Моделирование ТП

Основная функция отдела — разработка

Разработка компьютерных тренажеров операторов АСУТП реального времени

Современная АСУТП представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс, включающий в себя большое количество компонентов, таких как полевые устройства и датчики, контроллеры управления ТП, станции операторов, информационные серверы и т. п. Для работы с такими комплексами требуются специально обученные, квалифицированные операторы, на которых ложится большая ответственность за последствия принятых решений по управлению производственным процессом. Таким образом, задача обучения и переподготовки операторов АСУТП становится все более актуальной. Одним из общепризнанных в качестве наиболее эффективных подходов к обучению подобных специалистов является применение компьютерных тренажеров реального времени. Основное направление работы группы моделирования технологических процессов - разработка технологии создания таких тренажеров и реализации тренажерных комплексов базирующизся на АСУТП metsoDNA.

Причины, по которым все большее количество современных производств оснащается автоматизированными системами управления последнего поколения (АСУТП), хорошо известны. В качестве примеров таких причин можно привести, прежде всего, экономические выгоды от повышения эффективности технологического процесса (ТП) и повышение безопасности производства. Все более широкое внедрение современных АСУТП, а также повышение, в последние годы, уровня требований в области промышленной безопасности приводит к необходимости создания современных тренажеров для обучения специалистов работе с имеющимися на предприятиях АСУТП.

Современная АСУТП представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс, включающий в себя большое количество компонентов, таких как полевые устройства и датчики, контроллеры управления ТП, станции операторов, информационные серверы и т. п. Для работы с такими комплексами требуются специально обученные, квалифицированные операторы, на которых ложится большая ответственность за последствия принятых решений по управлению производственным процессом. Например, по некоторым оценкам в области нефтехимии, в 26% случаев виновниками аварии являются операторы, при этом ущерб от каждой аварии может достигать миллионов долларов. Таким образом, задача обучения и переподготовки операторов АСУТП становится все более актуальной. Одним из общепризнанных в качестве наиболее эффективных подходов к обучению подобных специалистов является применение компьютерных тренажеров реального времени.

Разрабатываемая в рамках проекта технология создания тренажерных комплексов предусматривает выполнение следующих требований к тренажеру:

• Система должна моделировать реальные физические процессы, используя методы математического моделирования. Тренажер должен заключать в себе модели физических процессов ТП, имитирующие свойства реального процесса с заданной точностью;
• Для тренировки действий операторов в нестандартных ситуациях система должна генерировать различные возмущения в ходе моделируемых процессов как в автоматическом режиме в соответствии с заранее описанными правилами, так и с помощью обучающего инструктора;
• Для сокращения времени работы инструктора система должна поддерживать автоматические режимы тренировки с использованием заранее заданного набора упражнений, причем в автоматическом режиме система должна не только ставить задачи перед оператором, но и выдавать рекомендации по их решению. Тренажер должен реализовывать функцию сбора информации о действиях оператора с возможностью в последствии составления отчетов и анализа эффективности принятых решений;
• Система должна быть распределена на несколько тренировочных станций операторов, с обеспечением возможности одновременного обучения нескольких операторов одним инструктором. При этом важным моментом с точки зрения экономии человеческих и машинных ресурсов является возможность тренировки нескольких операторов в один момент времени на разных моделях ТП;
• Система должна предоставлять возможность конфигурации наборов упражнений в соответствии с моделью объекта обучения и специфическими требованиями заказчика.

Тренажерный комплекс обеспечивает следующие этапы тренировки оператора АСУТП

• Изучение набора средств оператора АСУТП необходимых для работы со станцией оператора. Рабочее место оператора обычно состоит из терминала, с помощью которого оператор получает информацию о ходе процесса, а также клавиатуры и мыши, посредством которых оператор передает системе информацию о своих решениях. При этом системой управления могут использоваться промышленные варианты подобных устройств, отличающиеся по своей форме и свойствам от стандартных, использующихся для IBM PC-совместимых компьютеров. Очевидно, что обучение оператора необходимо начинать с изучения функций и свойств устройств, которые он будет использовать в своей дальнейшей профессиональной деятельности;
• Технологический процесс и устройства, которые в нем задействованы, обычно представляются на терминале оператора в виде множества символов, которые можно разделить на основные классы (клапан, мотор, насос, ПИД-контроллер и т. п.). Каждый символ несет в себе определенную смысловую нагрузку и обладает набором функций, связанных с ним. Например, символы устройств, как правило, имеют функции включения или выключения устройства, перевод устройства в автоматический режим управления и т. п. Посредством выполнения специализированного этапа упражнений обучаемый должен не только усвоить символику, использующуюся программным обеспечением станции оператора, но также получить и закрепить навыки по использованию всех его основных функций;
• С точки зрения оператора технологический процесс представляется множеством компонентов (узлов, аппаратов, агрегатов, емкостей и т. п.), каждый из которых представлен на дисплее в виде каких-либо измерений. Различные наборы значений этих измерений соответствуют различным состояниям ТП. Оператор должен научиться воспринимать картину, состоящую из множества измерений, и адекватно оценивать по ним состояние отдельных компонентов ТП и всего ТП в целом. Таким образом, группа упражнений должна содержать задачи по оценке состояния системы, обнаружения симптомов неправильного поведения, генерации гипотез о причинах неправильного поведения, предсказывания развития поведения системы в случае невмешательства, предсказывания последствий воздействий на систему, упражнения по генерации воздействий, оптимальных с точки зрения приведения системы в желаемое состояние;
• В работе оператора значительную часть занимают стандартные типовые и аварийные процедуры, представляющие собой различные последовательности действий, приводящие систему в определенное состояние. В качестве примера таких последовательностей можно привести пуск или останов различных процессов или перевод их из одного режима работы в другой. Для изучения, запоминания и повторения подобных последовательностей необходимо включить в тренажерный комплекс набор соответствующих упражнений.

