污水处理过程风险控制的仿真系统

席冠男 张东胜 刘恒育

（天津大学管理与经济学部）

污水处理过程风险控制的仿真系统

席冠男 张东胜 刘恒育

（天津大学管理与经济学部）

污水处理过程生化反应过程复杂，现场实验不仅时间长且成本高。为了有效节约岗前培训时间、提高员工对设备认知度，建立了一套基于可视化软件的污水处理过程仿真系统，并辅以HAZOP分析强化仿真效果。通过系统关键节点信息弹窗，污水处理过程工艺仿真实现与实际处理过程相结合，能够有效地提高岗前培训效果，改善生产安全现状并提高设备管理水平。

污水处理；可视化软件；系统仿真；HAZOP分析

0　引 言

污水处理过程作为复杂的生化反应过程，现场实验时间长、成本很高。实验教学是许多学科尤其是石油炼化企业进行学习及岗前培训重要环节之一，实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性和创新性。因此，设计了一套基于虚拟软件的仿真系统用以模拟污水处理过程的工艺流程，以期望达到实验教学的目的。

1　虚拟仿真平台的适用性及优点

仿真是利用模型代替实际系统进行实验和研究［1］。虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，是具有仪器功能的软件、硬件的组合［2］。采用虚拟设备技术仿真设计，可以缩短系统组件时间，降低开发费用［3］。基于模型的计算机仿真软件即可用于新工艺的开发、探讨新运行策略的可行性；又能节省人力财力、提高科研效率和过程控制效果，因此，仿真软件对污水处理系统格外重要［4］。

在通用计算机平台上，根据测试任务的需要定义和设计仪器的测试功能，充分利用计算机实现和扩展传统仪器功能，开发结构简单、操作方便、费用低的虚拟实验仪器，包括数字示波器、频谱分析仪、函数发生器等［5］，既可以减少实验设备资金的投入，又能为学员做创新性实验、掌握现代仪器技术提供条件［5］。

系统以Lab VIEW 软件为基础，对某污水处理厂区全过程进行仿真，并将其中关键节点所涉及的仪器设备信息进行标注，并辅以HAZOP分析结果强化仿真效果，有效的提高了新员工岗前培训效果，大大减少了因人为操作失误造成的非故障停车时间，保证了厂区污水处理过程的高效运行状态。

目前，虚拟仪器的开发软件有许多，但Lab VIEW比起传统的语言和其他控制及数据采集程序包具有更大的优势。Lab VIEW是一种新型的图形编程平台，称为G图形语言的可视化交互技术［6］。与使用传统的编程语言相比，Lab VIEW大大提高了生产效率。经过在小项目上的比较测试得出结论：用C语言的效率比用Lab VIEW的效率低4/5［5］。

污水处理过程的仿真可分为两种类型：一是对某一环节或某一控制策略的实施进行仿真［7］，此类仿真程序在文献中较为常见；二是对污水处理整个过程进行仿真［8］，此类仿真能对不同状态下系统出水的效果分析、辨识，还可以添加控制模块对系统控制效果进行模拟。

2　虚拟仿真系统的设计

系统所设计的虚拟平台主要针对新员工岗前培训及安全工程专业学生学习所用，主要用于辅助员工及学生完成对工艺流程的认识，以达到尽快熟悉操作系统的目的。因此，在设计操作界面时，尽量以系统P&ID图的方式呈现。工艺流程如图1所示。

图1　含油污水处理工艺流程

现以油水分离过程子系统为例，展示本虚拟仿真系统的设计思路及界面设计。

由于该含油污水仿真系统旨在针对新员工岗前培训及安全工程专业学生学习，因此为了方便学习及认知，特别将系统的可视化界面设计为类P&ID图的方式，这样在结合现场工艺操作流程时可以有效减少因仿真界面与实际操作现场误差过大造成的认知误差。同时，为了提高效果，特别将HAZOP分析结果及关键节点所涉及的仪器设备信息进行标注，强化对工艺流程及可能存在的安全隐患的认识。

