Имитационное моделирование типовых технологических объектов и компьютерный тренинг навыкам управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНОГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНИНГ НАВЫКАМ УПРАВЛЕНИЯ

по курсу «Автоматизация технологических процессов и производств»

Ф.Т АДИЛОВ

Ташкент 2015

Аннотация

Учебное пособие представляет методическое руководство по проведению практических занятий и выполнению на компьютерных тренажерных комплексах лабораторных и практических упражнений раздела «Имитационное моделирование типовых технологических объектов и компьютерный тренинг навыкам автоматического управления» курса дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств». Компьютерные тренажеры, являясь сложными программно-аппаратными комплексами, содержащими средства имитационного моделирования, анализа, симуляции, визуализации (в том числе виртуальной реальности), призваны обеспечивать теоретическую подготовку обучаемых, отработку у них знаний и навыков управления, а также проверку и тестирование их знаний. Показано, что важной функцией обучающих тренажерных комплексов является формирование различных производственных ситуаций (упражнений), а также обеспечение реалистичности проводимых наблюдений (использование трехмерной графики, анимации, звука), правил преобразования исходной информации: оценку ситуации; прогноз развития аварийных ситуаций; синтез и оценку возможных действий оператора и выбор наилучших из них и т.д.

Пособие призвано ознакомить обучаемых с основными закономерностями протекания типовых химико-технологических процессов химических и нефтеперерабатывающих производств, получить основные знания и владеть принципами работы базового технологического оборудования, средств и алгоритмов контроля, диагностирования и управления отдельными узлами и технологическими комплексами, а также привить обучаемым навыки безопасного и эффективного управления ими (насос и клапан; система емкостей; центробежный компрессор; смесительный резервуар; теплообменник и сепаратор). По каждому из этих средств приведены схемы и краткое описание моделируемого технологического узла, изложены принципы управления, приведены перечни измеряемых переменных, управляющих параметров и конструкторских ключей; дано описание стандартных процедур пуска и останова оборудования. Со станции оператора воспроизводится операторская среда типовой распределенной системы управления технологическим процессом.

Учебное пособие предназначено для студентов технических и технологических вузов, изучающих курсы «Автоматизации химико-технологических процессов и производств» и «Основы автоматизации технологических процессов отрасли»; а также может быть полезно для студентов магистратуры, старших научных сотрудников-исследователей, соискателей, сотрудников научно- исследовательских институтов и проектно-конструкторских бюро и организаций, занимающихся проблемами автоматизации производственных процессов.

Оглавление

Введение

1. История, состояние и перспективы разбития компьютерных тренажеров для обучения операторов технологических процессов и инжиниринга

1.1 Особенности компьютерного тренинга операторов технологических процессов

1.2. Компьютерные тренажеры для обучения операторов: три этапа развития

1.2.1 Тренажера на базе аналоговых и больших цифровых вычислительных машин (60-70-ые годы ХХ века)

1.2.2 Мощные цифровые компьютеры: первые персональные компьютеры (70-80-ые годы ХХ века)

1.2.3 Мощные персональные компьютеры: вычислительные сети, новые средства управления технологическими процессами (80-90-ые годы ХХ века)

1.3 Будущее компьютерных тренажеров: три тенденции

2. Построение тренажерных моделей технологических процессов

2.1 Технологический процесс смешена

2.2 Дедуктивная модель технологического процесса

2.2.1 Дедуктивное моделирование

2.3 Определение параметров и ненаблюдаемых переменных процесса

2.3.1 Статическая задача

2.3.2 Динамические параметры

3. Насос и клапан

3.1. Описание технологического узла

3.2 Принципы управления

3.3 Измеряемые и управляющие переменные технологического узла и их значения в нормальном режиме работы

3.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

3.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

3.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

3.4 Стандартные процедуры

3.4.1 Холодный старт

3.4.2 Нормальный останов

3.5 Тренировочные упражнения

3.5.1 Упражнение 1 - Отказ основного насоса воды Н-1А

3.5.2 Упражнение 2 - Отказ основного и резервного насосов воды

3.5.3 Упражнение 3 - Отказ клапана FV-110 на линии в Е-2 в положении ОТКРЫТ

3.5.4 Упражнение 4 - Отказ клапана FV-110 на линии в Е-2 в положении ЗАКРЫТ

3.5.5 Упражнение 5 - Колебания клапана FV-110 на линии откачки воды в Е-2

4. Система емкостей

4.1 Описание технологического узла

4.2 Принципы управления

4.3 Измеряемые и управляющие переменные системы емкостей и их значения в нормальном режиме работы

