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    （中石化股份有限公司，北京 100108）张志檩
                          
    张志檩（1945-）男，河北衡水安平人，教授级高级工程师。毕业于中国科学技术大学无线电电子学系，一直在石油化工战线工作。曾任大庆石油化工总厂自动化处车间副主任、自动化研究室主任、信息中心主任，后调中国石化总部，先后任中国石化总公司经通信息公司、中国石化总公司信息中心、中国石化集团公司信息中心副主任兼总工程师、中国石化股份有限公司信息系统管理部副主任。被国务院授予享受国家政府津贴的有突出贡献的国家工程技术专家。

    现在的石油化工工业是以巨大的复杂的设备和高度密集的联合体为基础，即大型化、高投资、技术密集、知识密集、劳动力密集。

    一方面，为了增强企业的国际竞争能力，各企业均在不断地进行着各种各样的技术革新。当然，要想使这些技术革新成为可能，在很大程度上要依赖于数十年来惊人发展的计算机技术，通过过程控制向分散型系统(DCS)的转换。由于计算机的大力推广和自动化程度的大幅度提高，使得产品生产的效率和质量均在提高，从前的手工操作被代替，人工操作在减少，复杂的操作变得简化了，由于长周期运行，频繁调整操作和开停车少见了。许多引起危险事故的因素被排除，事故的发生率在降低。这样，操作人员亲身体验非正常状态和事故的机会也在极度地减少。另外，工厂的编制尽量精简，甚至一人多岗，安全又要保障，对操作人员的素质要求更高了。由于不正常操作或者误操作而引起的停车次数也很多。由此造成的损失，表现为设备损坏或产品不合格，甚至人身伤亡也很可观。另一方面，老厂由于不断地进行技术革新，新老操作人员都存在着技术培训问题。新建厂的大部分关键设备都很先进，自动化程度很高。其各类操作人员，尤其是一线操作人员比较缺乏经验，又面临着比其它老厂更加复杂的和全新的系统，因此必须对他们进行很好的培训。第三，全球进入老龄化社会而导致熟练工人大批退休，新人的大量接替，人才的社会流动和流失加快，因此知识的继承和传递，高级人才的获得，在职人才的教育和培训，则一直是企业家的关注焦点。

    在这种背景下，寻找高效的培训方法则被提到日程了。采用什么样的培训方法呢？是个关键。传统的操作员现场培训方法存在着种种弊端，危险性大，灵活性差，占用时间多，进度慢，效果不够理想，而且培训开支很大。在计算机技术迅速发展的今天，与传统的培训方法相比，基于计算机的模仿工厂操作实际的仿真培训系统（Operator Training Simulator，OTS）20~30年前在西方发达国家产生了，而且成为必然的发展趋势。特别是新建工厂，OTS投资只占工程建设总投资的很小一部分，所以新建厂几乎都同时引进OTS系统。

    1 模拟的定义

    古往今来，模拟（simulation）几乎是无处不有，无时不在。人类认识自然、认识世界是通过各种实践活动来实现的。其中实验方法和理论方法已经流行了几千年。实验方法是在一定条件下，通过一定技术手段，观测事物的变化结果，揭示内部的运动规律，然后达到认识事物的目的；理论方法是选用一定的物理模型，假定相应的数学关联和关系，直接描述事物变化的客观规律。很长时间以来，人类则幻想得到第三种更简捷更快速的认识世界的新方法。神话故事则反映了这种奢望。到了信息时代，认识世界的计算机模拟方法终于出现了。

    利用一个方便、经济而性能相似的系统来研究模仿另一个系统，即不用系统自己而是用别的一个系统，来体验和观察相同的现象，这种方法则叫做“模拟（simulation）”。例如对物理的、生态的、社会的以及其他系统现象或行为，可以由几乎相同法则支配的其他系统或计算机的现象或行为来模拟。英文模拟（simulation）一词来源于拉丁语（simulo），即模仿和近似的意思。

    模拟很早即产生了。为什么要用模拟？当进行实际的体验或观测时，如果有危险，或者费用花费过多、时间花费过长，或者由于各种制约而不能实现、过于小、过于远或不能接近等等，这时则需要模拟。模拟方法有直接模拟（analog）法：例如比例模型、防灾训练、风洞试验、动物试验等；还有间接模拟法：例如类推模型、机电模拟等；还有数理模拟法：例如数理模型、统计模型、解析模型等。

