Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема разработки тренажеров АТК подготовки природного газа 11
1.1 Состояние проблемы разработки тренажеров-имитаторов АТК 11
1.2 Анализ требований к тренажерам. Классификация тренажеров-имитаторов. Обобщенная структура тренажеров 26
1.3 Способы автоматизации процедур разработки тренажеров-имитаторов АТК 36
1.4 Концепция «сценарной» разработки «конструктор тренажеров» и предлагаемые типы моделей для реализации концепции 41
Выводы по главе 1 49
Глава 2. Методические подходы, модели и методы разработки тренажеров-имитаторов АТК 51
2.1 Организационные и технические модели конструктора тренажеров 51
2.2 Иерархическая БД верхнего уровня. Модель требований. Модель принятия решения об архитектуре тренажера 58
2.3 Дискретно-событийная модель использования тренажера 71
2.4 Функциональная модель при создании тренажера 77
2.5 Модели асинхронной динамики процесса создания тренажера 85
2.6 Типы моделей для описания динамики ТП. Сравнительный анализ применимости моделей различных типов для использования в тренажерах-имитаторах . 88
2.7 Методика создания упрощенных моделей 103
2.8 Метод воспроизведения динамических характеристик набором характеристик для определенных целей обучения 111
2.9 Упрощенное моделирование динамики многомерных объектов 114
Выводы по главе 2 116
Глава 3. Системотехническое конструирование тренажеров-имитаторов АТК. Инструментальные средства автоматизации разработки тренажеров имитаторов АТК 118
3.1 Требования к методическим материалам и ПО конструктора для реализации функций автоматизированной разработки тренажеров 119
3.2 Сбор и структурирование информации об АТК 124
3.3 Методики автоматизированной разработки элементов, имитирующих АТК 129
3.4 Программное обеспечение конструктора, реализующее методики создания элементов имитатора АТК 132
3.5 Метод системотехнического конструирования тренажеров с программно-интегрированной моделью объекта в действующие АСУ ТП 143
3.6 Графический конструктор упрощенных моделей ТП и использование моделей ТП, созданных в специализированных программах 149
3.7 Средства создания модулей для интеграции тренажера в АСУ ТП действующего АТК и подключения внешних моделей ТП 160
3.8 Структура БД интерактивных элементов тренажера 163
3.9. Методика автоматизированной разработки подсистемы обучения и проверки знаний с помощью конструктора тренажеров-имитаторов. Процесс создания обучающей части тренажеров 166
3.10. Автоматизация создания функций имитации штатных и нештатных ситуаций, обучения и оценки действий экзаменуемого 178
Выводы по главе 3 186
Глава 4. Реализация и применение тренажеров имитаторов 188
4.1. Автоматизация создания функции тренажера, обеспечивающей сохранения информации при сдаче экзамена 188
4.2. Структура базы данных панели экзаменатора 190
4.3. Программно-техническая реализация тренажеров для ООО «Газпром добыча Уренгой» 192
4.4. Проверка и наладка на учебной площадке 208
4.5. Использование тренажеров-имитаторов для настройки автоматических систем регулирования и проведения пусконаладочных работ 211
Выводы по главе 4 230
Основные выводы и результаты работы 231
Список сокращений 234
Литература 237
- Анализ требований к тренажерам. Классификация тренажеров-имитаторов. Обобщенная структура тренажеров
- Типы моделей для описания динамики ТП. Сравнительный анализ применимости моделей различных типов для использования в тренажерах-имитаторах
- Графический конструктор упрощенных моделей ТП и использование моделей ТП, созданных в специализированных программах
- Программно-техническая реализация тренажеров для ООО «Газпром добыча Уренгой»
Введение к работе
Актуальность. Согласно отчетам Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, ущерб от аварий в 2015 г. составил 1,2 млрд. руб., в 2014 г. – 1,4 млрд. руб., в 2013 г. – 3 млрд. руб. Доля аварий, вызванных ошибками персонала составила 22 %. Риск возникновения аварий может быть снижен при использовании тренажеров-имитаторов для подготовки персонала, управляющего технологическими процессами (ТП).
Компьютерные тренажеры – имитаторы АСУ ТП начали активно развиваться в 80-х годах прошлого столетия как отечественными, так и зарубежными специалистами. Большой вклад в решение проблем, связанных с построением тренажеров-имитаторов, внесли Дозорцев В.М., Магид С.И., Шевченко Д.И., Кнеллер Д.В., Рылов С.А., Паз Д.С., Крейдлин Е.Ю., Зепиз И., Дункан К., Йо-ханнсен Г. Наибольших успехов в этой области достигли отечественные компании ООО «Т-СОФТ» (г. Санкт-Петербург), ООО «Системотехника» (г. Казань), ООО «РТСИМ» (г. Казань), ООО «Инфраструктура ТК» (г. Москва), ЭНИКО ТСО, ЗАО «Транзас», ЗАО «Автоматизация Мониторинга Технологий», зарубежные компании Emerson, Honeywell, Invensys, Yokogawa, STN ATLAS ELEKTRONIK, CORYS, GPI. Программное обеспечение (ПО) указанных и ряда других компаний предназначено для разработки многоцелевых тренажеров, моделирования ТП и проектирования АСУ ТП.
