★北京和利時工業軟件有限公司王俊，劉棟，趙鍇，劉超，朱鵬

關鍵詞：OTS系統；DCS仿真；直連仿真；BS架構；人員培訓

1　引言

1.1　案例背景介紹

隨著近年全球經濟的發展和現代工業的日新月異，現代化的化工企業對自動化控制系統的要求越來越高。隨著DCS、先進控制技術、優化技術、計劃與調度等先進技術的廣泛應用，工廠生產自動化程度越來越高。要對裝置和工藝過程進行有效的操作和控制，在選用控制策略和制定操作規程時必須全面考慮到工藝原理、過程動態特性以及各個控制對象之間約束等諸多關系。如何讓裝置工程師、控制工程師、生產操作人員在較短時間內掌握這些先進的控制技術，熟悉調節控制的方法，全面掌握工藝過程原理及動態特性等一系列與生產操作相關的知識，顯得至關重要。

中國石化天津南港乙烯項目是中國石化“十四五”重點工程，總投資超300億元，新建10套化工裝置（包括120萬噸/年乙烯裂解、30萬噸/年LLDPE等），采用國際領先工藝技術（如Lummus裂解技術、Univation聚乙烯技術）。化工行業屬于高危企業，在崗和新招錄從業人員必須100%培訓考核合格后才能上崗，乙烯新建裝置開車前面臨著1000余人次操作工的短時間、大批量的實操培訓、事故演練及技能考評需求。以往固定場景的培訓模式，受限于時間、地點和教師的在崗時間，新員工的培訓方式單一被動，效率低，員工的自主學習需求無法滿足。而新增裝置自動化程度高、控制邏輯復雜，培訓中心傳統的單元仿真與現場DCS控制邏輯差異較大，無法對現場DCS調試進行指導和驗證，為保證乙烯項目順利開車，減輕DCS調試周期緊張的壓力，亟需一種高效、可復用的培訓與控制方案驗證兼顧的仿真培訓系統。

1.2　國內外DCS仿真技術介紹

目前，國內外仿真廠家對DCS控制系統仿真分為兩個技術流派：HardLink（DCS直連）和Emulation（仿DCS）仿真技術。

（1）HardLink（DCS直連）：采用真實裝置的DCS工程師站軟件、操作員站軟件、數據庫軟件與歷史庫軟件，OTS系統可直接導入各裝置工程師站的DCS組態工程，畫面和邏輯完全不需要手工搭建。OTS系統的操作界面、操作流程、報警、趨勢都與現場100%一致，保證人員工藝培訓的真實性、有效性和高效性。

（2）Emulation（仿DCS）：采用仿真軟件內嵌的控制算法盡可能模擬真實DCS控制方案和運行工況，無法導入現場的DCS組態工程，學員站的單點趨勢功能、趨勢組功能、SOE功能、歷史數據存儲等功能與真實差異較大；裝置DCS控制方案改造后需OTS進行二次升級。

對比HardLink和Emulation仿真優劣勢：

兩種技術流派的核心差異點在于：OTS系統是否能直接應用裝置DCS組態文件，實則是未來發展方向的不同。Emulation（仿DCS）主要用于投產前的操作工培訓，對高職院校學生、新員工提供單元操作培訓等基礎的職業教育培訓，功能較為單一。而HardLink仿真（DCS直連）則是智能工廠數字孿生體的產物，除具有常規培訓功能外，還有很多Emulation（仿DCS）仿真機不具備的高級智能應用功能貫穿于工廠建設的全生命周期，如：（1）DCS熱控培訓智能應用；（2）DCS事故分析智能應用；（3）仿真操作重演智能應用；（4）邏輯驗證研究智能應用；（5）設備保護邏輯在線學習；（6）DCS故障演練智能應用；（7）先進優化控制智能應用；（8）數字孿生系統智能應用。

2　案例實施與應用情況介紹

2.1　解決方案設計

如圖1所示，和利時基于BS架構的DCS直連仿真（HardLink）解決方案，將先進的DCS直連仿真（HardLink）技術與BS架構有機結合，搭建和利時在線仿真培訓管理系統（HiaSimWebOnline）。采用B/S（瀏覽器/服務器）結構，企業員工在辦公區、宿舍、住所均可展開管理或培訓。通過企業內網、互聯網、私有云、公有云等多樣化的形式提供與現場DCS系統高度一致的直連仿真（HardLink）培訓系統，具備操作培訓、熱控培訓、事故演練等基礎培訓功能外，還能夠進行控制邏輯優化與驗證，開停車方案的校驗與完善，縮短現場DCS調試周期，保障各裝置一次開車成功，在現場投產后，還可進行熱控培訓、現場事故重演分析、邏輯驗證研究、工藝參數優化等高級功能，保障現場安全高效生產。

