OTS操作员培训仿真系统及应用技术分析

OTS操作员仿真培训系统介绍
1、操作员培训仿真系统的需求产生
作为迅速发展崛起的流程工业生产大国，中国的工业发展和产品产量已居世界前列，像是流程工业所涉及的石油、天然气、化工、钢铁、有色、建材、造纸等典型行业，在国际上具有举足轻重的地位。

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。

何为OTS?
OTS:Operator Training System, 即操作员培训系统，其核心是仿真模拟技术，即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。

这种仿真模拟技术可逼真地模拟工厂的开车、停车、正常运行和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。

为何需要OTS？
流程工业面临着几大问题：
人员安全：全球每年因化工事故造成的损失约4000亿元；
生产安全：全球每年因化工事故造成的损失约4000亿元；
操作安全：造成事故的原因，有75％是由于人员的误操作引起。

如果能够提高工厂内的操作员的安全意识，并且在开车、停车、故障、装置事故应急等各种情景下，能够迅速做出正确处理反应，则可以大大减少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。

2、操作员培训系统发展历程
操作员培训系统（OTS，Operator Training System）起源于计算机流程模拟技术的发展。

计算机流程模拟的第一代系统始于1958年，研发者为美国凯洛格公司、休斯顿大学和普渡大学，第一代系统尝试采用数学建模方法对特定流程进行模拟。

第二代系统始于1980年代的孟山都、布朗、洛克格、埃克森、模拟科学等公司的研究，第二代系统在数据库、数学模型以及解算策略等方面都有较大的提高。

第三代系统始于1990年代，除了具有完善的数据库系统、复杂而精确的数学模型外，还具有设备计算、经济评价、工况分析、优化等功能，它的研发者就是目前国内所熟悉的艾斯本技术（产品Aspen Plus）、英维思（产品SimSci）、霍尼韦尔（产品UniSim）和横河（产品OmegaLand）。

OTS系统是成熟的技术，在国外普及程度很高，和DCS系统一样，它属于建厂之初的标配，是新上线装置必配的系统。

但在国内认识程度还不高，最初只有少数几家大型的几家化工、石化、炼油企业在上OTS 系统，采用国外厂商霍尼韦尔、英维思、横河的OTS系统。

但由于这些国外OTS系统价格十分昂贵，很多企业无法承受，因此没能得到普及。

但随着国内OTS供应商的发展，比如杭州坤天自动化系统有限公司（产品奥秘仿真®），体现出价格优势和本地化服务优势，近年来更多的大中型生产型企业也在逐渐认识和认可OTS系统。

已经采用OTS系统的国内企业包括：中石化合资上海塞科90万吨/乙烯项目、中石油大连1000万吨/年炼油项目、神华宁煤煤制烯烃项目、华锦集团500万吨/年炼油项目、航天煤化工煤制烯烃项目、福建
炼化的聚丙烯芳烃等装置、中石油独山子石化苯乙烯等装置、中石油大庆炼化催化裂化等多套装置、内蒙古庆华集团有限公司己内酰胺项目、河南永煤集团龙宇50万吨煤制甲醇项目等。

可以预见将来会有更多的国内企业采用OTS系统为安全生产和员工培训服务，帮助员工熟悉工艺、熟悉控制系统，提高应急能力，提高生产效益等。

从OTS产品特点的角度分析，霍尼韦尔、英维思、横河等国外系统的共同点是有一个用于机理建模的平台（所谓机理建模，即遵从热力学原理和传热传质等化工基本原理；所谓平台是指它是一个软件系统，里面有很多热力学模型和单元设备机理模型等模型库），这种方式比较能保证OTS项目的实施效果和质量。

国内厂商为数不多的也是采用这种方式，比如杭州坤天的奥秘仿真®系统。

OTS项目实施是在一个建模平台上做工程，根据工厂现场实际定制仿真系统，需要收集工厂现场的PID 图、设计数据、岗位操作手册（开车过程、停车过程、故障处理）再建立仿真系统。