    如果模拟系统与被模拟系统之间只存在物理规模尺寸大小上的不同，而物理化学过程和性能几乎都一样，则称为相似模拟或物理模拟。如果模拟系统与被模拟系统之间的物理过程本质不同，例如一个是化工过程，一个是计算机处理过程，而只是描述方式（数学方程）相同，则称为类似模拟。在计算机上利用数学模型对真实系统进行数学试验的类似模拟又称为数学模拟或计算机模拟。这也就是计算科学（Computational Science）的产生。在认识自然、利用自然、改造自然的过程中，计算机模拟方法既不是试验方法，也不是理论方法。它是在试验的基础上，通过基本原理，构造成一套模型和算法，从而计算出需要的结果。模拟的分类如图1所示。
                   
                                   图1  模拟与模型的分类
    2 OTS的发展

    早期的培训以实际装置为主，后来演变成实际装置加上计算机培训系统。早期开发的仿真系统，把已经停止运转的小规模的实际装置作为模型，进行仿真练习，这种方法受运转特性的限定。另外，过分固定的模型对多种类型的操作培训是不适合的。
    为了提高培训效果，后来则把实际装置上运转操作的主体部分(例如泵和汽轮机的运转、阀门的开关等)和过程控制部分（例如CRT操作）分开进行训练。这也就成了后来发展的两个主要环节和起码要求。一是有精确反映和表达实际过程的模型，这被称作OTS的心脏。尤其是专为用户定制的OTS场合，其模型精度几乎是成败的关键。也是建模和调试的主要工作量。对熟练度高的操作培训更要求高精度模型。二是能保持真实感受实际运行操作的人机接口（Human Machine Interface，HMI）。只有与实际DCS具有相同的画面和人机接口，才能有真实感。现代操作员的培训目的是适应生产操作，如图2所示。具体要求是：改进操作技能；熟练装置HMI操作控制功能；了解装置的基本原理；演习控制系统功能；担当操作新装置DCS的桥梁。因此，日臻完善和成熟的OTS的基本功能如图3所示，其系统构成如图4、5、6所示。
   
                      
                          图2 装置运转的各种类型 

                        
                             
       
                               图3 OTS的基本功能  

                           
                              图4 OTS系统的基本结构  

                                      
                        图5 现在模拟器与DCS的三种连接类型   


                   

                        
                                      图6  OTS与DCS的连接方式  

    如图5所示，模拟器与DCS的连接，一是基于Windows全部模拟的方式。不使用DCS装置，在微机上运行DCS仿真器和专业HMI。也有的不用专业的HMI，也由模拟器提供，构建最价廉的OTS。二是部分地使用DCS装置。即使用与DCS装置相同的终端和数据高速公路，而控制算法不用DCS的处理器，而使用在主工作站的模拟程序。三是全部使用DCS装置。控制逻辑使用实际的分散型处理器，图形终端使用实际的操作员工作站。

    以前，只有少数单位有小型机可开发仿真培训系统。由于价格昂贵，功能低下，限制了应用和普及。20世纪80年代的微机技术发展，带动了仿真培训技术的应用和推广。例如德山炼油厂在20世纪80年代就选用了一套闲置的煤油加氢脱硫精制装置。使用实际设备，使用实际介质。但是由水代替油，用氮气代替氢气，用空气代替蒸汽和瓦斯，系统为常温低压，既安全又实际。实际上没有进行的反应、蒸馏、热交换等工艺过程则由计算机进行模拟。由于现场设备的运转结果可以反馈，因此也可以进行工艺波动变化的训练。可以人为地由计算机或装置设置成异常而训练异常处理。在工人技术不熟练的场合，出现一次误操作就可能造成重大事故和导致巨大经济损失。进行培训就是希望将风险降到最低。而且，OTS可以允许反复训练和体验，操作人员可以不间断地提高技能。只要避免几次重大事故，就可回收OTS的投资。大家纷纷实施OTS就是这个道理。早期的模拟系统的构成如图7所示。
                       
                                    图7  早期的操作员模拟培训系统应用分类
    经过20来年的变迁，老设备开始要更新，而且培训功能也需提升。2003年，德山炼厂对原系统进行了改造，2004年正式投入使用。软件编写由FOTRAN语言改为VB，具备了软硬件维护方便、培训功能齐全、画面丰富效果良好、交互性操作建议等特点，代表了新一代的操作员仿真培训系统。改造前的结构如图8所示。改造前后对照如图9所示。
                       
                             图8  佛山炼厂第一代操作员模拟培训系统构成
                      
                            图9  佛山炼厂第一代操作员模拟培训系统更新前后对照
    进入21世纪，仿真培训有了重大突破，主要是广泛的、高精度的、标准的过程仿真模型，与现实的DCS系统联网，完全自动化的培训系统，全面的在线帮助、自我分级评价，考试成绩及结果的自动生成和记录等。