Анализ литературы показывает отсутствие единой методологии и технических средств создания специализированных тренажеров автоматизированных технологических комплексов (АТК) газовой отрасли, в частности, комплексов подготовки природного газа к транспорту. Стоимость тренажера составляет в среднем 3…7 миллионов рублей, что ограничивает широкое использование тренажеров. Сказанное определяет актуальность исследований и разработок по созданию методологии, методов и инструментальных средств, позволяющих автоматизировать создание тренажеров.
Цель работы – автоматизация процедур разработки и повышение эффективности применения компьютерных тренажеров-имитаторов автоматизированных технологических комплексов подготовки природного газа.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
-
Системный анализ проблемы и разработка методики создания тренажеров для обучения операторов, обеспечивающих выполнение требований к формированию компетенций операторов.
-
Разработка моделей и методов, формализующих процедуры создания тренажеров, а также моделей методической поддержки процессов разработки тренажеров.
-
Разработка способа создания упрощенных моделей переходных процессов на основе аппроксимации временных характеристик.
-
Алгоритмизация и разработка ПО, реализующего автоматизированное создание элементов конструктора тренажеров и тренажеров, создаваемых на его базе.
5. Разработка тренажеров-имитаторов АТК для основных типов про-
изводственных процессов подготовки газа. Разработка методик и ПО автоматизированного создания подсистемы обучения и проверки знаний операторов в имитаторах АТК. Создание модели процесса обучения для проектирования тренажеров, обеспечивающих наработку требуемого уровня компетенций операторов, определение оптимального числа учебных мест и учителей-экспертов.
Методы исследования. Исследования основываются на методах моделирования ТП, функционального и дискретно-событийного моделирования, теории множеств, теории автоматического управления, объектно-ориентированного программирования, инженерии знаний.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Метод сценарной разработки тренажеров на основе концепции «конструктор тренажеров» (п.п. 4, 7 паспорта специальности);
-
Модели и методы, обеспечивающие сценарную разработку тренажеров с учетом имеющихся ресурсов (п. 9 паспорта специальности);
-
Метод упрощенной имитации динамики непрерывных объектов в форме «параметризуемых» временных характеристик (п. 6 паспорта специальности);
-
Комплекс алгоритмов и программ, обеспечивающих автоматизацию процесса создания тренажеров за счет использования части программно-технических средств действующей АСУ ТП (п.п. 10, 13 паспорта специальности);
-
Тренажеры основных типов производственных объектов газодобывающей организации для обучения операторов и отладки алгоритмов управления. Методики и программы автоматизированной разработки подсистем обучения и применения тренажеров-имитаторов (п.п. 11, 18 паспорта специальности).
Научная новизна результатов.
-
Метод разработки тренажеров на основе предложенной концепции «конструктор тренажеров», в отличие от известных, разделяет тренажеры на: а – имитирующие все элементы АТК; б – использующие часть программно-технических средств действующей АСУ ТП, что позволяет автоматизировать процессы разработки тренажеров, обеспечивает относительную независимость процедур разработки от конкретного объекта.
-
Дискретно-событийные модели процессов создания и использования тренажеров, в отличие от известных, описывают в форме сетей Петри как технические, так и организационные аспекты, что позволяет обоснованно выбирать структуру тренажеров с учетом поставленных целей, имеющихся ресурсов и требуемого числа учебных мест.
-
Упрощенный метод моделирования динамики непрерывных объектов и подсистем АТК в форме временных характеристик ускоряет идентификацию моделей и позволяет исключить операции многократного интегрирования систем дифференциальных уравнений в процессе имитации.
-
Комплекс алгоритмов и программ, реализующий модели и методы сценарного создания тренажеров, позволяет использовать части аппаратно-программного комплекса действующих АСУ ТП. Новизна подхода состоит в методах наполнения БД на основе моделей (имитатора объекта) и организации их взаимосвязи.
-
Новизна методики автоматизированной разработки подсистем обучения и проверки знаний заключается в модульной организации системы, обеспечивающей описание легко формализуемых аспектов имитируемых ситуаций через графический интерфейс и сложно формализуемых аспектов на языке общего программирования, что сокращает затраты на разработку.
Теоретическая значимость выносимых на защиту положений заключается в создании методики сценарной разработки тренажеров-имитаторов на базе концепции «конструктор тренажеров», методов моделирования процедур разработки, подсистем и тренажеров в целом как программных продуктов, способа упрощенной имитации динамики непрерывных объектов, метода интеграции модулей в существующую АСУ ТП, что позволяет существенно ускорить и упростить создание тренажеров.
