操作员仿真培训系统OTS 在煤化工装置中的设计应用

任 云

（中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315000）

近年来，受国际油价一直居于高位等因素刺激，国内的各类新型煤化工装置得到了快速的发展。新型煤化工装置具有控制要求复杂，操作自动化程度高等特点。从实际装置的开车运行来看，要顺利、安全的对煤化工装置进行开车运行，工艺操作人员对流程操作过程的熟练程度对装置的安全平稳开车运行起着关键的作用。新型煤化工装置对熟练操作员的需求，进而促进了一批煤化工装置操作员培训仿真系统OTS 的设计开发应用。操作员培训仿真系统OTS 有助于操作员理解自动控制及操作规程，并能大幅度提升操作员的操作水平，减少开停工次数，避免事故发生，使装置更加安全、稳定。本文以国内某煤化工装置为例，介绍操作员培训仿真系统OTS 在煤化工装置中的设计应用。

1 操作员培训仿真系统OTS

OTS:Operator Training System,即操作员培训仿真系统。是利用计算机仿真各种实际工程技术，构造一种以教学和训练为目的，再现一个真实的系统行为的系统。

1.1 OTS 组成及功能

1）操作员站

操作员站即学员站,学员在操作员站上完成装置基本操作练习及各种模拟故障排除。操作员站的操作界面、功能及操作方式与装置实际生产所用的DCS 操作员站完全一致，是操作员培训仿真系统OTS 的主要用户界面。

2）教员站

教员站负责管理和监控学员的学习情况，为其设置各种模拟工况及故障点，对学员进行考评等。教员站能对教员变量（如原料组分、环境温度等）进行修改，并且能够方便的回溯到任何一个模拟工况节点上，以供学员对某个模拟工况操作进行反复操作。

3）工程师站

工程师站具备操作员站的功能，同时可以进行DCS 系统数据库的编辑、组态和维护工作。

4）现场站

现场站用于模拟实现装置生产中DCS 系统操作站之外的操作，如现场机泵开停、现场阀门的开关、辅操台的联锁复位及投用等。

5）仿真控制器

仿真拟控制器用于实现激励仿真，完全模拟真实DCS 控制器的运用和功能，可直接使用DCS现场组态，在使用、维护等各个环节均与工厂DCS 一致。

6）模型服务器

模型服务器通过数学模型对已配置好的对象模型进了模拟仿真，完成复杂的仿真计算，并将计算结果通讯到各DCS 操作站，反应出操作参数的变化及报警信息，实现系统仿真功能。模型服务器具有工艺模型开发、调试、修改及数据管理等功能，同时具备工艺模型基础算法的编制、修改和研究功能。

1.2 OTS 硬件架构

此煤化工装置操作员培训仿真系统OTS 共设置了5 个学员站、1 个教员站、1 个工程师站。采用了标准计算机做为教员站、学员站和工程师站，其中一台学员站兼具仿现场站操作功能，教员站兼具模型服务器功能，工程师站兼具仿真服务器功能，工程师站配备一台打印机。

在同一个局域网上，可以同时运行1 个教员站和多个学员操作站，教员站和学员站都采用标准的计算机操作系统，网络协议采用TCP/IP 协议、以太网连接的多用户、多任务可远程访问的系统。系统硬件架构如下图1 所示。

图1 OTS 系统硬件架构图

1.3 OTS 软件系统

软件系统是OTS 系统的核心，仿真模型的精度和对工厂控制系统的模拟程度决定了OTS 系统的质量。仿真培训模拟系统（OTS）软件系统主要包含了仿真软件、虚拟控制器软件和DCS-OTS接口软件三个关键软件。

1）仿真软件

仿真软件是一个基于严格计算的、功能全面的、成熟的动态过程模拟系统，运用基于机理的技术和严格的热力学数据，其计算结果经过大量实践检验，准确可靠。仿真软件计算引擎是动态模拟应用于工程分析的主要功能模块，实现工艺模型仿真模拟计算等功能。

2）虚拟控制器软件

虚拟控制器软件即虚拟DPU（Distributed Processing Unit,分散处理单元）软件，是指将实际分散控制单元中的DPU 功能移植到虚拟DPU软件上，使DPU 功能脱离实际硬件而实现的。

3）DCS-OTS 接口软件

DCS-OTS 接口软件是连接仿真软件与DCS虚拟控制器的桥梁，提供仿真DCS 与工艺模型的接口，支持实时向DCS 虚拟控制器读写数据，以确保工艺变量与控制器输出的连接。

2 OTS 设计过程

1）前期准备

收集用于OTS 系统开发的实际现场装置的工艺管道仪表流程图（P&ID）、物料及热平衡数据、静设备规格尺寸、泵特性曲线、仪表控制逻辑等相关资料；编制工艺软件概要设计书；并根据装置工艺特点与OTS 开发所需的技术要求，选定虚拟控制器软件及仿真系统平台。

2）模型设计开发

分析总结前期工作收集的资料,确定系统模拟范围并形成关键设备的静态、动态模型设计方案。

采用仿真软件，根据实际装置的PID、PFD、HMB、设备数据表等资料，对整个装置进行动态模型开发：模拟已经投产的实际现场装置的组态内容，在与实际现场装置基本相同的操作条件下，建立系统模型，绘制仿真动态模型流程图；模拟系统运行过程中的工艺参数变化和相互关系；模拟仿真出与实际装置相同的开停车流程、控制操作方案；模拟动设备、阀门及管道堵塞等故障及排除方法；建立操作员操作考评系统。

应用到的模型部件包括：Drum、Tower、Heat exchanger、 combustor、 Plug flow reactor、pump、motor、valve、pipe、header、stream、source、 sink、 stream set、 slate change、transmittor 以及PID controller 等模块。

3）DCS 控制系统组态

根据实际现场装置的工艺流程说明、仪表控制逻辑等资料、对装置的相关控制进行研究、开发并进行组态、完成DCS 控制系统部分的设计。在此过程中也检验了仪表控制逻辑设计的合理性，复核了控制系统的组态，优化和提高现有的工艺方案和控制系统。

4）系统集成

利用虚拟DPU 技术、把DCS 控制系统组态下载到虚拟控制器中、虚拟控制器中的点与粉煤化工装置模型的关键参数点、通过OPC 接口进行数据的交互、完成整个系统的构建。

5） 测试验收

系统集成后，由工艺、仪表技术人员对OTS 系统进行测试：对照物料平衡表、工艺流程、控制方案及关键工艺指标，核实模型中关键设备性能参数设置；对系统进行开停车等测试，观察模型的逼真性、实时性、连续性、可靠性及应用性。

3 结语

此套操作员培训仿真系统OTS 模拟已经投产的实际现场装置，共建立了装置全系统模型；模拟仿真出与实际现场装置相同的开停车流程、控制操作方案；模拟了装置的故障及排除方法；建立了操作员操作考评系统；开发出了一套与实际操作相同的的仿真培训模拟系统。OTS 系统的开发应用，提高了工厂运行水平，减少非正常停工次数；提高工人处理突发事故能力，减少事故带来的经济的损失，同时降低企业的能耗；降低控制系统维护，检验和改造费用，为企业节省大笔开支。