4.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

4.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

4.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

4.4 Стандартные процедуры

4.4.1 Холодный старт

4.4.2 Нормальный останов

4.5 Тренировочные упражнения

4.5.1 Упражнение 1 - Отказ основного насоса воды Н-1А

4.5.2 Упражнение 2 - Самозапуск резервного насоса воды Н-1B

4.5.3 Упражнение 3 - Отказ основного и резервного насосов воды

4.5.4 Упражнение 4 - Отказ клапана LV-430 на линии откачки воды в положении ОТКРЫТ

4.5.5 Упражнение 5 - Отказ клапана LV-430 на линии откачки воды в положении ЗАКРЫТ

4.5.6 Упражнение 6 - Колебания клапана LV-430 на линии откачки воды

5. Центробежный компрессор

5.1 Описание узла компримирования

5.2 Принципы управления

5.3 Измеряемые и управляющие переменные узла компримирования и их значения в нормальном режиме работы

5.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

5.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

5.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

5.4 Стандартные процедуры

5.4.1 Холодный старт

5.4.2 Нормальный останов

5.5 Тренировочные упражнения

5.5.1 Упражнение 1 - Прекращение подачи рабочего газа

5.5.2 Упражнение 2 - Прекращение подачи пара к турбине

5.5.3 Упражнение 3 - Отказ клапана FV-130 на линии отвода газа в положении ОТКРЫТ

5.5.4 Упражнение 4 - Отказ клапана FV-130 на линии отвода газа в положении ЗАКРЫТ

5.5.5 Упражнение 5 - Отказ датчика регулятора давления PIRC-210 на низком показании

5.5.6 Упражнение 6 - Повреждение уплотнения компрессора

6. Смесительный резервуар

6.1 Описание технологического узла

6.2 Принципы управления

6.3 Измеряемые и управляющие переменные технологического узла и их значения в нормальном режиме работы

6.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

6.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

6.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

6.4 Стандартные процедуры

6.4.1. Холодный старт

6.4.2 Нормальный останов

6.5 Тренировочные упражнения

6.5.1 Упражнение 1 - Отказ основного насоса воды Н-1А

6.5.2 Упражнение 2 - Отказ основного и резервного насосов воды

6.5.3 Упражнение 3 - Отказ основного насоса уксусной кислоты Н-2А

6.5.4 Упражнение 4 - Отказ основного и резервного насосов уксусной кислоты

6.5.5 Упражнение 5 - Отказ основного насоса откачки смеси Н-3А

6.5.6 Упражнение 6 - Отказ основного и резервного насосов откачки смеси Н-3

6.5.7 Упражнение 7 - Отказ датчика уровня LI-400 на нижнем показании

6.5.8 Упражнение 8 - Отказ датчика уровня LI-400 на верхнем показании

6.5.9 Упражнение 9 - Отказ клапана FV-120 на линии откачки смеси в положении ОТКРЫТ

6.5.10 Упражнение 10 - Отказ анализатора AI-520 (залипание на текущем показании)

7. Теплообменник

7.1 Описание технологического узла

7.2 Принципы управления

7.3 Измеряемые и управляющие переменные узла нагрева и их значения в нормальном режиме работы

7.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

7.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

7.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

7.4 Стандартные

7.4.1 Холодный

7.4.2 Нормальный останов

7.5 Тренировочные упражнения

7.5.1 Упражнение 1-Отказ насоса подачи холодной воды

7.5.2 Упражнение 2- Отказ насоса подачи теплоносителя

7.5.3 Упражнение 3 - Отказ датчика регулятора температуры нагретой водыTIRC330 на нижнем показании

7.5.4 Упражнение 4 - Отказ клапана регулятора расхода холодной воды FIRC100 в положении ОТКРЫТ

7.5.5 Упражнение 5 - Отказ клапана регулятора расхода холодной воды FIRC100 в положении ЗАКРЫТ

7.5.6 Упражнение 6 - Отказ клапана регулятора расхода теплоносителя FIRC110 в положении ОТКРЫТ

7.5.7 Упражнение 7 - Отказ клапана регулятора расхода теплоносителя FIRC110 в положении ЗАКРЫТ

7.5.8 Упражнение 8 - Низкая температура теплоносителя

7.5.9 Упражнение 9 - Протечка теплообменника

7.5.10 Упражнение 10 - Засорение теплообменника

8. Сепаратор

8.1 Описание технологического узла

8.2 Принципы управления

8.3 Измеряемые и управляющие переменные технологического узла и их значения в нормальном режиме работы

8.3.1 Измеряемые переменные (датчики)

8.3.2 Аналоговые управляющие параметры (регуляторы)

8.3.3 Дискретные управляющие параметры (Операторские ключи)

