VxOTS軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的測(cè)試方法介紹

張 瑩，沈孟龍

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053）

化工、石化類型的生產(chǎn)企業(yè)，常常具有連續(xù)操作、設(shè)備密集、高溫易蝕、易燃易爆、有毒有害等特點(diǎn)，而往往由于企業(yè)對(duì)安全方面的重視程度問(wèn)題，容易引發(fā)各類化工企業(yè)安全事故。而操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)上仿真模擬化工/石化/煉油等行業(yè)各流程的真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程，建立對(duì)應(yīng)的“虛擬工廠”，包含其生產(chǎn)過(guò)程及其控制邏輯。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠過(guò)程和控制邏輯的模擬、調(diào)整和培訓(xùn)。這種仿真模擬技術(shù)[1]可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運(yùn)行及各種事故過(guò)程的現(xiàn)象和操作，是生產(chǎn)裝置操作工培訓(xùn)和工藝方案研究的高效手段。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)成為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本，提高其在國(guó)際市場(chǎng)中的創(chuàng)新力、應(yīng)變力、適應(yīng)力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段之一。

為此，開發(fā)了一套中控技術(shù)公司自己的操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)OTS（operator training system），與公司已有的產(chǎn)品相配套，不但可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的不足，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬實(shí)際裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員在裝置開車、停車、正常運(yùn)行及緊急事故處理等各類工況下的操作訓(xùn)練，從而快速、高效地提升其操作技能。因此，OTS 對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行具有重要意義，還可以提高公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)公司發(fā)展起到推動(dòng)作用。

1 VxOTS 簡(jiǎn)介

OTS 可以模擬工廠各種生產(chǎn)狀況，如開工、停工、正常操作、設(shè)備故障和緊急狀況等，對(duì)操作員進(jìn)行操作培訓(xùn)[2]，幫助用戶保障現(xiàn)場(chǎng)安全，縮短開停車時(shí)間，減小環(huán)境不確定因素影響，延長(zhǎng)各裝置連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間，提高操作員知識(shí)技術(shù)水平，降低產(chǎn)品不合格率，評(píng)估操作員培訓(xùn)情況和操作能力。

中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于中控智慧仿真平臺(tái)架構(gòu)。該平臺(tái)采用微軟新一代的WPF（Windows presentation foundation，Windows 呈現(xiàn)基礎(chǔ)）界面框架技術(shù)，為用戶提供直觀、友好且功能強(qiáng)大的開發(fā)及培訓(xùn)功能；支持OPC，Modbus 等通信協(xié)議，使系統(tǒng)具有更好的靈活性、開放性、可擴(kuò)展性。

中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由仿真建模平臺(tái)、教師站軟件、學(xué)員站軟件、操作評(píng)價(jià)軟件等4 個(gè)組件組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。類比真實(shí)DCS系統(tǒng)架構(gòu)，VxOTS 中的VF（visual field）仿真虛擬控制器對(duì)應(yīng)DCS 的真實(shí)控制器，VxOTS 系統(tǒng)中的仿真模型對(duì)應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)裝置。其中VxOTS 仿真模型部分與DCS 系統(tǒng)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 VxOTS 架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VxOTS architecture

圖2 VxOTS 仿真模型Fig.2 VxOTS simulation modle

2 測(cè)試方向

區(qū)別于中控技術(shù)公司傳統(tǒng)的工控軟件，VxOTS軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件的測(cè)試更關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。如： 仿真算法是否符合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及物質(zhì)的運(yùn)行原理，現(xiàn)有功能是否滿足現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)要求，培訓(xùn)模式是否足夠靈活，培訓(xùn)規(guī)模是否能夠支持，軟件操作對(duì)培訓(xùn)人員是否易掌握，人員及設(shè)備安全是否造成威脅，等。對(duì)軟件測(cè)試而言，軟件實(shí)際應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)即測(cè)試重點(diǎn)，在此對(duì)六大測(cè)試方向進(jìn)行梳理分析，如圖3所示。

