РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕНАЖЕРОВ-ИМИТАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕНАЖЕРОВ-ИМИТАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ
Аннотация
Статья посвящена разработке и применению тренажеров-имитаторов для обучения сотрудников на примере нефтеперекачивающей станции. Раскрываются теоретические предпосылки разработки тренажеров-имитаторов, уточняется их место, роль и показатели эффективности в современном обучении. Выделяется, что в современном научном сообществе задачи разработки и применения тренажеров-имитаторов остаются востребованными, поскольку большая часть разработок затрагивает деятельность в военной сфере, медицине, транспортных системах. В контексте обучения персонала для нефтеперекачивающей станции тема разработки и применения тренажеров-имитаторов остается неисследованной. Настоящим исследованием внесен особый вклад в разработку системы тренажера-имитатора с перспективой его массовой апробации и совершенствования. Уникальность исследования заключается в разделении и распределении функций моделирования между двумя направлениями: динамическое моделирование в Altair Embed и визуализация в SCADA. Данный подход к проектированию тренажеров недостаточно освещен в современной литературе, хотя и является перспективным, на что также указывают полученные результаты. Полученная по итогам разработки система является гибкой, поскольку параметры процесса тренажера-имитатора могут быть изменены как программой (по определенному алгоритму, при минимальном вмешательстве аттестующего персонала), так и экспертом (аттестующим персоналом).
1. Введение
В условиях комплексной цифровизации экономики, вопросы применения инструментов и технологий в деятельности нефтегазового сектора приобретают основополагающее значение, сопряженное с возможностями использования достижений науки и техники для собственных целей развития. Ограничительные воздействия на экономику России и сферу технологий определяют концептуальное значение становления и развития собственных проектов, направленных на решение прикладных задач бизнеса. Ключевой перспективой современного функционирования предприятий становится автоматизация на основе применения информационных систем и аппаратных устройств, позволяющих управлять отдельными значимыми в функционировании компании процессами. Дефицит квалифицированных кадров и необходимость обеспечения высокого качества образовательных процессов обуславливают актуальность разработки и применения компьютерных тренажеров-имитаторов, что имеет прикладную ценность в деятельности нефтеперерабатывающего завода и нефтегазовой отрасли, в частности.
Актуальность темы исследования обуславливается и тем, что при переходе к современным автоматизированным системам управления технологическим процессом (далее – АСУП) возникают проблемы обучения и адаптации персонала, обусловленные сложностью и особенностями программно-технических средств. Сегодня требуется восполнять дефицит кадров в структуре предприятий, подготавливать специалистов, готовых работать с передовыми информационными системами и алгоритмами, реализовывать поставленные задачи предприятия. Проблемы обучения и адаптации персонала, основанные на трудностях в освоении программно-технических средств, могут быть в значительной степени разрешены при применении компьютерных тренажеров-имитаторов еще до ввода АСУТП в действие.
Тренажеры-имитаторы применяются и в учебном процессе для изучения особенностей технологии, управления процессом, ликвидации аварийных ситуаций, для профессиональной подготовки специалистов. Компьютерные тренажеры-имитаторы значительно гибче и дешевле «физических» тренажеров, что является причиной их широкого применения и все большего распространения в современных реалиях. Важно отметить, что тренажеры служат эффективным средством приобщения работников предприятий к современным средствам управления и вычислительной технике, преодолению психологического барьера. То есть выполняют роль компьютерных игр со специфической и весьма важной информационной и функциональной нагрузкой. Более того, применение подобных тренажеров позволяет отработать алгоритм действий в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, обогатить личностно-профессиональный опыт будущего сотрудника. Также отметим, что согласно правилам взрывобезопасности ПБ 09-170-97, п. 1.16 установки I и II класса взрывоопасности в нефтехимии и нефтепереработке должны быть оснащены полигонами и тренажерами. Все это определяет высокое значение аспектов применения тренажеров-имитаторов в обучении, что требует разработки и апробации соответствующих средств.
Цель исследования – осуществить разработку и применение тренажеров-имитаторов на примере нефтеперекачивающей станции.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. Отразить теоретические основы, обуславливающие необходимость применения тренажеров-имитаторов на примере НПС.
2. Разработать и охарактеризовать тренажер-имитатор, параметры процесса которого могут быть изменены:
2.1. Программой (по определенному алгоритму, при минимальном вмешательстве аттестующего персонала).
2.2. Экспертом (аттестующим персоналом).