Практическая ценность исследований и разработок определяется тем, что результаты позволяют снизить временные и материальные издержки при создании тренажеров, что позволяет увеличить число тренажеров АТК и повысить безопасность и эффективность производства. Тренажеры могут использоваться для отладки алгоритмов управления и обеспечения безопасности. Концепция «конструктора тренажеров» и соответствующие технические решения позволили быстро и качественно разработать 8 тренажеров для основных типов технологических объектов ООО «Газпром добыча Уренгой».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на: II Международной научной конференции по проблемам управления в технических системах (г. Санкт-Петербург, 2017г.), заседании экспертной комиссии на соискание премии ПАО «Газпром» в области науки и техники (г. Санкт-Петербург, 2017г.), 71-й международной научной конференции «Нефть и газ – 2017» (г. Москва, 2017г.), конференции молодых ученых и специалистов (г. Новый Уренгой, 2016г.), конкурсе профессионального мастерства «Славим человека труда» Уральского федерального округа (г. Новый Уренгой, 2016г.), научном онлайн семинаре "Компьютерные тренажерные комплексы" (организатор – РГУ имени Губкина, г. Москва), одиннадцатой всероссийской конференции молодых ученных, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)» (г. Москва, 2015г.), международной научно-технической конференции Computer Modeling 2015 (г. Санкт-Петербург, 2015г.), международном конкурсе научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие топливно-энергетической и добывающей отрасли (г. Санкт-Петербург, 2015г.), международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технология. Производство - 2015» (г. Салават, 2015г.), конференции молодых ученных и специалистов «Рационализаторская и изобре-
тательская деятельность «Новатор – 2014» (г. Новый Уренгой, 2014г.), VI молодежной научно-практической конференции «Моделирование газовых и нефтегазовых месторождений» (г. Москва, 2014г.), конкурсе научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций ТЭК (г. Москва, 2014г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы авт. ТП добычи, транспорта и переработки нефти и газа», УГНТУ, (г. Уфа, 2014г.), Х всероссийской конференции молодых ученных, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)» (г. Москва, 2013г.), смотр-конкурсе на лучшие технические средства обучения ОАО «Газпром» (г. Челябинск, 2013г.) и ООО «Газпром добыча Уренгой» (г. Новый Уренгой, 2013, 2012, 2010г.), IV Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов организаций ОАО «Газпром» «Актуальные проблемы развития газовой промышленности Восточной Сибири и Дальнего Востока» (г. Саратов, 2013г.), IV молодежной научно-практической конференции ООО «Газпром добыча Ямбург» (г. Новый Уренгой, 2013г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации содержатся в 33 работах, из них 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других журналах, 11 докладов на научно-технических и научно-практических конференциях. Получены 3 патента, 13 свидетельств на программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержит 253 страницы основного текста, 104 рисунка, списка литературы из 156 наименований.
Анализ требований к тренажерам. Классификация тренажеров-имитаторов. Обобщенная структура тренажеров
Общие требования к тренажерам
На основе анализа литературы [2, 3, 8, 39, 91, 131, 154], можно выделить следующие общие требования к тренажерам. Тренажер должен:
- иметь ЧМИ максимально приближенный к имитируемой АСУ ТП;
- моделировать ТП имитируемого АТК используя методы математического моделирования;
- сохранять информацию о ходе протекания имитируемых ситуаций и информацию о действиях обучаемого;
- поддерживать множество рабочих мест для обучения;
- иметь учебно-методическое обеспечение для обеспечения эффективного обучения;
- предоставлять различные комбинации наборов упражнений в зависимости от должности обучаемого и вида обучения;
- иметь возможность оценки действий обучаемого при сдаче экзаменов.
Классификация тренажеров
Проблеме классификации тренажеров для АТК посвящены работы [3, 4, 131]. В работе [3] предложено разделять структуру тренажера-имитатора на 3 модуля: тренажерную модель, интерфейс оператора и станцию экзаменатора. В работе [4] авторы проанализировали существующие классификации компьютерных обучающих систем в целом, систематизировали полученную информацию и предложили классификацию по способу реализации управляющих функций.
Наиболее полная классификация тренажеров-имитаторов приведена в работе [131]. Согласно данной работе, тренажеры можно классифицировать по следующим признакам: - по виду моделей, используемых в тренажерах;
- по архитектуре;
- по назначению.
По виду моделей тренажеры можно разделить на:
- модели организационного типа (управление предприятием, финансами и т.д.). Имитируется ERP система. Основная отличительная черта модели - множество входов, выходов и взаимосвязей. Модели, как правило, строятся по стандартам IDEF, ARIS;
- модели организационно-технологического типа. Имитация MES, АСУ ТП «верхнего» уровня;
- модели технологического типа. Имитируются ТП, АСУ ТП. Используются статические и динамические модели на основе дифференциальных и разностных уравнений;
По назначению тренажеры можно разделить на:
- тренажеры геологогеофизического поиска и разведки месторождений;
- тренажеры бурения скважин;
- тренажеры эксплуатации и ремонта скважин;
- тренажеры транспорта нефти и газа (трубопроводного и танкерного);
- тренажеры ТП переработки.
