工业锅炉仿真培训系统的研究现状与发展趋势*

孙志敏，马 舜，韩树新，赵 辉

（杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003）

0 引言

锅炉是我国重要的热能动力设备，为了与发电用的大型锅炉相区别，我国把容量在65 t/h以下为工业生产供热、为建筑物供暖的锅炉称之为工业锅炉[1]。目前我国在用的工业锅炉数量众多，约60多万台[2]。工业锅炉是一种危险性较大的特种设备，根据国务院颁布的《特种设备安全监察条例》及国家质检总局颁布的《锅炉司炉人员考核管理规定》，我国在用的锅炉必须由经过培训考核并取得操作证的司炉人员来操作。因此司炉人员所具有的专业理论知识和操作技术水平对于锅炉的安全和经济运行至关重要，对司炉工进行定期的技能培训具有重要的意义。

然而目前我国工业锅炉的运行管理能力比较低，尤其是中小型锅炉，不仅分布广泛，而且自动化程度较低，多数以人工操作为主，而司炉人员的总体文化水平又比较低，其技术水平参差不齐[3]，每年仅因司炉人员操作不当引起的锅炉事故多达数百起，而由操作不合理导致的锅炉长期低效率运行的情况则更加普遍，这直接对国家财产和人民生命安全构成了很大威胁。由于在真实的锅炉上开展操作技能培训不仅要耗费大量燃料和水电，而且还存在很大的危险性，难以实现，因此研究合理的培训考核方式并开发智能的培训装置来提高司炉工的实际操作技能、事故应急处理能力及安全节能意识显得十分必要。本文针对工业锅炉的操作培训方式及其装置的研究现状和发展趋势进行综述。

1 工业锅炉操作培训方式

目前我国的工业锅炉操作培训考核方式主要有三种：传统方式、微机仿真操作培训考核方式、半物理仿真操作培训考核方式。三种方式的特点如表1所示。

1.1 传统方式

传统的锅炉操作培训方式是通过一定量的理论学习以及一段时间的实际参观和操作实习后，经过专业部门的考核确认后颁发上岗证[4]。这种培训方式以理论知识教学为主，培训枯燥且周期长，由于考虑锅炉生产和人员安全等问题，学员缺少实际练习的经验，培训时多数通过图片和文字形式来讲解，学员动手的机会很少，独立操作的机会则更少，因此学员技能长进缓慢，培训效果较差。此外，考核形式主要采用书面笔试和口头面试，在评价学员成绩时存在一定的人为因素，难以准确量化。

1.2 微机仿真操作培训考核方式

近年来，随着计算机仿真技术的发展，通过计算机仿真系统进行培训成为了锅炉培训的新型方式。其中一种称为微机仿真操作方式，采用纯计算机软件来仿真模拟真实锅炉，学员通过操作鼠标键盘和观察电脑显示屏来锻炼锅炉操作技能。相比传统方式，采用计算机仿真操作方式大大提高了培训效率，但对于司炉人员的实际动手能力却没有明显的提升作用。尽管计算机仿真系统可以生动地模拟出锅炉真实运行情况并激发学员判断控制实际情况的潜力，但是采用纯粹的计算机软件来模拟锅炉，学员观看计算机屏幕上的数据变化，通过鼠标操作代替实际阀门操作，和实际相差甚远[5]。再加之司炉工自身文化水平有限，对计算机不熟悉，因此培训效果一般。

1.3 半物理仿真操作培训考核方式

随着多媒体、传感检测、微处理器等技术的发展和应用，由计算机和实物模型组成的半物理仿真模拟装置逐渐在操作人员的技能培训考核中发挥作用。半物理仿真操作式的工业锅炉培训装置由缩小比例的锅炉实体或模型结合后台仿真计算机组成，通常又称为锅炉模拟机、锅炉混合仿真系统、半实物锅炉模拟器等。这类系统采用与真实锅炉相似的操作控制台和本体外形结构，但没有燃料水汽，锅炉的运行由后台仿真软件模拟。相比纯软件的仿真培训方式，在模拟机上操作各类阀门仪表，感受多媒体设备模拟出的锅炉运行的各种声音视觉效果，有利于学员快速获得现场操作手感和空间感，有效提升实际操作技能，利用培训装置模拟工业锅炉的常见事故，还可以锻炼学员正确处理事故的能力，具有较好的培训效果。但是，这种培训方式也存在一些缺点，如培训装置开发费用较高，占地面积大，扩展性差，需要专业人员维护，使用时一台设备只允许一人操作，培训效率不高。

