现代化工智能型全流程仿真训练技术

吴重光

（北京化工大学，北京 100029）

【系列讲座⑤“ITS 在化工职业教育中应用系列软件（4）”回顾】

多功能过程与控制实验系统MPCE-2000 软件，通过集成小型半实物过程系统、微机控制系统、高精度过程系统仿真模型和控制系统组态软件（包括PID控制器单元、典型传递函数单元、多种控制阀特性、典型外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性和随机信号器等），实现了集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是智能教学实验技术的一个创新。

在系列讲座⑤“ITS 在化工职业教育中应用系列软件（4）”中，我们介绍了多功能过程与控制实验系统MPCE-2000 软件，本讲将介绍现代化工智能型全流程仿真训练技术。

半实物仿真系统是受到美国飞机驾驶员仿真训练技术的启发。优点是使学生有工厂全真实的情境感受、操作位置和力度感受，适于控制室与现场操作人员团队配合训练。但是，涉及投资大、占地面积很大，同时容纳的学生有限。另外，系统维护困难，对教师实践经验要求高，智能化后有所改进。总体评价是，半实物仿真系统教学科技进步的意义大于实际推广应用的意义，建议职业院校权衡利弊谨慎立项。

1 现代化工仿真工厂的创新背景

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，并在北京燕山石化公司新进口装置开车前的操作工培训和装置开车方案论证中发挥了特殊作用，荣获中国石化总公司科技进步奖。30 多年来，国产化计算机仿真培训系统已经达到国际先进水平，并且在化工、石化、炼油企业、职业技术学院、本科院校广泛应用，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。各类职业院校面临着两个主要的任务：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、石化和炼油企业众多，装置种类繁杂，学生在分配时的选择也多，因此要求学生毕业后的适应性比较强。第二，学校和企业联合，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。

为达到上述目标，职业院校在培训体系上，强调和企业联办，将企业的需求直接转化成课程的设置安排；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仅能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还应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。

图1 缩小型流程装置

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，国内外的企业和职业技术学院已经采用的技术有如下三种。

1.1 小型冷模装置

将原装置缩小若干倍，仅用实物模拟装置的设备和管路外形，适当配合水的循环流动。由于没有模拟工艺过程的物理化学现象，整个装置无法进行动态的开停车、正常运行的监控调整及事故处理。此种系统类似于化学反应实验的冷模实验，因此称为冷模装置。此类装置的优点是能耗较小、需要一定的设备维护工作量，不会发生爆炸燃烧事故危险。小型冷模装置在外形上虽然有了真实的几何空间概念，但却忽略了重要的物理化学现象及动态可操作性等模拟装置的主要技术指标。由于系统的实用功能较差，相对投资较大，因此不是理想的选择。

1.2 缩小型流程生产装置

缩小型流程生产装置将实际装置尺寸缩小若干倍，尽量按照原装置的原料和生产路线，用真实的物料生产真实的相同产品。这种装置和实际大型装置相同，学员面对的是全部、可以同时操控的设备实体，可以实现多人同时协同操作。图1 是国外的缩小型流程装置的实例。

此种系统看似比较理想，实际上却存在着许多难以解决的问题，其致命的弱点是装置缩小后，特别是缩小的比例较大时，其物理化学特性常常发生强非线性变化，尤其是动态特性会发生较大变化，难于做到与原装置相一致。也就是说，其开车、停车与正常运行的操作规程、生产工艺条件、事故现象等都与原装置或大型装置不同。除此之外，更为实际问题是：此类装置的设计研发可能比原装置还复杂、建设投资高、运行费用高、能耗大、消耗物料、生产的产品往往比规模化装置成本高、存在爆炸燃烧事故危险和环境污染问题或隐患，需要专业人员大工作量的维护，无法实现即开即停等。

1.3 半实物仿真装置

在吸取以上两种模拟装置优点的基础上，发挥计算机动态仿真的优势，形成了一种半实物仿真装置。该系统采用实际规模的静设备、控制系统和动设备；不用真实物料，采用水和低压氮气（用于隔离空气中的氧气，防止设备腐蚀）模拟流量、物位和压力，用仿真模型校正；反应动力学、传质与传热采用仿真模型，采用附加的控制系统和流程系统实现多种物理化学现象和事故现象。国内规模最大的半实物仿真装置是由北京化工大学仿真中心、北京东方仿真控制技术有限公司与北京燕山石化公司合作，于二十世纪九十年代初在燕山石化公司建成，如图2 所示。由于采用了部分实物与部分仿真模型结合的方法，解决了缩小型流程装置的设计研发难题，解决了安全环保问题，也解决了冷模装置无法动态运行的问题。

图2 半实物仿真装置

但是，装置采用水和低压氮气，要想模拟复杂的物理化学现象，比纯数学模拟方法要困难得多，至少模拟现象的附属控制设备必须大大增加。此类实训装置比实际装置还要复杂。因此，投资大、占地面积大，运行时需要消耗电力、蒸汽、压缩氮气等，运行费用很高。一般学校难于承受，设备复杂导致维护费用高、无法即开即停等问题依然存在。

