摘 要：介绍了设计开发的一套以MIC-2000工业控制机为基础的油田锅炉仿真培训系统。实际运行结果表明，系统稳定可靠，改善了锅炉培训质量。
关键词：仿真培训系统，锅炉，工控机
在油田生产和生活中，锅炉（热水锅炉和蒸汽锅炉）起着极为重要的作用。锅炉是现代化大型生产装置，结构复杂、价格昂贵，如果操作失误将十分危险，因此人员培训一直是锅炉生产活动中的重要环节，它直接关系到油田生产的经济效益和安全生产，在现代企业中员工不经系统的培训就上岗操作是无法想象的。但传统的培训方法是在生产装置上进行培训，这种方式存在许多缺点：
① 学员不可能在装置上经常进行操作，培训效果差;
② 培训方式被动，难以根据不同学员的具体情况进行有针对性的教学;
③ 锅炉生产为连续性生产，多数时间处于稳定工况，对于不经常出现却又至关重要的开停车、故障等非稳态过程,学员往往缺少机会练习;
④ 现场操作对生产有一定的影响，容易引起生产波动，造成能源浪费，甚至有一定的危险性;
⑤ 评价培训人员的成绩存在人为因素，且难以准确量化。
由于这种“师傅带徒弟”式的现场培训难以适应现代化生产的要求，建立一种虚拟的操作环境用以完成人员的培训任务是必要的。随着计算机功能的不断增强和计算机成本的迅速下降，计算机仿真成了满足这种需求的现实手段。现在流行的仿真培训形式多为“键盘仿真”，培训人员通过键盘操纵生产过程数学模型进行训练，虽然大大优于现场培训，但由于人员完全脱离现场，因此培训人员缺乏对现场装置的感性认识，例如，在键盘上操纵的某一阀门具体在现场哪个位置可能不清楚，这样的培训是不彻底的。针对这些问题，研制和开发了一套以MIC-2000系列工业控制机为基础的锅炉混合仿真培训系统。为逼真模拟实际培训过程，现场配置了与实际锅炉结构一致的2/3比例实物模型。通过这个仿真培训系统，学员可以在很短的时间内熟练掌握装置各部分的操作和运行特性，从而达到生产现场培训无法比拟的效果。
1 仿真系统的结构
锅炉仿真培训系统由1台教员监控机、3COM通信网络、4台学员机及其他设备（打印机、大屏幕、操作柜、音箱、UPS电源、现场仿真仪表和4台物理锅炉模型等）组成。系统结构图如图1所示。
图1 锅炉仿真培训系统结构图
1.1 教员机及外围设备
教员机采用台湾研华工业控制机IBM586/100，配备有通信网卡、高分辨率彩显（21英寸）、中西文打印机及音箱等。主要实现培训教员人机界面软件，既可实时教学，又可随时监督和评估操作人员在学员机和现场操作情况，并完成记分打印功能。
1.2 学员机及外围设备
学员机采用台湾研华工业控制机MIC-2000系列，配有显示屏、通信网卡及连续量和数字量接口模板，其功能是模拟锅炉运行实际工况，实时计算、检测、跟踪全部运行状态及参数，在锅炉工艺流程仿真仪表和模拟仪表操作柜上显示，完成锅炉仿真培训各项任务、功能和操作的管理。
1.3 模拟仪表操作柜
配有4个室内和4个现场模拟仪表操作柜。室内操作柜安装学员机、显示屏、仪表、操作面板和接线端子等，其功能是实施待仿实际锅炉主控室仪表盘运行操作功能，在结构、尺寸、仪表布置和主要控制表的操作功能等方面与实际仪表盘相似。现场操作柜安装部分参数显示仪表、操作面板和接线端子等，执行部分现场量的操作和显示，在主控室和物理锅炉间起到接线过渡作用。
1.4 现场设备
4台锅炉为2/3比例实物模型，在相应位置安装了各类显示仪表、开关装置及调节阀（开关与阀均为仿制，能输出标准电信号）。现场仪表只用于显示从学员机传过来的参数值，现场开关量将开关信息送入学员机，培训人员可现场操作调节阀以改变数学模型的输入来观察锅炉生产的运行状态。
2 仿真软件系统
该仿真软件采用Borland C++4.0编制，运用面向对象技术，将仿真系统的公共信息和数据设计为公共变量，达到各软件模块共享之目的。共享数据库主要包括仪表、工艺过程的初值及参数等。这种结构（如图2所示）使仿真软件具有良好的通用性、移植性等特点。
图2 仿真软件系统方框图
2.1 教员台监控与管理软件
