★北京和利时工业软件有限公司王俊，刘栋，赵锴，刘超，朱鹏

关键词：OTS系统；DCS仿真；直连仿真；BS架构；人员培训

1　引言

1.1　案例背景介绍

随着近年全球经济的发展和现代工业的日新月异，现代化的化工企业对自动化控制系统的要求越来越高。随着DCS、先进控制技术、优化技术、计划与调度等先进技术的广泛应用，工厂生产自动化程度越来越高。要对装置和工艺过程进行有效的操作和控制，在选用控制策略和制定操作规程时必须全面考虑到工艺原理、过程动态特性以及各个控制对象之间约束等诸多关系。如何让装置工程师、控制工程师、生产操作人员在较短时间内掌握这些先进的控制技术，熟悉调节控制的方法，全面掌握工艺过程原理及动态特性等一系列与生产操作相关的知识，显得至关重要。

中国石化天津南港乙烯项目是中国石化“十四五”重点工程，总投资超300亿元，新建10套化工装置（包括120万吨/年乙烯裂解、30万吨/年LLDPE等），采用国际领先工艺技术（如Lummus裂解技术、Univation聚乙烯技术）。化工行业属于高危企业，在岗和新招录从业人员必须100%培训考核合格后才能上岗，乙烯新建装置开车前面临着1000余人次操作工的短时间、大批量的实操培训、事故演练及技能考评需求。以往固定场景的培训模式，受限于时间、地点和教师的在岗时间，新员工的培训方式单一被动，效率低，员工的自主学习需求无法满足。而新增装置自动化程度高、控制逻辑复杂，培训中心传统的单元仿真与现场DCS控制逻辑差异较大，无法对现场DCS调试进行指导和验证，为保证乙烯项目顺利开车，减轻DCS调试周期紧张的压力，亟需一种高效、可复用的培训与控制方案验证兼顾的仿真培训系统。

1.2　国内外DCS仿真技术介绍

目前，国内外仿真厂家对DCS控制系统仿真分为两个技术流派：HardLink（DCS直连）和Emulation（仿DCS）仿真技术。

（1）HardLink（DCS直连）：采用真实装置的DCS工程师站软件、操作员站软件、数据库软件与历史库软件，OTS系统可直接导入各装置工程师站的DCS组态工程，画面和逻辑完全不需要手工搭建。OTS系统的操作界面、操作流程、报警、趋势都与现场100%一致，保证人员工艺培训的真实性、有效性和高效性。

（2）Emulation（仿DCS）：采用仿真软件内嵌的控制算法尽可能模拟真实DCS控制方案和运行工况，无法导入现场的DCS组态工程，学员站的单点趋势功能、趋势组功能、SOE功能、历史数据存储等功能与真实差异较大；装置DCS控制方案改造后需OTS进行二次升级。

对比HardLink和Emulation仿真优劣势：

两种技术流派的核心差异点在于：OTS系统是否能直接应用装置DCS组态文件，实则是未来发展方向的不同。Emulation（仿DCS）主要用于投产前的操作工培训，对高职院校学生、新员工提供单元操作培训等基础的职业教育培训，功能较为单一。而HardLink仿真（DCS直连）则是智能工厂数字孪生体的产物，除具有常规培训功能外，还有很多Emulation（仿DCS）仿真机不具备的高级智能应用功能贯穿于工厂建设的全生命周期，如：（1）DCS热控培训智能应用；（2）DCS事故分析智能应用；（3）仿真操作重演智能应用；（4）逻辑验证研究智能应用；（5）设备保护逻辑在线学习；（6）DCS故障演练智能应用；（7）先进优化控制智能应用；（8）数字孪生系统智能应用。

2　案例实施与应用情况介绍

2.1　解决方案设计

如图1所示，和利时基于BS架构的DCS直连仿真（HardLink）解决方案，将先进的DCS直连仿真（HardLink）技术与BS架构有机结合，搭建和利时在线仿真培训管理系统（HiaSimWebOnline）。采用B/S（浏览器/服务器）结构，企业员工在办公区、宿舍、住所均可展开管理或培训。通过企业内网、互联网、私有云、公有云等多样化的形式提供与现场DCS系统高度一致的直连仿真（HardLink）培训系统，具备操作培训、热控培训、事故演练等基础培训功能外，还能够进行控制逻辑优化与验证，开停车方案的校验与完善，缩短现场DCS调试周期，保障各装置一次开车成功，在现场投产后，还可进行热控培训、现场事故重演分析、逻辑验证研究、工艺参数优化等高级功能，保障现场安全高效生产。

