VxOTS软件仿真培训系统的测试方法介绍

张 莹，沈孟龙

（浙江中控技术股份有限公司，杭州310053）

化工、石化类型的生产企业，常常具有连续操作、设备密集、高温易蚀、易燃易爆、有毒有害等特点，而往往由于企业对安全方面的重视程度问题，容易引发各类化工企业安全事故。而操作员仿真培训系统，可以在计算机上仿真模拟化工/石化/炼油等行业各流程的真实生产过程，建立对应的“虚拟工厂”，包含其生产过程及其控制逻辑。在此基础上，实现对工厂过程和控制逻辑的模拟、调整和培训。这种仿真模拟技术[1]可逼真地模拟工厂的开车、停车、正常运行及各种事故过程的现象和操作，是生产装置操作工培训和工艺方案研究的高效手段。仿真培训系统已经成为提高企业的经济效益，降低生产成本，提高其在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要手段之一。

为此，开发了一套中控技术公司自己的操作员仿真培训系统OTS（operator training system），与公司已有的产品相配套，不但可以弥补传统培训模式的不足，通过计算机仿真技术模拟实际装置，实现操作人员在装置开车、停车、正常运行及紧急事故处理等各类工况下的操作训练，从而快速、高效地提升其操作技能。因此，OTS 对企业的生产运行具有重要意义，还可以提高公司市场竞争力，对公司发展起到推动作用。

1 VxOTS 简介

OTS 可以模拟工厂各种生产状况，如开工、停工、正常操作、设备故障和紧急状况等，对操作员进行操作培训[2]，帮助用户保障现场安全，缩短开停车时间，减小环境不确定因素影响，延长各装置连续生产时间，提高操作员知识技术水平，降低产品不合格率，评估操作员培训情况和操作能力。

中控VxOTS 软件仿真培训系统是基于中控智慧仿真平台架构。该平台采用微软新一代的WPF（Windows presentation foundation，Windows 呈现基础）界面框架技术，为用户提供直观、友好且功能强大的开发及培训功能；支持OPC，Modbus 等通信协议，使系统具有更好的灵活性、开放性、可扩展性。

中控VxOTS 软件仿真培训系统由仿真建模平台、教师站软件、学员站软件、操作评价软件等4 个组件组成，其系统架构如图1所示。类比真实DCS系统架构，VxOTS 中的VF（visual field）仿真虚拟控制器对应DCS 的真实控制器，VxOTS 系统中的仿真模型对应实际生产装置。其中VxOTS 仿真模型部分与DCS 系统的具体对应关系如图2所示。

图1 VxOTS 架构示意图Fig.1 Schematic diagram of VxOTS architecture

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

2 测试方向

区别于中控技术公司传统的工控软件，VxOTS软件仿真培训系统软件的测试更关注现场应用。如： 仿真算法是否符合现场设备及物质的运行原理，现有功能是否满足现场培训要求，培训模式是否足够灵活，培训规模是否能够支持，软件操作对培训人员是否易掌握，人员及设备安全是否造成威胁，等。对软件测试而言，软件实际应用的关注点即测试重点，在此对六大测试方向进行梳理分析，如图3所示。

图3 VxOTS 测试重点Fig.3 VxOTS test point

3 测试方法

结合软件实际的应用场景[3]，针对所提炼出的测试重点，拓展测试内容，罗列出相应的测试方法，大致如图4所示。

（1）功能算法测试

功能算法测试[4]用于了解运行原理和联立方程求解机制。如：压力流量平衡计算是将所有压力流量联立求解，组分平衡和能量平衡是满足物质守恒、能量守恒及相平衡原理，计算装置出口温度、浓度、相分率、密度、焓熵等信息，拓扑排序，从前往后，序贯求解；做热力学计算，已知温度、压力、气液固相组成、物性数据，求解熵、焓、密度等；闪蒸算法（PT，PH，PS），已知出入口压力、总组分、温度（总焓、总熵）等，求解气液固三相组成（温度）等。

了解以上要求及计算原理，从正确性和易用性方面，可以设计相应的测试场景。

1）物质流算法 在界面上拖一股物质流，进行相应的条件设置，进行闪蒸。将闪蒸结果与相同条件下Aspen 软件[5]的闪蒸结果进行验证对比。

2）设备模块算法 例如调节阀，连接相应的物质流，并设置边界条件：①验证错误的边界条件设置，运行是否会有相应的错误提示；②合理的边界条件下，验证算法结果的准确，例如阀门的压降、流量、热力学物性是否正确。

