席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學管理與經(jīng)濟學部）

污水處理過程風險控制的仿真系統(tǒng)

席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學管理與經(jīng)濟學部）

污水處理過程生化反應過程復雜，現(xiàn)場實驗不僅時間長且成本高。為了有效節(jié)約崗前培訓時間、提高員工對設備認知度，建立了一套基于可視化軟件的污水處理過程仿真系統(tǒng)，并輔以HAZOP分析強化仿真效果。通過系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點信息彈窗，污水處理過程工藝仿真實現(xiàn)與實際處理過程相結(jié)合，能夠有效地提高崗前培訓效果，改善生產(chǎn)安全現(xiàn)狀并提高設備管理水平。

污水處理；可視化軟件；系統(tǒng)仿真；HAZOP分析

0　引 言

污水處理過程作為復雜的生化反應過程，現(xiàn)場實驗時間長、成本很高。實驗教學是許多學科尤其是石油煉化企業(yè)進行學習及崗前培訓重要環(huán)節(jié)之一，實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性和創(chuàng)新性。因此，設計了一套基于虛擬軟件的仿真系統(tǒng)用以模擬污水處理過程的工藝流程，以期望達到實驗教學的目的。

1　虛擬仿真平臺的適用性及優(yōu)點

仿真是利用模型代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究［1］。虛擬儀器是一種功能意義上的測量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合［2］。采用虛擬設備技術(shù)仿真設計，可以縮短系統(tǒng)組件時間，降低開發(fā)費用［3］?；谀Ｐ偷挠嬎銠C仿真軟件即可用于新工藝的開發(fā)、探討新運行策略的可行性；又能節(jié)省人力財力、提高科研效率和過程控制效果，因此，仿真軟件對污水處理系統(tǒng)格外重要［4］。

在通用計算機平臺上，根據(jù)測試任務的需要定義和設計儀器的測試功能，充分利用計算機實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器功能，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、費用低的虛擬實驗儀器，包括數(shù)字示波器、頻譜分析儀、函數(shù)發(fā)生器等［5］，既可以減少實驗設備資金的投入，又能為學員做創(chuàng)新性實驗、掌握現(xiàn)代儀器技術(shù)提供條件［5］。

系統(tǒng)以Lab VIEW 軟件為基礎，對某污水處理廠區(qū)全過程進行仿真，并將其中關(guān)鍵節(jié)點所涉及的儀器設備信息進行標注，并輔以HAZOP分析結(jié)果強化仿真效果，有效的提高了新員工崗前培訓效果，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時間，保證了廠區(qū)污水處理過程的高效運行狀態(tài)。

目前，虛擬儀器的開發(fā)軟件有許多，但Lab VIEW比起傳統(tǒng)的語言和其他控制及數(shù)據(jù)采集程序包具有更大的優(yōu)勢。Lab VIEW是一種新型的圖形編程平臺，稱為G圖形語言的可視化交互技術(shù)［6］。與使用傳統(tǒng)的編程語言相比，Lab VIEW大大提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過在小項目上的比較測試得出結(jié)論：用C語言的效率比用Lab VIEW的效率低4/5［5］。

污水處理過程的仿真可分為兩種類型：一是對某一環(huán)節(jié)或某一控制策略的實施進行仿真［7］，此類仿真程序在文獻中較為常見；二是對污水處理整個過程進行仿真［8］，此類仿真能對不同狀態(tài)下系統(tǒng)出水的效果分析、辨識，還可以添加控制模塊對系統(tǒng)控制效果進行模擬。

2　虛擬仿真系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)所設計的虛擬平臺主要針對新員工崗前培訓及安全工程專業(yè)學生學習所用，主要用于輔助員工及學生完成對工藝流程的認識，以達到盡快熟悉操作系統(tǒng)的目的。因此，在設計操作界面時，盡量以系統(tǒng)P&ID圖的方式呈現(xiàn)。工藝流程如圖1所示。