В работе [3] приводится классификация по степени специализации тренажеров:
- тренажеры для типовых аппаратов. Предназначены для первичного ознакомления вновь принятого персонала с технологическим оборудованием;
- тренажеры для типовых производств. Такие тренажеры создаются для формирования базовых представлений о ТП типовых объектов, например, компрессорных станций;
- специальные. Создается для конкретного объекта, максимально точно имитируется интерфейс системы управления и ТП. Предназначены для тренажа и проверки знаний опытных операторов.
По архитектуре тренажеры можно разделить на:
- имитирующие только ТП. Используется нижний и верхний уровни действующей или вводимой в действие СУ [26, 124];
- имитирующие ТП и систему автоматизации нижнего уровня. Для визуализации используется SCADA действующей АСУ ТП [2, 5, 54, 91];
- имитирующие ТП, нижний и верхний уровни АСУ ТП. Способен работать независимо от ПТС АСУ ТП [1, 34].
Кроме приведенных выше классификаций предлагается классифицировать в более общем виде понятие «имитатор» по назначению, тренажеры дополнительно классифицировать по целям разработки и использования.
По назначению имитаторы можно разделить на:
- базовые имитаторы. Создаются для решения прикладных задач, но могут использоваться и для изучения свойств имитируемого объекта;
- имитаторы для обучения. В отличие от базовых имитаторов имеют функционал, предназначенный для обучения. Средства проверки знаний отсутствуют;
- тренажеры для обучения и проверки знаний.
В данной работе ключевыми классификационными признаками являются цели разработки и пути использования:
тип 1. Первоначальное обучение вновь принятых операторов навыкам работы с АСУ ТП, в т.ч. для проектируемого производства;
тип 2. Углубленное обучение персонала на конкретном рабочем месте. Последняя классификация наиболее часто будет встречаться в данной работе. В частности, тип 1 предполагает имитацию как ТП, так и системы управления, тип 2 предполагает частичное использование ПТС действующей (или аналогичной действующей) АСУ ТП.
Сведенную классификацию из предложенной и полученной из анализа литературы с декомпозициями ветвей для рассматриваемых в настоящей работе тренажерами иллюстрирует Рисунок 1.8.
Элементы нижнего уровня дерева классификации представляют собой конечные типы архитектур тренажеров, на автоматизацию процесса создания которых направлена данная работа.
На основе обзора и сравнительного анализа можно сделать вывод, что наиболее эффективным является максимальное использование ПТС, аналогичных действующей (или вводимой в действие) управляющей части АТК и моделей, созданных в специализированных программах (если есть необходимые ПТС и специалисты). Несмотря на то, что создавать тренажер, используя ПТС управляющей части АТК, менее трудозатратно (т.к. отсутствует необходимость имитации соответствующих ПТС), эксплуатация таких тренажеров сопряжена с необходимостью установки и технической поддержки ПТС. Тренажеры, имитирующие управляющую часть АТК лишены указанного недостатка, их можно тиражировать на неограниченное количество учебных станций, но добиться точного подобия имитируемого ЧМИ и высокой адекватности моделей ТП достаточно сложно. Методика выбора способа создания тренажера в зависимости от поставленных целей и имеющихся финансово-временных ресурсов предлагается в Главе 2.
Типы моделей для описания динамики ТП. Сравнительный анализ применимости моделей различных типов для использования в тренажерах-имитаторах
Ключевым показателем качества конструктора тренажеров является степень адекватности имитаторов, созданных с помощью его программно-методических средств, имитируемому АТК. В связи с этим, работу по созданию части конструктора, обеспечивающих создание модели ТП, следует начинать с анализа АТК газовой отрасли.
Описание объекта моделирования при создании тренажеров с помощью конструктора
Объектом моделирования при создании тренажеров, рассматриваемых в данной работе, являются АТК добычи и подготовки газа и газового конденсата к транспорту. Данные комплексы относятся к ОПО, содержащим блоки 1 и 2 категории взрывоопасности. Основная цель указанных объектов – подготовить газ и газовый конденсат к транспорту с помощью трубопроводного транспорта: очистить от механических примесей и жидкости, осушить для исключения конденсации влаги при температуре атмосферного воздуха, увеличить (уменьшить) давление до заданной величины (как правило, 3, 5 либо 8 МПа). В случае, если месторождение газоконденсатное, задача установки состоит в максимальном извлечении конденсата из добываемого сырья путем последовательного изменения термобарических условий, сепарирования (в т.ч. низкотемпературного) и разделения жидкостей в технологических аппаратах. Укрупненная декомпозиция позволяет представить АТК как совокупность взаимосвязанных объектов с функциями очистки, осушения, низкотемпературной сепарации, сжатия и охлаждения газа (Рисунок 2.17). Относительно автономные подсистемы управления технологическими установками обеспечивают достижение собственных и общесистемных целей подсистем и комплекса в целом:
1. Установка очистки и осушки газа;
2. Установка низкотемпературной сепарации;
3. Дожимная компрессорная станция;
4. Станция охлаждения газа.
