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★北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司王俊，劉棟，趙鍇，劉超，朱鵬

關(guān)鍵詞：OTS系統(tǒng)；DCS仿真；直連仿真；BS架構(gòu)；人員培訓(xùn)

1　引言

1.1　案例背景介紹

隨著近年全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的日新月異，現(xiàn)代化的化工企業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。隨著DCS、先進(jìn)控制技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、計(jì)劃與調(diào)度等先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工廠生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。要對(duì)裝置和工藝過程進(jìn)行有效的操作和控制，在選用控制策略和制定操作規(guī)程時(shí)必須全面考慮到工藝原理、過程動(dòng)態(tài)特性以及各個(gè)控制對(duì)象之間約束等諸多關(guān)系。如何讓裝置工程師、控制工程師、生產(chǎn)操作人員在較短時(shí)間內(nèi)掌握這些先進(jìn)的控制技術(shù)，熟悉調(diào)節(jié)控制的方法，全面掌握工藝過程原理及動(dòng)態(tài)特性等一系列與生產(chǎn)操作相關(guān)的知識(shí)，顯得至關(guān)重要。

中國(guó)石化天津南港乙烯項(xiàng)目是中國(guó)石化“十四五”重點(diǎn)工程，總投資超300億元，新建10套化工裝置（包括120萬(wàn)噸/年乙烯裂解、30萬(wàn)噸/年LLDPE等），采用國(guó)際領(lǐng)先工藝技術(shù)（如Lummus裂解技術(shù)、Univation聚乙烯技術(shù)）?；ば袠I(yè)屬于高危企業(yè)，在崗和新招錄從業(yè)人員必須100%培訓(xùn)考核合格后才能上崗，乙烯新建裝置開車前面臨著1000余人次操作工的短時(shí)間、大批量的實(shí)操培訓(xùn)、事故演練及技能考評(píng)需求。以往固定場(chǎng)景的培訓(xùn)模式，受限于時(shí)間、地點(diǎn)和教師的在崗時(shí)間，新員工的培訓(xùn)方式單一被動(dòng)，效率低，員工的自主學(xué)習(xí)需求無(wú)法滿足。而新增裝置自動(dòng)化程度高、控制邏輯復(fù)雜，培訓(xùn)中心傳統(tǒng)的單元仿真與現(xiàn)場(chǎng)DCS控制邏輯差異較大，無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)DCS調(diào)試進(jìn)行指導(dǎo)和驗(yàn)證，為保證乙烯項(xiàng)目順利開車，減輕DCS調(diào)試周期緊張的壓力，亟需一種高效、可復(fù)用的培訓(xùn)與控制方案驗(yàn)證兼顧的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

1.2　國(guó)內(nèi)外DCS仿真技術(shù)介紹

目前，國(guó)內(nèi)外仿真廠家對(duì)DCS控制系統(tǒng)仿真分為兩個(gè)技術(shù)流派：HardLink（DCS直連）和Emulation（仿DCS）仿真技術(shù)。

（1）HardLink（DCS直連）：采用真實(shí)裝置的DCS工程師站軟件、操作員站軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件與歷史庫(kù)軟件，OTS系統(tǒng)可直接導(dǎo)入各裝置工程師站的DCS組態(tài)工程，畫面和邏輯完全不需要手工搭建。OTS系統(tǒng)的操作界面、操作流程、報(bào)警、趨勢(shì)都與現(xiàn)場(chǎng)100%一致，保證人員工藝培訓(xùn)的真實(shí)性、有效性和高效性。

（2）Emulation（仿DCS）：采用仿真軟件內(nèi)嵌的控制算法盡可能模擬真實(shí)DCS控制方案和運(yùn)行工況，無(wú)法導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)的DCS組態(tài)工程，學(xué)員站的單點(diǎn)趨勢(shì)功能、趨勢(shì)組功能、SOE功能、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能與真實(shí)差異較大；裝置DCS控制方案改造后需OTS進(jìn)行二次升級(jí)。

