操作员培训仿真系统(OTS)应用进展

现在的石油化工工业是以巨大的复杂的设备和高度密集的联合体为基础 即大型化 高投资 技术密集 知识密集 劳动力密集 一方面 为了增强企业的国际竞争能力 各企业均在不断地进行着各种各样的技术革新 当然 要想 使这些技术革新成为可能 在很大程度上要依赖于数十年来惊人发展的计算机技术 通过过程控制向分散 型系统 DCS 的转换 由于计算机的大力推广和自动化程度的大幅度提高 使得产品生产的效率和质量均 在提高 从前的手工操作被代替 人工操作在减少 复杂的操作变得简化了 由于长周期运行 频繁调整 操作和开停车少见了 许多引起危险事故的因素被排除 事故的发生率在降低 这样 操作人员亲身体验 非正常状态和事故的机会也在极度地减少 另外 工厂的编制尽量精简 甚至一人多岗 安全又要保障 对操作人员的素质要求更高了 由于不正常操作或者误操作而引起的停车次数也很多 由此造成的损失 表现为设备损坏或产品不合格 甚至人身伤亡也很可观 另一方面 老厂由于不断地进行技术革新 新老 操作人员都存在着技术培训问题 新建厂的大部分关键设备都很先进 自动化程度很高 其各类操作人员 尤其是一线操作人员比较缺乏经验 又面临着比其它老厂更加复杂的和全新的系统 因此必须对他们进行 很好的培训 第三 全球进入老龄化社会而导致熟练工人大批退休 新人的大量接替 人才的社会流动和 流失加快 因此知识的继承和传递 高级人才的获得 在职人才的教育和培训 则一直是企业家的关注焦 点 在这种背景下 寻找高效的培训方法则被提到日程了 采用什么样的培训方法呢 是个关键 传统的 操作员现场培训方法存在着种种弊端 危险性大 灵活性差 占用时间多 进度慢 效果不够理想 而且 培训开支很大 在计算机技术迅速发展的今天 与传统的培训方法相比 基于计算机的模仿工厂操作实际 的仿真培训系统 Operator Training Simulator OTS 20 30 年前在西方发达国家产生了 而且成为必 然的发展趋势 特别是新建工厂 OTS 投资只占工程建设总投资的很小一部分 所以新建厂几乎都同时引 进 OTS 系统 1 1 模拟的定义模拟的定义 古往今来 模拟 simulation 几乎是无处不有 无时不在 人类认识自然 认识世界是通过各种实 践活动来实现的 其中实验方法和理论方法已经流行了几千年 实验方法是在一定条件下 通过一定技术 手段 观测事物的变化结果 揭示内部的运动规律 然后达到认识事物的目的 理论方法是选用一定的物 理模型 假定相应的数学关联和关系 直接描述事物变化的客观规律 很长时间以来 人类则幻想得到第 三种更简捷更快速的认识世界的新方法 神话故事则反映了这种奢望 到了信息时代 认识世界的计算机 模拟方法终于出现了 利用一个方便 经济而性能相似的系统来研究模仿另一个系统 即不用系统自己而是用别的一个系统 来体验和观察相同的现象 这种方法则叫做 模拟 simulation 例如对物理的 生态的 社会的以 及其他系统现象或行为 可以由几乎相同法则支配的其他系统或计算机的现象或行为来模拟 英文模拟 simulation 一词来源于拉丁语 simulo 即模仿和近似的意思 模拟很早即产生了 为什么要用模拟 当进行实际的体验或观测时 如果有危险 或者费用花费过多 时间花费过长 或者由于各种制约而不能实现 过于小 过于远或不能接近等等 这时则需要模拟 模拟 方法有直接模拟 analog 法 例如比例模型 防灾训练 风洞试验 动物试验等 还有间接模拟法 例 如类推模型 机电模拟等 还有数理模拟法 例如数理模型 统计模型 解析模型等 如果模拟系统与被模拟系统之间只存在物理规模尺寸大小上的不同 而物理化学过程和性能几乎都一 样 则称为相似模拟或物理模拟 如果模拟系统与被模拟系统之间的物理过程本质不同 