一、 背景
1987 年北京化工大學(xué)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(xùn)系統(tǒng)。在化工、石化、煉油企業(yè)、職業(yè)技術(shù)學(xué)校、大專院校廣泛應(yīng)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(fù)雜化,自動化水平普遍提高,對職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)提出了新的更高的要求。第一,將學(xué)生培養(yǎng)成合格的技術(shù)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(xué)生畢業(yè)后的適應(yīng)性比較強。第二,和企業(yè)聯(lián)合,結(jié)合行業(yè)特色,建立中國一流的化工技術(shù)工人崗位培訓(xùn)基地,滿足企業(yè)員工崗位再培訓(xùn)的需要。實訓(xùn)系統(tǒng)要體現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能安全、現(xiàn)代技術(shù)、信息技術(shù)于一體,實現(xiàn)綜合性技能培訓(xùn)與技能考核于一身。
為達(dá)到上面的目標(biāo),在培訓(xùn)的硬件設(shè)施上,希望建立典型的、有代表性的、有較強適應(yīng)性的流程級、規(guī)模化實訓(xùn)裝置,特別是要求仿真培訓(xùn)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(yīng)當(dāng)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(shè)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(diào)行動。這些訓(xùn)練內(nèi)容對于復(fù)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(xùn)經(jīng)驗表明,對于沒有接觸過化工裝置現(xiàn)場的職業(yè)學(xué)校的學(xué)生,包括大專院校的學(xué)生,僅僅采用顯示屏畫面、鍵盤和鼠標(biāo)形式的訓(xùn)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(xùn)裝置。
二、新一代流程級化工仿真實訓(xùn)裝置
新一代流程級實訓(xùn)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(xùn)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(shè)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(xué)生直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。
本環(huán)境給學(xué)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(guān)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(shè)備,例如閥門的轉(zhuǎn)動變換為模擬電信號,采用計算機控制技術(shù)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(jié)果通過轉(zhuǎn)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(shù)和實時監(jiān)控技術(shù)加以解決。
3. 裝置仿真軟件
由于該裝置是在“無物理化學(xué)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(xùn)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(shù)進行動態(tài)地操作實訓(xùn),動態(tài)數(shù)學(xué)模型是關(guān)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(yīng)能反映被仿真裝置的實際尺寸,包括設(shè)備尺寸、管道尺寸、閥門尺寸等,應(yīng)能反映系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關(guān)系;動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的物理化學(xué)變化的規(guī)律,如反應(yīng)動力學(xué)特性、氣液平衡特性、流體力學(xué)特性等,這些特性常常是非線性的。動態(tài)模型應(yīng)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(yīng)達(dá)到實時要求、求解精度應(yīng)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)畫面、鍵盤操作、各種算法,以及通信的協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)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(xì)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(xùn)評價與管理系統(tǒng)
運行培訓(xùn)項目及事故設(shè)置軟件,運行操作評價軟件。主要滿足培訓(xùn)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(dāng)實訓(xùn)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(xùn)裝置總體結(jié)構(gòu)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(diào)運行,完成復(fù)雜的、高逼真度的半實物模擬實訓(xùn)。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(jié)合先進的工業(yè)過程控制設(shè)計,具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化結(jié)構(gòu)。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(xùn)裝置特點
新一代流程級實訓(xùn)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(shù)結(jié)合,實現(xiàn)了集多種教學(xué)和實訓(xùn)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(xùn)系統(tǒng)的要求,是工業(yè)實訓(xùn)技術(shù)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(shè)備、精致的設(shè)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(shù)成果,現(xiàn)場總線和電子操作器等專有設(shè)備,所有操作點都可以全量程手動或自動調(diào)整,具有真實的操作力度和動態(tài)響應(yīng);
3. 運用高精度仿真數(shù)學(xué)模型,可以不受約束地模擬實際裝置物理化學(xué)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(diào)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(xùn)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(xùn)項目軟件、事故設(shè)置軟件和運行操作評價軟件。可以滿足培訓(xùn)的自動評價、組織、全工況記錄和管理問題。
6. 所有動設(shè)備都處于空轉(zhuǎn)低負(fù)荷運行狀態(tài),因此運行能耗很低,設(shè)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(shè)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(jié)與繼續(xù),這是任何其它實訓(xùn)裝置所無法比擬的超級功能,也是最適合于實訓(xùn)的功能;
11. 占地面積小,一般適合于職業(yè)技術(shù)學(xué)校的標(biāo)準(zhǔn)型新一代流程級實訓(xùn)裝置,控制室占地約60 平米,裝置現(xiàn)場占地約180 平米;
12. 結(jié)合本中心完成的國家高技術(shù)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(shù), 新一代流程級實訓(xùn)裝置可以升級為操作安全為內(nèi)容的實訓(xùn)系統(tǒng),同時也是智能化自解釋高級實訓(xùn)系統(tǒng)。
我們堅信,新一代流程級實訓(xùn)裝置的推廣應(yīng)用,必將使得我國的化工職業(yè)技術(shù)訓(xùn)練進入一個全新的世界!