模拟器,优化器

的国家标准与技术研究所(NIST)和异常情况管理(ASM)联盟估计，美国流程工业每年因异常情况损失超过200亿美元。他们已经确定50%的异常情况是由工厂人员的人为错误直接造成的。

异常情况需要最大限度的操作员技能、知识和批判性思维。这包括在高压力下以最佳方式完成不频繁任务的能力。根据美国化学品安全委员会的说法，工厂启动期间发生事故的可能性是正常运行期间的10倍。

尽管异常情况造成了重大损失，但工艺制造商在启动、关闭和其他操作场景中仍然依赖操作员的干预。培训是减少这些损失的基础，然而，标准的课堂教学或在职培训是不够的。知道在不正常的情况下该做什么是一回事;发现问题，确定适当的应对措施，然后在适当的时间内采取行动则完全是另一回事。

背景

无论是在新工厂还是现有工厂，工业设施都需要考虑在其培训计划中使用操作员培训模拟器(OTS)。由于公司失去了退休的操作员，剩下的员工可能很少或根本没有处理周转或异常情况的经验。先进过程控制(APC)的使用增加也使面板操作员进一步远离过程控制。当异常情况出现时，操作员不仅要考虑过程响应，还要考虑复杂的控制策略将如何影响给定的情况，并采取相应的行动。

行业经验表明，一个真实的OTS模型为工厂人员提供了最好的培训环境。这些先进的系统看起来和感觉起来就像一个真正的工厂，具有与现场流程相同的动态。OTS是有效培训操作人员的关键——验证程序和缩短启动时间——从而提高盈利能力。该解决方案特别适用于在新建设施或改造工厂投入运行之前进行分布式控制系统(DCS)和紧急关闭(ESD)检查。

操作人员培训OTS的实施因行业而异，因公司而异。一些工厂的操作人员培训完全基于课堂和在职培训。其他人则使用高保真模拟器支持的课堂训练。有些人每年最多训练几天，而另一些人则进行大量训练。

在大多数情况下，不使用训练模拟器的OJT是不够的，因为只有在训练期间发生的启动、关闭和危险条件才会被覆盖。培训通常在有经验的操作员接管所需的操作并控制过程后进行。这种事后处理的方法可能会妨碍对行动和假设情景的详细讨论。此外，受训者可能没有机会自己执行关键任务，并且在以后的时间内不能重复操作。

典型的挑战

早在1983年，凯洛格和埃克森美孚就在AIChE氨厂安全会议上发表了关于使用OTS进行操作员培训的论文。尽管已经有其他关于成功的绿地氨创业公司的报告，但在许多新项目中，这些系统并不被认为是必要的。众所周知的技术、严格的QA/QC程序和详细的调试计划通常是成功项目的关键。

尽管需要对OTS的好处有更多的认识，但操作员培训模拟器在新项目中很容易得到证明——更短的调试和启动时间等同于早期的正现金流。实际上，OTS解决方案的实施是一个简单的风险管理决策，其基本原理是在调试或启动过程中延迟几天来支付系统费用。

对于棕地项目和现有设施，OTS系统可能更难证明其合理性。对训练模拟器的投资通常是基于事故成本避免的估计。在这种情况下，OTS的好处被认为是“软的”，因为它们没有提供一个明确定义的结果，比如产量的增加。尽管OTS被公认为最佳实践，但大多数现有工厂并不投资于该技术。

投资OTS的绿地项目通常不会在电站的生命周期内继续支持该资产。成本是一些设施停止使用OTS的主要原因。此外，可能没有足够的资金来维护OTS模型，或者模型变得过时，不能足够接近地模拟真实的工厂。在某些情况下，一旦工厂开始运营，培训计划的成本就被认为是可消耗的。

现实世界的经验

Agrium是一家主要的农产品零售商是全球农业营养品批发生产商和销售商，也是专业肥料的领先供应商。Agrium生产和销售所有四种主要营养素:氮、磷酸盐、钾肥和硫，以及控释肥料和微量营养素。

Agrium是北美几家氨厂的所有者/运营商，其中一家位于加拿大阿尔伯塔省的红水镇，位于埃德蒙顿东北约45公里处。该设施最初由埃克森公司(Exxon Inc.)的子公司帝国石油公司(Imperial Oil Ltd.)所有。红水氮肥公司是Agrium最大的氮肥生产商。其产品包括:氨、硝酸铵、硫酸铵、UAN(尿素硝酸铵)溶液、尿素。该工厂的氨生产能力为96万吨(25万吨净)，总氮生产能力为136.5万吨。

1983年，Agrium红水工厂的一个新的氨工厂使用了埃克森开发的OTS进行初始启动。OTS在MicroVAX计算机上运行，并使用DCS硬件进行人机界面(HMI)。原始OTS模型的范围仅限于基本控制、因果关系和紧急扰动训练。

对于Agrium来说，在初始启动期间使用窄范围OTS的好处非常大，因此模拟器扩展到包括启动和关闭。该系统被用于培训新的面板操作员数年，但最终由于缺乏模型支持、技术过时和DCS设备的清除而被废弃。

