席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部）

污水處理過程風(fēng)險(xiǎn)控制的仿真系統(tǒng)

席冠男 張東勝 劉恒育

（天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部）

污水處理過程生化反應(yīng)過程復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)不僅時(shí)間長且成本高。為了有效節(jié)約崗前培訓(xùn)時(shí)間、提高員工對(duì)設(shè)備認(rèn)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(qiáng)化仿真效果。通過系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息彈窗，污水處理過程工藝仿真實(shí)現(xiàn)與實(shí)際處理過程相結(jié)合，能夠有效地提高崗前培訓(xùn)效果，改善生產(chǎn)安全現(xiàn)狀并提高設(shè)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(fù)雜的生化反應(yīng)過程，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間長、成本很高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是許多學(xué)科尤其是石油煉化企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)及崗前培訓(xùn)重要環(huán)節(jié)之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)于理論教學(xué)更具有直觀性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性。因此，設(shè)計(jì)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(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

1　虛擬仿真平臺(tái)的適用性及優(yōu)點(diǎn)

仿真是利用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究［1］。虛擬儀器是一種功能意義上的測(cè)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(shè)備技術(shù)仿真設(shè)計(jì)，可以縮短系統(tǒng)組件時(shí)間，降低開發(fā)費(fèi)用［3］?；谀Ｐ偷挠?jì)算機(jī)仿真軟件即可用于新工藝的開發(fā)、探討新運(yùn)行策略的可行性；又能節(jié)省人力財(cái)力、提高科研效率和過程控制效果，因此，仿真軟件對(duì)污水處理系統(tǒng)格外重要［4］。

在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，充分利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器功能，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、費(fèi)用低的虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入，又能為學(xué)員做創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、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(chǔ)，對(duì)某污水處理廠區(qū)全過程進(jìn)行仿真，并將其中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所涉及的儀器設(shè)備信息進(jìn)行標(biāo)注，并輔以HAZOP分析結(jié)果強(qiáng)化仿真效果，有效的提高了新員工崗前培訓(xùn)效果，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時(shí)間，保證了廠區(qū)污水處理過程的高效運(yùn)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(shì)。Lab VIEW是一種新型的圖形編程平臺(tái)，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(xiàng)目上的比較測(cè)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(duì)某一環(huán)節(jié)或某一控制策略的實(shí)施進(jìn)行仿真［7］，此類仿真程序在文獻(xiàn)中較為常見；二是對(duì)污水處理整個(gè)過程進(jìn)行仿真［8］，此類仿真能對(duì)不同狀態(tài)下系統(tǒng)出水的效果分析、辨識(shí)，還可以添加控制模塊對(duì)系統(tǒng)控制效果進(jìn)行模擬。

2　虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的虛擬平臺(tái)主要針對(duì)新員工崗前培訓(xùn)及安全工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)所用，主要用于輔助員工及學(xué)生完成對(duì)工藝流程的認(rèn)識(shí)，以達(dá)到盡快熟悉操作系統(tǒng)的目的。因此，在設(shè)計(jì)操作界面時(shí)，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(shè)計(jì)思路及界面設(shè)計(jì)。

由于該含油污水仿真系統(tǒng)旨在針對(duì)新員工崗前培訓(xùn)及安全工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)，因此為了方便學(xué)習(xí)及認(rèn)知，特別將系統(tǒng)的可視化界面設(shè)計(jì)為類P&ID圖的方式，這樣在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝操作流程時(shí)可以有效減少因仿真界面與實(shí)際操作現(xiàn)場(chǎng)誤差過大造成的認(rèn)知誤差。同時(shí)，為了提高效果，特別將HAZOP分析結(jié)果及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所涉及的儀器設(shè)備信息進(jìn)行標(biāo)注，強(qiáng)化對(duì)工藝流程及可能存在的安全隱患的認(rèn)識(shí)。

2.1系統(tǒng)可視化界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是為了有效提高新員工崗前培訓(xùn)效果，達(dá)到減少因人為操作失誤造成的非故障停車時(shí)間，并盡量保證廠區(qū)污水處理過程的高效運(yùn)行狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)平臺(tái)操作界面時(shí)，將儀表加入操作界面，提高對(duì)工藝流程的認(rèn)知度。對(duì)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(biāo)從左到右分別為：系統(tǒng)采樣周期設(shè)置（可調(diào)節(jié)）、隔油池液位及液位報(bào)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(rèn)識(shí)誤差。

圖2　平臺(tái)操作界面

2.2工藝流程界面設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)的工藝流程仿真區(qū)采用類P&ID圖的設(shè)計(jì)方式，將管道中液體的流向進(jìn)行標(biāo)注，幫助用戶對(duì)工藝進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)，并將管道中所流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)注以方便對(duì)工藝過程的理解，其中關(guān)鍵設(shè)備，如閥、泵、儀表的位號(hào)進(jìn)行了標(biāo)注以方便對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備和對(duì)照工藝流程圖進(jìn)行學(xué)習(xí)和認(rèn)知。

2.3設(shè)備及工藝基本信息引入

為了能夠更好的對(duì)工藝流程進(jìn)行認(rèn)知和學(xué)習(xí)，首先需要了解其中關(guān)鍵設(shè)備的基本信息以及系統(tǒng)的基本運(yùn)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(diǎn)中關(guān)鍵設(shè)備如儲(chǔ)罐、閥、泵、儀表等的基本信息及工藝流程基本信息引入。同時(shí)，為了能夠使得受培訓(xùn)的員工或?qū)W生能夠更簡單的了解到對(duì)應(yīng)工藝或設(shè)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(shè)備及工藝，利用Lab VIEW布爾開關(guān)形式模擬儀表圖形，點(diǎn)擊即可彈出儀表或工藝基本信息的彈窗，方便對(duì)儀表信息及工藝流程進(jìn)行有效的記憶和理解。