这种定制化的开发能保证企业的OTS系统是能针对性地为企业服务，包括培训新员工，帮助员工熟悉工艺、熟悉控制系统、提高应急能力，为生产安全和生产质量服务。

相信国内OTS技术会越来越发展，向国外系统看齐，加上价格和本地化的优势，使OTS系统在国内的应用更加普及，更多的生产型企业能用上OTS系统。

3、操作员培训系统的核心技术介绍
操作员培训系统（Operator Training System，OTS）的核心是仿真模拟技术，即在计算机上仿真模拟真实生产过程，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。

仿真相关的知识相信很多人是大牛，就不详述了。

只是想提醒一点，OTS 中的模拟与平时大家所用的ASPEN PLUS等设计软件中的模拟不同，前者是动态模拟过程，后者是稳态模拟过程。

为什么OTS需要动态模拟呢？因为OTS需要模拟开车、停车等岗位操作过程，因此必然需要关注时间这一维的影响。

因此OTS仿真与ASPEN PLUS类的软件不同，前者更注重动态的变化过程，后者更关注稳态的精度。

OTS怎么用？
OTS操作员培训系统一般有三方参与者：教师（教师大厅）、虚拟工厂（仿真服务器）、操作员（操作员站）；两种培训模式：教室模式和中控室模式。

以杭州坤天自动化系统有限公司的OST仿真培训系统奥秘仿真®为例：
教师大厅上可以完全监控学员的情况、控制和引导学员的操作。

仿真服务器作用是运行作为“虚拟工厂”的仿真模型，仿真模型是在建模平台（奥秘仿真®）上建立的基于严格机理的动态模型，能高精度地模拟工厂的生产流程，并模拟开车、停车、各种故障处理过程。

仿真服务器能够自动运行仿真模型，最终用户不需要关心任何建模的过程和形式。

操作员站一般为客户提供两类产品选择：一类是真实的DCS操作员站软件，另一类是仿DCS的HMI 组态软件。

前者的优势是操作员站能够真实再现工厂中控室的情形，让学员有身临其境的真实感觉。

后者一般需要符合工业标准OPC协议。

从培训模式的角度讲，仿真系统同时具备两种培训模式：教室模式和中控室模式。

教室模式下，每台操作站单独训练，多台操作站之间不产生任何关联。

通过教师大厅查看和控制每台学员在操作站上的培训考评情况。

这种适合学校教学使用。

中控室模式下，通过Server和Client组件的登陆方式，任意组合某几台操作站形成局域网，使这几台操作站的学员协同操作同一任务，相互合作完成某个诸如开车、停车或故障处理的培训任务。

比如，指定仿真培训室第一排6台操作站的学员协作完成煤气化的冷态开车操作。

这种仿工厂中控室的模式适合企业使用。

OTS仿真系统的培训功能如下，主要是为满足培训需求：
▪模型选择
▪冻结和取消冻结
▪初始状态选择
▪快照／回溯
▪故障功能
▪远程功能
▪加快和减慢模型操作
▪报警功能
▪自动化的培训练习或情景
▪操作员培训绩效监控
▪操作员培训绩效考评
OTS能定制吗？
杭州坤天自动化系统有限公司提供的工厂OTS系统定制就是针对企业实际的生产过程进行定制的服务，企业需要提供PID图、工艺设计数据以及岗位操作手册，以方便定制本企业实际所需的OTS系统。

工厂定制的OTS系统定制流程一般有：
1 开工会前的工作
2 开工会
3 数据处理
4 建模
5 模型测试（MAT）
6 系统集成
7 系统测试
8 出厂验收测试（FAT）
9 现场验收测试（SAT）
10 培训
11 文档发布
4、如何选择 OTS？
从OTS产品特点的角度分析，霍尼韦尔、英维思、横河等国外系统的共同点是有一个用于机理建模的平台（所谓机理建模，即遵从热力学原理和传热传质等化工基本原理；所谓平台是指它是一个软件系统，里面有很多热力学模型和单元设备机理模型等模型库），这种方式比较能保证OTS项目的实施效果和质量。