为了攻克这一难关，十多年来，借助于当代高科技的多种成果，在综合了国内外类似模拟装置优缺点的基础上，一种全新的流程级实训装置已经开发成功，其标志性的成果是北京化工大学仿真中心2004年研制成功的多功能过程与控制实验系统MPCE-1000，这是半实物仿真工厂的前身和技术创新的基础。

2 现代化工仿真工厂

流程级仿真工厂基于MPCE-1000 技术，区别是装置规模大、设备管路呈三维空间分布。由小型化流程装置、装置模拟监控系统、装置工艺仿真软件、计算机控制系统（DCS）仿真、实训评价与管理系统、基于智能实时故障诊断软件等部分组成。

2.1 全流程装置

如图3 所示，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。

工艺流程的选择原则是，具有典型代表性的化工生产工艺，并具有典型控制方案的大型化工全流程装置。为了达到这些要求，对选定的实际工艺流程进行适当改进，适当增加设备种类和工艺过程的类型，采用先进的设备与管路布局方法，适当修改设备的相对尺寸，克服等比例缩小后的不协调、不合理的部分。

图3 全流程化工装置

图4 装置模拟测控系统的结构示意图

2.2 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”。一方面，测控系统需要把操作设备，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，测控系统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。装置模拟测控系统的结构示意如图4所示。

2.3 装置仿真软件

流程级仿真工厂的软件系统包括装置工艺仿真软件、计算机控制系统（DCS）仿真、实训评价与管理系统、基于SDG 智能实时故障诊断软件以及仿真实时数据库等部分组成。软件系统体系结构见图5 所示。

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装置工艺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。

图5 软件体系结构

图6 仿DCS 操作站

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。

●动态模型的求解速度应达到实时要求、求解精度应满足实验要求。

2.4 计算机控制系统（DCS）仿真

可以选择使用化工常用典型的DCS 仿真系统，用于本装置的控制与操作。仿DCS 类型包括TDCTPS、CS-3000、I/AAP70 系统，外加一个辅助操作台进行事故报警及连锁系统监控。DCS 仿真软件用于管理、调度仿DCS 操作软件各部分，实现动态实时数据库、各类标准画面、键盘操作、各种算法，以及通信的协调配合，完成DCS 操作站的显示、操作等各种功能。仿DCS 操作控制软件模拟的真实DCS 的画面功能为菜单画面、流程图画面、控制组画面、报警画面和细目画面。仿真DCS 系统可以对控制方案、控制画面、流程图画面、趋势画面和报警画面进行软件组态。仿DCS 操作站见图6 所示。

2.5 实训评价与管理系统

系统还包括培训项目运行管理及事故设置软件、操作评价软件，主要满足培训的组织管理和操作评价问题。其中，操作评价软件具有特殊的功能，可以通过组态方式修改和编辑。当实训装置运行时，软件会自动跟踪记录、分析和评价操作员的操作方法和调控水平。这是国外同类软件所没有的重要功能。

以上五个部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的、高逼真度的半实物模拟实训。五个部分采用以太网和现场总线方式互联，采用了先进的工业过程控制设计，具有模块化、标准化、通用化结构。系统可以方便地扩展或重新组合，具备软件诊断功能。

2.6 智能化自解释及安全训练功能

采用动态仿真训练器进行与安全有关的仿真训练具有特殊效果。利用本仿真工厂可以训练在实际工厂中无法进行的紧急事故状态训练，提高操作员在事故状态下的紧急响应能力、判断能力、分析能力和操作、控制能力。统计规律表明，操作失误所直接导致的事故在各种原因中排在第二位。通过仿真安全训练预防事故是一种有效方法。

要做好农村小学校的管理，管理者的知识结构、人格修养、处事风格、能力水平等等都是重要的因素，这需要管理者做教育教学的标兵、做为人处事的楷模、做引领发展的智者。

图7 智能化故障诊断和误操作自解释系统结构

除了训练操作员之外，利用本仿真系统还可以提高安全分析技术人员的水平。由于石油化工厂危险性大，不允许进行真实的危险试验，在仿真器上可以通过设定复杂的“剧情”试验，了解过程潜在的危险，把握动态过程的前因后果。当过程很复杂时，人工很难记住事件的变化，不易深入推理分析。仿真器能提供趋势记录、工况记忆、工况重现等功能，可有效辅助危险分析。

