1. 项目背景

山东东岳未来氢能材料股份有限公司，专注于高端含氟精细化学品、高性能含氟聚合物以及高性能含氟功能膜材料的研发与生产，成功构建了燃料电池膜等含氟功能膜材料及其配套化学品的完整产业链。公司不仅掌握国内首套具有完全自主核心知识产权的热塑性弹性体（TFE单体）全产业链工艺技术，更是中国唯一实现燃料电池关键部件批量制备技术并具备汽车供应链体系资质的企业。东岳氢能公司在燃料电池汽车产业中走在国际竞争前列，在液流电池、储能和水电解制氢所需的质子交换膜领域也实现了技术突破，相关产品已批量化应用于商业化示范项目，为国家新型高效储能技术提供关键保障，是中国氢能“核芯”技术与产业化的开拓引领者。

随着工业智能化进程的深入以及国际竞争环境的演变，新能源新材料等精细化工行业面临着生产效率提升、产品质量保证、成本降低以及环境友好等多方面的要求。高端含氟精细化学品、高性能含氟聚合物以及高性能含氟功能膜材料对物理性能一致性要求也极为严苛。当前国内仅有个别企业在该领域积极拓展，在高端产品研发、生产组织、市场规模上与国际巨头相比还存在较大差距。

为巩固技术领先优势，支撑复杂工艺生产体系，东岳未来氢能与和利时通力合作，开发了国内首套涉氟化工新材料装置全流程数字孪生建设项目。项目覆盖TFE单体、HFPO、PPVE、ETFE四套核心生产装置， 致力于打造集人员技能培训、安全分析事故处理、设计验证优化、生产操作指导于一体的高保密、高精度仿真平台。项目全开发周期在东岳厂区内保密实施，实现了核心工艺数据“不离场”、知识产权“零风险”，为战略新兴材料的自主可控与智能化运营树立了安全实施典范。

2. 项目目标与原则

2.1目标

项目的核心目标是为东岳氢能公司HFPO（六氟环氧丙烷）、PPVE（全氟丙基乙烯基醚）、ETFE（四氟乙烯-乙烯共聚物）、TFE单体（热塑性弹性体）四套生产装置定制开发高精度开放式仿真培训系统（OTS），通过高度仿真的虚拟环境，全面满足东岳氢能公司人员技能培训、安全分析、事故处理预演、设计验证优化、生产操作指导等迫切需求。

1) 全工况操作技能体系化培训

操作人员技能培训是仿真培训系统最基本的应用定位。通过高仿真度地模拟工厂的开车、停车、正常运行和各种事故过程的现象和操作，与传统的培训方法相比，能大幅提高培训效果、节省培训费用、缩短培训时间，是一种现代化、高效的培训手段。在新建装置开车前，系统不仅可进行装置开停工及事故处理的技能培训与方案实验研究，也可使操作人员预先熟悉 DCS 系统的操作方式，缩短操作习惯的适应期，保证生产装置的顺利开车和正常生产。在装置开工后，系统仍可用于在岗人员、转岗人员及新入厂人员的技能培训，为培养一人多岗、一人多专的复合型人才提供最佳的培训环境。

2) 安全风险前置化分析与演练

数字孪生项目中流程模拟系统可为技术人员提供安全分析实验平台，为操作人员构建事故应急处理的沉浸式演练场景。通过安全生产的仿真培训可减少安全隐患，提高安全紧急响应能力。

3) 工艺与控制策略超前验证

仿真培训系统严格按照实际装置的设计工艺、设备、DCS 系统等开发，可在新建装置开工前在虚拟环境中对装置工艺流程、设备能力以及 DCS组态结果进行超前检验和校正优化，降低工程风险与试车成本。。

4) 生产操作智能化寻优

探索最佳的开、停工操作方案，实现在最短的时间、最低的能耗和原料消耗下顺利完成装置的开、停工，提升生产运行的经济性与稳定性。

2.2 原则

工艺数学模型基于化工机理，遵守三传一反规律为支撑的机理建模路线，如实反映流股的热力学特性，以及传热的惯性现象。

工艺数学模型采用动态机理框架算法体系，联立求解微分代数混合方程组。

工艺数学模型应具备良好的鲁棒性，在负荷接近乃至超出极限值条件下，系统不发生溢出或停机等故障。

工艺数学模型准确性要求：关键性参数的稳态仿真精度3%，关键性参数的暂态仿真精度5%。

工艺数学模型应严格遵守工质不同相域的能量、质量和动量守恒定律，能如实反映工质的热力学特性。

3. 项目实施与应用

本项目针对东岳氢能四套大型、复杂、技术密集型的生产装置，实施了全面、系统、智能化的数字孪生系统建设，突破了高端精细化工OTS领域的多项技术与管理瓶颈。系统采用和利时自主知识产权的高精度动态工艺流程平台软件（GPRES）、教师站软件包（GpresINS），结合各类控制系统模拟技术，构成各装置定制的数字孪生系统。基于严格的机理模型技术，建立各装置的工艺过程模型，结合领先的虚拟DCS技术，使用真正的DCS组态及监控软件，模拟装置的过程控制（包括：显示界面、控制算法、DCS操作方式等）。装置实际现场的DCS组态与OTS的控制组态可互换更新，使工艺优化与先进的控制策略无缝链接。