對(duì)比HardLink和Emulation仿真優(yōu)劣勢(shì)：

兩種技術(shù)流派的核心差異點(diǎn)在于：OTS系統(tǒng)是否能直接應(yīng)用裝置DCS組態(tài)文件，實(shí)則是未來(lái)發(fā)展方向的不同。Emulation（仿DCS）主要用于投產(chǎn)前的操作工培訓(xùn)，對(duì)高職院校學(xué)生、新員工提供單元操作培訓(xùn)等基礎(chǔ)的職業(yè)教育培訓(xùn)，功能較為單一。而HardLink仿真（DCS直連）則是智能工廠數(shù)字孿生體的產(chǎn)物，除具有常規(guī)培訓(xùn)功能外，還有很多Emulation（仿DCS）仿真機(jī)不具備的高級(jí)智能應(yīng)用功能貫穿于工廠建設(shè)的全生命周期，如：（1）DCS熱控培訓(xùn)智能應(yīng)用；（2）DCS事故分析智能應(yīng)用；（3）仿真操作重演智能應(yīng)用；（4）邏輯驗(yàn)證研究智能應(yīng)用；（5）設(shè)備保護(hù)邏輯在線學(xué)習(xí)；（6）DCS故障演練智能應(yīng)用；（7）先進(jìn)優(yōu)化控制智能應(yīng)用；（8）數(shù)字孿生系統(tǒng)智能應(yīng)用。

2　案例實(shí)施與應(yīng)用情況介紹

2.1　解決方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，和利時(shí)基于BS架構(gòu)的DCS直連仿真（HardLink）解決方案，將先進(jìn)的DCS直連仿真（HardLink）技術(shù)與BS架構(gòu)有機(jī)結(jié)合，搭建和利時(shí)在線仿真培訓(xùn)管理系統(tǒng)（HiaSimWebOnline）。采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，企業(yè)員工在辦公區(qū)、宿舍、住所均可展開管理或培訓(xùn)。通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、私有云、公有云等多樣化的形式提供與現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)高度一致的直連仿真（HardLink）培訓(xùn)系統(tǒng)，具備操作培訓(xùn)、熱控培訓(xùn)、事故演練等基礎(chǔ)培訓(xùn)功能外，還能夠進(jìn)行控制邏輯優(yōu)化與驗(yàn)證，開停車方案的校驗(yàn)與完善，縮短現(xiàn)場(chǎng)DCS調(diào)試周期，保障各裝置一次開車成功，在現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)后，還可進(jìn)行熱控培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)事故重演分析、邏輯驗(yàn)證研究、工藝參數(shù)優(yōu)化等高級(jí)功能，保障現(xiàn)場(chǎng)安全高效生產(chǎn)。

圖1BS架構(gòu)的DCS直連仿真（HardLink）解決方案架構(gòu)圖

此外，通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，企業(yè)人力資源和培訓(xùn)管理層可隨時(shí)查看實(shí)際生產(chǎn)培訓(xùn)人員的培訓(xùn)監(jiān)控并提供管理和指導(dǎo)，搜集和統(tǒng)計(jì)培訓(xùn)的結(jié)果。為培訓(xùn)管理者建立起一套管理培訓(xùn)的工具，全面掌握仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用情況，促進(jìn)DCS直連仿真（HardLink）培訓(xùn)系統(tǒng)在崗位練兵和技能鑒定、工藝優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)、應(yīng)急預(yù)案等工作中充分發(fā)揮作用。

（1）管理部署層

提供基于Web的管控中心，提供可視化配置工具，支持仿真工程備份、安裝軟件、系統(tǒng)設(shè)置、人員等參數(shù)的統(tǒng)一管理。通過RBAC權(quán)限模型實(shí)現(xiàn)多級(jí)用戶分權(quán)，支持培訓(xùn)統(tǒng)計(jì)、學(xué)員管理、成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析等功能。采用容器化技術(shù)（Docker+K8s）實(shí)現(xiàn)仿真節(jié)點(diǎn)的彈性伸縮，支持熱部署與版本回滾。內(nèi)置負(fù)載均衡算法，可依據(jù)系統(tǒng)通訊量動(dòng)態(tài)分配計(jì)算資源，確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