2.1系统可视化界面的设计

系统设计的目的是为了有效提高新员工岗前培训效果，达到减少因人为操作失误造成的非故障停车时间，并尽量保证厂区污水处理过程的高效运行状态，因此在设计平台操作界面时，将仪表加入操作界面，提高对工艺流程的认知度。对于较为简单的子系统界面，如图2所示为油水分离系统，分为工艺流程仿真区和仪表观察区，将系统中关键位置的参数仪表排列于下方，以便观察所用。图2中下方仪表及图标从左到右分别为：系统采样周期设置（可调节）、隔油池液位及液位报警、含盐污水流量、含油污水流量、子系统说明及HAZOP分析结论。有效减少了切换可视化界面造成的认识误差。

图2　平台操作界面

2.2工艺流程界面设计

仿真系统的工艺流程仿真区采用类P&ID图的设计方式，将管道中液体的流向进行标注，帮助用户对工艺进行初步认识，并将管道中所流动介质进行标注以方便对工艺过程的理解，其中关键设备，如阀、泵、仪表的位号进行了标注以方便对照现场操作设备和对照工艺流程图进行学习和认知。

2.3设备及工艺基本信息引入

为了能够更好的对工艺流程进行认知和学习，首先需要了解其中关键设备的基本信息以及系统的基本运行情况。因此，在系统的仿真操作界面上，特地将搜集到的操作节点中关键设备如储罐、阀、泵、仪表等的基本信息及工艺流程基本信息引入。同时，为了能够使得受培训的员工或学生能够更简单的了解到对应工艺或设备的基本信息，该仿真系统采用弹窗模式将所需信息引入，如图3所示。为了有效区分关键设备及工艺，利用Lab VIEW布尔开关形式模拟仪表图形，点击即可弹出仪表或工艺基本信息的弹窗，方便对仪表信息及工艺流程进行有效的记忆和理解。

图3　工艺基本信息弹窗

2.4设备仪表视窗设计

岗前培训要求员工必须尽快适应各种仪表、阀的操作或读数界面，因此为了提高培训效果，在该仿真系统中加入设备仪表的示数界面，以增强直观观测效果，减少因工艺流程复杂所造成的培训效果降低。另外，为了与仿真系统进行一定程度上的互动，特别加入了采集周期选择系统以及与仪表相对应的可调高报警及低报警旋钮，用以调整监测上下限，以方便教学或培训之用。如图4所示，界面左边为采样周期和液位报警设置界面，可根据需要进行调节，旋钮和条形控制按钮可以对所需数据进行粗调，而框体内可以进行具体数据的设置，以改善需要微调时条形控制按钮和旋钮较难控制的不足。界面右半部分为隔油池液位监视仪表的视窗，可以监控一定时间段内的液位变化，右侧为液位报警装置，当液位超过所设定的最高或最低限制时，相应的报警装置会亮起，以醒目的红色显示。

图4　液位仪表视窗界面

3　HAZOP分析的引入

HAZOP分析是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化、系统化分析方法，其分析的过程是由各专业人员组成的分析组按一定原则将工艺过程划分为合理的分析节点（或称工艺单元），再针对每一个分析节点识别出具有潜在危险的偏差。分析组对每个有意义的偏差都进行分析，分析其可能原因、后果、已有安全保护等，同时提出应该采取措施和行动［9］。HAZOP分析具有激发创造性、开拓思路、系统检查全面、获得有益知识、易于决策等优点［10］。