例如一个是化工 过程 一个是计算机处理过程 而只是描述方式 数学方程 相同 则称为类似模拟 在计算机上利用数 学模型对真实系统进行数学试验的类似模拟又称为数学模拟或计算机模拟 这也就是计算科学 Computational Science 的产生 在认识自然 利用自然 改造自然的过程中 计算机模拟方法既不 是试验方法 也不是理论方法 它是在试验的基础上 通过基本原理 构造成一套模型和算法 从而计算 出需要的结果 模拟的分类如图 1 所示 图 1 模拟与模型的分类 2 2 OTSOTS 的发展的发展 早期的培训以实际装置为主 后来演变成实际装置加上计算机培训系统 早期开发的仿真系统 把已 经停止运转的小规模的实际装置作为模型 进行仿真练习 这种方法受运转特性的限定 另外 过分固定 的模型对多种类型的操作培训是不适合的 为了提高培训效果 后来则把实际装置上运转操作的主体部分 例如泵和汽轮机的运转 阀门的开关 等 和过程控制部分 例如 CRT 操作 分开进行训练 这也就成了后来发展的两个主要环节和起码要求 一是有精确反映和表达实际过程的模型 这被称作 OTS 的心脏 尤其是专为用户定制的 OTS 场合 其模型 精度几乎是成败的关键 也是建模和调试的主要工作量 对熟练度高的操作培训更要求高精度模型 二是 能保持真实感受实际运行操作的人机接口 Human Machine Interface HMI 只有与实际 DCS 具有相同 的画面和人机接口 才能有真实感 现代操作员的培训目的是适应生产操作 如图 2 所示 具体要求是 改进操作技能 熟练装置 HMI 操作控制功能 了解装置的基本原理 演习控制系统功能 担当操作新装置 DCS 的桥梁 因此 日臻完善和成熟的 OTS 的基本功能如图 3 所示 其系统构成如图 4 5 6 所示 图 2 装置运转的各种类型 图 3 OTS 的基本功能 图 4 OTS 系统的基本结构 图 5 现在模拟器与 DCS 的三种连接类型 图 6 OTS 与 DCS 的连接方式 如图 5 所示 模拟器与 DCS 的连接 一是基于 Windows 全部模拟的方式 不使用 DCS 装置 在微机上 运行 DCS 仿真器和专业 HMI 也有的不用专业的 HMI 也由模拟器提供 构建最价廉的 OTS 二是部分地 使用 DCS 装置 即使用与 DCS 装置相同的终端和数据高速公路 而控制算法不用 DCS 的处理器 而使用在 主工作站的模拟程序 三是全部使用 DCS 装置 控制逻辑使用实际的分散型处理器 图形终端使用实际的 操作员工作站 以前 只有少数单位有小型机可开发仿真培训系统 由于价格昂贵 功能低下 限制了应用和普及 20 世纪 80 年代的微机技术发展 带动了仿真培训技术的应用和推广 例如德山炼油厂在 20 世纪 80 年代 就选用了一套闲置的煤油加氢脱硫精制装置 使用实际设备 使用实际介质 但是由水代替油 用氮气代 替氢气 用空气代替蒸汽和瓦斯 系统为常温低压 既安全又实际 实际上没有进行的反应 蒸馏 热交 换等工艺过程则由计算机进行模拟 由于现场设备的运转结果可以反馈 因此也可以进行工艺波动变化的 训练 可以人为地由计算机或装置设置成异常而训练异常处理 在工人技术不熟练的场合 出现一次误操 作就可能造成重大事故和导致巨大经济损失 进行培训就是希望将风险降到最低 而且 OTS 可以允许反 复训练和体验 操作人员可以不间断地提高技能 只要避免几次重大事故 就可回收 OTS 的投资 大家纷 纷实施 OTS 就是这个道理 早期的模拟系统的构成如图 7 所示 图 7 早期的操作员模拟培训系统应用分类 经过 20 来年的变迁 老设备开始要更新 而且培训功能也需提升 2003 年 德山炼厂对原系统进行 了改造 2004 年正式投入使用 软件编写由 FOTRAN 