企业动态模拟仿真培训系统的重构与实践

【摘 要】汲取我国石油化工仿真技术20年成就与发展，基于上海石化动态模拟仿真培训系统现状进行了分析，对重新构建动态模拟仿真培训系统的进行了实践和思考。认为该系统的重构有利于工艺和操作优化，有利于系统与联锁优化，有利于操作人员技能培训，以及有利于装置HSE管理。

【关键词】动态模拟；仿真；培训；实践

动态模拟仿真培训系统（以下简称：系统），就是运用仿真原理在生产装置工艺改造时对工艺方案进行分析研究，从而对新建生产装置的工艺过程、控制系统、联锁系统和各类工艺设计的准确性进行检验；并且提供一套动态现场模拟环境来培训技术人员和生产操作人员，使之深入理解工艺机理、熟悉操作、预见事故和增长经验[1]。

在石油化工行业，上海石化运用动态模拟仿真培训系统起步较早，经过多年的实践已经，得到同行和企业科技人员的认同。参照上海石化创建“国内领先、世界一流”的愿景，汲取我国石油化工仿真技术20年成就与发展[2]，结合企业6期工程建设和生产装置技术改造的需求，本文从员工培训的维度，探讨不断提高仿真培训针对性和有效性的方法和途径，以满足上海石化科学发展的根本需要。

1.系统现状及分析

上海石化目前共有47套系统，大致可以分成3个类型。

1.1 机理型

该系统基于严格的热力学和动力学的机理模型，依托Aspen Plus软件，确立模拟各装置动态流程模拟系统的热力学方法和模型，并按照生产装置实际工艺流程搭接，由企业统一开发和管理的8套机理型动态模拟仿真培训系统构成。其中包括由状态方程求解化学平衡及相平衡，根据传热、传质、动量传递和化学反应动力学、化工热力学和自动控制等基本原理编写并具有完整的基本模型库。其特点是这类系统具有较强针对性，能够与生产装置基本吻合，适合装置操作人员日常技术演练需求。

1.2 通用型

该系统并不具有严格的热力学和动力学的机理模型，也没有依托Aspen Plus软件的仿真系统，由企业下属事业部或生产装置自行开发和管理的23套通用型动态模拟仿真培训系统构成。虽然这类仿真系统与生产装置匹配程度不高，但作为简单仿真模拟具有一定的针对性。

1.3 竞赛考试型

主要由15套竞赛培训软件，以及1套网络化在线考试系统构成。

1.4 应用分析

（1）依据机理模型开发的系统应用效果好，普遍受到生产装置和操作人员的欢迎。目前这类系统主要用于新进员工、转岗人员、在岗人员的技能培训；部分仿真系统还用于技能鉴定、安全取证考试，以及新建和改扩建装置开、停车前后的培训和在岗人员的操作技能训练、技能竞赛等。

（2）由于技术进步的需要，生产装置及其工艺技术往往大都经过多次改造，现有的仿真培训系统无法很好地契合技术改选后生产装置的特征，匹配度不高；再者软件一次性采购回来之后，缺少专职软件开发队伍，与之配套的仿真培训系统无法更新和完善，无法发挥仿真培训系统应有的作用，也不能满足企业目前职业培训和岗位练兵的需要，培训的针对性降低，系统的使用率偏低。

2.系统构建的实践

基于前述的应用分析，上海石化成立由人力资源部、信息部、培训中心、相关单位技术专家组成的项目组，在充分调研、梳理现有模拟仿真系统应用现状的基础上，依据装置生产实际，以取优去劣的方式，整合系统资源。既对现有仿真培训系统进行升级完善，又重新构建新的动态模拟仿真培训系统。

2.1 重构系统分类

重新构建的动态模拟仿真培训系统的基本思路，即装置生产操作和仿真模拟实际，确定能够通过升级得以完善的系统，以及需要新建和替代的系统等2种不同的分类（见表1）。

2.2 重构系统目标

（1）加大动态模拟仿真培训系统建设力度。一是本着重构原则计划3-4年内完成公司主要生产装置系统重构，包括：根据装置规模、重要性、工艺特点等方面考虑选定建设装置；新建装置要优先建设；装置近期有技改计划放在技改完成后建设；装置近期有大修计划放在大修后建设；主要考虑技能操作人员技能培训，兼顾专业技术人员分析研究。

二是计划每年定制开发8-10套生产装置动态流程模拟仿真系统；完善1-2套现有在用系统；挑选1-2套容易出现安全事故的生产装置，建立三维场景模拟；挑选1-2套关键设备，建立三维拆装仿真、设备内部机械原理模拟和设备内部的物料流动模拟。

（2）加大动态模拟仿真培训系统应用力度。充分发挥系统功能，让技术人员在装置工艺改造时应用系统对工艺方案进行分析研究，让操作工熟悉装置工艺流程，实现对操作人员操作技能的考核，促进操作人员操作技能水平的提高，为公司培养出更多的专业技术骨干。

在装置开工后，应当督促培训中心系统管理员、装置技术人员留意、记录、保留装置运行一年内的实际数据，监控仿真公司按实际数据对软件模型进一步修改、完善，以达到最“真”的模拟效果。装置操作人员可以定期进行仿真培训，不断提升岗位操作技能和事故处理能力，真正体现软件的实用性和延续性。

（3）建立动态模拟仿真培训集成管理系统[4]。即把各单位在用模拟系统全部联接到公司服务器上，建立动态模拟仿真培训集成管理系统，实现仿真系统的集中管理和分散培训。各装置都可以建立一套或多套完整的仿真系统，按照培训计划自行组织培训和考试，所有的培训状况与结果信息都将通过网络自动记录到数据服务器上，培训管理部门以及培训中心都可以随时通过网络来查询、统计和评估各个装置的仿真培训情况，进行集中管理，同时可以将培训计划下发给二级单位或装置。