圖3 VxOTS 測(cè)試重點(diǎn)Fig.3 VxOTS test point

3 測(cè)試方法

結(jié)合軟件實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景[3]，針對(duì)所提煉出的測(cè)試重點(diǎn)，拓展測(cè)試內(nèi)容，羅列出相應(yīng)的測(cè)試方法，大致如圖4所示。

（1）功能算法測(cè)試

功能算法測(cè)試[4]用于了解運(yùn)行原理和聯(lián)立方程求解機(jī)制。如：壓力流量平衡計(jì)算是將所有壓力流量聯(lián)立求解，組分平衡和能量平衡是滿足物質(zhì)守恒、能量守恒及相平衡原理，計(jì)算裝置出口溫度、濃度、相分率、密度、焓熵等信息，拓?fù)渑判颍瑥那巴?，序貫求解；做熱力學(xué)計(jì)算，已知溫度、壓力、氣液固相組成、物性數(shù)據(jù)，求解熵、焓、密度等；閃蒸算法（PT，PH，PS），已知出入口壓力、總組分、溫度（總焓、總熵）等，求解氣液固三相組成（溫度）等。

了解以上要求及計(jì)算原理，從正確性和易用性方面，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景。

1）物質(zhì)流算法 在界面上拖一股物質(zhì)流，進(jìn)行相應(yīng)的條件設(shè)置，進(jìn)行閃蒸。將閃蒸結(jié)果與相同條件下Aspen 軟件[5]的閃蒸結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。

2）設(shè)備模塊算法 例如調(diào)節(jié)閥，連接相應(yīng)的物質(zhì)流，并設(shè)置邊界條件：①驗(yàn)證錯(cuò)誤的邊界條件設(shè)置，運(yùn)行是否會(huì)有相應(yīng)的錯(cuò)誤提示；②合理的邊界條件下，驗(yàn)證算法結(jié)果的準(zhǔn)確，例如閥門的壓降、流量、熱力學(xué)物性是否正確。

圖4 VxOTS 測(cè)試內(nèi)容及方法Fig.4 VxOTS contents and methods

3）設(shè)備模塊算法閃蒸計(jì)算 ①例如調(diào)溫器PH閃蒸，進(jìn)行組態(tài)：物質(zhì)流1→調(diào)溫器1→調(diào)溫器2→物質(zhì)流2。調(diào)溫器1 限定出口溫度，運(yùn)行組態(tài)，記錄其能量輸出為Q，停止運(yùn)行；將調(diào)溫器2 屬性設(shè)為設(shè)定負(fù)荷，將Q 填入換熱量，則物質(zhì)流1 和物質(zhì)流2的溫度在誤差范圍內(nèi)應(yīng)該相等。②組不同物質(zhì)，在不同的設(shè)備中閃蒸，嘗試各種組合，也要區(qū)分氣液固相態(tài)的物質(zhì)；③設(shè)備中選擇不同熱力學(xué)方法，如（IDEAL，SRK，UQ）閃蒸結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4）聯(lián)立求解 測(cè)試聯(lián)立方程算法的準(zhǔn)確性和性能：①組不同的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，嘗試各種組合如同種類型的設(shè)備組成；②組不同的物質(zhì)，嘗試各種組合，如組分包為全氣體的物質(zhì)組成，或氣液混合，或氣固混合。

（2）已有功能測(cè)試

已有功能測(cè)試為遍歷測(cè)試。與現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)比，做遍歷測(cè)試，驗(yàn)證現(xiàn)有功能是否完全滿足需求。

（3）培訓(xùn)模式測(cè)試

培訓(xùn)模式測(cè)試為單機(jī)聯(lián)合切換測(cè)試。通過(guò)隨機(jī)切換單機(jī)聯(lián)合的培訓(xùn)模式，驗(yàn)證功能的正確性和操作的靈活性。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)該測(cè)試項(xiàng)發(fā)現(xiàn)存在切換失敗概率，從單機(jī)切換到聯(lián)合模式時(shí)，會(huì)出現(xiàn)教室頁(yè)面和培訓(xùn)頁(yè)面展示不一致的現(xiàn)象。開發(fā)時(shí)針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行修改，保證培訓(xùn)模式靈活切換的正確性。