8.4 Стандартные процедуры

8.4.1 Холодный

8.4.2 Нормальный останов

8.5 Тренировочные упражнения

8.5.1 Упражнение 1 - Прекращение подачи сырья в Т-1

8.5.2 Упражнение 2 - Отказ клапана регулятора расхода сырья FIRC-100 в положении ЗАКРЫТ

8.5.3 Упражнение 3 - Отказ клапана регулятора уровня LIRC-410 в положении ОТКРЫТ

8.5.4 Упражнение 4 - Отказ клапана регулятора уровня LIRC-410 в положении ЗАКРЫТ

8.5.5 Упражнение 5 - Отказ клапана регулятора давления PIRC-220 в положении ОТКРЫТ

8.5.6 Упражнение 6 - Отказ клапана регулятора давления PIRC-220 в положении ЗАКРЫТ

8.5.7 Упражнение 7 - Отказ датчика регулятора уровня LIRC-410 на верхнем показании

8.5.8 Упражнение 8 - Изменение состава сырья: увеличение содержания легкого компонента

8.5.9 Упражнение 9 - Снижение температуры теплоносителя в Т-1

8.5.10 Упражнение 10 - Отказ датчика регулятора температуры TIRC-301 на верхнем показании

Заключение

Словарь терминов и определений компьютерного тренажеростроения от А до Я

Вопросы по пройденному материалу

Литература

Введение

Современные химические и нефтехимические заводы представляют собой сложные многофункциональные предприятия, где взаимодействуют объекты основного производства и обеспечивающие их нормальное функционирование основного производства вспомогательные, но далеко не второстепенные объекты, службы и сооружения.

В последнее десятилетие в нашей республики внедрены и находятся на стадии внедрения инновационные в технологическом отношении производства такие, как производства Шуртанский газохимический комплекс (ШГХК), Устюртский газохимический комплекс, ОАО «Фергана Азот», Кунградсий содовый завод и др.

Так, например, облик Шуртанского газохимического комплекса нашей страны определяют технологические процессы получения этилена, полиэтилена соответствующих производств, внешние установки складирования сырья и материалов, сооружения внутризаводского транспорта, специальное энергоемкое оборудование, принимающее, преобразующие и аккумулирующие установки и устройства и другое вспомогательное оборудование.

Неотъемлемой составной частью, обеспечивающей и поддерживающей функционирование современного производства являются различные системы автоматизации (АСУ ТП, АСУ ЭНЕРГО, АСУ КАЧЕСТВА, АСУ СБЫТ, АСУ КАДРЫ, АСУТП), призванные в итоге обеспечивать общезаводской уровень решения задач эффективного производства. На такие системы возлагаются задачи эксплуатации предприятия и развитие его с учетом изменений условий функционирования, предъявляемых как внешней средой: требования конъюнктуры рынка, требования к экологической обстановке, так внутренними (необходимость модернизации агрегатов, АСУТП, проведения реинжиниринга задач управления и бизнес процессов).

В решении возникающих при этом проблем все большее значение приобретают системность и взаимосвязанность различных аспектов деятельности предприятия.

Сложность функционирующего промышленного оборудования, значительный объем поступающей в систему управления информации, небольшое время для принятия управленческих решений зачастую обусловливают несоответствие возможностей человека требованиям эффективного управления объектом. Выход состоит в создании компьютерных систем поддержки операторов для оперативного управления объектами, контроля за правильностью функционирования автоматических систем и прогнозирования развития ситуации на объекте. Разрабатываемые системы поддержки операторов чаще всего в виде компьютерных тренажеров должны опираться на высокий уровень автоматизации и интеллектуализации объекта, что позволит снизить нагрузку на оператора, повысить эффективность его действий и увеличить надежность функционирования системы.

Для создания интеллектуализированных компьютерных систем поддержки операторов необходимо интегрировать в единое целое традиционные алгоритмические методы управления сложными объектами и парадигму интеллектуальных технологий. При этом алгоритмические методы используются в том случае, когда знания имеют четкую, формализованную форму, а методы искусственного интеллекта - при решении целого ряда неформализованных задач, возникающих в процессе управления сложными динамическими системами.

Такие задачи характеризуются неполнотой, неоднозначностью, неопределенностью исходной информации и используемых правил ее преобразования. К ним можно отнести:

- оценку ситуации (обстановки);

- прогноз поведения объекта в штатном режиме;

- прогноз развития аварийных ситуаций;

- синтез и оценку возможных действий и выбор наилучших и т.д.

Отличительной особенностью интеллектуальных систем является способность к планированию поведения, адаптации и обучению. Для реализации этих возможностей интеллектуальные системы наделены развитой иерархической структурой управления. При этом выделяются, как минимум, три ступени иерархии: уровень стратегии, уровень задач и уровень компонент (модулей, подсистем).