语言改为 VB 具备了软硬件维护方便 培训功能齐全 画面丰富效果良好 交互性操作建议等特点 代表了新一代的操作员仿真培训系统 改造前的结构如图 8 所示 改造前后对照如图 9 所示 图 8 佛山炼厂第一代操作员模拟培训系统构成 图 9 佛山炼厂第一代操作员模拟培训系统更新前后对照 进入 21 世纪 仿真培训有了重大突破 主要是广泛的 高精度的 标准的过程仿真模型 与现实的 DCS 系统联网 完全自动化的培训系统 全面的在线帮助 自我分级评价 考试成绩及结果的自动生成和 记录等 国内的应用以电力系统为主 其次是冶金 石化 交通 煤矿 机械制造 制药 造纸 污水处理等 流程工业和医疗 教学 金融 服务 军事等领域 多数始于 20 世纪 90 年代之后 产品选择为国外国内 并重 特别是新建工厂 OTS 投资只占工程建设总投资的很小一部分 所以新建厂几乎都同时引进 OTS 系 统 3 3 OTSOTS 的实施步骤的实施步骤 1 启动的前期工作 包括初始项目计划制定 工艺和工艺流程图审核 工艺控制审核 初始模拟图准备和初始资料准备 资料包括 PFD 图 PI D 图 物料平衡 热量平衡 反应器数据 开工流程 压缩机性能曲线 压缩机控 制逻辑 设备参数表 设备及容器图 泵性能曲线 管线图和水力学计算 平面布置图 DCS 和 ESD 输入 输出数据库 DCS 和 ESD 控制组态文件 DCS 和 ESD 图形文件等 2 项目启动 包括审核项目计划 提交需求数据 审核数据 其他额外需求 用户基础培训 3 功能方案设计 包括设计文件编制与发布 用户参与审查 修改功能说明 修改用户验收说明 功能详细说明文件审 定 4 数据准备和审定 5 硬件准备 6 进行稳态或动态建模 7 教员站的开发 8 学员站的开发 9 模型确认测试 对关键变量的过程模型计算精度与实际装置的偏差在 1 2 以内 对短暂的过程状态模拟精度可在 10 20 以内 10 DCS 以及 ESD 等系统集成 11 仿真器有效性检验 12 投入试运行 上线 前的预验收 13 进入稳定运行前的正式验收 14 文档及其他交接 文档包括 项目计划 质量保证计划 软硬件使用手册 系统维护手册 教员手册 模型手册 详细 设计手册 动态模型验收方案 FAT Factory Acceptance Test 工厂验收测试 方案 SAT Site Acceptance Test 现场验收测试 方案 15 用户培训 对于新厂建设时同步导入 OTS 的场合 有其重点和特点 一是计划安排 要在装置投产前数个月就需 完成 OTS 建设 安排操作工的培训 进度一定要统筹好 一般来讲 DCS 安装验收后 需要与 OTS 系统连 接 由于工厂建设周期越发缩短 控制系统常常是建设周期的关键路径 因此要满足用户的培训 就必须 做好 OTS 与其它工程的衔接和调度 再则 初期培训用的模拟系统只能使用工厂检查时的控制系统数据库 而投产后往往结合过程状态和特性 调整实际的过程控制系统 因此投产后 OTS 中的控制系统则与实际不 一致 甚至于运转状态都有重大差异 那么再用来培训操作工就不妥当了 只好再修改 而变动量事前不 好预计 因此修改工作量也不好预计 而且往往涉及到物质平衡和热量平衡 还有是过程的动态特性验证 对新建厂 缺少动态验证方法 不得不依靠业主或合同规定派遣的检查员凭经验和感觉对反应快慢等问题 进行验收 因此最好自始至终是由一个有经验的检查员参加验收 4 4 OTSOTS 的使用和评价的使用和评价 在石化企业中 从操作工到车间主任全部是培训的对象 培训课程分为入门 初级 中级 高级四级 培训的类型和层次如表 1 所示 各个阶段课程的受训者应该为 入门阶段是对仪表操作没有经验的 初级阶段是已有操作经验 4 5 年 的 中级阶段是五年以上的老的操作人员直到班长 