Требования к моделям динамики ТП
Одной из главных проблем при создании тренажеров является построение достаточно адекватной модели ТП [12, 90]. Под адекватностью, как правило, подразумевается воспроизведение в моделируемом объекте его функций, связей (внутренних и внешних) с такой точностью, которая достаточна для решения поставленной задачи [135]. Обучение на тренажере, в котором поведение АТК качественно отличаются от фактического, не только не имеет смысла, но и опасно. У операторов формируется неправильное представление о ТП, вырабатываются неправильные навыки по действиям при наступлении нерегламентированных ситуаций.
Компания Эмерсон при создании тренажеров применяет модели различной точности взависимости от цели использования тренажера [91]. Для тренажеров, предназначенных для обучения вновь принятого персонала применяются модели средней точности, разрабатываемые в фирменном программном модуле конфигурирования системы управления SEEDS. В случае, если точности указанных моделей недостаточно, используют модели, построенные в специализированных программах.
В работе [154] отмечается, что существуют множество подходов к созданию моделей ТП: от сложных, основанных на фундаментальных моделях, до аппроксимаций динамики значений технологических переменных. В работе приведены работы по моделированию ГТЭС с кратким описанием примененных методов описания динамики, в т.ч. созданные в Mathlab Simulink, в Excel, с помощью описания систем уравнений, описывающих физические процессы, происходящие в ГТД (газотурбинном двигателе). Некоторые из приведенных моделей предназначены для широкого круга задач, некоторые для решения конкретных, в т.ч. для проектирования АСУ ТП, для выявления загрязнения ГТД, для выявления различий при применении различных систем охлаждения, для вычисления эффективности работы ГТД, для снижения расхода топливного газа. Как отмечают авторы статьи, выбор способа описания ТП должен осуществляться в зависимости от цели моделирования, при этом самый лучший показатель для тренажеров, к которому необходимо стремиться, является невозможность отличить имитируемый ТП от настоящего опытным оператором ТП. В работе [156] представлен способ использования генетических алгоритмов для описания динамики ТП.
В мировой практике общепринятой считается точность моделирования для тренажеров в статических режимах 5% для критических параметров и 10% для некритических. Адекватность модели в динамическом режиме оценивается экспертно на качественном уровне [12]. Модели должны быть адекватны во всех режимах работы тренажера [39].
Тренажерная модель - это сложная динамическая система, которая должна быть способна достаточно адекватно имитировать ТП действующего или вводимого в эксплуатацию АТК в штатных и нештатных ситуациях для поставленных целей обучения.
С точки зрения системного анализа, модели, используемые в тренажерах можно отнести к категории имитационных [100], так как они обладают следующими свойствами:
- моделируемый АТК представляет собой сложную неоднородную систему;
- в моделируемом АТК присутствуют случайные факторы, такие как действия обучаемого оператора и нештатные ситуации, имитируемые тренажером;
- модели должны быть динамическими, т.е. развиваться во времени.
При выборе методов моделирования, установки и обосновании системы допущений, процессов необходимо учитывать цели моделирования, конкретные условия и особенности использования моделей [136]. Конструктор предполагает создание 2 типов тренажеров: 1 тип – для начального обучения, для ознакомления с составом технологического оборудования установки, основным причинно-следственным связям ТП, ситуациям из ПЛА. 2 тип – для углубленного обучения действующего операторского состава установки оптимальному ведению ТП, раннему выявлению и предупреждению развития нештатных ситуаций. Модели тренажеров 1 типа должны имитировать адекватную динамику изменения технологических параметров при действиях обучаемого и имитации нештатных ситуаций. Модели тренажеров 2 типа должны обладать высокой статической и динамической точностью, быть основаны на физико-химических процессах имитируемых аппаратов.
При описании каждого конкретного узла технологической цепочки решается вопрос о целесообразности создания сложной системы, которая способна достаточно адекватно имитировать технологический узел в широком диапазоне входных параметров. Согласно принципам системного подхода, модель должна быть настолько сложной, насколько это необходимо для решения поставленной задачи, так как избыточность модели неэффективна. Важно, чтобы входные и выходные параметры имитируемого объекта находились в адекватной взаимосвязи [103]. Так же необходимо учитывать требования нормативных документов о необходимости использования динамических моделей [8].
Конструктор должен обеспечивать создание и использования обоих типов моделей, причем создание 1 типа должно быть существенно проще и требовать меньшего времени, чем 2 типа.