圖1　含油污水處理工藝流程

現(xiàn)以油水分離過程子系統(tǒng)為例，展示本虛擬仿真系統(tǒng)的設計思路及界面設計。

由于該含油污水仿真系統(tǒng)旨在針對新員工崗前培訓及安全工程專業(yè)學生學習，因此為了方便學習及認知，特別將系統(tǒng)的可視化界面設計為類P&ID圖的方式，這樣在結(jié)合現(xiàn)場工藝操作流程時可以有效減少因仿真界面與實際操作現(xiàn)場誤差過大造成的認知誤差。同時，為了提高效果，特別將HAZOP分析結(jié)果及關(guān)鍵節(jié)點所涉及的儀器設備信息進行標注，強化對工藝流程及可能存在的安全隱患的認識。

2.1系統(tǒng)可視化界面的設計

系統(tǒng)設計的目的是為了有效提高新員工崗前培訓效果，達到減少因人為操作失誤造成的非故障停車時間，并盡量保證廠區(qū)污水處理過程的高效運行狀態(tài)，因此在設計平臺操作界面時，將儀表加入操作界面，提高對工藝流程的認知度。對于較為簡單的子系統(tǒng)界面，如圖2所示為油水分離系統(tǒng)，分為工藝流程仿真區(qū)和儀表觀察區(qū)，將系統(tǒng)中關(guān)鍵位置的參數(shù)儀表排列于下方，以便觀察所用。圖2中下方儀表及圖標從左到右分別為：系統(tǒng)采樣周期設置（可調(diào)節(jié)）、隔油池液位及液位報警、含鹽污水流量、含油污水流量、子系統(tǒng)說明及HAZOP分析結(jié)論。有效減少了切換可視化界面造成的認識誤差。

圖2　平臺操作界面

2.2工藝流程界面設計

仿真系統(tǒng)的工藝流程仿真區(qū)采用類P&ID圖的設計方式，將管道中液體的流向進行標注，幫助用戶對工藝進行初步認識，并將管道中所流動介質(zhì)進行標注以方便對工藝過程的理解，其中關(guān)鍵設備，如閥、泵、儀表的位號進行了標注以方便對照現(xiàn)場操作設備和對照工藝流程圖進行學習和認知。

2.3設備及工藝基本信息引入

為了能夠更好的對工藝流程進行認知和學習，首先需要了解其中關(guān)鍵設備的基本信息以及系統(tǒng)的基本運行情況。因此，在系統(tǒng)的仿真操作界面上，特地將搜集到的操作節(jié)點中關(guān)鍵設備如儲罐、閥、泵、儀表等的基本信息及工藝流程基本信息引入。同時，為了能夠使得受培訓的員工或?qū)W生能夠更簡單的了解到對應工藝或設備的基本信息，該仿真系統(tǒng)采用彈窗模式將所需信息引入，如圖3所示。為了有效區(qū)分關(guān)鍵設備及工藝，利用Lab VIEW布爾開關(guān)形式模擬儀表圖形，點擊即可彈出儀表或工藝基本信息的彈窗，方便對儀表信息及工藝流程進行有效的記憶和理解。

圖3　工藝基本信息彈窗

2.4設備儀表視窗設計

崗前培訓要求員工必須盡快適應各種儀表、閥的操作或讀數(shù)界面，因此為了提高培訓效果，在該仿真系統(tǒng)中加入設備儀表的示數(shù)界面，以增強直觀觀測效果，減少因工藝流程復雜所造成的培訓效果降低。另外，為了與仿真系統(tǒng)進行一定程度上的互動，特別加入了采集周期選擇系統(tǒng)以及與儀表相對應的可調(diào)高報警及低報警旋鈕，用以調(diào)整監(jiān)測上下限，以方便教學或培訓之用。如圖4所示，界面左邊為采樣周期和液位報警設置界面，可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，旋鈕和條形控制按鈕可以對所需數(shù)據(jù)進行粗調(diào)，而框體內(nèi)可以進行具體數(shù)據(jù)的設置，以改善需要微調(diào)時條形控制按鈕和旋鈕較難控制的不足。界面右半部分為隔油池液位監(jiān)視儀表的視窗，可以監(jiān)控一定時間段內(nèi)的液位變化，右側(cè)為液位報警裝置，當液位超過所設定的最高或最低限制時，相應的報警裝置會亮起，以醒目的紅色顯示。

