仿真技術與化工職業(yè)培訓及技能鑒定.ppt

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- 1 -,,仿真技術與化工職業(yè)培訓及技能鑒定,- 2 -,,仿真技術與化工職業(yè)教育,仿真系統的概念與發(fā)展歷史 go 仿真系統的常見結構 go 化工仿真系統在培訓及技能鑒定中的應用 go 企業(yè)仿真培訓基地建設的典型實例 go 未來化工仿真系統的發(fā)展趨勢 go 國家及工業(yè)企業(yè)對技能大賽的關注 go,- 3 -,仿真技術基本概念,仿真技術,實際系統 或假想系統,數學模型,仿真系統,,,,,,建模,軟件化（仿真）,基本概念： （1） 系統：具有完整功能，內涵 明確、邊界清晰 過程系統：連續(xù)性系統（對應離散系統而言） （2）數學模型：數學表達式的集合 （3）仿真系統：實物仿真(物理)、半實物數字仿真、數學仿真（軟件為核心） （4）系統軟件設計、編程：數學模型、人機界面、軟件管理 （5）建模:：建立描述某系統的完整教學模型 目的不同 數學模型不同 數學模型 演繹成可求解的程度（仿真模型） （6）軟件化（仿真）：需求分析 系統分析 （軟件）設計 編程 調試與測試,,,,,,,,,,- 4 -,,使用項目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉化為它們對目標的影響，該影響是在項目整體的層次上表示的。項目仿真利用計算機模型和某一具體層次的風險估計，一般采用蒙特卡洛法進行仿真。 利用模型復現實際系統中發(fā)生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統，又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數學的，靜態(tài)的和動態(tài)的，連續(xù)的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統,也包括社會、經濟、生態(tài)、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計算機。仿真與數值計算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實驗技術。仿真過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。,- 5 -,,簡史 20世紀初仿真技術已得到應用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技術的發(fā)展推動了仿真技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為仿真技術提供了先進的工具，加速了仿真技術的發(fā)展。 利用計算機實現對于系統的仿真研究不僅方便、靈活，而且也是經濟的。因此計算機仿真在仿真技術中占有重要地位。50年代初，連續(xù)系統的仿真研究絕大多數是在模擬計算機上進行的。50年代中，人們開始利用數字計算機實現數字仿真。計算機仿真技術遂向模擬計算機仿真和數字計算機仿真兩個方向發(fā)展。在模擬計算機仿真中增加邏輯控制和模擬存儲功能之后，又出現了混合模擬計算機仿真，以及把混合模擬計算機和數字計算機聯合在一起的混合計算機仿真。在發(fā)展仿真技術的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。70年代后期，還研制成功專用的全數字并行仿真計算機,- 6 -,,分類 仿真可以按不同原則分類：①按所用模型的類型（物理模型、數學模型、物理－數學模型）分為物理仿真、計算機仿真（數學仿真）、半實物仿真；②按所用計算機的類型（模擬計算機、數字計算機、混合計算機）分為模擬仿真、數字仿真和混合仿真；③按仿真對象中的信號流（連續(xù)的、離散的）分為連續(xù)系統仿真和離散系統仿真；④按仿真時間與實際時間的比例關系分為實時仿真（仿真時間標尺等于自然時間標尺）、超實時仿真（仿真時間標尺小于自然時間標尺）和亞實時仿真（仿真時間標尺大于自然時間標尺）；⑤按對象的性質分為宇宙飛船仿真、化工系統仿真、經濟系統仿真等。,- 7 -,,仿真實驗 通過實驗可觀察系統模型各變量變化的全過程。為了尋求系統的最優(yōu)結構和參數，常常要在仿真模型上進行多次實驗。