    国内的应用以电力系统为主，其次是冶金、石化、交通、煤矿、机械制造、制药、造纸、污水处理等流程工业和医疗、教学、金融、服务、军事等领域，多数始于20世纪90年代之后，产品选择为国外国内并重。特别是新建工厂，OTS投资只占工程建设总投资的很小一部分，所以新建厂几乎都同时引进OTS系统。

    3 OTS的实施步骤

    （1）启动的前期工作

    包括初始项目计划制定、工艺和工艺流程图审核、工艺控制审核、初始模拟图准备和初始资料准备。资料包括PFD图、PI&D图、物料平衡、热量平衡、反应器数据、开工流程、压缩机性能曲线、压缩机控制逻辑、设备参数表、设备及容器图、泵性能曲线、管线图和水力学计算、平面布置图、DCS和ESD输入输出数据库、DCS和ESD控制组态文件、DCS和ESD图形文件等。

    （2）项目启动

    包括审核项目计划、提交需求数据、审核数据、其他额外需求、用户基础培训。

    （3）功能方案设计

    包括设计文件编制与发布、用户参与审查、修改功能说明、修改用户验收说明、功能详细说明文件审定。

    （4）数据准备和审定。

    （5）硬件准备。

    （6）进行稳态或动态建模。

    （7）教员站的开发。

    （8）学员站的开发。

    （9）模型确认测试。

    对关键变量的过程模型计算精度与实际装置的偏差在1~2%以内，对短暂的过程状态模拟精度可在10~20%以内。

    （10）DCS以及ESD等系统集成。

    （11）仿真器有效性检验。

    （12）投入试运行（上线）前的预验收。

    （13）进入稳定运行前的正式验收。

    （14）文档及其他交接

    文档包括：项目计划、质量保证计划、软硬件使用手册、系统维护手册、教员手册、模型手册、详细设计手册、动态模型验收方案、FAT (Factory Acceptance Test，工厂验收测试）方案、SAT （Site Acceptance Test，现场验收测试）方案。

    （15）用户培训。

    对于新厂建设时同步导入OTS的场合，有其重点和特点。一是计划安排。要在装置投产前数个月就需完成OTS建设，安排操作工的培训。进度一定要统筹好。一般来讲，DCS安装验收后，需要与OTS系统连接。由于工厂建设周期越发缩短，控制系统常常是建设周期的关键路径。因此要满足用户的培训，就必须做好OTS与其它工程的衔接和调度。再则，初期培训用的模拟系统只能使用工厂检查时的控制系统数据库，而投产后往往结合过程状态和特性，调整实际的过程控制系统。因此投产后OTS中的控制系统则与实际不一致，甚至于运转状态都有重大差异，那么再用来培训操作工就不妥当了。只好再修改，而变动量事前不好预计，因此修改工作量也不好预计，而且往往涉及到物质平衡和热量平衡。还有是过程的动态特性验证。对新建厂，缺少动态验证方法，不得不依靠业主或合同规定派遣的检查员凭经验和感觉对反应快慢等问题进行验收。因此最好自始至终是由一个有经验的检查员参加验收。

    4 OTS的使用和评价

    在石化企业中，从操作工到车间主任全部是培训的对象。培训课程分为入门、初级、中级、高级四级。

    培训的类型和层次如表1所示。

            

    各个阶段课程的受训者应该为，入门阶段是对仪表操作没有经验的；初级阶段是已有操作经验4~5年的；中级阶段是五年以上的老的操作人员直到班长；高级阶段是班长以上的人员。关于培训系统里所使用的模型，各课程分别把联合式设备体系和单一设备体系分开，做成几个模型。各个模型培训计划的制定是相同的，培训天数为前期三天和后期三天，共六天。每天所要实现的目标如图10所示。
                           
                   

    虽然培训对象具有不同的层次，但在培训之前都必须进行基础学习，从基础理论教育(化学工程、物理化学等等)入手，基础坚实后再进行模拟培训。由于操作人员的工种不同，所以在培训时要对设备进行选定，每天要达到的目标也需要决定，以及训练的主要内容也需要确定。因此，在培训时必须编制成详细的计划和课程。

    在仿真培训前，首先要组建一个培训班，通常由12个人构成。培训班分成三个小组，四个人编成一个小组。实际操作培训时的分工为：1名在输入机，CRT操作2名，现场操作1名。一个组培训时，其他两个组应该在培训室里，在2名指导员的指导下进行培训前的准备和培训结果分析。在培训前，首先要把培训的内容通过标准模型反复、顺序地向学员交代清楚，要让学员能够客观地观察各种现象，在理解过程、掌握操作后，再进入程序训练。

