數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在迅速影響油氣加工行業(yè)。根據(jù)埃森哲的一份研究報(bào)告，在2018年，高達(dá)60％的煉油企業(yè)在數(shù)字技術(shù)上加大了投資，67％的人認(rèn)為缺乏數(shù)字解決方案會(huì)降低他們的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然正在開(kāi)發(fā)新的軟件和硬件來(lái)滿足這一需求，但既定戰(zhàn)略也將在數(shù)字革命中發(fā)揮重要作用。變化在于如何實(shí)施、部署和使用這些工具（如運(yùn)行人員培訓(xùn)仿真器）以實(shí)現(xiàn)最佳的工廠性能。

幾十年來(lái)，過(guò)程仿真器一直是石油化工行業(yè)的關(guān)鍵工具。仿真器已用于工廠生命周期的兩個(gè)關(guān)鍵階段。在初始設(shè)計(jì)階段，穩(wěn)態(tài)模型使工程師能夠設(shè)計(jì)和確定關(guān)鍵設(shè)備的尺寸，并確保滿足熱量和物料平衡。

之后，當(dāng)工廠投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，運(yùn)營(yíng)人員使用動(dòng)態(tài)運(yùn)行人員培訓(xùn)仿真器（OTS）來(lái)培訓(xùn)新員工，并在工廠生命周期的設(shè)計(jì)確認(rèn)和運(yùn)行維護(hù)階段（如圖1），再次為經(jīng)驗(yàn)豐富的工人提供培訓(xùn)以更新其技能。這樣在工程和運(yùn)營(yíng)的其它很多階段，就沒(méi)有與仿真器的交互。

圖1：圖表顯示了工廠生命周期的關(guān)鍵階段以及可以使用仿真的節(jié)點(diǎn)。本文圖片來(lái)源：霍尼韋爾

管理人員可以在整個(gè)工廠生命周期中使用高保真仿真，將仿真器視為物理工廠的數(shù)字副本，從而獲得最大的投資回報(bào)。計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步填補(bǔ)了設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)之間的空白，因此可以同時(shí)使用具有最高保真度的完整工廠模型進(jìn)行工程研究和運(yùn)行人員培訓(xùn)。在彌合這一差距的過(guò)程中，工廠生命周期的更多階段進(jìn)入到了仿真范圍，并釋放了過(guò)程仿真器作為從設(shè)計(jì)到運(yùn)營(yíng)工具的巨大潛力。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真模型

在“棕地”和新建項(xiàng)目的前端工程和設(shè)計(jì)（FEED）階段，嚴(yán)重依賴靜態(tài)過(guò)程仿真軟件。工廠的綜合模型為工程師提供了熱量和物料平衡的完整視圖，以限制設(shè)計(jì)案例和其它運(yùn)營(yíng)條件。此外，仿真軟件可用于可行性研究，評(píng)估不同的過(guò)程配置以及識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。工程師可用這些信息來(lái)確保設(shè)計(jì)的安全性、符合環(huán)境法規(guī)，并可最大限度地提高資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)的效益。

在工廠生命周期的這個(gè)階段，靜態(tài)仿真通常是最常使用的工具。但是，動(dòng)態(tài)模型可用于進(jìn)行可行性研究。成熟的仿真軟件允許最終用戶從靜態(tài)模型無(wú)縫遷移到動(dòng)態(tài)模型。在這種情況下，在前端工程和設(shè)計(jì)期間，應(yīng)預(yù)先執(zhí)行構(gòu)建初始模型所需的服務(wù)。仿真器的優(yōu)勢(shì)可在生命周期階段的末期實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以最小化服務(wù)投資。

工廠設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的仿真

雖然靜態(tài)模型可確保在定義的穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行，但動(dòng)態(tài)仿真器使工程師可以確認(rèn)工廠從黑啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，都能成功運(yùn)行。工廠設(shè)計(jì)完成后，工程師可以使用仿真器確保設(shè)計(jì)符合目的，所有設(shè)備都可以滿足啟動(dòng)程序和運(yùn)行順序的要求。

在模型開(kāi)發(fā)階段滿足過(guò)程和機(jī)械數(shù)據(jù)表的要求，最終用戶可以確認(rèn)仿真中的所有設(shè)備都與現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備相匹配。憑借這些知識(shí)，工程師可以仔細(xì)檢查工廠中的每個(gè)設(shè)備，從單個(gè)管道段到復(fù)雜的多通道熱交換器。由于具有預(yù)先為模型場(chǎng)景編程的能力，工程師可以通過(guò)預(yù)定義的運(yùn)行程序持續(xù)運(yùn)行工廠，并使用工廠設(shè)計(jì)中的增量變更來(lái)檢查過(guò)程響應(yīng)。

