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一、 背景

1987 年北京化工大學仿真中心研究開發(fā)成功我國第一套計算機化工仿真培訓系統(tǒng)。在化工、石化、煉油企業(yè)、職業(yè)技術學校、大專院校廣泛應用，取得了重大的社會經(jīng)濟效益。

隨著我國化工、石油化工和煉油企業(yè)的發(fā)展，裝置不斷大型化、復雜化，自動化水平普遍提高，對職業(yè)技術培訓提出了新的更高的要求。第一，將學生培養(yǎng)成合格的技術工人，滿足現(xiàn)代企業(yè)的需要。由于化工、石化和煉油企業(yè)多，裝置種類繁雜，所以要求學生畢業(yè)后的適應性比較強。第二，和企業(yè)聯(lián)合，結合行業(yè)特色，建立中國一流的化工技術工人崗位培訓基地，滿足企業(yè)員工崗位再培訓的需要。實訓系統(tǒng)要體現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能安全、現(xiàn)代技術、信息技術于一體，實現(xiàn)綜合性技能培訓與技能考核于一身。

為達到上面的目標，在培訓的硬件設施上，希望建立典型的、有代表性的、有較強適應性的流程級、規(guī)模化實訓裝置，特別是要求仿真培訓系統(tǒng)不但能夠模擬控制室內(nèi)的計算機控制系統(tǒng)（DCS）的操作，還應當模擬現(xiàn)場裝置的實際動手操作。也就是要解決操作人員對現(xiàn)場裝置的幾何空間概念的把握和對操作設備與部件的操作力度、動態(tài)時機的把握。其中還必須包括控制室操作人員與現(xiàn)場操作人員的團隊配合及協(xié)調行動。這些訓練內(nèi)容對于復雜系統(tǒng)的開停車、非正常工況的處理、尤其是在事故緊急狀態(tài)時特別需要。

多年的計算機仿真培訓經(jīng)驗表明，對于沒有接觸過化工裝置現(xiàn)場的職業(yè)學校的學生，包括大專院校的學生，僅僅采用顯示屏畫面、鍵盤和鼠標形式的訓練，還是比較抽象，獲得的知識還是片面的，不完全的，尤其是缺乏團隊協(xié)作能力。

為了解決以上難題，研制開發(fā)了新一代流程級化工仿真實訓裝置。

二、新一代流程級化工仿真實訓裝置

新一代流程級實訓裝置由小型流程裝置、裝置模擬監(jiān)控系統(tǒng)、裝置仿真軟件、計算機控制系統(tǒng)（DCS）仿真和實訓評價與管理系統(tǒng)五部分組成。

1. 全流程裝置

在金屬框架上安裝著由不銹鋼制的比例縮小（但卻能夠保持工業(yè)級大尺寸特性）的流程設備模型、管路、手動閥門、控制閥門、壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）測控傳感器等。小型流程裝置是學生直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。

本環(huán)境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實系統(tǒng)的觀測界面完全一致。

2. 裝置模擬測控系統(tǒng)

這是仿真裝置無物料運行的關鍵部分，通過模擬測控系統(tǒng)，可以使仿真裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體，是仿真軟件與實物裝置的“橋梁”。測控系統(tǒng)一方面需要把操作設備，例如閥門的轉動變換為模擬電信號，采用計算機控制技術將現(xiàn)場操作點的模擬信號實時采集，并傳送到上位計算機的仿真模型中。另一方面需要把仿真模型的運算結果通過轉換變成模擬電信號，并傳送到現(xiàn)場的各種儀表進行模擬與數(shù)字多種方式的實時顯示。所有此類功能全部采用先進的現(xiàn)場總線技術和實時監(jiān)控技術加以解決。

3. 裝置仿真軟件

由于該裝置是在“無物理化學過程”的狀態(tài)下運行的，裝置本身沒有任何真實進出物料，所有化工生產(chǎn)的工藝現(xiàn)象通過仿真軟件模擬來實現(xiàn)。并將這些模擬參數(shù)送至仿真DCS（部分參數(shù)還需送至現(xiàn)場儀表顯示）。讓受訓者感受到的是一個完全“真實”的工業(yè)化工裝置在運行中。

獨立運行的仿真軟件包括：工藝仿真軟件、操作評分軟件、運行管理軟件、與DCS 的接口通訊軟件、教師指令臺軟件和仿DCS 軟件。能否采用半實物仿真技術進行動態(tài)地操作實訓，動態(tài)數(shù)學模型是關鍵。為了高逼真地進行過程的開、停車、正常運行、故障狀態(tài)操作及控制，必須解決如下建模問題：動態(tài)模型應能反映被仿真裝置的實際尺寸，包括設備尺寸、管道尺寸、閥門尺寸等，應能反映系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關系；動態(tài)模型應能反映被仿真系統(tǒng)的物理化學變化的規(guī)律，如反應動力學特性、氣液平衡特性、流體力學特性等，這些特性常常是非線性的。動態(tài)模型應能反映被仿真系統(tǒng)的動態(tài)時間常數(shù)、慣性、時間滯后、多容高階特性；動態(tài)模型的求解速度應達到實時要求、求解精度應滿足實驗要求。