图 1仿真培训系统(OTS)整体架构图

(1) 项目重点、难点问题：

1) 校核热力学物性模型

l 基于严格的热力学方法和经典的物性数据，校核东岳氢能各装置工艺流程严谨热力学物性模型，并进行全流程物料与热量稳态衡算，保证各装置OTS工艺仿真模型能高精度地动态响应。

2) 建立通用常规设备模型

l 调用包含300多种设备的高逼真度过程模型算法库，1：1构建各装置常规设备的设备模型。

3) 定制开发各装置的特殊设备专用算法

l 特殊设备专用算法以设备及生产真实数据（包含设计数据）为基础，结合查阅理论文献，并参考同类经验数据统计三者结合的方法进行开发及测试。

4) 工艺模型精度校准

l OTS的稳态模拟结果与参照装置在平稳运行时的实际数据或设计数据对比，关键工艺测量参数的标准偏差应在量程范围的±3%之内；OTS的动态模拟中，工艺参数变化趋势与节奏与实际装置100%一致；模型的瞬时演化表现应具有与实际工厂相同的动态特性，如：停滞时间、反应、方向、顺序等；动态扰动后，达到新平稳状况的模拟参数，与装置实际参考数据间的相对偏差≤±6%。

5) 控制系统仿真

l 控制系统仿真采用先进的虚拟控制器（VDPU）技术，指将实际控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上，使DPU功能脱离实际硬件而实现，整个虚拟DCS系统可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作。

6) 常规通用故障仿真

l 每个工艺设备、仪表设备都采用机理模型。模型中，根据设备/仪表特点，考虑可能引发设备/仪表故障的因素，并在设备/仪表模型参数中设置引发故障的变量（1个或多个）。类型包含：

A. 全局性故障

B. 旋转设备故障

C. 变送器信号故障

D. 控制阀故障

E. 设备故障/影响

F. 安全阀门故障

7) 定制特殊专用故障仿真

l 结合各装置实际情况，根据用户需求，定制开发特殊专用故障。

8) 过程操作指导及评价系统

l 从操作质量、报警状况、操作步骤三个维度对学员进行自动考核评价，教员可以使用评分管理界面来选择试卷、启动/停止评分过程，评分监测画面可以实时查看学员的操作和得分情况。同时，评价系统还可产生Excel和文本格式的评分报告，支持组建题库、组成试卷、建立复合试卷等功能。该功能可以将一些存在因果关系的故障，以及操作中的干扰因素进行组合，形成试卷或复合试卷，并在培训中触发试卷，以培养和检验受训人员的综合能力。

A. 操作质量：系统采用设置函数方程，计算学员的操作质量。在学员整个操作过程中，重要的工艺数据应保持在指定范围内，且根据保持的时长进行评定。

B. 报警状况：统计学员在训练及考核过程中产生报警情况，根据出现报警的次数及报警持续时间的长短进行评定。

C. 操作步骤：学员的操作步骤是考核的重要方面，评价系统通过检查学员的操作情况，根据操作顺序试题的考核逻辑来给定学员分数。

(2) 实施与应用情况

1) 实施

项目启动：项目开始策划，结合DCS系统进行画面的绘制及组分、流程的确认工作。

分调建模，根据车间提供资料开始针对各工序进行分调建模，并完成硬件的到厂安装及调试工作。

系统测试，将开停车、以及整个流程的模拟进行仿真，并交由车间进行实际功能测试，协助TFE车间顺利开车。

系统投运，对装置提出的异常工况下的操作进行梳理并编写逻辑，会同车间技术员、操作人员进行仿真测试。

竣工验收，根据车间使用过程中提出的问题，进行优化，并对项目进行验收。

2) 应用

l 工艺流程仿真：OTS系统工艺仿真与真实DCS系统在系统架构、控制逻辑、数据处理等方面具有高度的一致性。仿真系统通过虚拟化技术再现了真实生产环境，为操作员提供了有效的培训和测试平台。

l DCS仿真：对DCS全盘克隆，与真实DCS系统画面风格、操作规则、响应完全一致，车间受训人员接受程度高。

l 就地站仿真：在DCS系统中新组织画面，对装置现场管线、设备、仪表进行完整流程复刻，并添加现场交互操作的阀门、机泵等虚拟设备。

l SIS系统仿真，在DCS系统底层，将SIS系统的联锁逻辑进行复刻，实现对SIS系统的仿真，开车前即可利用OTS对新建装置SIS组态工程从操作员视角进行逻辑测试验证。