圖1BS架構的DCS直連仿真（HardLink）解決方案架構圖

此外，通過企業內網和互聯網，企業人力資源和培訓管理層可隨時查看實際生產培訓人員的培訓監控并提供管理和指導，搜集和統計培訓的結果。為培訓管理者建立起一套管理培訓的工具，全面掌握仿真培訓系統應用情況，促進DCS直連仿真（HardLink）培訓系統在崗位練兵和技能鑒定、工藝優化和技術改進、應急預案等工作中充分發揮作用。

（1）管理部署層

提供基于Web的管控中心，提供可視化配置工具，支持仿真工程備份、安裝軟件、系統設置、人員等參數的統一管理。通過RBAC權限模型實現多級用戶分權，支持培訓統計、學員管理、成績統計分析等功能。采用容器化技術（Docker+K8s）實現仿真節點的彈性伸縮，支持熱部署與版本回滾。內置負載均衡算法，可依據系統通訊量動態分配計算資源，確保數據實時性。

（2）用戶層

用戶層是BS架構DCS直連仿真系統的人機交互入口，采用Web瀏覽器訪問，提供直觀、高效的仿真操作與監控體驗，用戶登錄后，選擇相應的培訓或考試科目，即可開始練習。

同時根據用戶權限提供多用戶角色，具體如下：

工程師站：提供DCS圖形組態、邏輯組態、通信參數設定、培訓科目、考試管理等功能；

操作員站：通過真實DCS操作界面進行高效練習，支持流程圖、趨勢圖、報警監控、在線查看邏輯等，確保培訓與現場真實環境100%高度一致；

管理員站：負責用戶權限分配、系統維護、培訓成績統計、資源配額管理等，保障系統安全運行。

（3）監控層

實現整個仿真系統的數據操作和監視功能，并負責畫面的顯示與切換，通過操作面板畫面修改各個回路控制器的參數，切換各個控制回路的手自動狀態，顯示測量值、設定值、控制量等；趨勢圖顯示當前和歷史的趨勢曲線等功能。

仿真系統采用和利時工業級DCS操作員站軟件，因此DCS的畫面顯示、操作界面以及用戶感受等都與真實現場完全一致，確保培訓的有效性。系統監控層的畫面顯示如圖2所示。

圖2與現場100%一致的DCS操作畫面

（4）控制層

控制層采用和利時自主研發的虛擬控制器軟件，能夠完全實現真實控制站的計算與通訊功能，提高仿真系統真實度，拓展仿真系統功能，同時不需采用真實的控制系統硬件，從而大大降低仿真機使用與維護成本。

圖3虛擬控制器與真實控制器調試對比圖

圖4DCS工程師站邏輯組態界面

由于采用虛擬控制器軟件，在現場投產前調試時期，可先于現場對DCS邏輯工程進行仿真校驗和驗證，規避控制風險，優化控制方案，縮短現場調試工期，提高一次開車成功率。

（5）對象層

對象層采用高精度機理數學模型，對乙烯現場真實裝置進行模擬仿真，數學模型軟件平臺采用專業的物性數據庫，收集超4000多種純組分，多種物性方程，以提供化學及相關化工過程設計所需的物性、熱力學性質和傳遞性質數據推算的標準來源。以實現學員在仿真機上操作的反饋與實際生產現場一致。

基于嚴格機理的建模操作員培訓系統，幫助用戶全面地熟悉自己的生產裝置和工藝，掌握動態工藝特性，積累操作經驗，提高處理異常事故的能力，保證生產裝置的順利投產，維護正常的生產操作。輔助現場人員研究探索工藝過程、進行工況研究、發現工藝瓶頸、尋找最佳操作程序、進行故障分析和控制策略研究。

2.2　應用情況介紹

作為全球智能化系統解決方案主力供應商，和利時堅持技術創新打破技術壁壘，推出B/S架構的DCS直連仿真（HardLink）解決方案，支持通過局域網、企業內網、互聯網、私有云、公有云等多樣化的培訓形式。這種靈活的培訓方式不僅滿足了用戶上崗前培訓需求，也充分發揮了和利時DCS直連仿真（HardLink）培訓系統在崗位練兵和技能鑒定、工藝優化和技術改進、應急預案等工作中的技術優勢。

·將乙烯新建裝置的OTS培訓系統成功部署在天津石化網絡培訓平臺上，提供多元化的培訓模式，幫助企業解決新建十套裝置帶來的大批量集中性人才培訓需求。

·采用B/S（瀏覽器/服務器）結構，企業員工在辦公區、培訓中心均可展開管理或培訓。

·采用真實裝置的DCS工程師站軟件、操作員站軟件、數據庫軟件與歷史庫軟件，可直接導入各裝置工程師站的DCS組態工程，OTS系統的操作界面、操作流程、報警、趨勢都與現場100%一致。