高级阶段是班长以上的人员 关于培训系统里所使用 的模型 各课程分别把联合式设备体系和单一设备体系分开 做成几个模型 各个模型培训计划的制定是 相同的 培训天数为前期三天和后期三天 共六天 每天所要实现的目标如图 10 所示 虽然培训对象具有不同的层次 但在培训之前都必须进行基础学习 从基础理论教育 化学工程 物 理化学等等 入手 基础坚实后再进行模拟培训 由于操作人员的工种不同 所以在培训时要对设备进行 选定 每天要达到的目标也需要决定 以及训练的主要内容也需要确定 因此 在培训时必须编制成详细 的计划和课程 在仿真培训前 首先要组建一个培训班 通常由 12 个人构成 培训班分成三个小组 四个人编成一 个小组 实际操作培训时的分工为 1 名在输入机 CRT 操作 2 名 现场操作 1 名 一个组培训时 其他 两个组应该在培训室里 在 2 名指导员的指导下进行培训前的准备和培训结果分析 在培训前 首先要把 培训的内容通过标准模型反复 顺序地向学员交代清楚 要让学员能够客观地观察各种现象 在理解过程 掌握操作后 再进入程序训练 训练程序如图 11 所示 图 11 OTS 训练程序 通过培训 新工人的培养期由 2 年缩短为 1 年 老工人和骨干提高技能水平 每人都要真正地实现技 能达标 训练可分初级 中级和高级阶段 训练的内容主要包括以下几个方面 1 正常的操作训练 操作开始 停止 操作条件变更 受训练人员首先对教员提出的运转目标进 行独自研究 然后听教员的讲解 通过化工计算等得出运转操作上的各种数据 再根据这些数据对训练设 备进行操作 学员把演算结果和模型运转的结果进行对比 要找出差异 进行分析 当然 这是自己拟定 的检验校正 在提高训练兴趣的同时 通过有效的各种训练 提高训练效果 2 各种故障处理训练 故障处理训练是在初期阶段安排实施的 要想使操作熟练到一定程度 就要进行包括运转开始 条件 变更 突然的故障发生等训练 提高故障处理训练的方法为 不管在什么条件下都要通过预先的班组研究 对于操作模型的实施过程的危险预知 绘制故障对策框图 进入模块运转后 还要调整基本条件以外的一 些条件 要根据 CRT 画面里报警信号 把握运行过程 当然也有把握不准的时候 为改变这种状况 设置 了具有与故障的发生和条件的变动相结合的训练指导功能 在调整操作条件的过程中 必须对故障发生情 况的掌握 情况判断 原因研究 对应操作 解决方法等进行训练 在故障处理上 班组要对危险预估展 开广泛的讨论 迅速地拿出解决办法 3 集体行动训练 以上 1 3 的训练均不能独立实施 在一系列训练中要互相结合 相关联 另外 对新的操作 人员进行培训时 还应该注意以下两点 对标准作业程序 SOP 的重点要给出指示 故障训练时 要预告故障发生的时间和现象 培训效果的评价也是很重要的 但时间过短 则不能对培训活动的效果和受训者个人的进步程度进行 准确的评价 不过 经过一段时间培训后 我们必须对操作人员在以下几个方面的培训效果进行评价 1 安全管理 2 生产管理 3 过程运转管理 4 设备管理 要特别重视对非正常情况下的操 作能力和处理异常故障的能力训练 对训练结果要及时地进行评价 因为只有这样 才能及时地发现问题 才能对培训计划和课程的内容进行必要的调整 5 5 OTSOTS 的新进展的新进展 新一代操作员培训系统的特点是 1 基于新一代的模拟仿真软件平台 支持多种模拟计算引擎 包括基于机理模型和严格的热力学 数据的动态过程模拟系统 高精度地再现工厂操作过程的变化 提供各种 DCS 控制系统的标准控制算法 正确地再现控制系统的动态响应过程 仿真实际操作过程中的操作员在开车 停车 正常操作 异常或故 障状态下的各种操作响应 模型容易更新 开发及维护 模型的严格性是仿真系统成功的关键 