下圖為某工程系統仿真的流程圖。在系統的設計階段，人們大多利用計算機進行數學仿真實驗，因為修改、變換模型比較方便和經濟。在部件研制階段，可用已研制的實際部件或子系統去代替部分計算機仿真模型進行半實物仿真實驗，以提高仿真實驗的可信度。在系統研制階段，大多進行半實物仿真實驗，以修改各部件或子系統的結構和參數。在個別情況下，可進行全物理的仿真實驗，這時計算機仿真模型全部被物理模型或實物所代替。全物理仿真具有更高的可信度，但價格昂貴。(上海仿真工廠）,- 8 -,,仿真工具 主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機。用于仿真的計算機有三種類型：模擬計算機、數字計算機和混合計算機。數字計算機還可分為通用數字計算機和專用的數字計算機。模擬計算機主要用于連續(xù)系統的仿真，稱為模擬仿真。在進行模擬仿真時，依據仿真模型(在這里是排題圖)將各運算放大器按要求連接起來，并調整有關的系數器。改變運算放大器的連接形式和各系數的調定值，就可修改模型。仿真結果可連續(xù)輸出。因此，模擬計算機的人機交互性好，適合于實時仿真。改變時間比例尺還可實現超實時的仿真。60年代前的數字計算機由于運算速度低和人機交互性差，在仿真中應用受到限制?，F代的數字計算機已具有很高的速度，某些專用的數字計算機的速度更高，已能滿足大部分系統的實時仿真的要求，由于軟件、接口和終端技術的發(fā)展，人機交互性也已有很大提高。因此數字計算機已成為現代仿真的主要工具?；旌嫌嬎銠C把模擬計算機和數字計算機聯合在一起工作，充分發(fā)揮模擬計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優(yōu)點。但這種系統造價較高，只宜在一些要求嚴格的系統仿真中使用。除計算機外，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環(huán)境仿真器等。仿真軟件包括為仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數據庫為核心的仿真軟件系統。,- 9 -,,應用和效益 仿真技術得以發(fā)展的主要原因，是它所帶來的巨大社會經濟效益。50年代和60年代仿真主要應用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術領域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術使大型客機的設計和研制周期縮短20％。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員，不僅節(jié)省大量燃料和經費（其經費僅為空中飛行訓練的十分之一），而且不受氣象條件和場地的限制。此外，在飛行仿真器上可以設置一些在空中訓練時無法設置的故障，培養(yǎng)飛行員應付故障的能力。訓練仿真器所特有的安全性也是仿真技術的一個重要優(yōu)點。在航天工業(yè)方面，采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80％。在電力工業(yè)方面采用仿真系統對核電站進行調試、維護和排除故障，一年即可收回建造仿真系統的成本?，F代仿真技術不僅應用于傳統的工程領域，而且日益廣泛地應用于社會、經濟、生物等領域，如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控制等。對于社會經濟等系統，很難在真實的系統上進行實驗。因此，利用仿真技術來研究這些系統就具有更為重要的意義。,- 10 -,仿真技術的應用,仿真技術應用,輔助訓練與考核,輔助設計,輔助研究,輔助生產與制造,娛樂,軍 事,航空航天,核電火電,石油化工,職業(yè)教育,航空航天,工業(yè)民用,醫(yī)學藥學,航空航天,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,核試驗,- 11 -,石化仿真系統的結構體系,,,控制室,生產裝置,操作員 （觀察、分析、判斷、操作）,,,,,,操作 信息,生產 信息,內操,外操,事故干擾,仿“控制室+現場操作” 軟件,操作員 （觀察、分析、判斷、操作）,,內操,仿工藝生產過程軟件,教員,,事故干擾 培訓指令,,,仿生產 信息,操作 信息,實 際 生 產 過 程,仿 真 系 統 過 程,外操,操作評價 系統軟件,,- 12 -,石化仿真系統的發(fā)展歷程,,網絡化，3D化發(fā)展,- 13 -,石化仿真系統特點與應用,石化仿真系統,1、新型、高技術培訓手 段，提高培訓效果，節(jié)省 培訓費用，縮短培訓時間,3、對新裝置開停工進行 預培訓，使操作人員快速 掌握開工操作技能。