2 工业锅炉仿真培训系统研究现状

西方发达国家的大型企业很早就利用计算机仿真技术开发了锅炉仿真培训系统，在工人培训方面取得了十分显著的效果[6]。而针对我国司炉工及工业锅炉使用的现状，引进国外的技术和装备未必适用。最近十年，我国也开发了不少工业锅炉仿真培训系统，开展研究的单位主要以特种设备检验检测机构、石油化工企业、高校研究所、锅炉生产商为主。

表1 三种工业锅炉操作培训方式比较

2.1 微机仿真培训系统

纯软件式的锅炉仿真培训系统具有开发费用低、周期短、扩展灵活、维护简单等特点，不少单位开展了研究。浙江理工大学开发了一套多组态全工况工业锅炉操作仿真培训系统[7-8]。该系统采用C/S构架，硬件上由一台服务器，一台教练PC机，若干台培训PC机等组成，软件上采用MS SQL Server 2000数据库，GE公司的iFIX 4.0组态软件。系统功能包含了点火、上水、升压等锅炉正常操作模块，以及假水位、缺水、汽水共腾等故障操作模块。该系统采用Petri网建模技术和Flash技术建立了锅炉仿真模型，采用鼠标点击形式进行操作，可支持300人同时进行培训考试。

北京恒和大风软件技术有限公司采用组态技术和图形化建模方式开发了一套工业锅炉仿真教学培训软件，如图1所示，使用时通过鼠标来切换各个子系统的流程画面及热力参数曲线，支持燃油炉、燃气炉、QXW、DZL等多种炉型。

图1 锅炉仿真教学培训软件

北京华康达计算机应用技术有限公司利用虚拟现实技术开发了一套司炉人员3D仿真培训考试系统，如图2所示。该系统采用三维界面，专用的仿真键盘，可使操作人员在3D场景中漫游巡视。

图2 3D锅炉仿真培训考试系统

此外，齐齐哈尔质监局联合哈尔滨理工大学以130 t/h循环流化床锅炉机组为对象，采用Ad⁃vanTrol-Pro组态软件研究锅炉培训模拟操作方法[9]。华中科技大学针对船用燃油锅炉开发了一套基于虚拟台盘的锅炉仿真培训系统[10]，由操作员台和教练员台组成，采用了集总参数法分块建立了锅炉系统模型，通过屏幕上的虚拟仪表开关进行模拟操作。江苏石油化工学院开发了BG410t/h型和HG220t/h型燃煤锅炉仿真培训软件，并对快速仿真算法开展了研究[11]。

2.2 半物理仿真培训系统

半物理式锅炉培训系统的研究热度要高于微机仿真式。大连锅检所联合大连理工大学和三浦锅炉等单位研制了工业锅炉实际操作考核培训模拟机[5，12]，如图3所示。系统的硬件部分由锅炉本体模型及其控制台、PLC数据采集系统、PC上位机、交换机等组成；软件部分采用三维力控组态软件作为开发平台，基于C/S构架，采用Modbus通讯协议，用VB进行第三方程序开发，集成多媒体、数据库等技术，采用模块化设计，包括演示模块、练习考核模块、评分模块等。该系统包括三种炉型，其中立式燃油锅炉外观更为真实。

图3 工业锅炉实际操作培训模拟机

华东理工大学联合上海锅检所、杭州特检院等单位研发了燃油/燃煤锅炉仿真培训考核系统[13-14]，如图4所示。该系统硬件上由锅炉实物模型和计算机系统组成，采用单片机配合I/O板作为下位机数据采集系统，由锅炉实体产生的各种操作信号，经信号调理、数模转换送入下位机进行预处理，然后以通讯方式输入上位计算机，上位机控制整个系统的运行。软件部分同样采用C/S构架，用组态软件结合VB作开发平台，包括通讯程序、锅炉仿真程序、监控程序、考核程序、智能评分程序等几部分。

