一、 背景

1987 年北京化工大學(xué)仿真中心研究開(kāi)發(fā)成功我國(guó)第一套計(jì)算機(jī)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

隨著我國(guó)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(dòng)化水平普遍提高，對(duì)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(qiáng)。第二，和企業(yè)聯(lián)合，結(jié)合行業(yè)特色，建立中國(guó)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(shí)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(shí)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(qiáng)適應(yīng)性的流程級(jí)、規(guī)?；瘜?shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的操作，還應(yīng)當(dāng)模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際動(dòng)手操作。也就是要解決操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的幾何空間概念的把握和對(duì)操作設(shè)備與部件的操作力度、動(dòng)態(tài)時(shí)機(jī)的把握。其中還必須包括控制室操作人員與現(xiàn)場(chǎng)操作人員的團(tuán)隊(duì)配合及協(xié)調(diào)行動(dòng)。這些訓(xùn)練內(nèi)容對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)停車、非正常工況的處理、尤其是在事故緊急狀態(tài)時(shí)特別需要。

多年的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于沒(méi)有接觸過(guò)化工裝置現(xiàn)場(chǎng)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(shí)還是片面的，不完全的，尤其是缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

為了解決以上難題，研制開(kāi)發(fā)了新一代流程級(jí)化工仿真實(shí)訓(xùn)裝置。

二、新一代流程級(jí)化工仿真實(shí)訓(xùn)裝置

新一代流程級(jí)實(shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）仿真和實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)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?。ǖ珔s能夠保持工業(yè)級(jí)大尺寸特性）的流程設(shè)備模型、管路、手動(dòng)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(cè)控傳感器等。小型流程裝置是學(xué)生直接操作和運(yùn)行過(guò)程系統(tǒng)的環(huán)境。

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

2. 裝置模擬測(cè)控系統(tǒng)

這是仿真裝置無(wú)物料運(yùn)行的關(guān)鍵部分，通過(guò)模擬測(cè)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(shí)物裝置的“橋梁”。測(cè)控系統(tǒng)一方面需要把操作設(shè)備，例如閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為模擬電信號(hào)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)操作點(diǎn)的模擬信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并傳送到上位計(jì)算機(jī)的仿真模型中。另一方面需要把仿真模型的運(yùn)算結(jié)果通過(guò)轉(zhuǎn)換變成模擬電信號(hào)，并傳送到現(xiàn)場(chǎng)的各種儀表進(jìn)行模擬與數(shù)字多種方式的實(shí)時(shí)顯示。所有此類功能全部采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和實(shí)時(shí)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(wú)物理化學(xué)過(guò)程”的狀態(tài)下運(yùn)行的，裝置本身沒(méi)有任何真實(shí)進(jìn)出物料，所有化工生產(chǎn)的工藝現(xiàn)象通過(guò)仿真軟件模擬來(lái)實(shí)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(chǎng)儀表顯示）。讓受訓(xùn)者感受到的是一個(gè)完全“真實(shí)”的工業(yè)化工裝置在運(yùn)行中。

獨(dú)立運(yùn)行的仿真軟件包括：工藝仿真軟件、操作評(píng)分軟件、運(yùn)行管理軟件、與DCS 的接口通訊軟件、教師指令臺(tái)軟件和仿DCS 軟件。能否采用半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地操作實(shí)訓(xùn)，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵。為了高逼真地進(jìn)行過(guò)程的開(kāi)、停車、正常運(yùn)行、故障狀態(tài)操作及控制，必須解決如下建模問(wèn)題：動(dòng)態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真裝置的實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)、慣性、時(shí)間滯后、多容高階特性；動(dòng)態(tài)模型的求解速度應(yīng)達(dá)到實(shí)時(shí)要求、求解精度應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

4. 計(jì)算機(jī)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(gè)DCS 仿真鍵盤。仿真 DCS 系統(tǒng)操作站包括：4 臺(tái)操作站（有工業(yè)鍵盤）。包括：4 臺(tái)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(gè)輔助操作臺(tái)進(jìn)行事故報(bào)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、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(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖所示：

仿 DCS 操作控制軟件模擬了真實(shí)DCS 的以下畫面功能：

**菜單畫面 **流程圖畫面 **控制組畫面 **報(bào)警畫面 **細(xì)目畫面

仿真 DCS 系統(tǒng)可以對(duì)控制方案、控制畫面、流程圖畫面、趨勢(shì)畫面和報(bào)警畫面進(jìn)行軟件組態(tài)。仿DCS 操作站見(jiàn)下圖所示。