图1BS架构的DCS直连仿真（HardLink）解决方案架构图

此外，通过企业内网和互联网，企业人力资源和培训管理层可随时查看实际生产培训人员的培训监控并提供管理和指导，搜集和统计培训的结果。为培训管理者建立起一套管理培训的工具，全面掌握仿真培训系统应用情况，促进DCS直连仿真（HardLink）培训系统在岗位练兵和技能鉴定、工艺优化和技术改进、应急预案等工作中充分发挥作用。

（1）管理部署层

提供基于Web的管控中心，提供可视化配置工具，支持仿真工程备份、安装软件、系统设置、人员等参数的统一管理。通过RBAC权限模型实现多级用户分权，支持培训统计、学员管理、成绩统计分析等功能。采用容器化技术（Docker+K8s）实现仿真节点的弹性伸缩，支持热部署与版本回滚。内置负载均衡算法，可依据系统通讯量动态分配计算资源，确保数据实时性。

（2）用户层

用户层是BS架构DCS直连仿真系统的人机交互入口，采用Web浏览器访问，提供直观、高效的仿真操作与监控体验，用户登录后，选择相应的培训或考试科目，即可开始练习。

同时根据用户权限提供多用户角色，具体如下：

工程师站：提供DCS图形组态、逻辑组态、通信参数设定、培训科目、考试管理等功能；

操作员站：通过真实DCS操作界面进行高效练习，支持流程图、趋势图、报警监控、在线查看逻辑等，确保培训与现场真实环境100%高度一致；

管理员站：负责用户权限分配、系统维护、培训成绩统计、资源配额管理等，保障系统安全运行。

（3）监控层

实现整个仿真系统的数据操作和监视功能，并负责画面的显示与切换，通过操作面板画面修改各个回路控制器的参数，切换各个控制回路的手自动状态，显示测量值、设定值、控制量等；趋势图显示当前和历史的趋势曲线等功能。

仿真系统采用和利时工业级DCS操作员站软件，因此DCS的画面显示、操作界面以及用户感受等都与真实现场完全一致，确保培训的有效性。系统监控层的画面显示如图2所示。

图2与现场100%一致的DCS操作画面

（4）控制层

控制层采用和利时自主研发的虚拟控制器软件，能够完全实现真实控制站的计算与通讯功能，提高仿真系统真实度，拓展仿真系统功能，同时不需采用真实的控制系统硬件，从而大大降低仿真机使用与维护成本。

图3虚拟控制器与真实控制器调试对比图

图4DCS工程师站逻辑组态界面

由于采用虚拟控制器软件，在现场投产前调试时期，可先于现场对DCS逻辑工程进行仿真校验和验证，规避控制风险，优化控制方案，缩短现场调试工期，提高一次开车成功率。

（5）对象层

对象层采用高精度机理数学模型，对乙烯现场真实装置进行模拟仿真，数学模型软件平台采用专业的物性数据库，收集超4000多种纯组分，多种物性方程，以提供化学及相关化工过程设计所需的物性、热力学性质和传递性质数据推算的标准来源。以实现学员在仿真机上操作的反馈与实际生产现场一致。

基于严格机理的建模操作员培训系统，帮助用户全面地熟悉自己的生产装置和工艺，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投产，维护正常的生产操作。辅助现场人员研究探索工艺过程、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。

2.2　应用情况介绍

作为全球智能化系统解决方案主力供应商，和利时坚持技术创新打破技术壁垒，推出B/S架构的DCS直连仿真（HardLink）解决方案，支持通过局域网、企业内网、互联网、私有云、公有云等多样化的培训形式。这种灵活的培训方式不仅满足了用户上岗前培训需求，也充分发挥了和利时DCS直连仿真（HardLink）培训系统在岗位练兵和技能鉴定、工艺优化和技术改进、应急预案等工作中的技术优势。

·将乙烯新建装置的OTS培训系统成功部署在天津石化网络培训平台上，提供多元化的培训模式，帮助企业解决新建十套装置带来的大批量集中性人才培训需求。

·采用B/S（浏览器/服务器）结构，企业员工在办公区、培训中心均可展开管理或培训。

·采用真实装置的DCS工程师站软件、操作员站软件、数据库软件与历史库软件，可直接导入各装置工程师站的DCS组态工程，OTS系统的操作界面、操作流程、报警、趋势都与现场100%一致。

