1. 項目背景

山東東岳未來氫能材料股份有限公司，專注于高端含氟精細化學品、高性能含氟聚合物以及高性能含氟功能膜材料的研發與生產，成功構建了燃料電池膜等含氟功能膜材料及其配套化學品的完整產業鏈。公司不僅掌握國內首套具有完全自主核心知識產權的熱塑性彈性體（TFE單體）全產業鏈工藝技術，更是中國唯一實現燃料電池關鍵部件批量制備技術并具備汽車供應鏈體系資質的企業。東岳氫能公司在燃料電池汽車產業中走在國際競爭前列，在液流電池、儲能和水電解制氫所需的質子交換膜領域也實現了技術突破，相關產品已批量化應用于商業化示范項目，為國家新型高效儲能技術提供關鍵保障，是中國氫能“核芯”技術與產業化的開拓引領者。

隨著工業智能化進程的深入以及國際競爭環境的演變，新能源新材料等精細化工行業面臨著生產效率提升、產品質量保證、成本降低以及環境友好等多方面的要求。高端含氟精細化學品、高性能含氟聚合物以及高性能含氟功能膜材料對物理性能一致性要求也極為嚴苛。當前國內僅有個別企業在該領域積極拓展，在高端產品研發、生產組織、市場規模上與國際巨頭相比還存在較大差距。

為鞏固技術領先優勢，支撐復雜工藝生產體系，東岳未來氫能與和利時通力合作，開發了國內首套涉氟化工新材料裝置全流程數字孿生建設項目。項目覆蓋TFE單體、HFPO、PPVE、ETFE四套核心生產裝置， 致力于打造集人員技能培訓、安全分析事故處理、設計驗證優化、生產操作指導于一體的高保密、高精度仿真平臺。項目全開發周期在東岳廠區內保密實施，實現了核心工藝數據“不離場”、知識產權“零風險”，為戰略新興材料的自主可控與智能化運營樹立了安全實施典范。

2. 項目目標與原則

2.1目標

項目的核心目標是為東岳氫能公司HFPO（六氟環氧丙烷）、PPVE（全氟丙基乙烯基醚）、ETFE（四氟乙烯-乙烯共聚物）、TFE單體（熱塑性彈性體）四套生產裝置定制開發高精度開放式仿真培訓系統（OTS），通過高度仿真的虛擬環境，全面滿足東岳氫能公司人員技能培訓、安全分析、事故處理預演、設計驗證優化、生產操作指導等迫切需求。

1) 全工況操作技能體系化培訓

操作人員技能培訓是仿真培訓系統最基本的應用定位。通過高仿真度地模擬工廠的開車、停車、正常運行和各種事故過程的現象和操作，與傳統的培訓方法相比，能大幅提高培訓效果、節省培訓費用、縮短培訓時間，是一種現代化、高效的培訓手段。在新建裝置開車前，系統不僅可進行裝置開停工及事故處理的技能培訓與方案實驗研究，也可使操作人員預先熟悉 DCS 系統的操作方式，縮短操作習慣的適應期，保證生產裝置的順利開車和正常生產。在裝置開工后，系統仍可用于在崗人員、轉崗人員及新入廠人員的技能培訓，為培養一人多崗、一人多專的復合型人才提供最佳的培訓環境。

2) 安全風險前置化分析與演練

數字孿生項目中流程模擬系統可為技術人員提供安全分析實驗平臺，為操作人員構建事故應急處理的沉浸式演練場景。通過安全生產的仿真培訓可減少安全隱患，提高安全緊急響應能力。

3) 工藝與控制策略超前驗證

仿真培訓系統嚴格按照實際裝置的設計工藝、設備、DCS 系統等開發，可在新建裝置開工前在虛擬環境中對裝置工藝流程、設備能力以及 DCS組態結果進行超前檢驗和校正優化，降低工程風險與試車成本。。

4) 生產操作智能化尋優

探索最佳的開、停工操作方案，實現在最短的時間、最低的能耗和原料消耗下順利完成裝置的開、停工，提升生產運行的經濟性與穩定性。

2.2 原則

工藝數學模型基于化工機理，遵守三傳一反規律為支撐的機理建模路線，如實反映流股的熱力學特性，以及傳熱的慣性現象。

工藝數學模型采用動態機理框架算法體系，聯立求解微分代數混合方程組。

工藝數學模型應具備良好的魯棒性，在負荷接近乃至超出極限值條件下，系統不發生溢出或停機等故障。

工藝數學模型準確性要求：關鍵性參數的穩態仿真精度3%，關鍵性參數的暫態仿真精度5%。

工藝數學模型應嚴格遵守工質不同相域的能量、質量和動量守恒定律，能如實反映工質的熱力學特性。

3. 項目實施與應用

本項目針對東岳氫能四套大型、復雜、技術密集型的生產裝置，實施了全面、系統、智能化的數字孿生系統建設，突破了高端精細化工OTS領域的多項技術與管理瓶頸。系統采用和利時自主知識產權的高精度動態工藝流程平臺軟件（GPRES）、教師站軟件包（GpresINS），結合各類控制系統模擬技術，構成各裝置定制的數字孿生系統。基于嚴格的機理模型技術，建立各裝置的工藝過程模型，結合領先的虛擬DCS技術，使用真正的DCS組態及監控軟件，模擬裝置的過程控制（包括：顯示界面、控制算法、DCS操作方式等）。裝置實際現場的DCS組態與OTS的控制組態可互換更新，使工藝優化與先進的控制策略無縫鏈接。