2. Методология исследования
Теоретико-методологическим базисом настоящего исследования послужили научные статьи, а также отрытые данные, раскрывающие процессы разработки и применения тренажеров-имитаторов при обучении на сложных машинах или программно-технических комплексах, в целях отработки умений и обеспечения готовности к исполнению трудовых функций. Важнейшей задачей в этом вопросе становится разработка (проектирование) тренажера и его применение для образовательных задач. Уточним, что первые тренажеры создавались полностью «вручную» на языках высокого уровня (C, Pasсal, VB и др.) и требовали больших затрат времени. В настоящее время наиболее целесообразным для построения тренажеров является применение SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), на которых реализована конкретная АСУТП. В вопросах проектирования тренажеров мы придерживаемся задач динамического моделирования в Altair Embed и визуализации посредством SCADA. В исследовании применялись методы: анализ, библиографическое описание, моделирование, проектирование.
3. Литературный обзор
Вопросы применения тренажеров-имитаторов в современных условиях цифровизации экономической и социальной сфер приобретают все больший отклик в научно-исследовательских кругах, а также в практике построения образовательных процессов. Об этом свидетельствует достаточно высокая динамика публикационной активности в вопросах применения тренажеров-имитаторов в различных сферах профессиональной деятельности.
Целесообразность разработки тренажера-имитатора первично раскрывается в структуре преимуществ, которые данное средство предоставляет в ходе применения в реальной практике обучения, повышения квалификации или внутрифирменной подготовки персонала. Согласимся с позицией Ю.И. Арепина, который указывает на высокое значение применения электронных тренажеров в процессе обучения операторов. Автор считает, что для их применения необходимо четко обосновывать эффективность влияния на результаты подготовки, что напрямую зависит от характеристик конкретной системы . Для того чтобы тренажер-имитатор эффективно применялся в образовании, он должен обеспечивать гибкость изменения параметров процесса, что требуется учесть при дальнейшей разработке тренажера-имитатора на примере нефтеперерабатывающего завода.
По мнению А.В. Емельянова, В.Н. Гордеева, Д.А. Титова и И.П. Жабина, вопросы обучения на тренажерах первично стоит рассматривать в наиболее сложных профессиях, в которых от специалиста зависит исполнение огромной системы процессов. На примере подготовки летчиков к применению авиационного вооружения авторы показывают, как применение тренажеров-имитаторов позволяет не только обогатить опыт обучающихся, но и сократить расходы на организацию обучения . Принимая во внимание факт подготовки специалистов к работе на сложном оборудовании, отметим, что применение тренажера-имитатора в деятельности специалиста нефтеперерабатывающего завода при работе с АСУТП позволяет раскрыть множество сценариев подготовки, в том числе требующих максимального проявления профессионализма и следования четкому регламенту.
Другие авторы также указывают на обширные возможности применения тренажеров-имитаторов в деятельности по образовательной подготовке; например, Л.Г. Одинцов раскрывает позитивные возможности применения при обучении спасателей , А.А. Климов, Е.Ю. Заречкин и В.П. Куприяновский на примере подготовки специалистов для управления транспортом , а С.Т. Сикорский и А.А. Цуканов на примере сферы морской авиации . Можно заключить, что применение тренажеров-имитаторов первично целесообразно в тех сферах, где обучение является либо дорогостоящим, либо сопряжено с огромными рисками. Для управления машинами и системами в подобных профессиях требуется наличие предварительного опыта работы с ними, с их интерфейсом и функциями, в целях обеспечения понимания и ориентации в представленных условиях, с перспективой реагирования на сложные задачи профессиональной деятельности.
Вышепредставленное свидетельствует о высокой актуальности и целесообразности разработки и применения тренажеров-имитаторов на примере работы специалиста нефтеперекачивающей станции. Однако, отметим также факт того, что сегодня вопросы разработки подобных тренажеров остаются практически неисследованными – меньшая часть работ научных исследователей раскрывает техническую сторону разработки тренажеров-имитаторов и подробно останавливается на структуре данных тренажеров-имитаторов.
Вопросы разработки тренажеров-имитаторов достаточно комплексно охарактеризованы в работе В.М. Попова и С.В. Здрачук. Авторы исследования фокусируются на задаче разработки учебного тренажера под кабину вертолета М8, с адаптацией тренажера в комплексе авиационного симулятора . Более сложные разработки, нацеленные на создание учебно-тренировочных средств для военно-морского флота, раскрыты в работе А.Ф. Базлова, В.Б. Рисункова, С.Н. Соколова и А.М. Стручкова . Опираясь на исследование авторов, удалось выстроить эффективную методику проектирования и моделирования тренажера-имитатора для задач обучения персонала нефтеперекачивающей станции.
