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仿真训练系统 —流程级先进化工仿真实训装置 一、 背景 1987 年北京化工大学仿真中心研究开发成功我国第一套计算机化工仿真培训系统。在化工、石化、 炼油企业、职业技术学校、大专院校广泛应用，取得了重大的社会经济效益。 随着我国化工、石油化工和炼油企业的发展，装置不断大型化、复杂化，自动化水平普遍提高，对 职业技术培训提出了新的更高的要求。第一，将学生培养成合格的技术工人，满足现代企业的需要。由于 化工、石化和炼油企业多，装置种类繁杂，所以要求学生毕业后的适应性比较强。第二，和企业联合，结 合行业特色，建立中国一流的化工技术工人岗位培训基地，满足企业员工岗位再培训的需要。实训系统要 体现绿色环保、节能安全、现代技术、信息技术于一体，实现综合性技能培训与技能考核于一身。 为达到上面的目标，在培训的硬件设施上，希望建立典型的、有代表性的、有较强适应性的流程级、 规模化实训装置，特别是要求仿真培训系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还应 当模拟现场装置的实际动手操作。也就是要解决操作人员对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备 与部件的操作力度、动态时机的把握。其中还必须包括控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调 行动。这些训练内容对于复杂系统的开停车、非正常工况的处理、尤其是在事故紧急状态时特别需要。 多年的计算机仿真培训经验表明，对于没有接触过化工装置现场的职业学校的学生，包括大专院校 的学生，仅仅采用显示屏画面、键盘和鼠标形式的训练，还是比较抽象，获得的知识还是片面的，不完全 的，尤其是缺乏团队协作能力。 为了解决以上难题，研制开发了新一代流程级化工仿真实训装置。 二、新一代流程级化工仿真实训装置 新一代流程级实训装置由小型流程装置、装置模拟监控系统、装置仿真软件、计算机控制系统（DCS） 仿真和实训评价与管理系统五部分组成。 1. 全流程装置 在金属框架上安装着由不锈钢制的比例缩小（但却能够保持工业级大尺寸特性）的流程设备模型、 管路、手动阀门、控制阀门、压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和 阀位（V）测控传感器等。小型流程装置是学生直接操作和运行过程系统的环境。 本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实 过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系 统和真实系统的观测界面完全一致。 2. 装置模拟测控系统 这是仿真装置无物料运行的关键部分，通过模拟测控系统，可以使仿真装置与仿真软件联合成一体， 是仿真软件与实物装置的“桥梁”。测控系统一方面需要把操作设备，例如阀门的转动变换为模拟电信号， 采用计算机控制技术将现场操作点的模拟信号实时采集，并传送到上位计算机的仿真模型中。另一方面需 要把仿真模型的运算结果通过转换变成模拟电信号，并传送到现场的各种仪表进行模拟与数字多种方式的 实时显示。所有此类功能全部采用先进的现场总线技术和实时监控技术加以解决。 3. 装置仿真软件 由于该装置是在“无物理化学过程”的状态下运行的，装置本身没有任何真实进出物料，所有化工 生产的工艺现象通过仿真软件模拟来实现。并将这些模拟参数送至仿真DCS（部分参数还需送至现场仪表 显示）。让受训者感受到的是一个完全“真实”的工业化工装置在运行中。 独立运行的仿真软件包括：工艺仿真软件、操作评分软件、运行管理软件、与DCS 的接口通讯软 件、教师指令台软件和仿DCS 软件。能否采用半实物仿真技术进行动态地操作实训，动态数学模型是关键。 为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行、故障状态操作及控制，必须解决如下建模问题：动态模型 应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，应能反映系统物料和能量的变 化与传递的定量关系；动态模型应能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平 衡特性、流体力学特性等，这些特性常常是非线性的。动态模型应能反映被仿真系统的动态时间常数、惯 性、时间滞后、多容高阶特性；动态模