Естественно, что одной из основных проблем при разработке тренажеров, удовлетворяющих такому широкому спектру требований, является то, что имитируемые технологические объекты могут довольно сильно отличаться друг от друга. Они могут располагать АСУТП от различных производителей, что может потребовать для каждого нового проекта полностью перерабатывать интерфейсные и логические модули тренажерного комплекса. Так как тренажерная станция должна копировать интерфейс, с которым предстоит работать оператору, то необходимо копировать наборы символов, использующиеся реальной станцией. Кроме того, необходимо переконфигурировать наборы упражнений, предоставляемых средой обучения. Все эти задачи могут существенно усложнить процесс разработки тренажера для определенного объекта и сделать проект значительно дороже. Для того чтобы сократить до минимума накладные расходы тренажерный комплекс должен обладать распределенной архитектурой, которая позволяет легко изменять существующие компоненты системы, дополнять их новыми и максимально эффективно использовать существующие компоненты. Для достижения максимального сходства тренажерного комплекса и реальной АСУТП, целесообразно максимально использовать существующее программное обеспечение вышеупомянутой АСУТП. Чтобы достичь этой возможности, АСУТП должна иметь определенную архитектуру, позволяющую использовать ее компоненты в тренажере.

В качестве хорошего примера такой АСУТП можно привести систему управления metsoDNA фирмы Metso Automation. Упрощенная схема АСУТП metsoDNA приведена на рисунке 1а. На приведенной схеме изображены основные компоненты системы управления. Физические устройства и датчики устанавливаются на производственных линиях ТП и используются для передачи агрегатам различных команд, например, команды на включение и отключение, а также для снятия показаний с устройств, определения уровней в емкостях, температур и т. п. Все эти датчики подсоединяются через устройства ввода/вывода к процессовой станции. Процессовая станция является ключевым звеном АСУТП. В нее загружены алгоритмы обработки сигналов от устройств и датчиков технологического процесса, управляющих сигналов поступающих от операторов, а также генераторы управляющих сигналов для устройств. Логика работы процессовой станции определяется конфигурацией программных модулей, которые получают информацию от устройств ТП через устройства ввода/вывода и от станций оператора. Таким образом, технологический процесс с точки зрения процессовой станции представлен набором интерфейсных единиц, каждая из которых позволяет получать данные от какого либо устройства ТП или передавать туда управляющие сигналы.

На рисунке 1б представлена архитектура тренажерного комплекса на базе реальной системы управления metsoDNA. Одним из наиболее значительных преимуществ данной архитектуры заключается в том, что для реализации тренажерного комплекса определенного объекта управления можно целиком использовать программную конфигурацию, которая уже установлена и работает в качестве системы управления этого объекта. Существуют методы, которые позволяют для переноса этой программной конфигурации на тренажер без модификации внутренней структуры этой конфигурации. Это позволяет полностью сохранить внешний вид станции оператора, свойства и логику процесса управления с точки зрения оператора и процессовой станции. Разработчики тренажера для конкретного заказчика, таким образом, могут уделить существенно больше внимания реализации наиболее трудоемкой и ресурсоемкой части проекта - разработке математической модели ТП. Благодаря свойствам АСУТП metsoDNA существует возможность установки на одну процессовую станцию несколько конфигураций, соответствующих нескольким ТП, а также подключать к этой процессовой станции несколько эмуляторов различных ТП. Таким образом, становится возможным одновременное обучение нескольких операторов в одном тренажерном комплексе на различных моделях ТП.

В настоящее время Центром Систем Автоматизации и кафедрой Прикладной Математики и Кибернетики ПетрГУ ведутся работы по созданию демо-версии тренажера станции оператора АСУТП metsoDNA на базе предложенной архитектуры. Сотрудниками Центра и кафедры применительно к другим задачам уже разрабатывались математические модели и методы идентификации их параметров, которые могут использоваться при моделировании различных ТП. По имеющейся информации тренажеры с вышеописанной архитектурой и свойствами вполне могут оказаться востребованными и на других предприятиях ЦБП.

Работы по созданию демо-версии тренажера ведутся по договоренности и при поддержке фирмы Метсо Автоматизация. Кроме того, к разработке проявили интерес несколько ЦБК России. Использование тренажера позволит персоналу предприятий ЦБП работать с системой, хорошо моделирующей реальные ТП. Тренажер будет не только полностью аналогичен реальной системе с точки зрения внешнего вида, дисплеев, алгоритмов и т. п., но и будет достаточно хорошо имитировать поведение реального ТП в различных ситуациях. Используемые технические решения обеспечивают быстрое развертывание тренажерного комплекса, что позволит проводить обучение не только на базе Центра Систем Автоматизации, но и с выездом на предприятие.