Достаточно схожий спектр задач и предметную область исследовал В.В. Костылев, раскрывая особенности разработки интерфейса тренажера-имитатора для задач газоперекачивающего агрегата , а также возможности применения компьютерных тренажеров в вопросах обучения персонала в нефтегазовом комплексе . Труды автора вносят значительный вклад в обоснование проблемы и особенностей разработки, тестовой апробации и внедрения тренажера-имитатора в деятельности предприятий нефтегазового комплекса. Исследования автора легли в основу определения актуальности и высокой целесообразности проектирования тренажера-имитатора для схожей прикладной задачи.
Учитывая результаты проведенного литературного обзора, уточним, что тема применения тренажеров-имитаторов в современной научной литературе остается востребованной и при этом исследованной. Наиболее изученными являются аспекты, сопряженные с оценкой преимуществ и возможностей применения тренажеров-имитаторов, эффектов от их использования и обоснованием целесообразности внедрения в образование. По итогам обзора можно также отметить, что сегодня в научно-исследовательском поле задачи разработки и применения тренажеров-имитаторов остаются менее изученными; большая часть разработок затрагивает деятельность в военной сфере, медицине, а также при работе с машинами. В контексте обучения персонала для нефтеперекачивающей станции тема разработки и применения тренажеров-имитаторов остается неисследованной.
4. Результаты и их обсуждение
Проектирование тренажера становится первичной задачей для его последующего моделирования и применения. Уточним, что построение тренажеров-имитаторов основано на применении SCADA, на которых реализована конкретная АСУТП. Поскольку весь необходимый сервис для представления данных имеется в SCADA, то реализация существенно упрощается. Однако из-за большого количества сложных формул в математической модели, целесообразно функции моделирования системы и функции управления распределить соответственно между направлениями:
- динамическое моделирование в Altair Embed;
- визуализация в SCADA.
Такой подход к проектированию тренажеров недостаточно освещен в литературе, хотя и является перспективным. Разделение функций позволяет моделировать объект практически как непрерывную систему за счет уменьшения периода дискретизации по отношению к SCADA-системе.
Основной частью тренажера является функциональная схема (мнемосхема) вместе с запорной и регулирующей арматурой, приборами автоматики, изображенная на экране монитора. Основные параметры процесса (температура, давление, уровень и пр.) выводятся на экран, имитируя показания приборов. С помощью клавиатуры или мыши обучаемый должен иметь возможность в режиме имитации управлять процессом, осуществлять пуск, останов установки, переходить с ручного управления на автоматическое и т. д. Для оператора целесообразно иметь тренажер по внешним характеристикам идентичный реальной системе управления.
При разработке тренажеров возникают следующие основные задачи:
- разработка моделей статики и динамики;
- разработка графического интерфейса и АРМ оператора в целом.
К моделям динамики тренажеров предъявляются следующие требования:
- модель должна качественно верно описывать динамику процесса, при этом допускаются некоторые количественные отклонения;
- модель должна быть простой в вычислительном отношении.
Последнее требование особенно важно при разработке тренажеров сложных установок с большим числом аппаратов. Будем называть такие модели быстрыми. В процессе создания тренажеров были разработаны «быстрые» модели задвижек, трубопроводов, емкостей, агрегатов.
Моделирование систем управления можно проводить двумя способами:
- использование экспериментальных данных по динамическим характеристикам объекта со следующим анализом и синтезом системы управления;
- использование системного (структурного) анализа сложных АСР со следующим итеративным подбором параметров передаточных функций объектов управления.
Особенностью последнего способа, который будет использован в данной работе, является малый исходный объём информации и относительно меньшая трудоемкость. Структурный анализ используют на ранних стадиях создания системы управления для выявления свойств системы, которые определяются её структурными особенностями.
Моделирование систем с использованием системного анализа проводят по следующему плану:
- концептуальный этап моделирования. Разрабатывается структурная схема объекта управления (выделяются границы подсистем технологических объектов, определяют входы/выходы и задачи, решаемые подсистемой);
- строится граф входных и выходных параметров отдельных подсистем - разрабатывается топологический уровень подсистемы, бинарные отношения параметров;
- определение операторных связей – определяют безынерционные связи (статика), динамические, логические и функциональные связи;
- определение параметров передаточных функций (параметрический уровень);
- разработка имитационной модели и уточнение структуры соединения звеньев;
- связывание подсистем или элементов в систему;
- разработка имитационной модели и её отладка;
- разработка системы управления с целью оптимизации процессов и её исследование.