（2）用戶層

用戶層是BS架構(gòu)DCS直連仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互入口，采用Web瀏覽器訪問，提供直觀、高效的仿真操作與監(jiān)控體驗(yàn)，用戶登錄后，選擇相應(yīng)的培訓(xùn)或考試科目，即可開始練習(xí)。

同時(shí)根據(jù)用戶權(quán)限提供多用戶角色，具體如下：

工程師站：提供DCS圖形組態(tài)、邏輯組態(tài)、通信參數(shù)設(shè)定、培訓(xùn)科目、考試管理等功能；

操作員站：通過真實(shí)DCS操作界面進(jìn)行高效練習(xí)，支持流程圖、趨勢(shì)圖、報(bào)警監(jiān)控、在線查看邏輯等，確保培訓(xùn)與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境100%高度一致；

管理員站：負(fù)責(zé)用戶權(quán)限分配、系統(tǒng)維護(hù)、培訓(xùn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)、資源配額管理等，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（3）監(jiān)控層

實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作和監(jiān)視功能，并負(fù)責(zé)畫面的顯示與切換，通過操作面板畫面修改各個(gè)回路控制器的參數(shù)，切換各個(gè)控制回路的手自動(dòng)狀態(tài)，顯示測(cè)量值、設(shè)定值、控制量等；趨勢(shì)圖顯示當(dāng)前和歷史的趨勢(shì)曲線等功能。

仿真系統(tǒng)采用和利時(shí)工業(yè)級(jí)DCS操作員站軟件，因此DCS的畫面顯示、操作界面以及用戶感受等都與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)完全一致，確保培訓(xùn)的有效性。系統(tǒng)監(jiān)控層的畫面顯示如圖2所示。

圖2與現(xiàn)場(chǎng)100%一致的DCS操作畫面

（4）控制層

控制層采用和利時(shí)自主研發(fā)的虛擬控制器軟件，能夠完全實(shí)現(xiàn)真實(shí)控制站的計(jì)算與通訊功能，提高仿真系統(tǒng)真實(shí)度，拓展仿真系統(tǒng)功能，同時(shí)不需采用真實(shí)的控制系統(tǒng)硬件，從而大大降低仿真機(jī)使用與維護(hù)成本。

圖3虛擬控制器與真實(shí)控制器調(diào)試對(duì)比圖

圖4DCS工程師站邏輯組態(tài)界面

由于采用虛擬控制器軟件，在現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)前調(diào)試時(shí)期，可先于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)DCS邏輯工程進(jìn)行仿真校驗(yàn)和驗(yàn)證，規(guī)避控制風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化控制方案，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工期，提高一次開車成功率。

（5）對(duì)象層

對(duì)象層采用高精度機(jī)理數(shù)學(xué)模型，對(duì)乙烯現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)裝置進(jìn)行模擬仿真，數(shù)學(xué)模型軟件平臺(tái)采用專業(yè)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，收集超4000多種純組分，多種物性方程，以提供化學(xué)及相關(guān)化工過程設(shè)計(jì)所需的物性、熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)數(shù)據(jù)推算的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源。以實(shí)現(xiàn)學(xué)員在仿真機(jī)上操作的反饋與實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致。

基于嚴(yán)格機(jī)理的建模操作員培訓(xùn)系統(tǒng)，幫助用戶全面地熟悉自己的生產(chǎn)裝置和工藝，掌握動(dòng)態(tài)工藝特性，積累操作經(jīng)驗(yàn)，提高處理異常事故的能力，保證生產(chǎn)裝置的順利投產(chǎn)，維護(hù)正常的生產(chǎn)操作。輔助現(xiàn)場(chǎng)人員研究探索工藝過程、進(jìn)行工況研究、發(fā)現(xiàn)工藝瓶頸、尋找最佳操作程序、進(jìn)行故障分析和控制策略研究。