,4、使操作人員深刻理解工藝機理，掌握復雜裝置的操作調控技能，熟悉事故和突發(fā)事件的處理方法。,6、滿足在線技能考核的 需要。比單純的理論考 試和人為打分的實物操 作考試有自身的優(yōu)勢。,2、解決人人動手的問 題。沒有操作風險， 沒有損耗，可以模擬 真實的操作環(huán)境。,5、使操作工熟悉DCS操作，將工藝培訓、設備培訓和自動化培訓整合在一起,,- 14 -,,教師指令臺,仿真計算機,打印機,,,,,,,,,學生站、仿DCS操作站,以前：局域網 未來：internet,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,模擬操作盤或其他硬件,“東方仿真”的硬件具有良好的通用性，對于不同的仿真培訓系統，硬件相同 “東方仿真”的仿真系統具有“獨立培訓和聯合培訓”兩種模式，可隨意分配與組合,石化仿真系統硬件結構,- 15 -,石化仿真系統硬件結構,,教師指令站,,,學員操作站,,,- 16 -,,石化仿真系統國內外比較,- 17 -,石化仿真系統軟件結構,工藝算法模型,- 18 -,,石化仿真系統軟件結構——操作界面,2、仿DCS操作界面,仿真系統: 仿TDC300系統和仿CS系統,- 19 -,仿DCS及仿現場軟件,流程現場操作界面仿真效果,仿真系統結構——操作界面,- 20 -,操作指導評價系統,特點： 無需編程，用戶組態(tài)。 在線指導。 在線評判。 適用開停車及事故處理。,,仿真系統結構——操作評價系統,- 21 -,操作指導評價系統,,為中海油的采油平臺工藝仿真配套在線評價系統: 操作指導隨仿真軟件在線運行。 實時打分 成績可上傳教師指令站。,仿真系統結構——操作評價系統,- 22 -,仿真系統結構——教師指令站,石化仿真教師指令站（考核模塊）,自定義常規(guī)項目,文字考題,事故自定義：特定事故、設備事故、 通用事故,事故處理,生成培訓項目和考卷 （中石油中石化技能大賽考卷）,隨機事故,,,,,,,,,,,開、停車,- 23 -,總體監(jiān)控軟件（教師站管理系統）,主要功能： 啟動/終止學員站軟件 設定培訓項目 授權學員站 快門存/取 成績統計 臨時故障設置 考核管理 考試的策略管理。,,仿真系統結構——教師指令站,,- 24 -,石化仿真系統在企業(yè)用戶中的應用分類,化工仿真系統,針對性開發(fā)裝置,多媒體素材庫,裝置級,單元級,特點：針對性強，投資大、開發(fā)周期長、需要技術人員及資料配合,應用：裝置開工前的開停工、典型重大特定事故的處理技能培訓考核,特點：具有同類裝置的一定共性，投資小、周期短，培訓考核項目多,應用：開停工、典型重大事故處理，側重通用事故；企業(yè)技能競賽,特點：通用性非常強，、覆蓋的工藝內容廣泛、仿真詳細程度高、投資小，周期短。,應用：初、中級及新入廠工人以及職業(yè)學校的技能培訓、考核,,,,,,,,,,,,通用產品,化工工藝、設備、儀表等多媒體素材庫 事故案例培訓,應用：應知理論和應會技能培訓 安全知識與事故案例培訓,,,,- 25 -,典型工業(yè)企業(yè)用戶的仿真系統建設模式,典型仿真基地建設模式,三、合作定制開發(fā)仿真軟件。 合作定制或深度介入開發(fā)仿真系統 有些用戶會有仿真硬件和虛擬裝置的開發(fā)要求,一、應知理論部分： 購買素材庫、課件，建立網絡課程平臺等,二、通用應會技能培訓部分 選擇購買裝置級、以及工業(yè)單元級仿真軟件產品（通用典型工藝單元）,- 26 -,應知理論培訓內容:,應知理論培訓,,石化仿真系統軟件在企業(yè)培訓中的應用,- 27 -,石化仿真系統軟件在企業(yè)培訓中的應用,單純的多媒體交互形式（課件）,- 28 -,石化仿真系統軟件在企業(yè)培訓中的應用,為西南油氣田公司開發(fā)的網絡課程及平臺,目前已經開發(fā)： 采氣工 輸氣工 采油工 凈化分析工 凈化運行工 等多門網絡課程,- 29 -,石化仿真系統軟件在企業(yè)培訓中的應用,通用產品——小型實驗裝置仿真軟件,小型中試裝置仿真軟件,- 30 -,石化仿真系統軟件在企業(yè)培訓中的應用,通用產品——儀器類仿真軟件,分析儀器仿真軟件（儀器面板類仿真）,- 31 -,為煉化行業(yè)開發(fā)的典型單元仿真軟件,,,石化仿真系統在企業(yè)培訓中的應用,- 32 -,石化仿真系統在企業(yè)培訓中的應用,單元仿真適應性強，符合煉化行業(yè)初級培訓的要求,多年積累 17個不同單元 涵蓋化工流程各個方面。