·搭建操作培訓、熱控培訓、事故演練、控制驗證與優化、工藝學習、工藝優化等功能，滿足單機培訓、協同培訓、網絡培訓等多種應用場景，同時可以對控制方案和開停車方案進行驗證和優化，共計發現設計問題177條，邏輯及畫面問題856條，縮短現場DCS調試周期30%；

·成功舉辦兩屆“中國石油化工股份有限公司天津石化分公司‘朝陽工匠’競賽”，為企業培養選拔一批高技能人才，有效提升員工隊伍素質，推動企業技術創新和高質量發展。

3　應用創新性介紹

（1）跨終端無縫接入：通過企業內網、私有云或公有云靈活部署，解決傳統仿真培訓無法滿足大批量集中員工培訓的難題，基于瀏覽器（B/S）訪問，員工可隨時隨地進行培訓；

（2）DCS組態無縫遷移：直接導入現場DCS的工程文件，避免人工重建模型的誤差；支持HOLLiASMACS-K系列DCS的完整功能仿真，邏輯、畫面、報警、趨勢等操作習慣與真實現場100%一致；

（3）DCS閉環測試：在虛擬環境中模擬傳感器信號→DCS邏輯運算→執行機構動作的全流程，提前發現邏輯缺陷，驗證開停車方案；

（4）復雜工況的極限測試：主動模擬傳感器失效、閥門卡澀等異常，驗證控制系統的魯棒性，避免開車時對真實設備造成損壞；

（5）工藝邊界探索：測試開車/停車階段的極端參數（如最高裂解溫度、最低進料流量），優化安全閾值；

（6）調試-培訓一體化

·現場DCS調試期間，仿真系統可同步用于員工培訓，互不干擾；

·調試團隊驗證控制策略，操作團隊演練應急預案，縮短項目總周期。

4　市場前景及價值

（1）技術革新價值

·首創實現BS架構DCS全流程仿真的工業案例；

·推動流程行業調試-培訓一體化的數字化交付模式。

（2）行業推廣前景

·可在能源行業：火電、熱電、新能源、石化煉化、精細化工等流程企業進行復制推廣；

·預計可縮短同類項目工期30%~50%。

（3）經濟價值

·減少人員流失損失（注：損失高技能員工的平均經濟成本是該崗位一年薪酬的成本的213％）；

·提升操作員工藝理解、操作技能，保障平穩運行（注：以蒸汽為例，平穩運行可降低蒸汽能耗1噸/小時，則每年的直接經濟效益可達80多萬元）；

·熟悉安全規程，避免事故發生，減少安全風險（2020年化工行業連發79起事故，360人死亡，7748人受傷，一次事故/非停可引發上百萬的損失，極易造成不良的社會形象，影響深遠）；

·預防操作誤操作，減少設備損壞，降低維護成本和維修時間。（理想情況下設備故障率可降低20%，維護成本減少10%）；

·展示企業的技術水平和生產能力，提高企業形象。

（4）社會效益

·幫助企業節能增效，生產效率增長20%，降低單位能耗成本5%，減少資源消耗和能源消耗，降低企業的環境影響；

·培養高復合型流程行業人才，助力流程行業行業智能化轉型。

5　結語

和利時BS架構DCS直連仿真（HardLink）解決方案在天津南港乙烯工程的成功應用，不僅開創了流程工業“數字孿生、智能先行”的新范式，更彰顯了天津南港乙烯公司以創新驅動發展、以科技引領未來的思想先進性。通過深度融合B/S架構的靈活性與DCS直連仿真的高保真特性，該項目實現從調試到培訓、從邏輯驗證到工藝優化的全生命周期數字化賦能，為行業綠色低碳發展提供了可復制的典范。

作者簡介：

王　俊（1983-），女，陜西西安人，碩士，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真培訓系統的工程實施、技術開發、產品管理、技術支持工作。

劉　棟（1977-），男，河北張家口人，高級工程師，碩士，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責工業自動化、信息化以及智能化相關產品及工程應用的實施管理，新技術應用推廣，工業軟件市場營銷開拓以及相關設計、工程、營銷、服務管理工作。

趙　鍇（1987-），男，陜西西安人，工程師，碩士，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真系統的市場開拓、產品規劃、工程交付及業務管理工作。

劉　超（1988-），男，云南瀾滄人，現就職于杭州和利時自動化有限公司，負責工業自動化軟件及相關產品的研發管理，技術推廣應用及工業軟件工程應用的技術支持工作。

朱　鵬（1981-），男，陜西西安人，高級工程師，現就職于杭州和利時自動化有限公司，負責工業自動化軟件及相關產品的系統設計、技術開發及工業軟件工程應用的技術支持工作。

摘自《自動化博覽》2025年5月刊