在整个工厂生命周期中利用过程模拟

数字转型正在迅速影响碳氢化合物加工行业。根据埃森哲的研究报告，高达60％的炼油业务在2018年的数字技术上花费更多关于数字技术的数字技术，并缺乏数字解决方案，这是埃森哲的研究报告的缺乏数字解决方案。虽然正在开发新的软件和硬件来解决这种需求，但建立的策略也在数字革命中发挥着重要作用。该更改将在如何实现，部署和用于实现最佳工厂性能的这些工具（如操作员培训模拟器）。

几十年来，流程仿真一直是碳氢化合物行业的关键工具。从历史上看，模拟器已用于植物生命周期的两个关键阶段。在初始设计阶段，稳态模型使工程师能够设计和尺寸的钥匙设备，并确保满足热和材料余额。

在生命周期的后期，当工厂上线时，操作人员使用动态操作员培训模拟器(OTS)来培训新人员并更新经验丰富的工人的技能。这些活动发生在图1所示的植物生命周期的第3阶段，仅是第5阶段的一部分。这使得工程和操作的许多阶段没有模拟器的交互作用。

管理层可以在整个电厂生命周期内使用高保真模拟，通过将模拟器视为物理电厂的数字副本（不限于狭义用例）来产生最大的投资回报。计算技术的进步填补了设计和运行之间的空白，因此，具有最高保真度的完整电厂模型可同时用于工程研究和操作员培训。

为了弥补这一差距，工厂生命周期的更大比例进入范围，并释放了过程模拟器作为覆盖工厂从设计到运行的工具的潜力。

静态和动态仿真模型

在棕地和绿地项目的前端工程和设计（FEED）阶段，大量依赖静态过程模拟软件。综合电厂模型为工程师提供了限制设计工况和其他运行条件下热量和物料平衡的完整视图。此外，模拟软件用于进行可行性研究、评估不同的工艺配置和识别风险。工程师可以利用这些信息确保设计安全、符合环境法规，并最大限度地提高资产的运营和业务性能（见图1）。

一般来说，静态模拟是在植物生命周期的这一阶段最常用的工具。然而，动态模型对于可行性研究是有用的。成熟的仿真软件允许最终用户无缝地从静态模型迁移到动态模型。在这种情况下，构建初始模型所需的服务在FEED阶段提前执行。这意味着模拟器的好处可以在下游生命周期阶段以最小的服务投资实现。

利用仿真设计和过程自动化系统验证

静态模型确保在确定的稳态条件下运行，而动态模拟器允许工程师验证电站从黑启动到满负荷运行的每个点都能成功运行。一旦工厂设计完成，工程师就可以使用模拟器来确保设计符合目的，所有设备都能满足启动程序和操作顺序的要求。

通过在模型开发阶段遵循流程和机械数据表，最终用户可以确信模拟中的所有设备都与现场的物理设备相匹配。有了这些知识，工程师可以仔细检查工厂中的每一个设备，从单个管道段到复杂的多通道热交换器。此外，通过预编程模型场景的能力，工程师可以通过定义的操作程序持续运行工厂，并在工厂设计中使用增量更改检查过程响应。

虽然用模拟器检查工厂过程的好处是巨大的，但大部分价值是在与控制系统集成后实现的。在设计和测试控件之后，模拟器可以提供一个额外的过程自动化洞察层。大多数现代控制系统具有模拟数值的能力，因此可以在控制回路上进行基本的测试。然而，高保真度模拟器提供了几乎不可能用经验相关性复制的真实过程响应。

复杂的建模软件基于首要原则，从而对无数“假设”场景提供了有意义的见解。控制装置将接受更先进的测试，该测试将与电厂的实际响应更为一致。这使得工程师能够在设计阶段的早期发现潜在问题，然后再花费大量时间进行纠正。

安全系统的验证和设计是任何新设施调试的关键部分。所有生产企业的目标都是尽量减少现场发生的安全事故。然而，现实是，安全系统很少被使用，可能需要数年的时间才能发现有缺陷的设计或程序。

模拟器提供实时过程响应，允许用户在异常操作条件下仔细检查和剖析安全方案。使用定义的操作场景，用户可以在各种异常情况下运行电厂，例如：压缩机喘振、减压/燃烧事件和电厂总停堆。这允许一个迭代过程，其中安全系统不断测试和升级，以确保考虑到所有可能的结果。一旦提出变更，危害与可操作性（HAZOP）团队可使用模拟器支持研究并调查计划设计的完整性。

