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)字解決方案會降低他們的競爭優(yōu)勢。雖然正在開發(fā)新的軟件和硬件來滿足這一需求，但既定戰(zhàn)略也將在數(shù)字革命中發(fā)揮重要作用。變化在于如何實施、部署和使用這些工具（如運行人員培訓(xùn)仿真器）以實現(xiàn)最佳的工廠性能。

幾十年來，過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關(guān)鍵階段。在初始設(shè)計階段，穩(wěn)態(tài)模型使工程師能夠設(shè)計和確定關(guān)鍵設(shè)備的尺寸，并確保滿足熱量和物料平衡。

之后，當(dāng)工廠投入運營時，運營人員使用動態(tài)運行人員培訓(xùn)仿真器（OTS）來培訓(xùn)新員工，并在工廠生命周期的設(shè)計確認(rèn)和運行維護階段（如圖1），再次為經(jīng)驗豐富的工人提供培訓(xùn)以更新其技能。這樣在工程和運營的其它很多階段，就沒有與仿真器的交互。

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。本文圖片來源：霍尼韋爾

管理人員可以在整個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。計算技術(shù)的進(jìn)步填補了設(shè)計和運營之間的空白，因此可以同時使用具有最高保真度的完整工廠模型進(jìn)行工程研究和運行人員培訓(xùn)。在彌合這一差距的過程中，工廠生命周期的更多階段進(jìn)入到了仿真范圍，并釋放了過程仿真器作為從設(shè)計到運營工具的巨大潛力。

靜態(tài)和動態(tài)仿真模型

在“棕地”和新建項目的前端工程和設(shè)計（FEED）階段，嚴(yán)重依賴靜態(tài)過程仿真軟件。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)計案例和其它運營條件。此外，仿真軟件可用于可行性研究，評估不同的過程配置以及識別風(fēng)險。工程師可用這些信息來確保設(shè)計的安全性、符合環(huán)境法規(guī)，并可最大限度地提高資產(chǎn)運營和業(yè)務(wù)的效益。

在工廠生命周期的這個階段，靜態(tài)仿真通常是最常使用的工具。但是，動態(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)模型無縫遷移到動態(tài)模型。在這種情況下，在前端工程和設(shè)計期間，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)勢可在生命周期階段的末期實現(xiàn)，同時可以最小化服務(wù)投資。

工廠設(shè)計和驗證的仿真

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

在模型開發(fā)階段滿足過程和機械數(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)場物理設(shè)備相匹配。憑借這些知識，工程師可以仔細(xì)檢查工廠中的每個設(shè)備，從單個管道段到復(fù)雜的多通道熱交換器。由于具有預(yù)先為模型場景編程的能力，工程師可以通過預(yù)定義的運行程序持續(xù)運行工廠，并使用工廠設(shè)計中的增量變更來檢查過程響應(yīng)。

雖然使用仿真器檢查工廠過程收益巨大，但更多的價值是在控制系統(tǒng)集成時實現(xiàn)的。在設(shè)計和測試控制之后，仿真器可以提供對過程自動化更多的洞察。大多數(shù)現(xiàn)代控制系統(tǒng)可以仿真過程值，因此可以在控制回路上執(zhí)行基本測試。然而，高保真仿真器提供了逼真的過程響應(yīng)，幾乎不可能通過經(jīng)驗來復(fù)制。

先進(jìn)的建模軟件可以為更多“假設(shè)”場景提供有意義的洞察力?？刂茖⑦M(jìn)行更高級的測試，這些測試更接近于工廠實際響應(yīng)。這使工程師可以在設(shè)計的初期識別潛在問題，從而可以避免問題進(jìn)一步發(fā)展而導(dǎo)致后續(xù)耗時、費力的校正。

安全系統(tǒng)的確認(rèn)和設(shè)計，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)年才能識別出有缺陷的設(shè)計或程序。

仿真器提供實時過程響應(yīng)，以允許用戶在異常運營條件下仔細(xì)檢查和剖析安全方案。使用預(yù)定義的運營方案，用戶可以在各種不正常工況下運營工廠，例如：壓縮機喘振、減壓/燃燒事件以及全場停機等。通過持續(xù)的迭代過程，不斷測試和升級安全系統(tǒng)，以便能考慮到所有可能結(jié)果。一旦提出變更，危險和可操作性（HAZOP）團隊就可以使用仿真器來支持研究并調(diào)查規(guī)劃設(shè)計的完整性。

虛擬工廠調(diào)試和啟動

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)備到控制和報警，都是首次實現(xiàn)完整的功能。在此期間可以發(fā)現(xiàn)許多無法預(yù)料的問題，需要立即處理以避免冗長和代價昂貴的延誤。

在虛擬環(huán)境中執(zhí)行調(diào)試和啟動，可以更早地解決執(zhí)行調(diào)試和啟動期間面臨的諸多問題。涉及所有關(guān)鍵利益相關(guān)方的虛擬調(diào)試和啟動，可以暴露許多缺陷，并允許以及時和受控的方式對其進(jìn)行糾正。例如，虛擬調(diào)試和啟動為工程師提供了測試詳細(xì)啟動程序，充分運用分布式控制系統(tǒng)（DCS）和人機界面（HMI），確認(rèn)報警抑制和調(diào)節(jié)重要控制回路的機會。許多這些活動過去經(jīng)常擠在已經(jīng)很緊張的啟動時間表中，幾乎沒有出錯的余地。通過第二層驗證可將在虛擬環(huán)境中驗證和測試過的資產(chǎn)，交付給運營。

工廠運營與維護

工廠仿真器可以幫助培訓(xùn)運行人員。許多工廠實施的程序，要求員工遵循大量、基于仿真器的培訓(xùn)計劃，以保持一定程度的培訓(xùn)。最佳實踐是使用培訓(xùn)方案跟蹤和記錄運營商的績效，以根據(jù)工廠標(biāo)準(zhǔn)評估關(guān)鍵績效指標(biāo)。管理層可以跟蹤工廠績效并實時了解實際運營培訓(xùn)計劃的效果（參見圖2）。

圖2：霍尼韋爾UniSim運營系統(tǒng)提供運行人員培訓(xùn)仿真環(huán)境

最近對增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的改進(jìn)，已經(jīng)將基于仿真器的訓(xùn)練擴展到現(xiàn)場運行人員。工人可以在培訓(xùn)人員的指導(dǎo)下，在虛擬化或混合現(xiàn)實環(huán)境中安全地執(zhí)行非常規(guī)任務(wù)。實踐培訓(xùn)可以培訓(xùn)出更安全、更有能力的員工隊伍。通過將過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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