    训练程序如图11所示。
              
                  
                                            图11 OTS训练程序

    通过培训，新工人的培养期由2年缩短为1年，老工人和骨干提高技能水平，每人都要真正地实现技能达标。训练可分初级、中级和高级阶段。

    训练的内容主要包括以下几个方面：

    （1）正常的操作训练（操作开始、停止，操作条件变更）受训练人员首先对教员提出的运转目标进行独自研究，然后听教员的讲解，通过化工计算等得出运转操作上的各种数据。再根据这些数据对训练设备进行操作。学员把演算结果和模型运转的结果进行对比，要找出差异，进行分析。当然，这是自己拟定的检验校正。在提高训练兴趣的同时，通过有效的各种训练，提高训练效果。

    （2）各种故障处理训练

    故障处理训练是在初期阶段安排实施的，要想使操作熟练到一定程度，就要进行包括运转开始、条件变更、突然的故障发生等训练。提高故障处理训练的方法为：不管在什么条件下都要通过预先的班组研究，对于操作模型的实施过程的危险预知，绘制故障对策框图。进入模块运转后，还要调整基本条件以外的一些条件，要根据CRT画面里报警信号，把握运行过程。当然也有把握不准的时候，为改变这种状况，设置了具有与故障的发生和条件的变动相结合的训练指导功能。在调整操作条件的过程中，必须对故障发生情况的掌握、情况判断、原因研究、对应操作、解决方法等进行训练。在故障处理上，班组要对危险预估展开广泛的讨论，迅速地拿出解决办法。

    （3）集体行动训练

    以上（1）~（3）的训练均不能独立实施。在一系列训练中要互相结合，相关联。另外，对新的操作人员进行培训时，还应该注意以下两点：

    对标准作业程序(SOP)的重点要给出指示；

    故障训练时，要预告故障发生的时间和现象。

    培训效果的评价也是很重要的。但时间过短，则不能对培训活动的效果和受训者个人的进步程度进行准确的评价。不过，经过一段时间培训后，我们必须对操作人员在以下几个方面的培训效果进行评价。（1）安全管理；（2）生产管理；（3）过程运转管理；（4）设备管理。要特别重视对非正常情况下的操作能力和处理异常故障的能力训练。对训练结果要及时地进行评价。因为只有这样，才能及时地发现问题，才能对培训计划和课程的内容进行必要的调整。

    5 OTS的新进展

    新一代操作员培训系统的特点是：

    （1）基于新一代的模拟仿真软件平台，支持多种模拟计算引擎，包括基于机理模型和严格的热力学数据的动态过程模拟系统。高精度地再现工厂操作过程的变化。提供各种DCS控制系统的标准控制算法，正确地再现控制系统的动态响应过程。仿真实际操作过程中的操作员在开车、停车、正常操作、异常或故障状态下的各种操作响应。模型容易更新、开发及维护。

    模型的严格性是仿真系统成功的关键。有时为了提高系统的运行速度而有意识地将一部分或大部分模型简化，在计算机技术不发达时期很多都是这样做的。Three Mill Island 核电站事故证明，简化模型使仿真培训不可靠是导致事故的原因之一。后来提高了对使用严格模型必要性的认识。

    （2）支持多种分散控制系统和紧急故障停车系统，包括Foxboro、Bailey、ABB、Emerson、Honeywell、Yokogawa、Westinghouse等，将对在控制室内实际DCS系统的操作对象和室外实际的各种仪表的操作对象进行仿真，还可以对非DCS系统的专用监控系统如压缩机防喘振控制、透平控制系统以及ESD系统进行仿真。

    （3）支持现场总线仪表的集成和通信。
      
                  
                          图12 高精度通用模拟引擎

    （4）基于JAVA和GUI，方便教员和学员操作。学员站等同于工厂的操作员站，操作界面与DCS和ESD系统相同。教员站的一系列培训功能只需要简单的鼠标操作来激活。

    （5）不仅用于操作员培训，还用于过程设计、控制系统检验、DCS组态整定、设备诊断、开停车演练及操作优化等，还可集成APC功能，进行APC先进控制器的测试与导出结果。也可反复从实际控制系统中的组态下载到模拟器中，方便设计和维护。如图12所示。