图4 燃油/燃煤锅炉仿真培训考核系统

上面两款锅炉模拟机是目前在特种设备作业人员培训机构中推广较好的培训装置。此外，在石油化工领域，大庆石油管理局联合浙江大学等单位也研发了类似的锅炉培训装置[4，6，15]，硬件由工程师站、实物仿真系统、数字仿真系统三部分构成，三台锅炉模型通过数据采集卡连接一台教练工控机，软件采用VC++开发，运行在若干台学员计算机及一台教师指令计算机中。大庆石油学院等单位基于DCS思想，采用DOS、Borland C及FIX组态软件为开发工具开发了由十台仿真锅炉和仿真附属间组成的锅炉仿真培训系统[16]。中国石油大学针对胜利油田的工业锅炉使用同样也研制了由4台油炉组成的混合仿真培训系统，取得了较好的培训效果[17-18]。

目前所开发的这些半物理式锅炉仿真培训系统具有如下特点：首先在硬件构架上通常采取图5所示的方案，锅炉实体按真实工业锅炉的缩小比例进行设计，其中阀门仪表等操作显示单元在实物基础上进行数字化改装，如在阀门内部安装霍尔传感器，在水位表中安装LED光柱等，操作控制台保留真实锅炉的布局，下位机部分主要起到数据采集和处理的作用，对各类传感器和数码元件进行信号调理和转换，实现方案有采用PLC、单片机，也有采用工控机。系统的软件部分通常采用C/S构架，以组态软件结合VB、VC等为开发工具，系统软件通常运行于上位机和服务器中，其中上位机（PC客服端）上运行锅炉仿真程序、监控考核评分等程序，服务器上运行数据库程序，进行各类信息的管理。整套锅炉培训系统涉及建模仿真、传感器应用、机电控制、组态、数据库、面向对象编程、虚拟现实、人工智能等专业技术，是一个复杂的机电系统。

3 发展趋势

工业锅炉仿真培训系统从90年代后期开始研制，其作用在司炉人员的操作培训中得到了肯定，但是当前这些系统仍存在一些不足，其发展方向和需要完善的内容有以下几个方面。

（1）近年来工业锅炉的节能工作已成为我国节能减排国家战略的主要内容之一，而目前我国工业锅炉的实际热效率较低，其中燃煤锅炉平均仅为65%左右。实践证明，司炉工的操作水平和安全节能意识是影响锅炉效率的决定性因素，提高司炉人员操作水平而取得的节能效果可占节能总量的1/3左右[19]，因此开展司炉工节能操作技能培训是非常紧迫的。目前的锅炉培训系统不具备节能操作方面的技能培训功能，仅停留在安全操作技能培训方面，如正常运行操作和事故应急操作。开发支持节能操作技能培训的系统需要在软硬件上具备一定条件，在硬件上多数操作信号要由开关信号改成模拟信号，如风门开度、阀门开度、煤层厚度、转速等操作信号需要连续可调及采样，这增加了系统的复杂度，而在软件上需要支持锅炉全工况动态仿真运行的精确数学模型，使得学员操作时系统各物理量之间建立联动关系，因此开发节能型锅炉培训系统具有一定难度，但这是一个很好发展方向。

图5 半物理式锅炉仿真培训系统硬件构架

（2）锅炉培训系统的可靠性、可维护性有待提高。虽然许多培训机构都配置了半物理式的锅炉仿真培训系统，但能够在司炉工培训中长期使用的并不多。由于硬件上涉及多类传感器、数码管等电子元件，软件上的编写不够严谨，系统出现故障之后需要专业人员修理才能恢复。较差的可靠性和维护性使得很多培训装置成为了一个摆设。如何在硬件选型和设计上把关，在软件开发上减少程序漏洞，提高锅炉培训装置的可靠性和易维护性是重要的发展方向。

（3）在仿真效果方面，除了软件上对锅炉仿真模型进行改进之外，在实物模型的外形和模拟效果上，可借鉴军工、电力、化工等领域的仿真模拟器技术，应用各类先进的多媒体、光学、虚拟现实、人工智能等技术，提高系统的逼真度和操作真实感。

（4）在系统功能方面，除了节能操作培训之外，智能培训和远程培训也是发展方向之一，如在练习时主动诊断和记录操作错误，根据学员的水平和学习情况自动选择和调整学习内容及进度，对学员的学习行为自动评价等。

4 结束语

司炉工的操作技能水平是决定工业锅炉安全经济运行的重要因素。合理的培训方法配合先进的培训装置能有效提高司炉工的操作水平。随着虚拟仿真、计算机、传感检测、机电控制等技术的发展，工业锅炉仿真培训系统在有效提高司炉工的实际操作技能方面起到了重要作用，带来了客观的经济效益和社会效益，对于安全生产、节能减排、以及国民经济的健康可持续发展具有重要意义。

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