仿真技术与化工职业培训及技能鉴定.ppt

-1-,仿真技术与化工职业培训及技能鉴定,-2-,仿真技术与化工职业教育,仿真系统的概念与发展历史 go 仿真系统的常见结构 go 化工仿真系统在培训及技能鉴定中的应用 go 企业仿真培训基地建设的典型实例 go 未来化工仿真系统的发展趋势 go 国家及工业企业对技能大赛的关注 go,-3-,仿真技术基本概念,仿真技术,实际系统或假想系统,数学模型,仿真系统,建模,软件化（仿真）,基本概念：（1）系统：具有完整功能，内涵 明确、边界清晰 过程系统：连续性系统（对应离散系统而言）（2）数学模型：数学表达式的集合（3）仿真系统：实物仿真(物理)、半实物数字仿真、数学仿真（软件为核心）（4）系统软件设计、编程：数学模型、人机界面、软件管理（5）建模:：建立描述某系统的完整教学模型 目的不同 数学模型不同 数学模型 演绎成可求解的程度（仿真模型）（6）软件化（仿真）：需求分析 系统分析（软件）设计 编程 调试与测试,-4-,使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。,-5-,简史20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。4050年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。70年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机,-6-,分类仿真可以按不同原则分类：按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。,-7-,仿真实验通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。为了寻求系统的最优结构和参数，常常要在仿真模型上进行多次实验。下图为某工程系统仿真的流程图。在系统的设计阶段，人们大多利用计算机进行数学仿真实验，因为修改、变换模型比较方便和经济。在部件研制阶段，可用已研制的实际部件或子系统去代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验，以提高仿真实验的可信度。在系统研制阶段，大多进行半实物仿真实验，以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下，可进行全物理的仿真实验，这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。全物理仿真具有更高的可信度，但价格昂贵。(上海仿真工厂）,-8-,仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。,-9-,应用和效益仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。,-10-,仿真技术的应用,仿真技术应用,辅助训练与考核,辅助设计,辅助研究,辅助生产与制造,娱乐,军 事,航空航天,核电火电,石油化工,职业教育,航空航天,工业民用,医学药学,航空航天,核试验,-11-,石化仿真系统的结构体系,控制室,生产装置,操作员（观察、分析、判断、操作）,操作信息,生产信息,内操,外操,事故干扰,仿“控制室+现场操作”软件,操作员（观察、分析、判断、操作）,内操,仿工艺生产过程软件,教员,事故干扰培训指令,仿生产信息,操作信息,实际生产过程,仿真系统过程,外操,操作评价系统软件,-12-,石化仿真系统的发展历程,网络化，3D化发展,-13-,石化仿真系统特点与应用,石化仿真系统,1、新型、高技术培训手段，提高培训效果，节省培训费用，缩短培训时间,3、对新装置开停工进行预培训，使操作人员快速掌握开工操作技能。,4、使操作人员深刻理解工艺机理，掌握复杂装置的操作调控技能，熟悉事故和突发事件的处理方法。,6、满足在线技能考核的需要。比单纯的理论考试和人为打分的实物操作考试有自身的优势。,2、解决人人动手的问题。没有操作风险，没有损耗，可以模拟真实的操作环境。,5、使操作工熟悉DCS操作，将工艺培训、设备培训和自动化培训整合在一起,-14-,教师指令台,仿真计算机,打印机,学生站、仿DCS操作站,以前：局域网未来：internet,模拟操作盘或其他硬件,“东方仿真”的硬件具有良好的通用性，对于不同的仿真培训系统，硬件相同“东方仿真”的仿真系统具有“独立培训和联合培训”两种模式，可随意分配与组合,石化仿真系统硬件结构,-15-,石化仿真系统硬件结构,教师指令站,学员操作站,-16-,石化仿真系统国内外比较,-17-,石化仿真系统软件结构,工艺算法模型,-18-,石化仿真系统软件结构操作界面,2、仿DCS操作界面,仿真系统:仿TDC300系统和仿CS系统,-19-,仿DCS及仿现场软件,流程现场操作界面仿真效果,仿真系统结构操作界面,-20-,操作指导评价系统,特点：无需编程，用户组态。在线指导。在线评判。适用开停车及事故处理。,仿真系统结构操作评价系统,-21-,操作指导评价系统,为中海油的采油平台工艺仿真配套在线评价系统:操作指导随仿真软件在线运行。实时打分成绩可上传教师指令站。,仿真系统结构操作评价系统,-22-,仿真系统结构教师指令站,石化仿真教师指令站（考核模块）,自定义常规项目,文字考题,事故自定义：特定事故、设备事故、通用事故,事故处理,生成培训项目和考卷（中石油中石化技能大赛考卷）,随机事故,开、停车,-23-,总体监控软件（教师站管理系统）,主要功能：启动/终止学员站软件 设定培训项目 授权学员站 快门存/取 成绩统计 临时故障设置 考核管理 考试的策略管理。