有时为了提高系统的运行速度而有意识地将一部分或大部分模 型简化 在计算机技术不发达时期很多都是这样做的 Three Mill Island 核电站事故证明 简化模型使 仿真培训不可靠是导致事故的原因之一 后来提高了对使用严格模型必要性的认识 2 支持多种分散控制系统和紧急故障停车系统 包括 Foxboro Bailey ABB Emerson Honeywell Yokogawa Westinghouse 等 将对在控制室内实际 DCS 系统的操作对象和室外实际的各种仪表的操作对象进行仿真 还可以对非 DCS 系统的专用监控系统如压缩 机防喘振控制 透平控制系统以及 ESD 系统进行仿真 3 支持现场总线仪表的集成和通信 图 12 高精度通用模拟引擎 4 基于 JAVA 和 GUI 方便教员和学员操作 学员站等同于工厂的操作员站 操作界面与 DCS 和 ESD 系统相同 教员站的一系列培训功能只需要简单的鼠标操作来激活 5 不仅用于操作员培训 还用于过程设计 控制系统检验 DCS 组态整定 设备诊断 开停车演 练及操作优化等 还可集成 APC 功能 进行 APC 先进控制器的测试与导出结果 也可反复从实际控制系统 中的组态下载到模拟器中 方便设计和维护 如图 12 所示 6 允许多个学员 多台工作站同时对一套装置模型进行多个工况研究模拟 多套运转条件同时并 行运算 而且同时影响各个工况研究结果 7 可集成受训人员成绩检测工具 进行成绩考评 8 严格遵循 ISO9001 2000 标准 保证项目执行质量 应用发展方向是 1 经济型个人桌面培训器 例如三菱重工浓缩丰富的设计经验和电厂运行经验 开发了适于个人自学习的桌面培训仿真系统 SimTRAC 操作简单 方便 自然 培训内容全面 丰富 实用 控制逻辑和参数调整方便 明了 模型 精度高 基础数据齐全 采用与 DCS 相同的画面 不需特别的硬件环境 普通配置的笔记本电脑即可 由 于提供模型修改工具 逻辑修改工具来修改模型 因此修改和追加模型方便 面向操作员的培训功能有 装置开停工训练 装置异常处理训练 装置正常运转训练 控制系统调整训练 多等级装置培训 典型运 行如锅炉燃烧体验等 面向教员的功能有 运行与终止 抓拍与特写 设定初始状态 返回 故障处理还 原再现等 面向计划管理和维修人员的功能有 控制逻辑训练 控制系统整定 装置训练 装置模型训练 装置模型调整训练等 2 共享服务中心式的培训系统 为了提高系统利用率和使用效果 国外出现一种新的商务管理模式 即共享服务中心 Shared Services Center SSC 开始用于人力资源 财务 采购 后勤 行政类等管理的共享服务 现在开始 向技术服务方向扩展 其中最看好的就是集中型仿真培训共享服务中心 可以收到集中投资 统一标准 集中建设 集中管理 广泛受益的效果 例如一个集团公司只建一个共享培训仿真中心 可以循序渐进地 覆盖所有培训的生产装置类型 通过网络让集团的所有员工受益 可以在中心集中培训 也可通过网络分 散培训 3 多装置并行仿真培训系统 用服务器和微机构成网络 采用通用的 DCS 仿真软件平台 开发多套生产装置动态数学模型 构成进 行多套生产装置同时仿真的培训系统 可用于多套炼油装置的动态模拟和仿真培训 让操作工或技术人员 在仿真培训系统上反复进行生产开工方案 停工过程 正常操作及各种事故处理的训练 提高操作人员的 技能和处理紧急事故的能力 系统具有专家智能评分功能 可承担技术等级考核 技术比赛等任务 可以 方便地在仿 DCS 平台上进行新炼油化工装置仿真软件的开发 系统采用实时多任务技术 开发了计算机间 的进程通讯技术 多任务睡眠及唤醒技术 4 三维虚拟现实模拟系统 Simulation Solutions Inc 公司和 SASICT 公司合