教员台监控与管理软件为全汉化树形菜单结构（如图3所示），可完成各项任务、功能和操作的管理、协调和控制，保证培训任务在教员的指导下有条不紊地进行。菜单中，各功能采用模块化设计，能方便地更换和增添功能模块。
图3 教员台管理菜单方框图
2.2 锅炉装置模型化软件
模型化软件是以锅炉生产过程的模型为基础，分别按4台锅炉各自工艺参数指标和实际运行工况的热力学过程建立数学模型，主要包括开工过程、停工过程、事故处理和正常操作模型。该模型分现场培训和模拟培训两种模型：模拟培训完全为键盘培训，培训人员可在虚拟的环境里熟练地掌握生产操作过程；现场培训通过I/O接口既可以接收现场操作信息，又可将模型处理结果回送现场显示，真实地再现了锅炉生产过程。
2.3 学员台操作处理与通信软件
① 操作处理软件
该软件是学员人机界面监控软件，完成来自或发送到教员机及操作柜和现场装置设备的过程变量、管理与控制信息的转换和处理。它是学员操作台信息数据与公共变量等之间的软件接口。
② 通信软件
该软件在微机之间和操作柜、现场装置与微机之间完成数据和信息的通信。
3 仿真培训内容
该锅炉仿真培训系统具有现场培训和模拟培训方式，可根据培训要求选择其培训方式。教员通过培训内容设置功能（按F2键）给学员下达培训内容和任务，且各培训内容都具有重复培训功能。
3.1 培训内容
教员通过培训内容菜单完成各锅炉培训内容选择，如图4所示。培训顺序是：点炉→运行→事故处理→停炉，不能反向选择培训内容。
图4 培训内容选择功能图
3.2 文档管理
文档管理可建立或增加新学员文档，删除或查询学员文档，并可打印学员文档和成绩。文档管理的内容包括学员信息、培训方式、培训内容、培训次数、分段成绩和总成绩等。新学员培训前由教员建立该学员文档、学员号或姓名登录后才能开始培训。不能建立相同学员号的文档，不同锅炉禁止同时登录同一学员号，但同台锅炉可多次登录同一学员号，同一学员号可存档5次培训成绩。
4 实现的功能
① 实现了模拟培训和现场培训。模拟培训软件与现场完全断开，培训人员通过键盘输入数据和命令进行机上操作，操作结果实时显示并送往教员机。这种培训方式对于培训初期很有用，便于培训人员尽快熟悉操作步骤。现场培训与现场锅炉模拟装置相连，学员可在操作间实际操作生产装置，操作结果自动进行处理和评估。现场培训能有效地提高学员对实际生产和实际装置的认识，起到事半功倍的效果；
② 实现了多媒体培训。全汉字提示下的菜单结构使微机人机界面友好；工艺流程（管线物料流动、风机和泵及阀的状态、汽泡水位波动、炉膛燃烧、烟囱烟气等）和数据完全立体动态显示，能模拟显示诸如汽泡液位过高、蒸汽喷发、锅炉爆炸等各种事故现象，形象逼真；音箱能提供锅炉生产和事故中的各种声音，仪表盘也能提供各种声光报警；现场模拟装置也实现了各种显示，例如汽泡水位利用一排发光二极管动态显示，炉膛火焰用一组灯泡模拟显示，从而营造了逼近实际生产的氛围；
③ 具有完善的评估和记分功能，有效地避免了人为因素，更具有客观性；
④ 实现了锅炉生产的开工过程、正常运行、事故处理和停工过程的模拟培训和现场培训；
⑤ 充分发挥仿真软件安全、经济、再现等特点，实现了仿真时标选择、状态冻结、状态记忆与恢复、制标打印、干扰事故设置等功能。
5 应用情况和推广前景
该仿真培训系统于1998年8月7日投入运行，在实际使用过程中，现场技术人员确认采用该仿真培训系统有以下效果：
① 可提高操作人员维持稳态操作的能力，有利于锅炉生产的正常进行；
② 可使操作人员熟练掌握开停车过程，从而缩短开停车的时间，减少不必要的能源浪费和设备损失；
③ 可帮助操作人员及时地发现和处理故障，减少或避免非计划停车；
④ 基于MIC-2000工控机的模块化硬件结构可靠性高，具有灵活的扩展性，便于维护；
⑤ 可提高培训质量和效率，缩短培训时间，节省培训费用。
随着价格的逐渐下降、极高的可靠性和可扩充性，以及与PC机完全兼容的软件环境，工业控制机在仿真培训系统中的应用必将越来越广泛，就如同它在工业控制中所起的作用一样，会带来可观的经济效益和社会效益。
参考文献：
［1］刘积贤.工业锅炉安全技术.化学工业出版社，1980
［2］宋承龄等.系统仿真.国防工业出版社，1989