·搭建操作培训、热控培训、事故演练、控制验证与优化、工艺学习、工艺优化等功能，满足单机培训、协同培训、网络培训等多种应用场景，同时可以对控制方案和开停车方案进行验证和优化，共计发现设计问题177条，逻辑及画面问题856条，缩短现场DCS调试周期30%；

·成功举办两届“中国石油化工股份有限公司天津石化分公司‘朝阳工匠’竞赛”，为企业培养选拔一批高技能人才，有效提升员工队伍素质，推动企业技术创新和高质量发展。

3　应用创新性介绍

（1）跨终端无缝接入：通过企业内网、私有云或公有云灵活部署，解决传统仿真培训无法满足大批量集中员工培训的难题，基于浏览器（B/S）访问，员工可随时随地进行培训；

（2）DCS组态无缝迁移：直接导入现场DCS的工程文件，避免人工重建模型的误差；支持HOLLiASMACS-K系列DCS的完整功能仿真，逻辑、画面、报警、趋势等操作习惯与真实现场100%一致；

（3）DCS闭环测试：在虚拟环境中模拟传感器信号→DCS逻辑运算→执行机构动作的全流程，提前发现逻辑缺陷，验证开停车方案；

（4）复杂工况的极限测试：主动模拟传感器失效、阀门卡涩等异常，验证控制系统的鲁棒性，避免开车时对真实设备造成损坏；

（5）工艺边界探索：测试开车/停车阶段的极端参数（如最高裂解温度、最低进料流量），优化安全阈值；

（6）调试-培训一体化

·现场DCS调试期间，仿真系统可同步用于员工培训，互不干扰；

·调试团队验证控制策略，操作团队演练应急预案，缩短项目总周期。

4　市场前景及价值

（1）技术革新价值

·首创实现BS架构DCS全流程仿真的工业案例；

·推动流程行业调试-培训一体化的数字化交付模式。

（2）行业推广前景

·可在能源行业：火电、热电、新能源、石化炼化、精细化工等流程企业进行复制推广；

·预计可缩短同类项目工期30%~50%。

（3）经济价值

·减少人员流失损失（注：损失高技能员工的平均经济成本是该岗位一年薪酬的成本的213％）；

·提升操作员工艺理解、操作技能，保障平稳运行（注：以蒸汽为例，平稳运行可降低蒸汽能耗1吨/小时，则每年的直接经济效益可达80多万元）；

·熟悉安全规程，避免事故发生，减少安全风险（2020年化工行业连发79起事故，360人死亡，7748人受伤，一次事故/非停可引发上百万的损失，极易造成不良的社会形象，影响深远）；

·预防操作误操作，减少设备损坏，降低维护成本和维修时间。（理想情况下设备故障率可降低20%，维护成本减少10%）；

·展示企业的技术水平和生产能力，提高企业形象。

（4）社会效益

·帮助企业节能增效，生产效率增长20%，降低单位能耗成本5%，减少资源消耗和能源消耗，降低企业的环境影响；

·培养高复合型流程行业人才，助力流程行业行业智能化转型。

5　结语

和利时BS架构DCS直连仿真（HardLink）解决方案在天津南港乙烯工程的成功应用，不仅开创了流程工业“数字孪生、智能先行”的新范式，更彰显了天津南港乙烯公司以创新驱动发展、以科技引领未来的思想先进性。通过深度融合B/S架构的灵活性与DCS直连仿真的高保真特性，该项目实现从调试到培训、从逻辑验证到工艺优化的全生命周期数字化赋能，为行业绿色低碳发展提供了可复制的典范。

作者简介：

王　俊（1983-），女，陕西西安人，硕士，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真培训系统的工程实施、技术开发、产品管理、技术支持工作。

刘　栋（1977-），男，河北张家口人，高级工程师，硕士，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责工业自动化、信息化以及智能化相关产品及工程应用的实施管理，新技术应用推广，工业软件市场营销开拓以及相关设计、工程、营销、服务管理工作。

赵　锴（1987-），男，陕西西安人，工程师，硕士，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真系统的市场开拓、产品规划、工程交付及业务管理工作。

刘　超（1988-），男，云南澜沧人，现就职于杭州和利时自动化有限公司，负责工业自动化软件及相关产品的研发管理，技术推广应用及工业软件工程应用的技术支持工作。

朱　鹏（1981-），男，陕西西安人，高级工程师，现就职于杭州和利时自动化有限公司，负责工业自动化软件及相关产品的系统设计、技术开发及工业软件工程应用的技术支持工作。

摘自《自动化博览》2025年5月刊