4. 計算機控制系統(tǒng)（DCS）仿真

可以選擇使用化工常用典型的 DCS 仿真系統(tǒng)，用于本裝置的控制與操作。仿DCS 類型包括TDC-TPS、CS-3000、I/AAP70 系統(tǒng)，每種4 個DCS 仿真鍵盤。仿真 DCS 系統(tǒng)操作站包括：4 臺操作站（有工業(yè)鍵盤）。包括：4 臺19 寸液晶PC，12 塊工業(yè)DCS 鍵盤，及3 種類型仿DCS 軟件。外加一個輔助操作臺進行事故報警及連鎖系統(tǒng)監(jiān)控。

DCS 仿真軟件用于管理、調度仿DCS 操作軟件各部分，實現(xiàn)動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫、各類標準畫面、鍵盤操作、各種算法，以及通信的協(xié)調配合，完成DCS 操作站的顯示、操作等各種功能。

裝置模擬測控系統(tǒng)的結構示意圖見下圖所示：

仿 DCS 操作控制軟件模擬了真實DCS 的以下畫面功能：

**菜單畫面 **流程圖畫面 **控制組畫面 **報警畫面 **細目畫面

仿真 DCS 系統(tǒng)可以對控制方案、控制畫面、流程圖畫面、趨勢畫面和報警畫面進行軟件組態(tài)。仿DCS 操作站見下圖所示。

5. 實訓評價與管理系統(tǒng)

運行培訓項目及事故設置軟件，運行操作評價軟件。主要滿足培訓的組織和管理問題。其中操作評價軟件具有特殊的功能，可以通過組態(tài)方式修改和編輯。當實訓裝置運行時，軟件會自動記錄、分析和評價操作員的操作水平。這是國外同類軟件所沒有的重要功能。

流程級仿真實訓裝置總體結構示意圖

以上五個部分通過小型實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調運行，完成復雜的、高逼真度的半實物模擬實訓。五個部分采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線方式互聯(lián)，其中信號采集部分采用了北京中泰研創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的PC-6000系列數(shù)據(jù)采集卡，結合先進的工業(yè)過程控制設計，具有模塊化、標準化、通用化結構。系統(tǒng)可以方便地擴展或重新組合。系統(tǒng)具備軟件診斷功能。

三、新一代流程級化工仿真實訓裝置特點

新一代流程級實訓裝置，通過將小型半實物流程裝置、微機控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術結合，實現(xiàn)了集多種教學和實訓功能于一身、全工況可操作、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產(chǎn)物和副產(chǎn)物、維修簡單、節(jié)能、安全、環(huán)保、投資省、見效快等理想實訓系統(tǒng)的要求，是工業(yè)實訓技術的一個新的飛躍。本裝置的特點如下：

1. 采用不銹鋼精密制造的縮小型全流程設備、精致的設備框架系統(tǒng)、管路、手動閥門、控制閥門、測控傳感器系統(tǒng)等，具有實際裝置的全部空間幾何三維分布實體概念；

2. 采用先進測控電子技術成果，現(xiàn)場總線和電子操作器等專有設備，所有操作點都可以全量程手動或自動調整，具有真實的操作力度和動態(tài)響應；

3. 運用高精度仿真數(shù)學模型，可以不受約束地模擬實際裝置物理化學特性，可以全工況動態(tài)實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調控、緊急停車和事故處理；

4. 控制系統(tǒng)（DCS）采用仿真DCS，其要求和真實DCS 一致，并有工業(yè)鍵盤。能夠給受訓者一個真實化工生產(chǎn)操作控制模式、方法與環(huán)境。

5. 具備運行培訓項目軟件、事故設置軟件和運行操作評價軟件。可以滿足培訓的自動評價、組織、全工況記錄和管理問題。

6. 所有動設備都處于空轉低負荷運行狀態(tài)，因此運行能耗很低，設備磨損小壽命長；

7. 不需要任何物料，節(jié)省費用、時間和人力，沒有腐蝕、污染和環(huán)境保護問題；

8. 危險工況和事故狀態(tài)由仿真模型模擬，不存在任何爆炸燃燒危險；

9. 設備大多是不銹鋼殼體，幾乎沒有維修工作量；

10. 可以通過計算機控制實施自動即開即停，工況凍結與繼續(xù)，這是任何其它實訓裝置所無法比擬的超級功能，也是最適合于實訓的功能；

11. 占地面積小，一般適合于職業(yè)技術學校的標準型新一代流程級實訓裝置，控制室占地約60 平米，裝置現(xiàn)場占地約180 平米；

12. 結合本中心完成的國家高技術發(fā)展項目（863）“大型石化企業(yè)安全評估”的智能化計算機自動危險與可操作性分析（HAZOP）技術, 新一代流程級實訓裝置可以升級為操作安全為內(nèi)容的實訓系統(tǒng)，同時也是智能化自解釋高級實訓系統(tǒng)。

我們堅信，新一代流程級實訓裝置的推廣應用，必將使得我國的化工職業(yè)技術訓練進入一個全新的世界！