5. 實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)

運(yùn)行培訓(xùn)項(xiàng)目及事故設(shè)置軟件，運(yùn)行操作評(píng)價(jià)軟件。主要滿足培訓(xùn)的組織和管理問(wèn)題。其中操作評(píng)價(jià)軟件具有特殊的功能，可以通過(guò)組態(tài)方式修改和編輯。當(dāng)實(shí)訓(xùn)裝置運(yùn)行時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)記錄、分析和評(píng)價(jià)操作員的操作水平。這是國(guó)外同類軟件所沒(méi)有的重要功能。

流程級(jí)仿真實(shí)訓(xùn)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

以上五個(gè)部分通過(guò)小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成復(fù)雜的、高逼真度的半實(shí)物模擬實(shí)訓(xùn)。五個(gè)部分采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線方式互聯(lián)，其中信號(hào)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(jìn)的工業(yè)過(guò)程控制設(shè)計(jì)，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?cái)U(kuò)展或重新組合。系統(tǒng)具備軟件診斷功能。

三、新一代流程級(jí)化工仿真實(shí)訓(xùn)裝置特點(diǎn)

新一代流程級(jí)實(shí)訓(xùn)裝置，通過(guò)將小型半實(shí)物流程裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了集多種教學(xué)和實(shí)訓(xùn)功能于一身、全工況可操作、真實(shí)感強(qiáng)、一機(jī)多用、無(wú)須物料、沒(méi)有產(chǎn)物和副產(chǎn)物、維修簡(jiǎn)單、節(jié)能、安全、環(huán)保、投資省、見(jiàn)效快等理想實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的要求，是工業(yè)實(shí)訓(xùn)技術(shù)的一個(gè)新的飛躍。本裝置的特點(diǎn)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(dòng)閥門、控制閥門、測(cè)控傳感器系統(tǒng)等，具有實(shí)際裝置的全部空間幾何三維分布實(shí)體概念；

2. 采用先進(jìn)測(cè)控電子技術(shù)成果，現(xiàn)場(chǎng)總線和電子操作器等專有設(shè)備，所有操作點(diǎn)都可以全量程手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整，具有真實(shí)的操作力度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

3. 運(yùn)用高精度仿真數(shù)學(xué)模型，可以不受約束地模擬實(shí)際裝置物理化學(xué)特性，可以全工況動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬裝置的開(kāi)車、停車、正常運(yùn)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(shí)DCS 一致，并有工業(yè)鍵盤。能夠給受訓(xùn)者一個(gè)真實(shí)化工生產(chǎn)操作控制模式、方法與環(huán)境。

5. 具備運(yùn)行培訓(xùn)項(xiàng)目軟件、事故設(shè)置軟件和運(yùn)行操作評(píng)價(jià)軟件?？梢詽M足培訓(xùn)的自動(dòng)評(píng)價(jià)、組織、全工況記錄和管理問(wèn)題。

6. 所有動(dòng)設(shè)備都處于空轉(zhuǎn)低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此運(yùn)行能耗很低，設(shè)備磨損小壽命長(zhǎng)；

7. 不需要任何物料，節(jié)省費(fèi)用、時(shí)間和人力，沒(méi)有腐蝕、污染和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題；

8. 危險(xiǎn)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(xiǎn)；

9. 設(shè)備大多是不銹鋼殼體，幾乎沒(méi)有維修工作量；

10. 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)施自動(dòng)即開(kāi)即停，工況凍結(jié)與繼續(xù)，這是任何其它實(shí)訓(xùn)裝置所無(wú)法比擬的超級(jí)功能，也是最適合于實(shí)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(jí)實(shí)訓(xùn)裝置，控制室占地約60 平米，裝置現(xiàn)場(chǎng)占地約180 平米；

12. 結(jié)合本中心完成的國(guó)家高技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目（863）“大型石化企業(yè)安全評(píng)估”的智能化計(jì)算機(jī)自動(dòng)危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）技術(shù), 新一代流程級(jí)實(shí)訓(xùn)裝置可以升級(jí)為操作安全為內(nèi)容的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，同時(shí)也是智能化自解釋高級(jí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

我們堅(jiān)信，新一代流程級(jí)實(shí)訓(xùn)裝置的推廣應(yīng)用，必將使得我國(guó)的化工職業(yè)技術(shù)訓(xùn)練進(jìn)入一個(gè)全新的世界！