l 事故演练：在正常生产系统中，无法对系统可能出现的故障进行模拟，实际出现问题时可能因为操作不当出现问题。而在OTS中可以仿真所有的故障，员工可根据步骤练习，熟练后可以关闭提示自行操作，自大幅提升应急响应能力。

l 操作考评：评分系统根据学员在DCS或现场站上的操作情况，按照约预设试卷标准自动给出相应的分数，来客观评定学员的流程掌握情况。

l 顺控程序仿真测试：将编写的DCS顺控逻辑导入OTS进行逻辑响应测试，实现控制策略的提前验证与优化。

图2仿真培训系统的应用场景

图 3仿真系统功能

(3) 项目创新性

1) 产品创新：打造国内首套含氟新材料生产装置的全流程高精度数字孪生系统，实现人员技能培训、安全分析事故处理、设计验证优化、生产操作指导的目标。支持灵活伸缩部署与一键式安装，提高了大型复杂项目的实施效率，降低实施成本，使产品具有可复制性、可推广性。

2) 技术创新：采用虚拟调试技术，“机理+数据”双驱动建模，实现控制逻辑预验证，投产前完成工艺调度与控制策略的可靠性验证，缩短了调试周期。

3) 模式创新： 项目从启动、开发到验收，全部在东岳厂区内部封闭网络环境中完成，开创了高端新材料OTS项目全程驻场保密开发的先例，为涉及国家核心战略新材料的技术保护提供了全新范式。

4) 应用场景创新：OTS与DCS、SIS系统深度协同，满足装置SIS及特殊控制逻辑验证测试的需求，实现覆盖“控制-安全-工艺”的一体化虚拟验证创新。工程师可在投产前对重点设备单元 “一键启停”，从根本上解决以往“不敢用”的难题。

4. 效益分析

项目建成投用后，已深度融入东岳氢能的生产运营与人才培养全链条，成为不可或缺的“数字孪生培训与验证中心”，为其新工艺开发、技改、操作优化、工艺培训、操作培训、技能鉴定等奠定了坚实基础，产生了显著的综合效益。

1) 经济效益：

l 建设与调试成本显著降低：对新建装置控制方案进行预验证和优化，使投产前完成90%调试工作，调试周期缩短50%，试错成本降低60%，有效避免试车阶段原料浪费；

l 人员培养效率大幅提升：操作人员定岗培训时间缩短50%，培训效率提升30%，显著加速了复合型人才的产出速度，降低了人力与时间成本。；

l 生产运行损失有效减少：系统化培训和事故演练使操作员应急处置能力显著增强，考核合格后方可上岗，使操作失误率降至0.5%以下，保障了装置的安、稳、长、满、优运行，间接经济效益巨大。

2) 社会效益：

l 树立行业智能化升级新范式：项目打造了高端精细化工制造业自主可控智能化实践的标杆案例，为整个产业链的升级和优化提供了典型示范，增强了产业链的韧性与国际竞争力。

l 提升产业链本质安全水平：通过将大量事故演练从“线下真车”前置到“线上仿真”，极大降低了实操培训的安全风险，为行业的人才培养与应急能力建设提供了新思路

本项目是国内首套应用于涉氟高端新材料领域的数据孪生系统，其成功落地具有里程碑式的行业意义。项目材料详实、数据准确、内容完整，生动展现了数字孪生在提升人员技能、保障生产安全、优化工艺控制、缩短项目周期等方面的显著效果与实际效益。系统综合运用先进的机理建模、虚拟DCS、SIS仿真、智能评价等多项关键技术，实现培训、验证、优化、指导的一体化应用，是智能化技术赋能高端制造业智能化升级的成功典范。

典型性与代表性极为突出：

项目服务对象——东岳氢能是代表国家参与国际竞争的行业龙头，项目解决方案并非通用产品的简单套用，而是专门针对代表中国最高水平、具有完全自主知识产权的含氟新材料产业量身定制，精准破解氢能领域操作培训难、安全验证难、工艺优化难的三大痛点，为同类战略新兴产业的智能化升级提供了可复制的完整路径。

应用效果与效益经过严格验证：

效益均基于详实的项目数据与应用记录。调试周缩短50%、培训效率提升30%、操作失误率趋近于零等可量化指标，直接证明了项目的卓越成效。此外，项目在保障核心工艺机密安全、实现安全逻辑测试零风险等方面创造了不可估量的价值。其“虚实结合、以虚优实”的数字孪生新模式，是智能化技术驱动高端制造业高质量发展的优秀典范。