圖 1仿真培訓系統(OTS)整體架構圖

(1) 項目重點、難點問題：

1) 校核熱力學物性模型

l 基于嚴格的熱力學方法和經典的物性數據，校核東岳氫能各裝置工藝流程嚴謹熱力學物性模型，并進行全流程物料與熱量穩態衡算，保證各裝置OTS工藝仿真模型能高精度地動態響應。

2) 建立通用常規設備模型

l 調用包含300多種設備的高逼真度過程模型算法庫，1：1構建各裝置常規設備的設備模型。

3) 定制開發各裝置的特殊設備專用算法

l 特殊設備專用算法以設備及生產真實數據（包含設計數據）為基礎，結合查閱理論文獻，并參考同類經驗數據統計三者結合的方法進行開發及測試。

4) 工藝模型精度校準

l OTS的穩態模擬結果與參照裝置在平穩運行時的實際數據或設計數據對比，關鍵工藝測量參數的標準偏差應在量程范圍的±3%之內；OTS的動態模擬中，工藝參數變化趨勢與節奏與實際裝置100%一致；模型的瞬時演化表現應具有與實際工廠相同的動態特性，如：停滯時間、反應、方向、順序等；動態擾動后，達到新平穩狀況的模擬參數，與裝置實際參考數據間的相對偏差≤±6%。

5) 控制系統仿真

l 控制系統仿真采用先進的虛擬控制器（VDPU）技術，指將實際控制單元中的DPU功能移植到虛擬DPU軟件上，使DPU功能脫離實際硬件而實現，整個虛擬DCS系統可以脫離數據采集及數據運算硬件設備而工作。

6) 常規通用故障仿真

l 每個工藝設備、儀表設備都采用機理模型。模型中，根據設備/儀表特點，考慮可能引發設備/儀表故障的因素，并在設備/儀表模型參數中設置引發故障的變量（1個或多個）。類型包含：

A. 全局性故障

B. 旋轉設備故障

C. 變送器信號故障

D. 控制閥故障

E. 設備故障/影響

F. 安全閥門故障

7) 定制特殊專用故障仿真

l 結合各裝置實際情況，根據用戶需求，定制開發特殊專用故障。

8) 過程操作指導及評價系統

l 從操作質量、報警狀況、操作步驟三個維度對學員進行自動考核評價，教員可以使用評分管理界面來選擇試卷、啟動/停止評分過程，評分監測畫面可以實時查看學員的操作和得分情況。同時，評價系統還可產生Excel和文本格式的評分報告，支持組建題庫、組成試卷、建立復合試卷等功能。該功能可以將一些存在因果關系的故障，以及操作中的干擾因素進行組合，形成試卷或復合試卷，并在培訓中觸發試卷，以培養和檢驗受訓人員的綜合能力。

A. 操作質量：系統采用設置函數方程，計算學員的操作質量。在學員整個操作過程中，重要的工藝數據應保持在指定范圍內，且根據保持的時長進行評定。

B. 報警狀況：統計學員在訓練及考核過程中產生報警情況，根據出現報警的次數及報警持續時間的長短進行評定。

C. 操作步驟：學員的操作步驟是考核的重要方面，評價系統通過檢查學員的操作情況，根據操作順序試題的考核邏輯來給定學員分數。

(2) 實施與應用情況

1) 實施

項目啟動：項目開始策劃，結合DCS系統進行畫面的繪制及組分、流程的確認工作。

分調建模，根據車間提供資料開始針對各工序進行分調建模，并完成硬件的到廠安裝及調試工作。

系統測試，將開停車、以及整個流程的模擬進行仿真，并交由車間進行實際功能測試，協助TFE車間順利開車。

系統投運，對裝置提出的異常工況下的操作進行梳理并編寫邏輯，會同車間技術員、操作人員進行仿真測試。

竣工驗收，根據車間使用過程中提出的問題，進行優化，并對項目進行驗收。

2) 應用

l 工藝流程仿真：OTS系統工藝仿真與真實DCS系統在系統架構、控制邏輯、數據處理等方面具有高度的一致性。仿真系統通過虛擬化技術再現了真實生產環境，為操作員提供了有效的培訓和測試平臺。

