（理論版），2017（24）：106108．

［5］李雪，王樹植．煉化企業仿真系統培訓發展探究［J］．石油教育，2014（02）：9092．

［6］劉齊忠，林融．在線操作員培訓仿真系統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．

［7］干粉華．煉化裝置仿真培訓系統的建立和評價［J］．石油化工技術與經濟，2008（03）：2123．

［8］廖和明．國內首套煉化安全仿真培訓軟件開發成功［J］．石油工業計算機應用，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