Наиболее высокий уровень (ступень стратегий) определяет очередность, выполнение или приостановку решения задач, а также организует взаимодействие между ними. Если на этом уровне некоторые задачи выбраны для выполнения, то на средней ступени (уровне задач) определяется, какие компоненты должны работать для того, чтобы решить ту или иную задачу. Наконец, на самой низкой ступени (уровне компонент) происходит управление работой компонент, которые решают отдельные подзадачи.

В данном учебном пособии, ориентированном на обучение студентов теоретическим основам технологических процессов химических и нефтехимических производств, и их имитационному моделированию и автоматизированному управлению, рассматривается базовый - уровень компонент.

Ознакомление с данным базовым уровнем позволит получить основные знания и принципы работы технологического оборудования и алгоритмов управления между отдельными узлами.

Тренажерные модели базовых технологических узлов разработаны, чтобы помочь Вам лучше понять процессы и работу оборудования в типовых аппаратах, входящих в состав крупных установок, а также выработать у Вас навыки безопасного и эффективного управления.

Настоящее учебное пособие, написанное в форме руководства по обучению, призвано помочь Вам в освоении шести базовых технологических узлов:

• Насос и клапан;

• Система емкостей;

• Центробежный компрессор (упрощенная модель);

• Смесительный резервуар;

• Теплообменник;

• Сепаратор.

По каждому из вышеперечисленных средств настоящее пособие содержит схему и краткое описание моделируемого технологического узла, принципы управления, перечни измеряемых переменных, управляющих параметров и инструкторских ключей, описание стандартных процедур (пуск, останов).

В тренажере на станции оператора воспроизводится операторская среда типовой распределенной системы управления технологическим процессом, что должно позволить Вам легко диагностировать и устранять неисправности оборудования и нарушения режимов его работы.

До начала изучения на тренажере базовых технологических узлов рекомендуем Вам познакомиться со структурой операторского интерфейса и принципами управления процессом с использованием компьютерной системы управления.

оператор инжиниринг технологический тренажер

1. История, состояние и перспективы разбития компьютерных тренажеров для обучения операторов технологических процессов и инжиниринга

1.1 Особенности компьютерного тренинга операторов технологических процессов

Опыту внедрения компьютерных тренажеров (КТ) для обучения операторов непрерывных технологических процессов (ТП) посвящено большое число работ ([1-6] и библиография в работе [7]). Будучи продуктом, интегрирующим сразу несколько ключевых информационно-вычислительных технологий, КТ всегда завысили от уровня их развития. Представляется целесообразным в этой связи проанализировать современное состояние и тенденции развития тренажерных продуктов на фоне исторической ретроспективы компьютерного тренинга операторов.

Под КТ в нерасширительном толковании принято понимать программно-аппаратные средства, обеспечивающие моделирование и представление в реальном времени хода ТП в целях развития у операторов навыков правильного и безопасного управления процессами (персептивных, сенсомоторных и, прежде всего, интеллектуальных). Такое понимание позволяет, с одной стороны, вынести за пределы рассмотрения столь распространенные и нередко также именуемые тренажерами компьютерные системы тестирования и экзаменирования, автоматизированные учебники и т.п., а с другой - отвлечься от известных инжиниринговых приложений имитационного моделирования ТП (конструирование, анализ и диагностика процессов, проверка и настройка систем управления, балансировка и верификация данных и пр.) [7].

В таком контексте КТ должны включать в себя все необходимые компоненты для решения задачи тренинга операторов - собственно тренажерную модель процесса, программно-аппаратную платформу для моделирования, необходимые рабочие места и пользовательские интерфейсы участников тренинга (обучаемого и инструктора).

Непрерывные (а, отчасти, и непрерывно-дискретные) технологии отличаются сложной и глубокой динамикой (объекты “помнят” внешние воздействия несколько часов) и, как правило, отсутствием стремительно развивающихся процессов. Это определяет, с одной стороны, сложность построения адекватных динамических моделей, с другой - возможность управления процессами в отсутствии жесткого дефицита времени. Согласно предложенной Й. Расмуссеном классификации действий по оператора по уровню их автоматизации [8], в условиях острого дефицита времени оператор работает преимущественно на навыках (часто - сенсомоторных); при недостатке времени на анализ ситуации - на правилах (“что делать, если формальные признаки ситуации таковы?”); наконец, при достаточном временном ресурсе для принятия решений - на знаниях, что обеспечивает принципиально иной качественный уровень управления, но и требует от оператора несравненно более глубокой подготовки.