图4 VxOTS 测试内容及方法Fig.4 VxOTS contents and methods

3）设备模块算法闪蒸计算 ①例如调温器PH闪蒸，进行组态：物质流1→调温器1→调温器2→物质流2。调温器1 限定出口温度，运行组态，记录其能量输出为Q，停止运行；将调温器2 属性设为设定负荷，将Q 填入换热量，则物质流1 和物质流2的温度在误差范围内应该相等。②组不同物质，在不同的设备中闪蒸，尝试各种组合，也要区分气液固相态的物质；③设备中选择不同热力学方法，如（IDEAL，SRK，UQ）闪蒸结果的准确性。

4）联立求解 测试联立方程算法的准确性和性能：①组不同的设备进行测试，尝试各种组合如同种类型的设备组成；②组不同的物质，尝试各种组合，如组分包为全气体的物质组成，或气液混合，或气固混合。

（2）已有功能测试

已有功能测试为遍历测试。与现场需求对比，做遍历测试，验证现有功能是否完全满足需求。

（3）培训模式测试

培训模式测试为单机联合切换测试。通过随机切换单机联合的培训模式，验证功能的正确性和操作的灵活性。测试过程中，通过该测试项发现存在切换失败概率，从单机切换到联合模式时，会出现教室页面和培训页面展示不一致的现象。开发时针对该问题进行修改，保证培训模式灵活切换的正确性。

（4）培训规模测试

培训规模测试[6]采用虚拟机代替实体机的测试方法。分别验证典型规模20 台学员站和大型规模100 台学员站的情况下，单机联合培训的正确性。

（5）操作体验测试

操作体验测试即对比测试[7]。同时搭建同类产品的软件平台，从软件的界面美观性、稳定性、易用性及完整性等方面，逐项进行比对测试，给出参考数据。

（6）安全测试

在安全测试[2-3]中，软件通过对操作员进行反复的开车、停车、故障、装置事故应急等各种情景的模拟培训，能够提高工厂内操作员的安全意识，使其在实际场景中迅速做出正确处理反应，大大减小人员、生产、操作安全事故的发生概率，并减少事故带来的经济损失和人员伤亡，以一种间接的方式很大程度地保障了现场安全。

4 产品应用

针对VxOTS 软件的仿真培训系统各种测试表明，其能够实现现场模拟培训的需求。该操作员培训仿真系统已拥有多个成功应用案例，在此给出两例。

4.1 炼油项目

在中石化广西某分公司500 万吨炼油项目中，现场实现装置有：常减压、催化裂化、延迟焦化、连续重整、柴油加氢、聚丙烯等6 套装置。具体功能包括：准确模拟稳态操作，进料质量和进料量变化对工艺的影响，制定设备跳闸（如压缩机等）及操作条件恢复对工艺的影响，冷进料开工，热进料开工，在设备跳闸后的工况下重新开工，正常停工和经济停工，正常工况操作，异常工况操作，评分功能，等。

其功能及性能完成情况为：模型稳态仿真结果与参照的稳态设计数据对比的标准偏差在读数的2%范围之内；流程模拟的动态特性、稳态工况与实际近似，流程对象动态趋势与实际一致，流程对象动态变化速率、幅度与实际近似。

系统在该厂的成功应用为客户创造了巨大效益，赢得客户的一致好评。

4.2 采油OTS 项目

在海上离岸采油OTS 项目中，工艺技术涉及海上油气的开采、油气分离、气体的压缩、运输及中控室和生活区等5 大平台，模拟不仅限于整个工艺流程，还包括了采油平台的F&G 系统，模拟平台的气、火、烟、H2S 等事故报警，再现海上平台的工艺操作和事故处理流程。

测试成果在该项目得到充分的体现，获得现场用户的高度肯定。

5 结语

随着仿真模拟技术的发展和推广，操作员仿真培训系统在企业培训中的应用越来越广泛。中控VxOTS 软件仿真培训系统已成功应用于实际培训中。应用结果表明，该系统的工艺模型兼顾了机理性、精确性与实时性，虚拟DCS 实现了与真实系统完全一致的操作体验，训练工况项目内容丰富，能够有效地帮助操作员和其他相关技术人员在较短时间内掌握生产过程的特性，并且满足了企业实际生产开/停车操作技能与事故处理技术能力培的需求。