（4）建立动态模拟仿真培训管理制度。建立仿真培训管理制度，有利于仿真培训工作更加规范化和有序化，对各培训站仿真培训设备统一管理，周期性对设备进行升级或更新，确保培训工作随时能顺利开展。

同时培训中心应当建立仿真培训系统管理员与软件开发队伍。利用培训中心现有专兼职教师资源，把仿真培训系统管理员与软件开发队伍建设纳入到培训中心总体规划中。培训系统管理员负责日常培训计划、组织参训人员、安排培训内容、组织考核检验培训效果；软件开发人员负责协同专业公司和相关装置进行仿真软件系统的开发，并负责现有培训系统的二次开发（一旦生产装置进行改造，及时对系统模型进行相应修改、升级和完善，保证系统模型与装置工况保持一致，确保系统的使用效果，延长其生命周期）。培训中心、二级单位、装置用2-3年的时间，以“请进来和走出去”的方式，逐步优化三级专兼职教师机制。

3.系统重新构建的作用

3.1 有利于工艺和操作优化

（1）对新装置和新工艺的工艺过程和操作程序，以及工艺过程参数的正确性进行检验，缩短生产准备时间，减少开车成本。可以设计选择不同的开、停工等操作方案，在模拟仿真系统上进行试验，以寻求最佳的开、停工方案，使得整个开工或停工过程节省时间、降低能耗和原料消耗，实现在最短的时间、最低得能耗和原料消耗下顺利完成装置的开、停工，通过（下转第175页）（上接第173页）节省产生经济效益[5]。

（2）在系统上有目的地改变生产因素或设定不同的外界干扰，通过调整操作条件进行各种可能的试验，进行工艺过程分析，使生产技术人员和操作人员充分全面地了解装置适应能力和针对不同影响因素地应对方法，在受到不同的外界干扰时，能够采取合理、可行地调整方案，同时为装置下一步改造提供可行的方案依据。

（3）针对装置的改造方案，可预先在系统上进行研究测试，对不同的操作方案进行比较，分析其可行性和效果，为装置的改造提供充分的试验环境和条件，为装置改造提供科学的定性和定量依据及可行的方法[5]。

3.2 有利于系统与联锁优化

对装置控制系统，联锁逻辑系统进行确认和检查，检查控制逻辑的正确性和合理性，对控制系统参数进行调试，对特殊的控制系统进行修改后的确认和验证。

在系统上对局部控制系统重新设计或修改原设计方案，进行试验，寻求更好的控制方案，或为装置的先进控制提供定性和定量的依据。对装置已有控制系统的参数进行调试和整定，使装置的正常生产更加平稳和更具抗干扰能力。

3.3 有利于操作人员技能培训

动态流程模拟仿真系统可逼真地模拟工厂的开车、停车、正常运行和各种事故过程的现象和操作。因此和其它的培训方法相比，不仅可以大大提高培训效果，而且可以节省培训费用，缩短培训时间，是一种高效的培训手段。由于操作人员和工艺技术人员可以在系统对新装置的开停工进行预培训和研究，将为装置一次开车成功奠定基础。在仿真系统对操作工进行集散控制系统（distributed control systems，简称DCS）培训，可使操作人员预先熟悉DCS操作，缩短操作习惯的适应期，保证生产装置的正常开车。

各个生产车间都希望能有更多的操作工人掌握多个岗位的操作技能（一人多岗的系统操作员）。但由于装置平稳生产的要求以及责任分工等因素，在实际生产过程中很难培养一人多岗的操作技能。应用系统可以有计划地组织培训一人多岗的操作技能，培养技术骨干。应用系统对企业转岗人员或新入厂的员工进行技能培训，比下厂实习获得更好的效果，实现转岗人员与新员工的技能培训。同时系统可作为操作工技能考核的重要手段，实现对操作人员的工艺模拟操作技能的考核。

3.4 有利于装置HSE管理

石化企业的生产特点，一是长周期运行（检修周期通常2-3年），二是生产过程也很少出现大的事故。这种“长”周期和“少”事故是一种好的现象，但也蕴藏着很大的风险。一旦出现突发的安全、环境事故，往往可能给企业造成很大的经济损失，甚至是生产人员的伤亡。所以需要定期地对操作人员进行实战化安全、环境、健康（Security、Environment、Health，简称HSE）操作培训。即利用系统重构提供的实战操作模拟，对操作人员进行安全培训、应急预案演练，模拟实际操作中可能碰到的事故的组合；进而操作人员针对这些事故案例进行处理，可以提高操作人员的故障安全分析能力，提高操作人员的故障处理水平。

参考文献：

[1]孟晓中，祝子强.石化装置仿真培训系统的开发[J].石化技术，2005（3）：49-52.

[2]吴重光，夏迎春，纳永良等.我国石油化工仿真技术20年成就与发展[J].系统仿真学报，2009（21）：6689-6696.

[3]宋为群.实时数据库及其在上海石化化工事业部的应用[C].中国自动化学会第三届MES（制造执行系统）开发与应用专题研讨会，2004.

[4]岑科立，张贝克，夏迎春，等.乙苯装置工艺仿真培训系统开发[J].计算机与应用化学，2007（11）：1577-1580.

[5]刘建，刘伟.加氢裂化反应器仿真模型开发及应用[J].计算机与应用化学，2009（9）：1133-1136.

作者简介：施斌（1973—），男，1995年毕业于上海师范大学，经济师，中国石化上海石油化工股份有限公司人力资源部业务主管。