Однако в любом случае весь объем получаемой оператором информации имеет внешний экстереоцепторный характер, что принципиально отличает рассматриваемый класс ТП от такого традиционного объекта компьютерного тренинга как авиация (быстрая динамика, дефицит времени на восприятие, анализ и коррекцию ситуации, большой объем кинестетической информации - ощущение движения, положение тела и пр.) [9]. В то же время непрерывные ТП характеризуются сравнительно низкой опасностью для человеческой жизни и окружающей среды), но весьма существенной материальной составляющей потерь от аварий и некачественного управления. В этих условиях основная задача компьютерного тренинга операторов состоит в предотвращении потерь и повышении экономичности и эффективности ведения процессов.

Наконец, отметим относительно либеральное законодательство в области использования КТ в ключевых отраслях промышленности (кроме атомной энергетики [10]). Хотя указанные предписания иногда имеют и обязательный характер [11], все же они значительно мягче требований, например, для гражданской авиации [12].

1.2 КТ для обучения операторов: три этапа развития

Отвлекаясь от так называемого «письменного» или «предкомпьютерного» этапа тренинга операторов, сводившегося к предъявлению обучаемому рисунков с различными состояниями измеряющих и регулирующих приборов [13] или к использованию копий реальных щитов с добавлением простейших электрических схем, имитирующих отклик регулирующих органов на действия оператора), можно выделить три поколения КТ.

1.2.1 Тренажеры на базе аналоговых и больших цифровых вычислительных машин (60-70-е годы ХХ века)

Типовой тренажер этих лет, основанный на аналоговой ЭВМ, стоил порядка 250 тысяч долл. (0.9 - 1.2 млн. долл. в сопоставимых ценах) и включал около 15 контроллеров [14]. Конструктивно он представлял собой фрагменты щитов и панелей управления, соединенных с ЭВМ, на которой просчитывались элементарные реакции измеряемых переменных процесса на действия обучаемого (направление изменения сигнала, срабатывание схем блокировок и защит и т.п.). Глубина обучения на таких КТ соответствовала возможностям его аппаратной платформы. Ситуация принципиально не изменилась и с появлением в составе тренажеров первых цифровых компьютеров.

Решающая причина ограниченных возможностей КТ на данном этапе определялась невыгодным соотношением вычислительных возможностей и цены компьютеров. Сколько-нибудь качественное математическое описание типичного по сложности процесса оперирует несколькими тысячами дифференциальных и алгебраических уравнений, численное интегрирование которых должно осуществляться до нескольких раз за секунду. В существовавших в рассматриваемый период условиях такие вычисления были возможны только на дорогостоящих “суперкомпьютерах”. Разработчикам приходилось жертвовать цельностью модели, заменяя ее набором, по существу, несвязанных фрагментов и разбивая тренинг на автономные упражнения, каждое из которых не позволяло проследить поведение объекта в целом. Неслучайно в этой связи, что в смежных отраслях (гражданская авиация, космонавтика), где необходимость тренинга определялась далеко не только экономическими соображениями, а сами модели с динамической точки зрения были не столь сложны, тренажеры в тот период были значительно более продвинуты. Немаловажно также, что в указанный период оставались практически неразвитыми и средства компьютерного эмулирования пользовательских интерфейсов и средств человеко-машинного взаимодействия и, следовательно, для воссоздания адекватной управляющей среды приходилось использовать дорогостоящие элементы реальных щитов и панелей регулирования. (Особое положение в этом плане имеет место в атомной энергетике, где большой объем логической информации и особое устройство упраляющих щитов заставляет разработчиков тренажеров использовать именно копии щитов. Так, по данным открытого списка КТ для атомной энергетики [http://www.albany.net/~dmills/stable.htm] более 90% тренажеров выполнены в форме реплики реальной системы управления.)

1.2.2 Мощные цифровые компьютеры; первые персональные компьютеры (70-80-е годы ХХ века)

Компьютерная революция (резкое повышение производительности на фоне удешевления, бурное развитие периферийных устройств, появление рабочих станций) вдохнула новую жизнь в тренажерную практику. На этом этапе практически все оперирующие нефтяные, химические и фармакологические компании мира обзаводятся тренажерными комплексами (Shell, Texaco, Du Pont, Sun, Exxon, Arco, Union Carbide, British Petroleum, Procter & Gamble и многие другие); на рынке конкурируют продукты 5-7 крупнейших производителей КТ. Появляются новые качественные элементы тренажерных комплексов: эмулируемые на компьютере операторские интерфейсы, станции инструктора, обеспечивающие в многозадачном режиме мониторинг и вмешательство в ход моделируемого процесса со стороны независимо работающего инструктора обучения. В результате качество самих тренажерных моделей и методическая база тренинга существенно повысились.