国内厂商为数不多的也是采用这种方式，比如杭州坤天的奥秘仿真®系统。

奥秘仿真®系统框架主要包括：模型设计器、场景设计器、客户端、受训人员站及教员站等。

奥秘仿真®系统的核心是全流程建模仿真平台软件。

提供直观、友好且功能强大的图形用户界面，它以开放的模型数据作为主要理念，提供灵活、稳定、开放和可升级的结构。

强大的组份数据库、热力学模块、设备模型库，为操作员培训系统提供精确而可靠的动态模拟。

模型设计器是基于严格机理的组件模型，并对其动态精度进行了实时优化。

充分利用经过验证的单元模型对整体流程进行建模和仿真。

可将过程模型与真实DCS/PLC的仿真模块相接合，以仿真实的控制系统。

基于机理和经验模型的混合建模仿真系统，帮助学员全面地熟悉生产装置和工艺，掌握动态工艺特性，积累操作经验，提高处理异常事故的能力，保证生产装置的顺利运行，维护正常的生产操作。

模型设计器平台不是一般意义上的稳态过程模拟而是全面的动态过程模拟。

基于精确的热动力学方程和传质动力学模型，可作为一套可以帮助工程师研究探索工艺过程、进行工况研究、发现工艺瓶颈、寻找最佳操作程序、进行故障分析和控制策略研究的工具，也可作为帮助工厂操作人员积累操作经验、熟悉工艺、提高操作技能的培训工具。

稳态模拟与动态模拟的区别？
稳态模拟和动态模拟可能大家用的最多的还是稳态流程模拟（软件例如Aspen plus, ProⅡ），而相对比较少有人有用到动态流程模拟（例如Hysys、Aspen Dynamic、坤天奥秘），网上相关资料也比较欠缺以下就三方面来介绍一下稳态和动态模拟的区别：
1、概念
稳态：模拟一种稳定的状态，模拟得到不随时间而变化稳定运行的模拟结果。

动态：模拟一种变化的状态，模拟得到的结果是随时间而变化的过程。

2、设计原理
稳态：质量守恒、能量守恒、相平衡。

稳态的守恒即“进=出”。

动态：压力流量关系、质量恒算、能量恒算。

动态的质量衡算和能量衡算有一个累积量的概念，与时间相关，例如容器的液位就是累积量的一个表现。

另外，由于动态模拟引入了时间的概念，压力、温度、液位、相浓度都会随着时间的变化而变化。

3、应用方向
稳态：稳态软件适用于工艺设计和优化，允许用户方便的对工艺过程的质量守恒和能量守恒进行分析和检验。

动态：动态软件适合于动态效果的观察与评价、开车或停车等变化过程的模拟以及控制方案和效果的检验。

具体应用比如OTS（操作员培训系统）、CPM（控制性能管理系统）、热力管网分析、装置KPI预测系统等。

还来不及享受美丽的锦瑟华年，就已经到了白发迟暮，一生匆匆而过。

生命，就是这样匆匆，还来不及细细品味，就只剩下了回忆。

生命匆匆，累了就选择放下，别让自己煎熬痛苦，别让自己不堪重负。

放下该放下的，心才会释放重负，人生才能安然自如。

人生就是一个口袋，里面装的东西越多，前行的脚步就越沉重。

总觉得该得到的还没有得到，该拥有的却已经失去，苦苦追寻的依然渺茫无踪。

心累，有时候是为了生存，有时候是为了攀比。

只有放下羁绊前行脚步的重担，放下阴霾缭绕的负面情绪，才能感受到“柳暗花明又一村”的豁然开朗，领悟到“一蓑烟雨任平生”的超然物外。

人生本过客，何必千千结。

不是所有的相识都能地久天长，不是所有的情谊都能地老天荒。

有些人终究是走着走着就散了，成为我们生命中的过客。

爱过，恨过，都会装点我们原本苍白的人生，感谢曾经在我们生命中出现过的人。

如果无缘继续红尘相伴，就选择放下吧，给自己和对方都留一段美好的回忆和前行的空间。

鱼总是自由自在地在水中快乐游弋，是因为鱼只有七秒钟的记忆，只在一瞬间，鱼便忘记了所有的不愉快。

所以，忘记所有的不愉快，才能为美好的情绪留出空间，才能让心情灿然绽放。

林清玄说：一尘不染不是不再有尘埃，而是尘埃让它飞扬，我自做我的阳光。

是呀，世事喧嚣纷扰，放下纷扰，做一个阳光快乐的人，做自己快乐的主人！。