При разработке моделей для компьютерных тренажеров применяются различные подходы, описанные в настоящем параграфе.
На подход к созданию моделей существенно влияет факт того, запущен технологический объект или запуск еще не осуществлен. В случае, если объект уже запущен, то возможно 2 варианта создания модели ТП: идентификационный, путем снятия информация с действующего ТП и детерминированный, в специализированном ПО. При последнем способе имеется возможность настроить параметры моделей, необходимых для расчёта динамического режима, в соответствии с действующим ТП.
Если объект еще не построен и цель тренажера – начальное обучение, строящийся АТК является типовым для разрабатываемого месторождения, то возможно использование моделей, построенных идентификационными методами, на основе данных, снятых с ТП аналогичных объектов. В случае, если АТК не является типовым или в случае, если тренажер предназначен для углубленного изучения, возможно только использование методов прямого моделирования ТП. При этом, для построения моделей ТП необходимо использовать характеристики используемого технологического оборудования, результаты геофизических и лабораторных исследований. Но даже при использовании наиболее совершенных программ моделирования, обеспечить высокую адекватность модели достаточно сложно, т.к. динамические свойства многих видов технологического оборудования могут быть определены только после их запуска.
Графический конструктор упрощенных моделей ТП и использование моделей ТП, созданных в специализированных программах
Для создания моделей ТП разработан автоматизированный графический конструктор. Конструктор позволяет создавать аппроксимационные модели, на основе временных характеристик ПП, описанных в предыдущих параграфах.
Сущности (записи в таблице БД) моделей создаются в конструкторе тренажеров, для настройки коэффициентов вызывается конструктор, которому при вызове передаются параметры:
- тип модели;
- коэффициенты (в случае, если требуется редактировать коэффициенты модели);
- диапазоны изменения технологического параметра и ИМ;
Процесс создания моделей представляет собой настройку параметров ПП, с помощью маркеров на графиках функций, характеризующих параметры ПП. Рисунок 3.21 отражает экранную форму конструктора моделей с открытой моделью 1 типа.
Конструктор моделей имеет 3 области:
1. Панель управления;
2. Имитация ТП;
3. Настройка параметров модели.
На панели управления можно выбирать тип модели, вызывать мастер идентификации модели, открывать форму настройки автоматического режима работы, сохранять результаты.
В области имитации ТП автоматически, при любом изменении параметров модели, перестраивается график изменения значения технологического параметра в настраиваемом временном интервале (по умолчанию 5 минут). Зеленая линия на графике – положение ИМ, красная – значение параметра. Положение ИМ в течении рассматриваемого периода пользователь может менять путем перемещения желтого маркера. При изменении положения ИМ график перестраивается. Таким образом процесс создания модели становится наглядным и простым, т.к. создатель модели в режиме реального времени может наблюдать как будет работать аппроксимационная модель в тренажере.
В области настройки параметров пользователь путем перемещения маркеров меняет характеристики ПП модели. Набор характеристик меняется в зависимости от типа модели. Таблица 3.8 отражает настраиваемые параметры различных типов моделей.
Разработанные средства автоматизации создания тренажеров предусматривают 5 видов моделей, отличающихся по типу ТП и по тому, механизм (вход модели) какого типа инициирует ПП.
Тип 1: Модель, в которой каждому положению механизма соответствует только одно конечное значение параметра. Например, частота вращения газотурбинного двигателя в зависимости от степени открытия топливной задвижки (Рисунок 3.22) или давление в аппарате в зависимости от положения входного крана.
Входом модели является механизм с аналоговым управлением либо технологический параметр.
Тип 2: Второй тип модели – для объектов без самовыравнивания, где значения параметра интегрируются, то есть накапливаются. Для ТП газовой промышленности это уровни жидкости и счетчики, аккумулирующие значения. Скорость изменения параметра зависит от степени открытия механизма (Рисунок 3.22). В статическом режиме приток вещества или энергии равен оттоку [48], например, положение выходного крана таково, что отток жидкости равен притоку, уровень жидкости не меняется. Если поменять положение выходного крана, то система перейдет в динамический режим: если кран приоткрыть, то скорость притока жидкости станет меньше скорости притока и уровень будет уменьшаться, если кран прикрыть – уровень будет увеличиваться. Входом модели является механизм с аналоговым управлением либо технологический параметр.
Тип 3: Модель аналогична модели 1 типа, за исключением того, что вход модели – ИМ с дискретным управлением. Пример – уменьшение температуры при включении АВО, повышение давления при включении насоса.
Тип 4: Модель аналогична модели 2 типа, за исключением того, что вход модели – ИМ с дискретным управлением. Пример – уменьшение уровня жидкости при включении насоса.