Два ключевых обстоятельства совпали по времени с рассматриваемым этапом: широкое распространение на предприятиях бесщитовых распределенных систем управления (РСУ) и появление первых персональных компьютеров.

Сама природа операторского интерфейса в РСУ органично соответствовала компьютерной технологии КТ. Это, с одной стороны, облегчало для операторов и технологов освоение тренажерной среды, а с другой, напротив, делало КТ незаменимым средством подготовки оператора к переходу на бесщитовой способ управления. По приводимым данным [15, 16], использование тренажеров на этапе подготовки к пуску установки или новой системы управления позволяет сократить период перехода на несколько дней, что означает огромную экономию средств, с лихвой окупающую все затраты на тренажеры. Технически реализация операторских интерфейсов РСУ в рамках КТ осуществлялась либо путем включения в тренажеры операторских консолей системы управления, либо путем эмуляции интерфейсов средствами тренажерных компьютеров.

Первый КТ на персональном компьютере (ПК) увидел свет в 1981 году [14] и открыл эру относительно дешевых “массовых” тренажеров для учебных центров предприятий. Специализирующаяся на их производстве американская фирма Atlantic Simulation, Inc. установила в период 80-х годов ХХ века порядка 200 таких комплексов по всему миру; при этом библиотека типовых моделей в области нефтехимии и нефтепереработки насчитывала порядка 30 позиций. Конечно, возможности ПК этого периода не позволяли реализовывать крупномасштабные тренажерные проекты, и на рынке предложений КТ обозначилось четкое разделение - дешевые комплексы на базе ПК для учебных центров и дорогостоящие КТ на больших машинах для крупномасштабных тренажерных проектов конкретных технологических процессов. Указанное разделение проявлялось при этом не только в цене, но и в целях обучения, глубине и специализации приобретаемых знаний, точности описания объектов. Перенос тренажеров на ПК означал также принципиальную возможность использовать их на рабочем месте технологов, инженеров, специалистов контрольно-измерительных приборов и автоматика (КИП и А) - для компьютерной поддержки инжиниринговых решений (анализ процессов, расшивка узких мест, выбор оптимальных режимов, проверка и настройка систем управления).

Стоимость тренажерных моделей на этом этапе варьирует от порядка 10 -15 тысяч долл. за простейшие базовые модели до нескольких сотен тысяч за специализированную модель технологической установки примерно с 80 -100 котроллерами.

1.2.3 Мощные персональные компьютеры; вычислительные сети; новые средства управления технологическими процессами (80-90-е годы ХХ века)

Современный этап развития КТ характеризуется настоящим прорывом в области технических и системных возможностей персональных компьютеров. Работая на мощных процессорах в условиях практически неограниченной памяти и многозадачной операционной среды, разработчики тренажеров практически не ощущают разницы между ПК и большими машинами, возможности которых также существенно возросли. Более того, некоторые системные программные утилиты (графические редакторы, конфигураторы динамических управляющих элементов и диалогов) уже сейчас более развиты для ПК. На сегодня за большими машинами остались только “супермодели” - тренажеры, охватывающие целые производства. (Стоимость таких систем, включающих тысячи измеряемых переменных и сотни регуляторов, обычно составляет 1 - 1,5 млн. долл., но может достигать и 4 млн.) Выгода указанного разделения несомненна - резкое удешевление тренажерной платформы за счет перехода на ПК делает проекты более конкурентоспособными.

Гибкая архитектура ПК позволяет также с легкостью разрешать конфигурационные проблемы: в вычислительной сети современных КТ легко размещаются несколько рабочих мест оператора, рабочая станция инструктора, инженера, технолога и т.п. Тенденции в развитии систем управления процессами, явно прослеживаемые в последние годы, состоят в появлении конкурирующих с РСУ средств. И хотя РСУ до сих пор остаются ключевым инструментом управления, все больше на предприятиях представлены программируемые логические контроллеры (PLC), системы визуализации данных и супервизорного управления (SCADA) и ряд других средств со специфическими пользовательскими интерфейсами. В этом плане гибкость КТ по возможности эмулирования различных стандартов отображения информации и управления процессом становится ключевым моментом и может привести к вытеснению КТ с использованием реальных консолей. Вместе с тем требования точного совпадения свойств моделируемых контроллеров с реальными могут диктовать необходимость «жесткой» связи РСУ и КТ [2].