2.2　應(yīng)用情況介紹

作為全球智能化系統(tǒng)解決方案主力供應(yīng)商，和利時(shí)堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新打破技術(shù)壁壘，推出B/S架構(gòu)的DCS直連仿真（HardLink）解決方案，支持通過局域網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、私有云、公有云等多樣化的培訓(xùn)形式。這種靈活的培訓(xùn)方式不僅滿足了用戶上崗前培訓(xùn)需求，也充分發(fā)揮了和利時(shí)DCS直連仿真（HardLink）培訓(xùn)系統(tǒng)在崗位練兵和技能鑒定、工藝優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)、應(yīng)急預(yù)案等工作中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

·將乙烯新建裝置的OTS培訓(xùn)系統(tǒng)成功部署在天津石化網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)平臺(tái)上，提供多元化的培訓(xùn)模式，幫助企業(yè)解決新建十套裝置帶來(lái)的大批量集中性人才培訓(xùn)需求。

·采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，企業(yè)員工在辦公區(qū)、培訓(xùn)中心均可展開管理或培訓(xùn)。

·采用真實(shí)裝置的DCS工程師站軟件、操作員站軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件與歷史庫(kù)軟件，可直接導(dǎo)入各裝置工程師站的DCS組態(tài)工程，OTS系統(tǒng)的操作界面、操作流程、報(bào)警、趨勢(shì)都與現(xiàn)場(chǎng)100%一致。

·搭建操作培訓(xùn)、熱控培訓(xùn)、事故演練、控制驗(yàn)證與優(yōu)化、工藝學(xué)習(xí)、工藝優(yōu)化等功能，滿足單機(jī)培訓(xùn)、協(xié)同培訓(xùn)、網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)可以對(duì)控制方案和開停車方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，共計(jì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題177條，邏輯及畫面問題856條，縮短現(xiàn)場(chǎng)DCS調(diào)試周期30%；

·成功舉辦兩屆“中國(guó)石油化工股份有限公司天津石化分公司‘朝陽(yáng)工匠’競(jìng)賽”，為企業(yè)培養(yǎng)選拔一批高技能人才，有效提升員工隊(duì)伍素質(zhì)，推動(dòng)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展。

3　應(yīng)用創(chuàng)新性介紹

（1）跨終端無(wú)縫接入：通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、私有云或公有云靈活部署，解決傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)無(wú)法滿足大批量集中員工培訓(xùn)的難題，基于瀏覽器（B/S）訪問，員工可隨時(shí)隨地進(jìn)行培訓(xùn)；

（2）DCS組態(tài)無(wú)縫遷移：直接導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)DCS的工程文件，避免人工重建模型的誤差；支持HOLLiASMACS-K系列DCS的完整功能仿真，邏輯、畫面、報(bào)警、趨勢(shì)等操作習(xí)慣與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)100%一致；

（3）DCS閉環(huán)測(cè)試：在虛擬環(huán)境中模擬傳感器信號(hào)→DCS邏輯運(yùn)算→執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的全流程，提前發(fā)現(xiàn)邏輯缺陷，驗(yàn)證開停車方案；

（4）復(fù)雜工況的極限測(cè)試：主動(dòng)模擬傳感器失效、閥門卡澀等異常，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的魯棒性，避免開車時(shí)對(duì)真實(shí)設(shè)備造成損壞；

（5）工藝邊界探索：測(cè)試開車/停車階段的極端參數(shù)（如最高裂解溫度、最低進(jìn)料流量），優(yōu)化安全閾值；

（6）調(diào)試-培訓(xùn)一體化

·現(xiàn)場(chǎng)DCS調(diào)試期間，仿真系統(tǒng)可同步用于員工培訓(xùn)，互不干擾；

·調(diào)試團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證控制策略，操作團(tuán)隊(duì)演練應(yīng)急預(yù)案，縮短項(xiàng)目總周期。