在虚拟环境中进行电厂调试和启动

虽然模拟器不会有助于构建新设施，但工程人员可以在此期间继续使用模拟器，以确保调试和启动（CSU）尽可能平滑。从工艺设备到控制和闹钟的许多工厂都是第一次锻炼其全部功能。因此，在此期间发现许多不可预见的问题，这需要立即注意避免冗长和昂贵的延迟。

但是，通过在虚拟环境中执行CSU，可以提高CSU期间面临的问题。涉及所有关键利益相关者的虚拟调试和启动（VCSU）将揭示许多缺陷，并允许它们以及时和控制的方式纠正。例如，VCSU为工程师提供了测试详细启动过程的机会，完全锻炼分布式控制系统（DCS）人机界面（HMI），验证报警抑制和调谐生命控制循环。这些活动中的许多活动通常都挤进了一个已经紧密的创业计划，留下了误差的小空间。第二层验证确保了交付给操作的资产已在镜像现实生活的环境中验证和测试。

工厂运行和维护

定制工厂模拟器的传统作用是培训操作员。许多工厂实施的项目要求他们的员工遵循广泛的、基于模拟器的培训团，以保持一定的培训水平。这方面的最佳实践是跟踪和记录董事会操作人员的表现，使用培训方案来根据工厂标准评估关键绩效指标(kpi)。此外，管理层可以跟踪他们的工厂绩效，并实时查看他们的动手培训计划的有效性(参见图2)。

最近的增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的改进使基于模拟器的培训扩展到现场运营商。工人可以在虚拟化或混合现实环境的安全方面练习非常规任务，其中教师可以指导和教导沿途。这种动手训练方法导致更安全，更能力的劳动力。

对于处于生命周期更成熟阶段的工厂，过程模拟器不仅可以使运营部门受益，还可以使工程部门受益。除了作为操作员培训的平台外，模拟器还可以作为预测性分析工具发挥作用。

假设管理支持对模拟器维护的常绿方法，该模型应继续提供植物动态和响应的准确表示，使其成为提出和测试过程升级的吸引力平台。一些活动可能包括在新型级转换或其他瞬态情景期间识别设施瓶颈，增强操作程序和测试工厂性能。

一项可能需要数周才能在现场实施的变革几乎可以立即完成，从而缩短了一个想法产生到被测试和验证之间的时间。这一加速的周期允许在实地实施之前提出和改进更多的升级。此外，更新的DCS、可编程逻辑控制器（PLC）和安全仪表系统（SIS）控制逻辑可加载到模拟器系统中，以测试拟议升级的响应。

虚拟化和基于云的项目执行

由于仿真系统的复杂性和广泛的广度，它们历史上需要大型软件安装，耦合具有相当大的硬件占地面积。与维护这样的系统相关的工作负载可能导致模拟器掉落过期，从而丢失与物理工厂的一对一匹配。当发生这种情况时，模拟器会在所有上述活动中失去可信度。

为了降低维护负担，仿真供应商倾向于虚拟化。这意味着OTS网络在虚拟机上运行，虚拟机托管在本地或外部服务器上。这种方法允许用户在硬件或软件出现故障时轻松备份和快速恢复系统，从而简化了系统维护。虚拟化还可以减少硬件占用，因为整个网络可以托管在一台服务器上。

这种趋势的下一个逻辑步骤是将主机服务器转移到云环境中。人们对使用公共和私有云基础设施作为实现模拟的平台越来越感兴趣。在这种情况下，客户将能够从世界上任何地方访问他们的工厂模型，只需要有限的硬件。此外，供应商将能够轻松地提供远程支持，整体上更有效率。

由于工业数字化继续彻底改变碳氢化合物加工行业，利用新的和现有技术来推进植物表现至关重要。虽然流程仿真不是一种新颖的技术，但如何实现和部署模拟器的进展都可以解锁在整个生命周期中支持植物的新益处。

通过将过程模拟器视为实体工厂的数字克隆，用户可以探索利用该技术的新途径，并支持工厂生命周期的所有阶段。

斯科特·米歇尔是资深产品营销专家，霍尼韦尔.由Emily Guenther，Codent CFE媒体，控制工程，CFE媒体编辑eguenther@cfemedia.com..

更多的答案

关键词：操作培训模拟器（OTS），增强现实（AR）

• 加强对人员和工厂操作员进行模拟培训
• 扩展工厂生命周期与培训模拟环境
• 支持工厂生命周期中的所有阶段都需要模拟。

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你怎么能使用培训模拟软件来改善你的工厂的生命周期?