Большие возможности открылись и перед разработчиками тренажеров для инжиниринговых целей. Лишенные требований точного эмулирования операторских интерфейсов и поддержания сетевой работы нескольких рабочих станций, такие системы представляют собой гибкие моделирующие средства для поддержания технологических и технических решений специалистов среднего звена управления (технологов, инженеров, экономистов, специалистов по технике безопасности). Такие продукты (как динамические, так и статические) предлагаются многими разработчиками, в том числе лидерами в области математического моделирования процессов (Aspen Technology, Inc., Hyprotech, Universal Solutions, Inc., Simulation Sciences, Inc. и др.). Возникшие автономно в форме автоматизированных рабочих мест технологов и инженеров, эти системы постепенно обрастают “тренажерными” аксессуарами и превращаются в одну из ветвей общего направления развития КТК.

На сегодня в мире существует несколько современных тренажерных платформ, разработанных и поддерживаемых основными мировыми производителями КТ (ABB Simcon, Inc., Honeywell SACDA, Inc., CAE Link, Inc. и ряд др.). Отметим также продукты, предлгаемые не столь крупными производителями. Среди них мощная платформа моделирования реального времени разработки фирмы SAST (Special Analysis and Simulation) [http://www.ast.co.uk]; модели для нефтехимии и нефтепереработки фирмы Simtronics Corporation [http://]; ATR (Applied Training Resources) [http:// www. atrco.com]; продукты фирмы SDI (Simulation Dynamics Inc.) [http://www.simulationdynamics.com] для таких специальных областей, как мыловарение и пивоварение [17]; тренажеры для атомной энергетики концерна Simens [hnnp://www.simens.co] и фирмы Micro-Simulation Technology [http://www.microsimtech.com/]; продукты фирмы GSE (химия, пищевая промышленность, фармакология) [http://www.gseps.com]; CAPE Software [http://www.capesoftware.com/] и, наконец, тренажеры концерна VTT [http://www.vtt.fi] для целлюлозно-бумажного производства, традиционного потребителя КТ [18, 19].

О не столь богатом, но интересном опыте внедрения КТ в странах СНГ см. работу [6]. Там же описана первая российская разработка третьего поколения - многофункциональный компьютерный тренажерный комплекс (КТК-М), выполненный в ИПУ РАН.

1.3 Будущее компьютерных тренажеров: три тенденции

До самых последних лет разработка КТ представляла собой ярко выраженное «многоборье», в котором основные производители предпочитали выполнять самостоятельно все основыне компоненты тренажеров - аппаратно-программные платформы, тренажерные модели, эмуляторы операторский интерфейсов и пр. Это, хоть и позволяло надежно оберегать «ноу-хау», но абсолютно не способствовало выработке общих стандартов на тренажерные продукты, да и не обеспечивало высшего качества указанных отдельных компонентов.

Как отмечалось в предыдущем разделе, многие разработчики из соседних секторов (модели для инжиниринга, эмулируемые операторские интерфейсы, платформы моделирования реального времени) стали проявлять все больший интерес к тренажерным качествам своих продуктов. В то же время неблагоприятная экономическая конъюнктура в некоторых ключевых для тренажерного бизнеса отраслях (особенно, в нефтяной) ослабила конкурентоспособность дорогостоящих КТ от традиционных производителей. Не усиливаются в последние годы и позиции производителей РСУ, объективно наиболее заинтересованных в продвижении тренажерных продуктов на производство.

В этих условиях не случайно появление точки зрения, согласно которой эра так называемых «полномасштабных» тренажеров подходит к концу [20]. В этом случае за традиционными КТ останутся только редкие и дорогостоящие проекты (до 2 млн. долл.), связанные с вводом в строй новых огромных производственных мощностей стоимостью в сотни миллионов долларов, или тренажерные программы для чрезвычайно опасных производств. Основной же массив тренажерных продуктов будет выполняться на базе значительно более дешевых «дизайновых» моделей, разрабатываемых для целей технологического инжиниринга. По существующим оценкам, новые продукты будут на 80% обладать свойствами полномасштабных тренажеров, но придутся по карману большинству потенциальных пользователей.

Косвенным подтверждением обоснованности таких рассуждений могут служить наблюдаемые в последние месяцы альянсы между крупными разработчиками динамических моделей ТП и обладателями специфическим тренажерных технологий, например, между фирмами Simulation Sciences Inc. и SAST (их совместный продукт PROTISS на базе моделирующего пакета PRO/II и упомянутой выше платформы OTISS уже представлен на рынке [21]). Также близки к соглашению мировой производитель моделей Aspen Tech. и тренажерный разработчик CAE-Link.

Другая важная тенденция в разработке КТ связана с бурно развивающимися OLE технологиями [22]. Преимущества такого подхода очевидны - как с точки зрения выработки общего стандарта тренажерных продуктов, так и по возможностям объединения в КТ уже существующих разннобразных продуктов разных производителей - библиотек моделей, операторских интерфейсов, наработанных упражнений и пр.