为了使仿真训练系统更有效，本仿真工厂具备智能化故障诊断和误操作自解释功能，可以通过我们专门开发的达到国际一流水平的基于人工智能技术的实时故障诊断软件（国家“863”项目成果）与仿真工厂联网，随时将故障诊断结果自动记录、自动显示。智能化故障诊断和误操作自解释系统结构如图7 所示。基于人工智能技术的实时故障诊断软件在附加的一台微机中运行，通过以太网与仿真工厂的控制系统实时通信。每一个采样周期都可以通过高速推理机求解跟踪运行的定性模型，自动识别和分析仿真工厂出现的报警、误操作或其它原因所导致的故障根源因、不利后果和危险传播的路径（危险“剧情”）等重要信息。自动完成智能化故障诊断和误操作自解释功能。

3 现代化工仿真工厂的特点

通过将小型半实物流程装置、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种教学和实训功能于一身、全工况可操作、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保、投资省、见效快等理想实训系统的要求，是过程工业实训技术的一个新的飞跃。

现代化工仿真工厂装置的特点总结如下：

⑴ 采用不锈钢精密制造的缩小型全流程设备、精致的设备框架系统、管路、手动阀门、控制阀门、测控传感器系统等，具有实际装置的全部空间几何三维分布实体概念。

⑵ 采用先进测控电子技术成果，现场总线和电子操作器等专有设备，所有操作点都可以全量程手动或自动调整，具有真实的操作力度和动态响应。

⑶ 运用高精度仿真数学模型，可以不受约束地模拟实际装置物理化学特性，全工况动态实时模拟装置的开车、停车、正常运行调控、紧急停车和事故处理。

⑷ 控制系统（DCS）采用仿真DCS，其要求和真实DCS 一致，并有工业键盘，能够给受训者一个真实化工生产操作控制模式、方法与环境。

⑸ 具备运行培训项目软件、事故设置软件和运行操作评价软件，可以满足培训的自动评价、组织、全工况记录和管理问题。

⑹ 所有动设备都处于空转低负荷运行状态，因此运行能耗很低，设备磨损小寿命长。

⑺ 不需要任何物料，节省费用、时间和人力，没有腐蚀、污染和环境保护问题。

⑻ 危险工况和事故状态由仿真模型模拟，不存在任何爆炸燃烧危险。

⑼ 设备大多是不锈钢壳体，几乎没有维修工作量。

⑽ 可以通过计算机控制实施自动即开即停，工况冻结与继续，这是其它实训装置所无法比拟的功能，也是最适合于实训的功能。

⑾ 占地面积小，一般适合于职业技术学院的标准型新一代流程级实训装置；控制室占地约60 平米，装置现场占地约180 平米。

⑿ 由于过程仿真模型是核心，全部变量具有可观察性，与全实物工厂相比，实现ITS 具有先天优势。结合作者主持完成的国家高技术发展项目（863）“大型石化企业安全评估”的智能化计算机自动危险与可操作性分析（HAZOP）技术，可以升级为操作安全为内容的实训系统，同时也是在线智能化自解释高级实训系统。

结束语

作者的新书《知识图谱建模与智能推理技术》即将由化学工业出版社出版。该书是本文所有关键技术的详细展开论述，希望该书能够成为人工智能应用专业“抛砖引玉”之教材。该书的各章内容如下：

第一章 前言

第二章 知识本体、信息标准化和领域知识本体

第三章 方法和任务知识本体

第四章 高效推理算法、图论与网络拓扑

第五章 基于符号有向图SDG 的深度学习

第六章 知识图谱建模与智能推理软件AI3 的设计与开发

第七章 AI3 在智能教学中的应用实践

第八章 AI3 在过程工业中的应用

第九章 结语

作者认为，人工智能系统开发者和使用者需要具备的基本素质如下：

⑴ 有能力洞察人工智能技术的科技强国深远意义。

⑵ 完全自觉自愿地、主动地在本职工作中探索和应用人工智能和专家系统技术。

⑶ 人工智能和专家系统要求开发者和使用者有决心、有恒心、有克服困难的最大勇气，并完成如下任务：

●完全采用计算机、互联网、数字化和软件程序化工作方式。

●善于接受和应用本领域知识本体标准，并通过实际应用修正和扩展知识本体标准。

●在实践中快速成长为跨领域跨专业的专家，并且磨练成人工智能知识本体的建模能手。作为一个研发团队，至少要掌握所研发领域专业实践知识、现代数学、系统仿真、图论、网络拓扑、评估理论、逻辑分析、概率论、过程控制、故障诊断、数据处理、最优化、计算机科学和数值计算理论与技术，最好都是计算机编程高手。

●深度应用新一代专家系统辅助解决各领域的智能识别、智能分析、智能决策和智能行动（控制）问题。

●发挥多专业技术人员的集体智慧，以团队合作方式持久不断地维护和发展领域知识本体模型知识库。

●持久不断地研发更加高效与实用的人机友好、知识表达和知识处理的人工智能软件平台。

人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量。人工智能的发展需要整个国家和民族的创新进取来推动。作者深切地期待着，我国的职业技术学院和本科院校有能力培养出千千万万的合格的人工智能创新人才，为实现伟大的“中国梦”而奋斗！