,- 33 -,大工段仿真軟件—煤化工,煤化工相關： 合成氨合成工段 甲醇合成工段 （TDC3000系統）,石化仿真系統在企業(yè)培訓中的應用,- 34 -,大工段仿真軟件—有機/無機化工,化工相關： 醋酸工藝仿真 丙烯酸酯工藝仿真,石化仿真系統在企業(yè)培訓中的應用,- 35 -,大工段仿真軟件—石油化工,石油加工相關： 乙烯工藝 催化裂化工藝仿真,石化仿真系統在企業(yè)培訓中的應用,- 36 -,使用石化仿真系統的企業(yè)用戶,為什么仿真軟件在不同的企業(yè)有不一樣的使用率和使用效果，我們認為仿真系統應該起到的作用如下：,1、工程上的讀圖繪圖能力。尤其是PID圖和PF圖。 2、工藝和自動化的結合能力。 3、建立工程理論概念：最基礎的三傳一反，尤其是物料平衡表和上下游的流程概念。 4、將理論概念聯系實際操作。例如：離心泵前有帶壓罐，結合氣蝕氣附現象。 5、掌握系統調節(jié)的思路和方法。例如：精餾單元多種方法可以調解塔頂壓力，如何選擇。 6、掌握判讀系統故障的思路和常見方法。安全第一，速度第一。,- 37 -,典型企業(yè)仿真培訓機房——帶專用鍵盤,- 38 -,典型企業(yè)仿真培訓系統（帶硬件）,煉油廠催化裂化仿真培訓系統 化肥廠合成氨仿真培訓系統 石化廠乙烯裂解仿真培訓系統,,,,- 39 -,烏石化仿真培訓基地,- 40 -,工業(yè)用戶培訓基地建設,帶工業(yè)儀表盤的班組模式仿真系統,配合模式操作 有工業(yè)儀表盤 可以切換不同的工 業(yè)流程。,- 41 -,帶工業(yè)儀表盤的班組模式仿真系統,,工業(yè)用戶培訓基地建設,- 42 -,半實物的大型的仿真工廠—— 上海華誼集團培訓中心,等比例縮小的裝置 模型 現場閥門、儀表、 動力設備齊全。 真實模擬工業(yè)現場 操作環(huán)境。 團隊操作，分內操 、外操。,工業(yè)用戶培訓基地建設,- 43 -,半實物的大型仿真工廠——上海華誼集團培訓中心,,,工業(yè)用戶培訓基地建設,- 44 -,未來石化仿真系統的發(fā)展趨勢,不再是單純的工藝仿真軟件。仿真軟件只是整個培訓環(huán)節(jié)的一種應用形式，應該和理論課件、現場錄像、標準化問答題、專業(yè)教材、講義整合在一起。 網絡化應用（網絡化參與、網絡化獲得、網絡化運行）。 × 大家都是內容的提供者，便于企業(yè)的知識歸納和沉淀。 × 用戶可以靈活的租用軟件，而不一定購買。 × 滿足培訓中心對外臨時舉辦培訓/鑒定班的軟件應用需要。 × 類似網絡游戲模式的應用。滿足跨地區(qū)的培訓，考核， 網絡對抗訓練等。 界面3D化，逼真化。不僅僅是模擬工藝DCS界面，需要更多的真實現場界面。,- 45 -,未來石化仿真系統的發(fā)展趨勢,網絡上的培訓大廳,每個大廳提供不同的培訓內容,- 46 -,未來石化仿真系統的發(fā)展趨勢,軟件獲得由網絡下載， 在線激活， 靈活租用。,- 47 -,未來石化仿真系統的發(fā)展趨勢,工業(yè)現場照片 3D制作的虛擬場景,,- 48 -,全國石油和化工職業(yè)院校學生技能大賽,從2005-2007連續(xù)3屆 仿真作為工藝操作考核模塊得到認可 在線評價系統客觀、公正、便捷。,- 49 -,全國石油和化工職業(yè)院校學生技能大賽,逐步發(fā)展： 從固定考題向組合考題發(fā)展。 從單純工藝仿真向理論問答結合工藝仿真發(fā)展。 從不可改變事故向隨機事故發(fā)展。,- 50 -,全國石油和化工職業(yè)院校學生技能大賽,未來發(fā)展： 向網絡化仿真發(fā)展。滿足進行網絡上的仿真操作對抗。（網游模式） 從單元仿真向流程級仿真發(fā)展。單人操作向團隊聯合操作發(fā)展。 更逼真的隨機事故，更加貼近工業(yè)現場。,- 51 -,2006年度全國石化行業(yè)技能競賽,,企業(yè)也同樣重視技能大賽。 中石油、中石化聯合搞得技能大賽。,- 52 -,2006年度全國石化行業(yè)技能競賽,中石油、中石化聯合搞得技能大賽同樣包括仿真，占30%的成績。,- 53 -,2006年度全國石化行業(yè)技能競賽,