,仿真系统结构教师指令站,-24-,石化仿真系统在企业用户中的应用分类,化工仿真系统,针对性开发装置,多媒体素材库,装置级,单元级,特点：针对性强，投资大、开发周期长、需要技术人员及资料配合,应用：装置开工前的开停工、典型重大特定事故的处理技能培训考核,特点：具有同类装置的一定共性，投资小、周期短，培训考核项目多,应用：开停工、典型重大事故处理，侧重通用事故；企业技能竞赛,特点：通用性非常强，、覆盖的工艺内容广泛、仿真详细程度高、投资小，周期短。,应用：初、中级及新入厂工人以及职业学校的技能培训、考核,通用产品,化工工艺、设备、仪表等多媒体素材库事故案例培训,应用：应知理论和应会技能培训安全知识与事故案例培训,-25-,典型工业企业用户的仿真系统建设模式,典型仿真基地建设模式,三、合作定制开发仿真软件。合作定制或深度介入开发仿真系统有些用户会有仿真硬件和虚拟装置的开发要求,一、应知理论部分：购买素材库、课件，建立网络课程平台等,二、通用应会技能培训部分选择购买装置级、以及工业单元级仿真软件产品（通用典型工艺单元）,-26-,应知理论培训内容:,应知理论培训,石化仿真系统软件在企业培训中的应用,-27-,石化仿真系统软件在企业培训中的应用,单纯的多媒体交互形式（课件）,-28-,石化仿真系统软件在企业培训中的应用,为西南油气田公司开发的网络课程及平台,目前已经开发：采气工输气工采油工净化分析工净化运行工等多门网络课程,-29-,石化仿真系统软件在企业培训中的应用,通用产品小型实验装置仿真软件,小型中试装置仿真软件,-30-,石化仿真系统软件在企业培训中的应用,通用产品仪器类仿真软件,分析仪器仿真软件（仪器面板类仿真）,-31-,为炼化行业开发的典型单元仿真软件,石化仿真系统在企业培训中的应用,-32-,石化仿真系统在企业培训中的应用,单元仿真适应性强，符合炼化行业初级培训的要求,多年积累17个不同单元涵盖化工流程各个方面。,-33-,大工段仿真软件煤化工,煤化工相关：合成氨合成工段甲醇合成工段（TDC3000系统）,石化仿真系统在企业培训中的应用,-34-,大工段仿真软件有机/无机化工,化工相关：醋酸工艺仿真丙烯酸酯工艺仿真,石化仿真系统在企业培训中的应用,-35-,大工段仿真软件石油化工,石油加工相关：乙烯工艺催化裂化工艺仿真,石化仿真系统在企业培训中的应用,-36-,使用石化仿真系统的企业用户,为什么仿真软件在不同的企业有不一样的使用率和使用效果，我们认为仿真系统应该起到的作用如下：,1、工程上的读图绘图能力。尤其是PID图和PF图。2、工艺和自动化的结合能力。3、建立工程理论概念：最基础的三传一反，尤其是物料平衡表和上下游的流程概念。4、将理论概念联系实际操作。例如：离心泵前有带压罐，结合气蚀气附现象。5、掌握系统调节的思路和方法。例如：精馏单元多种方法可以调解塔顶压力，如何选择。6、掌握判读系统故障的思路和常见方法。安全第一，速度第一。,-37-,典型企业仿真培训机房带专用键盘,-38-,典型企业仿真培训系统（带硬件）,炼油厂催化裂化仿真培训系统化肥厂合成氨仿真培训系统石化厂乙烯裂解仿真培训系统,-39-,乌石化仿真培训基地,-40-,工业用户培训基地建设,带工业仪表盘的班组模式仿真系统,配合模式操作 有工业仪表盘 可以切换不同的工 业流程。,-41-,带工业仪表盘的班组模式仿真系统,工业用户培训基地建设,-42-,半实物的大型的仿真工厂 上海华谊集团培训中心,等比例缩小的装置 模型 现场阀门、仪表、动力设备齐全。真实模拟工业现场 操作环境。团队操作，分内操、外操。,工业用户培训基地建设,-43-,半实物的大型仿真工厂上海华谊集团培训中心,工业用户培训基地建设,-44-,未来石化仿真系统的发展趋势,不再是单纯的工艺仿真软件。仿真软件只是整个培训环节的一种应用形式，应该和理论课件、现场录像、标准化问答题、专业教材、讲义整合在一起。网络化应用（网络化参与、网络化获得、网络化运行）。大家都是内容的提供者，便于企业的知识归纳和沉淀。用户可以灵活的租用软件，而不一定购买。满足培训中心对外临时举办培训/鉴定班的软件应用需要。类似网络游戏模式的应用。满足跨地区的培训，考核，网络对抗训练等。界面3D化，逼真化。不仅仅是模拟工艺DCS界面，需要更多的真实现场界面。,-45-,未来石化仿真系统的发展趋势,网络上的培训大厅,每个大厅提供不同的培训内容,-46-,未来石化仿真系统的发展趋势,软件获得由网络下载，在线激活，灵活租用。,-47-,未来石化仿真系统的发展趋势,工业现场照片 3D制作的虚拟场景,-48-,全国石油和化工职业院校学生技能大赛,从2005-2007连续3届仿真作为工艺操作考核模块得到认可在线评价系统客观、公正、便捷。,-49-,全国石油和化工职业院校学生技能大赛,逐步发展：从固定考题向组合考题发展。从单纯工艺仿真向理论问答结合工艺仿真发展。从不可改变事故向随机事故发展。,-50-,全国石油和化工职业院校学生技能大赛,未来发展：向网络化仿真发展。满足进行网络上的仿真操作对抗。（网游模式）从单元仿真向流程级仿真发展。单人操作向团队联合操作发展。更逼真的随机事故，更加贴近工业现场。,-51-,2006年度全国石化行业技能竞赛,企业也同样重视技能大赛。中石油、中石化联合搞得技能大赛。,-52-,2006年度全国石化行业技能竞赛,中石油、中石化联合搞得技能大赛同样包括仿真，占30%的成绩。,-53-,2006年度全国石化行业技能竞赛,