Тип 5: Модель аналогична модели 3 типа, за исключением того, что ПП инициируется по внутренней команде алгоритма. Пример – резкое уменьшение расхода газа через испаритель станции охлаждения газа при аварийном останове ГПА ДКС. Рисунок 3.23 отражает экранную форму конструктора моделей с открытой моделью 5 типа.
Эксперту (инженеру – технологу) на основе результатов экспериментов, информации из истории АСУ ТП и собственных знаний необходимо описать инженеру по знаниям для каждой значимой для тренажера связки исполнительный механизм-технологический параметр:
- значение технологического параметра для каждого допустимого положения ИМ (с интервалом в 10% от диапазона изменения положения механизма);
- время ПП при различной интенсивности входного воздействия;
- ускорение изменения значения параметра в ходе ПП;
- сколько проходит времени от момента изменения положения механизма до момента начала изменения значения параметра (запаздывание).
- для 2 и 4 типа моделей - скорость изменения значения параметра при различных положениях ИМ для текущих условий;
Для технолога это достаточно простой язык, с помощью которого он сможет быстро описать как влияния ИМ на параметры (и одних параметров на другие), так и изменение параметров при имитации различных ситуаций. Инженер по знаниям, в свою очередь, с помощью конструктора моделей внесет информацию в проект тренажера.
Рассмотрим давление P в экономайзере S03 (аппарат модуля охлаждения природного газа) станции охлаждения газа. Давление зависит от положения дросселя LV007 на входе в ресивер, от давления в предыдущем аппарате В01, степени открытия задвижки PDV014 всаса несконденсированного пропана. Обозначим модели влияния от каждого из этих факторов через:
1 Заслонка воздушного стартера на обороты КВД 3 50 1532 1,67 14,8 0,01
2 Заслонка воздушного стартера на обороты компрессора низкого давления 8 50 492 1,69 11,4 0,001
3 Байпас входного кран в нагнетатель на давление после нагнетателя. 1-я ступень компримирования 0 90 0,72 1,2 7,62 0
4 Байпас входного кран в нагнетатель на давление после нагнетателя. 2-я ступень компримирования 1 80 1,38 1,35 14,25 0
5 Свечной кран на давление после нагнетателя 0 35 -23,4 1,59 10,4 0,11
Среднее отклонение в ходе переходного процесса по рассмотренным 5-и процессам составляет 11,69%;
Среднее отклонение установившегося режима по рассмотренным 5-и процессам составляет менее 0,1%.
Программно-техническая реализация тренажеров для ООО «Газпром добыча Уренгой»
ООО «Газпром добыча Уренгой» является 100% дочерней компанией ПАО «Газпром» – мирового лидера по добыче газа. Основной вид деятельности организации – добыча и подготовка к транспортировке газа, газового конденсата и нефти. Основные виды технологических объектов:
1. Газовые промысла (далее – ГП) с абсорбционным методом осушки газа;
2. Газоконденсатные промыслы (далее – ГКП) с низкотемпературным методом сепарации газа;
3. Нефтяные промыслы;
4. Компрессорные станции (далее – КС);
5. Дожимные компрессорные станции;
6. Парогазовые станции охлаждения газа (далее – СОГ);
7. Турбодетандерная станция охлаждения газа;
8. Газотурбинная электростанция.
Все технологические объекты имеют непрерывный ТП, большинство объектов имеют современные распределенные АСУ ТП. Для создания тренажеров были выбраны объекты, на которых (или на аналогичных) работает наибольшее количество оперативного персонала.
С помощью конструктора работниками организации были разработаны 11 имитаторов для различных технологических объектов:
1. Имитатор для вводимой в действие АСУ ТП ДКС-16 с функцией интеграции в АСУ на базе GE Fanuc;
2. 4 тренажера для установок комплексной подготовки газа с абсорбционным методом осушки и АСУ ТП на базе ПТС Foxboro;
3. Тренажер для газоконденсатного промысла с низкотемпературным методом сепарации газа и газового конденсата и АСУ ТП на базе GE Fanuc;
4. Тренажер для изучения алгоритма запуска ГПА Ц-16СТ САУ МСКУ-СС4510;
5. Тренажер для изучения ЧМИ вводимой в действие АСУ ТП парогазовой СОГ на базе ПТС GE Fanuc;
6. Тренажер для ГТЭС;
7. Имитатор ДКС-12 для проверки алгоритма станционного антипомпажного регулирования;
8. Имитатор ДКС-11 для проверки станционного цехового регулирования, необходимого для распределения нагрузки между ГПА ступени.
Тренажеры-имитаторы (8 шт.) были зарегистрированы в федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент). На базе тренажеров был открыт учебный кабинет в учебно-производственном центре ООО «Газпром добыча Уренгой», в котором проходят обучение операторы перед управлением действующими технологическими объектами.
Общее количество операторов и машинистов турбокомпрессорных агрегатов, которых можно обучить с помощью данных тренажеров приближается к 400.