Рисунок 1 - Блок-схема модуля поддержания давления
где WМ – передаточная функция модели;
КМ – коэффициент усиления модели;
Т – постоянная времени инерционного звена;
τ – «чистое» запаздывание модели;
S – оператор дифференцирования.
Обоснованием выбора модели такой структуры может служить:
- во-первых, факт широкого использования моделей такой структуры в инженерной практике, при обработке экспериментально полученных кривых разгона объектов управления, с решением последующей задачи – синтеза системы управления;
- во-вторых, модель этого вида является достаточно универсальной в том смысле, что одинаково хорошо аппроксимирует объект управления, как при наличии запаздывания (τ > 0), так и без него (τ = 0).
Остается решить вопрос с выбором коэффициентов объектов управления. Для этого на первом этапе итеративного приближения достаточно наблюдений за характеристиками трендов при переходных процессах работы станции.
Рисунок 2 - Расчет настроек одноконтурной АСР
- пакет динамического моделирования Altair Embed;
- SCADA.
Инструменты Altair Embed позволяют решать задачи моделирования довольно сложных систем. Этот продукт используют такие небезызвестные фирмы, как «General Motors», «Dupont», «Universal Instruments», «Air Force», «Honeywell», «Carrier».
Рисунок 3 - Передача параметров в приложение GenieDAQ, через блоки DDEsend
- ПИД-регулятора;
- исполнительного органа (заслонки);
- трубопровода до станции;
- станции;
- датчиков;
Рисунок 4 - Двухсвязная система автоматического регулирования
Рисунок 5 - Структура взаимодействия приложений
Рисунок 6 - GenieDAQ в роли контейнера данных
Рисунок 7 - Рабочее место оператора имеет привычный вид SCADA-система Genesis
- запустить SCADA;
- перевести приложение в режим Runtime.
- запустить GenieDAQ;
- открыть файл DDE OPC контейнера Data.gni (меню File\Open…);
- перевести приложение в режим Runtime.
- запустить Altair Embed;
- открыть файл тренажера имитатора Simulator.vsm (меню File\Open…);
- перевести приложение в режим Runtime.
После этого приложения начнут обмет «технологическими параметрами».
Рисунок 8 - Мнемосхема процесса
Вновь отметим, наиболее завершенной является страница площадки регулирования давления (рассматривался в первую очередь, как наиболее сложный и непрерывный процесс управления). Здесь аттестующий персонал или оператор могут:
- перейти от автоматического управления к ручному и наоборот (переключатель Авт./Руч.);
- изменить параметры ПИД регуляторов (PID1 и PID2);
- перейти к другим мнемосхемам процесса;
- наблюдать за ходом процесса.
Все это указывает на реальные перспективы применения разработанного тренажера-имитатора для задач обучения работы на нефтеперекачивающей станции.
5. Заключение
На основе полученных результатов исследования можно определить обширные перспективы и реальные возможности применения тренажеров-имитаторов в деятельности по обучению для работы на нефтеперекачивающей станции. Настоящим исследованием внесен особый вклад в разработку подобной системы с перспективой его массовой апробации и совершенствования. Более того, проведенное исследование является уникальным, поскольку основано на разделении и распределении функций моделирования между направлениями: динамическое моделирование в Altair Embed и визуализация в SCADA. Данный подход к проектированию тренажеров недостаточно освещен в современной литературе, хотя и является перспективным, на что также указывают полученные результаты. Можно заключить, что разделение функций позволяет моделировать объект практически как непрерывную систему за счет уменьшения периода дискретизации по отношению к SCADA-системе. Полученная по итогам разработки система является гибкой, поскольку параметры процесса тренажера-имитатора могут быть изменены как программой (по определенному алгоритму, при минимальном вмешательстве аттестующего персонала), так и экспертом (аттестующим персоналом). Это раскрывает дополнительные прикладные возможности применения полученного тренажера на практике и обуславливает высокую значимость настоящего исследования. Полученные результаты исследования могут послужить как началом для разработок многих других авторов, так и совершенствоваться в перспективе.
Дальнейшие перспективы разработки связаны с апробацией и совершенствованием, сбором информации о результатах обучения с выявлением достоверных эффектов от применения разработки.