圖3　工藝基本信息彈窗

2.4設(shè)備儀表視窗設(shè)計(jì)

崗前培訓(xùn)要求員工必須盡快適應(yīng)各種儀表、閥的操作或讀數(shù)界面，因此為了提高培訓(xùn)效果，在該仿真系統(tǒng)中加入設(shè)備儀表的示數(shù)界面，以增強(qiáng)直觀觀測(cè)效果，減少因工藝流程復(fù)雜所造成的培訓(xùn)效果降低。另外，為了與仿真系統(tǒng)進(jìn)行一定程度上的互動(dòng)，特別加入了采集周期選擇系統(tǒng)以及與儀表相對(duì)應(yīng)的可調(diào)高報(bào)警及低報(bào)警旋鈕，用以調(diào)整監(jiān)測(cè)上下限，以方便教學(xué)或培訓(xùn)之用。如圖4所示，界面左邊為采樣周期和液位報(bào)警設(shè)置界面，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，旋鈕和條形控制按鈕可以對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行粗調(diào)，而框體內(nèi)可以進(jìn)行具體數(shù)據(jù)的設(shè)置，以改善需要微調(diào)時(shí)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(shí)間段內(nèi)的液位變化，右側(cè)為液位報(bào)警裝置，當(dāng)液位超過所設(shè)定的最高或最低限制時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警裝置會(huì)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(shí)設(shè)計(jì)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(diǎn)（或稱工藝單元），再針對(duì)每一個(gè)分析節(jié)點(diǎn)識(shí)別出具有潛在危險(xiǎn)的偏差。分析組對(duì)每個(gè)有意義的偏差都進(jìn)行分析，分析其可能原因、后果、已有安全保護(hù)等，同時(shí)提出應(yīng)該采取措施和行動(dòng)［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(shí)、易于決策等優(yōu)點(diǎn)［10］。

因?yàn)镠AZOP分析需要由不同專業(yè)不同崗位專家人員進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”，將關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施對(duì)偏差的原因、后果、已有安全保護(hù)措施等項(xiàng)目進(jìn)行綜合分析，識(shí)別出所有可能導(dǎo)致隱患和操作性問題的原因，提出改進(jìn)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(dá)到類似“頭腦風(fēng)暴”的效果，為了方便員工對(duì)工藝流程和設(shè)備進(jìn)行有效的認(rèn)知和分析，需要將HAZOP分析所得出的關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)分析直接進(jìn)行標(biāo)注，以方便員工或?qū)W生對(duì)比自己分析的結(jié)果進(jìn)行完善。為了避免與設(shè)備基本信息混淆，將風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵設(shè)備附近，起到提示和幫助作用，圖5為隔油池風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果及現(xiàn)有安全防范措施，學(xué)生或崗前培訓(xùn)人員可以根據(jù)專家HAZOP分析結(jié)果與自己的預(yù)先評(píng)估進(jìn)行對(duì)照，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)培訓(xùn)效果。

圖5　隔油池風(fēng)險(xiǎn)分析

在將所有可能存在的隱患進(jìn)行識(shí)別之后，需要對(duì)后果進(jìn)行分析整理，以方便進(jìn)行分析后整改。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，借用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)可能造成的后果進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)（R）由發(fā)生的概率（L）與發(fā)生后造成的嚴(yán)重程度（C）決定。其公式為：R=L×C。

在確定概率與嚴(yán)重度后，通過上式可計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)R。風(fēng)險(xiǎn)矩陣中以橫坐標(biāo)為L，縱坐標(biāo)為C。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，根據(jù)R對(duì)應(yīng)值來判斷隱患所能產(chǎn)生的后果是否需要立刻進(jìn)行改正。

經(jīng)過系統(tǒng)分析，可以清晰的辨識(shí)出存在的不可接受的情況或必須要改正的狀態(tài)，進(jìn)而提出需采取的行動(dòng)，要涉及防止原因出現(xiàn)事件的出現(xiàn)和減少后果嚴(yán)重性，同時(shí)還應(yīng)兼顧可操作性和經(jīng)濟(jì)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)及建議彈窗，其中詳細(xì)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(jí)從而確定了該隱患的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。建議內(nèi)容及建議措施的具體實(shí)施方法及控制回路的報(bào)警偏差范圍（10%）也在彈窗中有所體現(xiàn)，對(duì)初次接觸該套系統(tǒng)的用戶有很好的指導(dǎo)作用。

圖6　隔油池風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)及建議彈窗

4　結(jié) 論

基于Lab VIEW的含油污水處理過程風(fēng)險(xiǎn)控制的系統(tǒng)仿真具有以下優(yōu)點(diǎn)：①基于圖形化語言所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)不僅易于操作而且易于學(xué)習(xí)，能夠有效提高培訓(xùn)及學(xué)習(xí)效率；②有效降低了污水處理過程的成本及實(shí)驗(yàn)時(shí)間；③結(jié)合HAZOP分析對(duì)污水處理過程工藝流程進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，提高了認(rèn)識(shí)和防范安全隱患的意識(shí)，大大減少了因人為操作失誤造成的非故障停車時(shí)間，保證了廠區(qū)污水處理過程的高效運(yùn)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(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部管理科學(xué)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(hào)天津大學(xué)49齋311，300072