В общей сложности имитируются более 50 мнемосхем, 500 исполнительных механизмов, 600 технологических параметров, создано более 700 моделей влияния положения механизмов на значения параметров, доступно 60 нештатных ситуаций и технологических последовательностей для имитации [67-70].
Тренажер для ДКС-16
Распределенный программный тренажер-имитатор АРМ машинистов технологических компрессоров включает:
1. Имитатор АСУ ТП – для изучения ЧМИ системы управления и основных причинно-следственных связей общестанционного оборудования ДКС. Предназначен для обучения на ЭВМ не связанных с АСУ ТП.
2. Программные блоки для интеграции в подсистемы автоматизации верхнего и нижнего уровней для реализации функции частичного использования ПТС, аналогичных вводимой в действие АСУ ТП. Предназначен для обеспечения полного подобия учебного места будущему рабочему месту.
3. Сетевая панель экзаменатора для сохранения информации о всех событиях тренажера.
Тренажер способен работать в режиме имитации системы управления и в режиме частичного использования ПТС, аналогичных вводимой в действие системы управления. В первом режиме тренажер представляет собой классический имитатор, который имитирует как ЧМИ, так и контроллерное оборудование в общих чертах. Позволяет ознакомится с составом общестанционного технологического оборудования, измеряемых технологических параметрах.
Режим работы с частичным использованием ПТС, аналогичных системе управления, предназначен для обучения операторов ТП взаимодействию с ЧМИ АСУ ТП, а также проведения ПНР на программной части, вводимой в эксплуатацию АСУ ТП. Модель имитирует объект управления, путем частичной замены БД входных параметров АСУ ТП на смоделированные значения, обеспечивает динамический отклик на управляющие воздействия АСУ ТП, перехватывая необходимые выходные параметры. Имитатор позволяет комплексно проверить все ПО АСУ ТП. Модель представляет собой распределенную программу для ЭВМ, состоящую из:
1. Моделей динамики изменений значений технологических параметров при переключениях технологического оборудования;
2. Автомата выдачи последовательностей сигналов;
3. ОРС клиента;
4. Модуля, интегрированного в систему диспетчерского управления АСУ ТП (SCADA);
5. Модуля, интегрированного в ПО контроллеров. Для имитатора создана модель ТП на основе временных характеристик ПП, а также подготавливается модель в Honeywell Unisim Design, включающая краны узла подключения, обвязку контура компрессоров ГПА, компрессоры, аппарат воздушного охлаждения (Рисунок 4.3).
Автомат позволяет выдавать последовательности сигналов, имитирующих аналоговые, дискретные входы и команды оператора, привязанные ко времени и выходным параметрам АСУ ТП. Позволяет вывести имитируемую ДКС в любой режим, проверить все алгоритмы управления в переходных режимах, аварийные защиты и блокировки АСУ ТП.
Данные с модели и автомата передаются через ОРС клиент в созданный набор точек SCADA. Значения точек хранятся в свободной области памяти контроллера. Программа, интегрированная в контроллер, в начале цикла обработки пользовательской программы, заменяет значения области памяти, назначенной на входные аналоговые и дискретные параметры на принятые значения из точек SCADA. ПО АСУ ТП воспринимает эти значения, как измеренные на реальном ТП, работает в штатном режиме.
Тренажер для ДКС-16 (Рисунок 4.4). Справа – изображен экран SCADA системы вводимой в эксплуатацию АСУ ТП. К АРМ подключен контроллер, аналогичный используемым в вводимой в действие АСУ ТП. В контроллер загружен фрагмент настоящей управляющей программы контроллера АСУ ТП и программный модуль, осуществляющий перезапись значений входных параметров. Слева отражен экран тренажер-имитатор АСУ ТП. Имитатор позволяет либо обучаться в нем (при этом элементы ЧМИ и контроллерное оборудование имитируется) либо подключиться к АСУ ТП (как это отражено на рисунке) и транслировать в нее значения технологических параметров
При указанной схеме использования имитатора АСУ ТП и аналога действующей (вводимой в действие) АСУ ТП возможна схема, когда инструктор вносит возмущения в ТП, имитирует ложные показания от датчиков или имитирует прочие нештатные ситуации.
Тренажер для газоконденсатного промысла
На технологических сооружениях УКПГ производится очистка, осушка природного газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93, а также подготовка нестабильного конденсата методом низкотемпературной сепарации. В качестве ингибитора гидратообразования применяется метанол. На площадке УКПГ предусмотрен комплекс сооружений, обеспечивающих подготовку газа и конденсата:
- ЗПА-1, ЗПА-2, (здание переключающей арматуры);
- технологические корпусы;
- технологические промежуточные емкости конденсата;
- манифольдная промежуточных емкостей конденсата;
- насосная конденсата;
- площадка дегазаторов метанола;
- расходные емкости метанола;
- насосная метанола;
- дренажные емкости;
- система факельного хозяйства.