圖4　液位儀表視窗界面

3　HAZOP分析的引入

HAZOP分析是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化分析方法，其分析的過程是由各專業(yè)人員組成的分析組按一定原則將工藝過程劃分為合理的分析節(jié)點（或稱工藝單元），再針對每一個分析節(jié)點識別出具有潛在危險的偏差。分析組對每個有意義的偏差都進行分析，分析其可能原因、后果、已有安全保護等，同時提出應該采取措施和行動［9］。HAZOP分析具有激發(fā)創(chuàng)造性、開拓思路、系統(tǒng)檢查全面、獲得有益知識、易于決策等優(yōu)點［10］。

因為HAZOP分析需要由不同專業(yè)不同崗位專家人員進行“頭腦風暴”，將關(guān)鍵設備設施對偏差的原因、后果、已有安全保護措施等項目進行綜合分析，識別出所有可能導致隱患和操作性問題的原因，提出改進意見和措施，以徹底解決存在的安全問題［9］。在仿真系統(tǒng)中，無法達到類似“頭腦風暴”的效果，為了方便員工對工藝流程和設備進行有效的認知和分析，需要將HAZOP分析所得出的關(guān)鍵設備設施風險分析直接進行標注，以方便員工或?qū)W生對比自己分析的結(jié)果進行完善。為了避免與設備基本信息混淆，將風險分析彈窗按鈕在工藝流程界面中以紅色布爾開關(guān)形式定位于存在風險的關(guān)鍵設備附近，起到提示和幫助作用，圖5為隔油池風險分析結(jié)果及現(xiàn)有安全防范措施，學生或崗前培訓人員可以根據(jù)專家HAZOP分析結(jié)果與自己的預先評估進行對照，達到良好的學習培訓效果。

圖5　隔油池風險分析

在將所有可能存在的隱患進行識別之后，需要對后果進行分析整理，以方便進行分析后整改。在本文設計的系統(tǒng)中，借用風險矩陣對可能造成的后果進行評估。風險（R）由發(fā)生的概率（L）與發(fā)生后造成的嚴重程度（C）決定。其公式為：R=L×C。

在確定概率與嚴重度后，通過上式可計算出風險R。風險矩陣中以橫坐標為L，縱坐標為C。在風險矩陣中，根據(jù)R對應值來判斷隱患所能產(chǎn)生的后果是否需要立刻進行改正。

經(jīng)過系統(tǒng)分析，可以清晰的辨識出存在的不可接受的情況或必須要改正的狀態(tài)，進而提出需采取的行動，要涉及防止原因出現(xiàn)事件的出現(xiàn)和減少后果嚴重性，同時還應兼顧可操作性和經(jīng)濟合理性。圖6即為存在安全隱患的隔油池及液位控制回路的風險評級及建議彈窗，其中詳細列出了該安全隱患現(xiàn)有的防范措施，并根據(jù)HAZOP分析確定了其后果和頻率等級從而確定了該隱患的風險等級。建議內(nèi)容及建議措施的具體實施方法及控制回路的報警偏差范圍（10%）也在彈窗中有所體現(xiàn)，對初次接觸該套系統(tǒng)的用戶有很好的指導作用。

圖6　隔油池風險評級及建議彈窗

4　結(jié) 論

基于Lab VIEW的含油污水處理過程風險控制的系統(tǒng)仿真具有以下優(yōu)點：①基于圖形化語言所設計的仿真系統(tǒng)不僅易于操作而且易于學習，能夠有效提高培訓及學習效率；②有效降低了污水處理過程的成本及實驗時間；③結(jié)合HAZOP分析對污水處理過程工藝流程進行學習和培訓，提高了認識和防范安全隱患的意識，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時間，保證了廠區(qū)污水處理過程的高效運行狀態(tài)。

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（編輯 王蕊）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.022

1005-3158（2015）06-0077-03

2015-03-20）

席冠男，天津大學管理與經(jīng)濟學部管理科學與工程專業(yè)在讀博士。研究方向：工程管理。通信地址：天津市衛(wèi)津路92號天津大學49齋311，300072