（4）培訓(xùn)規(guī)模測(cè)試

培訓(xùn)規(guī)模測(cè)試[6]采用虛擬機(jī)代替實(shí)體機(jī)的測(cè)試方法。分別驗(yàn)證典型規(guī)模20 臺(tái)學(xué)員站和大型規(guī)模100 臺(tái)學(xué)員站的情況下，單機(jī)聯(lián)合培訓(xùn)的正確性。

（5）操作體驗(yàn)測(cè)試

操作體驗(yàn)測(cè)試即對(duì)比測(cè)試[7]。同時(shí)搭建同類產(chǎn)品的軟件平臺(tái)，從軟件的界面美觀性、穩(wěn)定性、易用性及完整性等方面，逐項(xiàng)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，給出參考數(shù)據(jù)。

（6）安全測(cè)試

在安全測(cè)試[2-3]中，軟件通過(guò)對(duì)操作員進(jìn)行反復(fù)的開車、停車、故障、裝置事故應(yīng)急等各種情景的模擬培訓(xùn)，能夠提高工廠內(nèi)操作員的安全意識(shí)，使其在實(shí)際場(chǎng)景中迅速做出正確處理反應(yīng)，大大減小人員、生產(chǎn)、操作安全事故的發(fā)生概率，并減少事故帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，以一種間接的方式很大程度地保障了現(xiàn)場(chǎng)安全。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

針對(duì)VxOTS 軟件的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)各種測(cè)試表明，其能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)模擬培訓(xùn)的需求。該操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)已擁有多個(gè)成功應(yīng)用案例，在此給出兩例。

4.1 煉油項(xiàng)目

在中石化廣西某分公司500 萬(wàn)噸煉油項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)裝置有：常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整、柴油加氫、聚丙烯等6 套裝置。具體功能包括：準(zhǔn)確模擬穩(wěn)態(tài)操作，進(jìn)料質(zhì)量和進(jìn)料量變化對(duì)工藝的影響，制定設(shè)備跳閘（如壓縮機(jī)等）及操作條件恢復(fù)對(duì)工藝的影響，冷進(jìn)料開工，熱進(jìn)料開工，在設(shè)備跳閘后的工況下重新開工，正常停工和經(jīng)濟(jì)停工，正常工況操作，異常工況操作，評(píng)分功能，等。

其功能及性能完成情況為：模型穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與參照的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)偏差在讀數(shù)的2%范圍之內(nèi)；流程模擬的動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)工況與實(shí)際近似，流程對(duì)象動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與實(shí)際一致，流程對(duì)象動(dòng)態(tài)變化速率、幅度與實(shí)際近似。

系統(tǒng)在該廠的成功應(yīng)用為客戶創(chuàng)造了巨大效益，贏得客戶的一致好評(píng)。

4.2 采油OTS 項(xiàng)目

在海上離岸采油OTS 項(xiàng)目中，工藝技術(shù)涉及海上油氣的開采、油氣分離、氣體的壓縮、運(yùn)輸及中控室和生活區(qū)等5 大平臺(tái)，模擬不僅限于整個(gè)工藝流程，還包括了采油平臺(tái)的F&G 系統(tǒng)，模擬平臺(tái)的氣、火、煙、H2S 等事故報(bào)警，再現(xiàn)海上平臺(tái)的工藝操作和事故處理流程。

測(cè)試成果在該項(xiàng)目得到充分的體現(xiàn)，獲得現(xiàn)場(chǎng)用戶的高度肯定。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著仿真模擬技術(shù)的發(fā)展和推廣，操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在企業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。中控VxOTS 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實(shí)際培訓(xùn)中。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的工藝模型兼顧了機(jī)理性、精確性與實(shí)時(shí)性，虛擬DCS 實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)系統(tǒng)完全一致的操作體驗(yàn)，訓(xùn)練工況項(xiàng)目?jī)?nèi)容豐富，能夠有效地幫助操作員和其他相關(guān)技術(shù)人員在較短時(shí)間內(nèi)掌握生產(chǎn)過(guò)程的特性，并且滿足了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)開/停車操作技能與事故處理技術(shù)能力培的需求。