雖然使用仿真器檢查工廠過(guò)程收益巨大，但更多的價(jià)值是在控制系統(tǒng)集成時(shí)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)和測(cè)試控制之后，仿真器可以提供對(duì)過(guò)程自動(dòng)化更多的洞察。大多數(shù)現(xiàn)代控制系統(tǒng)可以仿真過(guò)程值，因此可以在控制回路上執(zhí)行基本測(cè)試。然而，高保真仿真器提供了逼真的過(guò)程響應(yīng)，幾乎不可能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)復(fù)制。

先進(jìn)的建模軟件可以為更多“假設(shè)”場(chǎng)景提供有意義的洞察力。控制將進(jìn)行更高級(jí)的測(cè)試，這些測(cè)試更接近于工廠實(shí)際響應(yīng)。這使工程師可以在設(shè)計(jì)的初期識(shí)別潛在問(wèn)題，從而可以避免問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)展而導(dǎo)致后續(xù)耗時(shí)、費(fèi)力的校正。

安全系統(tǒng)的確認(rèn)和設(shè)計(jì)，是任何新設(shè)施調(diào)試的重要組成部分。所有生產(chǎn)型公司都致力于最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生安全事故的數(shù)量。然而，安全系統(tǒng)很少被觸發(fā)，可能需要數(shù)年才能識(shí)別出有缺陷的設(shè)計(jì)或程序。

仿真器提供實(shí)時(shí)過(guò)程響應(yīng)，以允許用戶在異常運(yùn)營(yíng)條件下仔細(xì)檢查和剖析安全方案。使用預(yù)定義的運(yùn)營(yíng)方案，用戶可以在各種不正常工況下運(yùn)營(yíng)工廠，例如：壓縮機(jī)喘振、減壓/燃燒事件以及全場(chǎng)停機(jī)等。通過(guò)持續(xù)的迭代過(guò)程，不斷測(cè)試和升級(jí)安全系統(tǒng)，以便能考慮到所有可能結(jié)果。一旦提出變更，危險(xiǎn)和可操作性（HAZOP）團(tuán)隊(duì)就可以使用仿真器來(lái)支持研究并調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)的完整性。

虛擬工廠調(diào)試和啟動(dòng)

雖然仿真器不能幫助構(gòu)建新設(shè)施，但在此期間工程人員可以繼續(xù)使用仿真器，以確保調(diào)試和啟動(dòng)盡可能順利進(jìn)行。工廠的許多部件，從工藝設(shè)備到控制和報(bào)警，都是首次實(shí)現(xiàn)完整的功能。在此期間可以發(fā)現(xiàn)許多無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題，需要立即處理以避免冗長(zhǎng)和代價(jià)昂貴的延誤。

在虛擬環(huán)境中執(zhí)行調(diào)試和啟動(dòng)，可以更早地解決執(zhí)行調(diào)試和啟動(dòng)期間面臨的諸多問(wèn)題。涉及所有關(guān)鍵利益相關(guān)方的虛擬調(diào)試和啟動(dòng)，可以暴露許多缺陷，并允許以及時(shí)和受控的方式對(duì)其進(jìn)行糾正。例如，虛擬調(diào)試和啟動(dòng)為工程師提供了測(cè)試詳細(xì)啟動(dòng)程序，充分運(yùn)用分布式控制系統(tǒng)（DCS）和人機(jī)界面（HMI），確認(rèn)報(bào)警抑制和調(diào)節(jié)重要控制回路的機(jī)會(huì)。許多這些活動(dòng)過(guò)去經(jīng)常擠在已經(jīng)很緊張的啟動(dòng)時(shí)間表中，幾乎沒(méi)有出錯(cuò)的余地。通過(guò)第二層驗(yàn)證可將在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證和測(cè)試過(guò)的資產(chǎn)，交付給運(yùn)營(yíng)。

工廠運(yùn)營(yíng)與維護(hù)

工廠仿真器可以幫助培訓(xùn)運(yùn)行人員。許多工廠實(shí)施的程序，要求員工遵循大量、基于仿真器的培訓(xùn)計(jì)劃，以保持一定程度的培訓(xùn)。最佳實(shí)踐是使用培訓(xùn)方案跟蹤和記錄運(yùn)營(yíng)商的績(jī)效，以根據(jù)工廠標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。管理層可以跟蹤工廠績(jī)效并實(shí)時(shí)了解實(shí)際運(yùn)營(yíng)培訓(xùn)計(jì)劃的效果（參見(jiàn)圖2）。

圖2：霍尼韋爾UniSim運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)提供運(yùn)行人員培訓(xùn)仿真環(huán)境

最近對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的改進(jìn)，已經(jīng)將基于仿真器的訓(xùn)練擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員。工人可以在培訓(xùn)人員的指導(dǎo)下，在虛擬化或混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中安全地執(zhí)行非常規(guī)任務(wù)。實(shí)踐培訓(xùn)可以培訓(xùn)出更安全、更有能力的員工隊(duì)伍。通過(guò)將過(guò)程仿真器視為工廠數(shù)字雙胞胎的一部分，用戶可以獲得探索優(yōu)化工廠生命周期的新途徑。

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