因为HAZOP分析需要由不同专业不同岗位专家人员进行“头脑风暴”，将关键设备设施对偏差的原因、后果、已有安全保护措施等项目进行综合分析，识别出所有可能导致隐患和操作性问题的原因，提出改进意见和措施，以彻底解决存在的安全问题［9］。在仿真系统中，无法达到类似“头脑风暴”的效果，为了方便员工对工艺流程和设备进行有效的认知和分析，需要将HAZOP分析所得出的关键设备设施风险分析直接进行标注，以方便员工或学生对比自己分析的结果进行完善。为了避免与设备基本信息混淆，将风险分析弹窗按钮在工艺流程界面中以红色布尔开关形式定位于存在风险的关键设备附近，起到提示和帮助作用，图5为隔油池风险分析结果及现有安全防范措施，学生或岗前培训人员可以根据专家HAZOP分析结果与自己的预先评估进行对照，达到良好的学习培训效果。

图5　隔油池风险分析

在将所有可能存在的隐患进行识别之后，需要对后果进行分析整理，以方便进行分析后整改。在本文设计的系统中，借用风险矩阵对可能造成的后果进行评估。风险（R）由发生的概率（L）与发生后造成的严重程度（C）决定。其公式为：R=L×C。

在确定概率与严重度后，通过上式可计算出风险R。风险矩阵中以横坐标为L，纵坐标为C。在风险矩阵中，根据R对应值来判断隐患所能产生的后果是否需要立刻进行改正。

经过系统分析，可以清晰的辨识出存在的不可接受的情况或必须要改正的状态，进而提出需采取的行动，要涉及防止原因出现事件的出现和减少后果严重性，同时还应兼顾可操作性和经济合理性。图6即为存在安全隐患的隔油池及液位控制回路的风险评级及建议弹窗，其中详细列出了该安全隐患现有的防范措施，并根据HAZOP分析确定了其后果和频率等级从而确定了该隐患的风险等级。建议内容及建议措施的具体实施方法及控制回路的报警偏差范围（10%）也在弹窗中有所体现，对初次接触该套系统的用户有很好的指导作用。

图6　隔油池风险评级及建议弹窗

4　结 论

基于Lab VIEW的含油污水处理过程风险控制的系统仿真具有以下优点：①基于图形化语言所设计的仿真系统不仅易于操作而且易于学习，能够有效提高培训及学习效率；②有效降低了污水处理过程的成本及实验时间；③结合HAZOP分析对污水处理过程工艺流程进行学习和培训，提高了认识和防范安全隐患的意识，大大减少了因人为操作失误造成的非故障停车时间，保证了厂区污水处理过程的高效运行状态。

［1］ Chen Zhaobo，Zhou Aijuan，Ren Nanqi，et al.Pollutants Removal and Simulation Model of Combined Membrane Process for Wastewater Treatment and Reuse in Submarine Cabin for Long Voyage［J］.Journal of Environmental Sciences，2009，21（11）：1503-1512.

［2］ 张军.A/O水处理工艺虚拟设备设计［J］.河南科学，2010，28（10）：1337-1339.

［3］ 张建宏.虚拟仪器技术及其应用前景［J］.电力学报，2007，22（3）：354-355.

［4］ 李志强.SBR污水处理工艺模糊控制器设计及仿真［D］.重庆：重庆大学，2008.

［5］ 陈运涛，李彬，张富平.Lab VIEW在虚拟仿真中的应用［J］.火力与指挥控制，2004，29（4）：110-112.

［6］ 刘刚，王立香，张连俊.Lab View8.20中文版编程及应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［7］ 樊立萍，于海斌，袁德成，等.SBR污水生化处理系统的最优控制及改进［J］.控制与决策，2005，20（2）：237-240.

［8］ 柳春平.城市污水处理自动控制系统的研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004.

［9］ 赵文芳，姜春明，姜巍巍，等.HAZOP分析核心技术［J］.安全、健康和环境，2005，5（3）：1-3.

［10］钱钧，魏利军，李少鹏.安全仪表系统等级划分与HAZOP分析的结合应用［J］.中国安全生产科学技术，2009，5（5）：148-151.

（编辑 王蕊）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.022

1005-3158（2015）06-0077-03

2015-03-20）

席冠男，天津大学管理与经济学部管理科学与工程专业在读博士。研究方向：工程管理。通信地址：天津市卫津路92号天津大学49斋311，300072