1998年，红水工厂申请资金，以更新的现代培训解决方案取代现有的OTS。该项目被视为全公司所有氨厂的积极举措。战略制定于2001年初开始，但不幸的是，投资资本限制推迟了接下来四年的工作。在此过渡期间，由于该地区大量的升级和炼油项目，该厂经历了面板运营商的加速周转率。

OTS项目最终在2007资本年度获得批准。开发团队的一个关键目标是设计一个不会因为模型设计不佳或技术过时而被废弃的模拟器。开发过程并非没有挑战:初步的模拟模型按时交付，但详细的调优花费的时间比预期的要长。此外，为了满足经验丰富的操作员的期望，建模细节的水平比预期的要高。

证明项目

在氨厂的情况下，集成的热回收和工艺再循环使其成为使用OTS的理想候选。启动过程很长，需要多个流程单元并行启动。操作人员还必须监控许多变量的状态，下游工艺条件会影响上游操作。

综合氨/尿素/公用设施工厂可以使用综合模拟器模型，允许不同装置的操作人员在联合启动期间同时进行培训，共享公用设施和中间设备。

作为Redwater工厂OTS开发项目的一部分，高管们要求进行一项研究，以确定agrium范围内操作人员培训模拟策略的运营效益和经济效益。回顾红水的历史表现(见图表):

• 在业绩好转后的一年内计划要素改善;
• 计划因子逐年下降，直到下一个周转年，周转年的计划因子最低;而且
• 增加的进度因子随着更长的周转周期而下降。

对停机数据和事件报告的进一步分析揭示了时间表因素模式的有趣原因:

• 周转后重新启动机组时遇到的困难、问题和挫折;而且
• 当周转时间变长时，不能正确地对中断作出反应。

Agrium认为，日程因素模式的两个原因都是由于缺乏在启动、关闭和异常情况管理方面的实践。在回顾了历史工厂性能数据后，Agrium使用以下方法来证明其OTS投资的合理性:

• 由人为错误引起或加剧的一半事故将被避免;
• 四分之一因人为错误而加剧的事故将得以避免
• 典型启动时间将减少10%。

这些预测应用于五年期间的停机事件数据，以量化平均一年的潜在效益。人为错误不是一个因素(或不确定)的事件不包括在分析中。降级事件没有被考虑在分析中，即使人为错误在事件中发挥了作用。

培训策略

为了有效，操作员培训计划必须高度结构化，旨在解决重要问题，如有效的故障排除，工厂启动，关闭和异常情况管理。它还应包括正常操作条件下的设备故障和启动/关闭程序。

应要求参与操作员培训的人员:

• 检查启动前检查清单;
• 保存学员日志，记录培训期间的活动;而且
• 使用以前会话的日志来回顾当前的模拟状态，从而模拟换班沟通。

重要的是OTS与实际工厂环境的变化保持同步，并纳入变化管理(MOC)的步骤。系统的设计应确保工厂过程、控制、联锁系统等的变化及时地纳入模拟。

一个培训项目通常需要一个全职的培训师来达到预期的效果。经验丰富的操作员可以传授专业知识，在运营团队中有信誉，可以培训其他操作员，最好地履行这一职责。培训师应鼓励使用OTS作为持续学习的工具。当遇到新的场景和异常情况时，应将其添加到操作员培训课程中。

将模拟器放置在控制大楼内的房间内也是一个很好的做法，这样操作员可以在稳定运行期间使用它进行复习训练或尝试各种异常情况的策略。

维护OTS价值的另一种方法是使用它来分析和验证新过程和“假设”场景。工厂人员还可以在模拟器上开发和验证控制策略。

最重要的是，包含OTS的培训计划的成功取决于长期的管理承诺和维护和增强系统所需的资源。模拟器不能仅仅被视为削减成本的目标。

经验教训

Redwater氮气业务公司在加拿大艾伯塔省Redwater的氨厂实施了先进的操作员培训模拟器，从中获得了许多有价值的见解。重要的“经验教训”包括:

• 业主/操作员对模型测试的协助将有助于确保最终产品与实际工厂相匹配;
• 项目一开始就需要业主100%的投入和参与;
• 现场设备、控制阀、DCS、联锁逻辑数据必须准确详细;
• 业主应在完成功能需求文件(FRD)前自学;
• 在进行模型试验前，应安装DCS控制和报警装置;
• 尽早实施控制和报警，确保模型试验的效率;
• 确保工厂验收测试(FAT)的参与者理解不允许“变通”;而且
• 在选择承包商时进行客户面谈，不要只根据价格进行选择。

在阿格里姆位于阿尔伯塔省红水市的工厂中，操作员培训模拟器被公认为是培训控制室面板操作员应对异常情况和其他“真实世界”工厂场景的最佳实践。处理操作可以通过详细的事件分析确定在操作人员培训计划中实施OTS的经济理由。这些研究将证明，OTS解决方案即使对现有的生产设施也具有显著的运营和经济效益。

Al Roe和John Mason, Agrium Inc.;何塞•阿拉莫霍尼韦尔过程解决方案．

www.asmconsortium.com

www.agrium.com

www.honeywell.com/ps

www.nist.gov