    （6）允许多个学员、多台工作站同时对一套装置模型进行多个工况研究模拟，多套运转条件同时并行运算，而且同时影响各个工况研究结果。

    （7）可集成受训人员成绩检测工具，进行成绩考评。

    （8）严格遵循ISO9001：2000标准，保证项目执行质量。

    应用发展方向是：

    （1）经济型个人桌面培训器

    例如三菱重工浓缩丰富的设计经验和电厂运行经验，开发了适于个人自学习的桌面培训仿真系统SimTRAC。操作简单、方便、自然，培训内容全面、丰富、实用，控制逻辑和参数调整方便、明了，模型精度高，基础数据齐全，采用与DCS相同的画面。不需特别的硬件环境，普通配置的笔记本电脑即可。由于提供模型修改工具、逻辑修改工具来修改模型，因此修改和追加模型方便。面向操作员的培训功能有：装置开停工训练，装置异常处理训练，装置正常运转训练，控制系统调整训练，多等级装置培训，典型运行如锅炉燃烧体验等。面向教员的功能有：运行与终止，抓拍与特写，设定初始状态，返回，故障处理还原再现等。面向计划管理和维修人员的功能有：控制逻辑训练，控制系统整定，装置训练，装置模型训练，装置模型调整训练等。

    （2）共享服务中心式的培训系统

    为了提高系统利用率和使用效果，国外出现一种新的商务管理模式，即共享服务中心（Shared Services Center，SSC）。开始用于人力资源、财务、采购、后勤、行政类等管理的共享服务，现在开始向技术服务方向扩展。其中最看好的就是集中型仿真培训共享服务中心。可以收到集中投资、统一标准、集中建设、集中管理、广泛受益的效果。例如一个集团公司只建一个共享培训仿真中心，可以循序渐进地覆盖所有培训的生产装置类型，通过网络让集团的所有员工受益。可以在中心集中培训，也可通过网络分散培训。

    （3）多装置并行仿真培训系统

    用服务器和微机构成网络，采用通用的DCS仿真软件平台，开发多套生产装置动态数学模型，构成进行多套生产装置同时仿真的培训系统。可用于多套炼油装置的动态模拟和仿真培训，让操作工或技术人员在仿真培训系统上反复进行生产开工方案、停工过程、正常操作及各种事故处理的训练，提高操作人员的技能和处理紧急事故的能力。系统具有专家智能评分功能，可承担技术等级考核、技术比赛等任务。可以方便地在仿DCS平台上进行新炼油化工装置仿真软件的开发。系统采用实时多任务技术，开发了计算机间的进程通讯技术、多任务睡眠及唤醒技术。

    （4）三维虚拟现实模拟系统

    Simulation Solutions，Inc. 公司和SASICT公司合作，利用三维虚拟现实（Virtual Reality）技术与仿真培训系统集成为一个统一的平台，提供相应的三维虚拟炼油厂现场操作模块。操作人员可以通过PC机操作一个三维可视化的与实际逼真的虚拟工厂。对外操作培训更需要有这种亲临其境之感。可以手动开关阀门，启停机泵，在“现场”读数，查看和监听设备的运行状况，并与控制室的内操通信。
  
                     
                        图13 运转操作训练和熟练度评价流程
  
                 
                               （5）操作熟练程度定量评价系统

    模拟器的评估工具提供一个完整的、综合的、可以自动测试和分析的训练课程。学生成绩分析包（Student Performance Analysis，SPA)是一套完整的分析和评价学生学习表现等级的工具和操作。它允许学员获得评估过程中详细的经历变化趋势。
    通过一遍又一遍的练习组合和事件，最终达到如何快速、正确地解决实际操作问题。SPA包含三个工具：趋势分析（Tren Analysis），事件日志处理（Event Log Processing）、What-If 分析发生器（What-If Generator）。教师可以使用这些工具去检查和评估学生操作培训的正确性和进步幅度。

    图13示意了一种定量的评价系统。它提出了两个主要指标，一是医师学员的操作步骤及程序是否正确，二是学员操作引起的过程报警多少及恢复快慢。也有的系统采用生理仪器测量学员的心律和脑电波，但信息处理模型复杂，而且对学员心理也有压力，在集中训练场合有使用的必要。但分散训练还是用简单的定量法较好。比如以发生100个报警总数为基准，限定在一定时间内，比较学员之间的报警残余数和操作总数。可明显地看出，熟练者操作次数少，报警残留数少。图14为熟练程度评价示意。

    6 展望
             
    工厂生产运行在变革，很大程度是由于操作人员的培训手段和技术的进步。操作员日常调整DCS和仪表盘的次数在逐年减少，而工厂自动化、工厂和控制系统的可靠性水平在提高，通信需求在增加。20世纪这种变革还是和缓的，进入21世纪后则呈加速势态，能否抓住机遇就看企业能否跟上这种变革了。
                   
                             图15  OTS 对企业变革的推动力                     

    摘自《自动化博览》2010年第五期