4　市場(chǎng)前景及價(jià)值

（1）技術(shù)革新價(jià)值

·首創(chuàng)實(shí)現(xiàn)BS架構(gòu)DCS全流程仿真的工業(yè)案例；

·推動(dòng)流程行業(yè)調(diào)試-培訓(xùn)一體化的數(shù)字化交付模式。

（2）行業(yè)推廣前景

·可在能源行業(yè)：火電、熱電、新能源、石化煉化、精細(xì)化工等流程企業(yè)進(jìn)行復(fù)制推廣；

·預(yù)計(jì)可縮短同類項(xiàng)目工期30%~50%。

（3）經(jīng)濟(jì)價(jià)值

·減少人員流失損失（注：損失高技能員工的平均經(jīng)濟(jì)成本是該崗位一年薪酬的成本的213％）；

·提升操作員工藝?yán)斫狻⒉僮骷寄?，保障平穩(wěn)運(yùn)行（注：以蒸汽為例，平穩(wěn)運(yùn)行可降低蒸汽能耗1噸/小時(shí)，則每年的直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)80多萬(wàn)元）；

·熟悉安全規(guī)程，避免事故發(fā)生，減少安全風(fēng)險(xiǎn)（2020年化工行業(yè)連發(fā)79起事故，360人死亡，7748人受傷，一次事故/非停可引發(fā)上百萬(wàn)的損失，極易造成不良的社會(huì)形象，影響深遠(yuǎn)）；

·預(yù)防操作誤操作，減少設(shè)備損壞，降低維護(hù)成本和維修時(shí)間。（理想情況下設(shè)備故障率可降低20%，維護(hù)成本減少10%）；

·展示企業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力，提高企業(yè)形象。

（4）社會(huì)效益

·幫助企業(yè)節(jié)能增效，生產(chǎn)效率增長(zhǎng)20%，降低單位能耗成本5%，減少資源消耗和能源消耗，降低企業(yè)的環(huán)境影響；

·培養(yǎng)高復(fù)合型流程行業(yè)人才，助力流程行業(yè)行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

5　結(jié)語(yǔ)

和利時(shí)BS架構(gòu)DCS直連仿真（HardLink）解決方案在天津南港乙烯工程的成功應(yīng)用，不僅開創(chuàng)了流程工業(yè)“數(shù)字孿生、智能先行”的新范式，更彰顯了天津南港乙烯公司以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、以科技引領(lǐng)未來(lái)的思想先進(jìn)性。通過深度融合B/S架構(gòu)的靈活性與DCS直連仿真的高保真特性，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)從調(diào)試到培訓(xùn)、從邏輯驗(yàn)證到工藝優(yōu)化的全生命周期數(shù)字化賦能，為行業(yè)綠色低碳發(fā)展提供了可復(fù)制的典范。

作者簡(jiǎn)介：

王　?。?983-），女，陜西西安人，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，負(fù)責(zé)流程行業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的工程實(shí)施、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品管理、技術(shù)支持工作。

劉　棟（1977-），男，河北張家口人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，負(fù)責(zé)工業(yè)自動(dòng)化、信息化以及智能化相關(guān)產(chǎn)品及工程應(yīng)用的實(shí)施管理，新技術(shù)應(yīng)用推廣，工業(yè)軟件市場(chǎng)營(yíng)銷開拓以及相關(guān)設(shè)計(jì)、工程、營(yíng)銷、服務(wù)管理工作。

趙　鍇（1987-），男，陜西西安人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，負(fù)責(zé)流程行業(yè)仿真系統(tǒng)的市場(chǎng)開拓、產(chǎn)品規(guī)劃、工程交付及業(yè)務(wù)管理工作。

劉　超（1988-），男，云南瀾滄人，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，負(fù)責(zé)工業(yè)自動(dòng)化軟件及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)管理，技術(shù)推廣應(yīng)用及工業(yè)軟件工程應(yīng)用的技術(shù)支持工作。

朱　鵬（1981-），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，負(fù)責(zé)工業(yè)自動(dòng)化軟件及相關(guān)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)及工業(yè)軟件工程應(yīng)用的技術(shù)支持工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年5月刊