l DCS仿真：對DCS全盤克隆，與真實DCS系統畫面風格、操作規則、響應完全一致，車間受訓人員接受程度高。

l 就地站仿真：在DCS系統中新組織畫面，對裝置現場管線、設備、儀表進行完整流程復刻，并添加現場交互操作的閥門、機泵等虛擬設備。

l SIS系統仿真，在DCS系統底層，將SIS系統的聯鎖邏輯進行復刻，實現對SIS系統的仿真，開車前即可利用OTS對新建裝置SIS組態工程從操作員視角進行邏輯測試驗證。

l 事故演練：在正常生產系統中，無法對系統可能出現的故障進行模擬，實際出現問題時可能因為操作不當出現問題。而在OTS中可以仿真所有的故障，員工可根據步驟練習，熟練后可以關閉提示自行操作，自大幅提升應急響應能力。

l 操作考評：評分系統根據學員在DCS或現場站上的操作情況，按照約預設試卷標準自動給出相應的分數，來客觀評定學員的流程掌握情況。

l 順控程序仿真測試：將編寫的DCS順控邏輯導入OTS進行邏輯響應測試，實現控制策略的提前驗證與優化。

圖2仿真培訓系統的應用場景

圖 3仿真系統功能

(3) 項目創新性

1) 產品創新：打造國內首套含氟新材料生產裝置的全流程高精度數字孿生系統，實現人員技能培訓、安全分析事故處理、設計驗證優化、生產操作指導的目標。支持靈活伸縮部署與一鍵式安裝，提高了大型復雜項目的實施效率，降低實施成本，使產品具有可復制性、可推廣性。

2) 技術創新：采用虛擬調試技術，“機理+數據”雙驅動建模，實現控制邏輯預驗證，投產前完成工藝調度與控制策略的可靠性驗證，縮短了調試周期。

3) 模式創新： 項目從啟動、開發到驗收，全部在東岳廠區內部封閉網絡環境中完成，開創了高端新材料OTS項目全程駐場保密開發的先例，為涉及國家核心戰略新材料的技術保護提供了全新范式。

4) 應用場景創新：OTS與DCS、SIS系統深度協同，滿足裝置SIS及特殊控制邏輯驗證測試的需求，實現覆蓋“控制-安全-工藝”的一體化虛擬驗證創新。工程師可在投產前對重點設備單元 “一鍵啟停”，從根本上解決以往“不敢用”的難題。

4. 效益分析

項目建成投用后，已深度融入東岳氫能的生產運營與人才培養全鏈條，成為不可或缺的“數字孿生培訓與驗證中心”，為其新工藝開發、技改、操作優化、工藝培訓、操作培訓、技能鑒定等奠定了堅實基礎，產生了顯著的綜合效益。

1) 經濟效益：

l 建設與調試成本顯著降低：對新建裝置控制方案進行預驗證和優化，使投產前完成90%調試工作，調試周期縮短50%，試錯成本降低60%，有效避免試車階段原料浪費；

l 人員培養效率大幅提升：操作人員定崗培訓時間縮短50%，培訓效率提升30%，顯著加速了復合型人才的產出速度，降低了人力與時間成本。；

l 生產運行損失有效減少：系統化培訓和事故演練使操作員應急處置能力顯著增強，考核合格后方可上崗，使操作失誤率降至0.5%以下，保障了裝置的安、穩、長、滿、優運行，間接經濟效益巨大。

2) 社會效益：

l 樹立行業智能化升級新范式：項目打造了高端精細化工制造業自主可控智能化實踐的標桿案例，為整個產業鏈的升級和優化提供了典型示范，增強了產業鏈的韌性與國際競爭力。

l 提升產業鏈本質安全水平：通過將大量事故演練從“線下真車”前置到“線上仿真”，極大降低了實操培訓的安全風險，為行業的人才培養與應急能力建設提供了新思路

本項目是國內首套應用于涉氟高端新材料領域的數據孿生系統，其成功落地具有里程碑式的行業意義。項目材料詳實、數據準確、內容完整，生動展現了數字孿生在提升人員技能、保障生產安全、優化工藝控制、縮短項目周期等方面的顯著效果與實際效益。系統綜合運用先進的機理建模、虛擬DCS、SIS仿真、智能評價等多項關鍵技術，實現培訓、驗證、優化、指導的一體化應用，是智能化技術賦能高端制造業智能化升級的成功典范。

典型性與代表性極為突出：

項目服務對象——東岳氫能是代表國家參與國際競爭的行業龍頭，項目解決方案并非通用產品的簡單套用，而是專門針對代表中國最高水平、具有完全自主知識產權的含氟新材料產業量身定制，精準破解氫能領域操作培訓難、安全驗證難、工藝優化難的三大痛點，為同類戰略新興產業的智能化升級提供了可復制的完整路徑。

應用效果與效益經過嚴格驗證：

效益均基于詳實的項目數據與應用記錄。調試周縮短50%、培訓效率提升30%、操作失誤率趨近于零等可量化指標，直接證明了項目的卓越成效。此外，項目在保障核心工藝機密安全、實現安全邏輯測試零風險等方面創造了不可估量的價值。其“虛實結合、以虛優實”的數字孿生新模式，是智能化技術驅動高端制造業高質量發展的優秀典范。