Наконец, третье принципиальное новшество состоит в изменении самого подхода к КТ. Если раньше компьютерный тренинг операторов мыслился как самостоятельная задача, требующая специфической технической и программной реализации, то сейчас он рассматривается как одно из звеньев так называемой «оптимазации реального времени» (on-line optimization) [23]. Соответственно, по-другому понимается связь тренинга с задачами инжиниринга; общие модели используются при таком подходе для обучения операторов, прогнозирования реакции реального объекта, настройки системы управления, исследования технологических режимов, верификации измеряемых данных и других задач.

Разработки КТ переживают переломный момент своего развития. Позади три десятилетия интенсивных исследований, несколько поколений тренажерных продуктов, тысячи установленных КТ. На лицо - вызовы рынка, требующие существенного удешевления продуктов, их интеграции в новые технические и информационные системы управления производством. Необходимость все более глубокой подготовки производственного персонала и все более мощных инструментов компьютерной поддержки управленческих решений очевидна. Разработчикам тренажеров предстоит решить эти новые задачи. В этом смысле попытка проанализировать современное состояние проблемы на фоне истории развития КТ представляется небесполезной и глубоко поучительной.

2. Построение тренажерных моделей технологических процессов

2.1 Технологический процесс смешения

Общепринято, что в основе тренажеров должны лежать так называемое «дедуктивные» модели технологического процесса, исходящие из фундаментальных принципов устройства и функционирования технологических объектов. Их создание, хоть и представляет собой чрезвычайно трудоемкую задачу, облегчается огромным заделом в области математического моделирования ТП и аппаратов. В первые десятилетия тренажеростроения (70-80-е годы прошлого века) такие модели разрабатывались в рамках каждого тренажерного проекта с использованием объектно-ориентрованного программирования, реализующего библиотеки базовых и структурных технологических элементов, программ расчета физико-химических характеристик технологических сред и др. компонент моделей. Однако, к началу 90-х годов ХХ века все серьезные разработчики тренажеров обзавелись универсальными конфигураторами моделей, сводящими процесс построения тренажера к конфигурации технологической схемы из заранее созданных модулей. В библиотеке таких модулей содержатся основные узлы и аппараты химической технологии (колонны, реакторы, печи, теплообменники, сепараторы, компрессоры и пр.) и задача разработчика - создать и настроить гидравлическую сеть, в узлах которой располагается необходимое оборудование. Таким образом, наиболее трудоемкая часть построения тренажерной модели сводится к предварительной разработке мощной библиотеки технологических модулей, позволяющих добиться глубокого и адекватного поведения моделируемого процесса.

Имея в виду пояснить принципиальное устройство таких технологических модулей, воспользуемся наглядным примером аппарата смешения (рис.2.1). Аппарат содержит две линии подачи компонентов А и В, соответственно, с насосами РА и РВ, отсечными клапанами HVA и HVB, регулирующими клапанами расхода FVA и FVB; а также линию отвода смеси с насосом РС, отсечным клапаном HVC и регулирующим клапаном расхода FVC, управляемым в каскаде от регулятора уровня в емкости LСC. На выходе смеси из аппарата измеряются концентрация по компоненту А - датчиком АIС и давление нагнетания насоса смеси - датчиком РIC. Процесс протекает при неизменной температуре и атмосферном давлении в емкости смешения.

Сосредоточимся именно на модели технологического процесса (далее - МП), имея в виду, что в тренажере она дополняется моделью измерения и преобразования информации (далее - МИП) и моделью исполнительных механизмов (далее - МИМ).

2.2 Дедуктивная модель технологического процесса

Дедуктивная модель процесса химико-технологического типа обычно принимает вид системы алгебраических и дифференциальных уравнений, часто существенно нелинейных и с ограничениями на переменные. Пусть x(t) - вектор моделируемых переменных (физических величин - выходов МП, но не их измерений в МИП); u(t) - вектор управляющих воздействий (выходов МИМ); w(t) - вектор доступных для изменения возмущений нормального хода процесса (температура окружающей среды, наличие примесей в сырье, статус элементов основного оборудования, например, варьируемые инструктором в ходе обучения); = (^Т,^Т)^T - вектор, содержащий, соответственно, статические и динамические параметры модели. Под статическими будем понимать параметры, определяемые из условий поддержания стационарных состояний модели, такие как скорости реакций, геометрические характеристики аппаратов и т.п., а под динамическими - параметры, определяющие скорость переходных процессов в объекте при наличии в нем материальных и энергетических дисбалансов, такие как скорость выравнивания концентрации во всем объеме смеси при изменении соотношения компонент, скорость установления уровня в емкости при скачкообразном изменении расхода одного из смешиваемых потоков и др.

Динамическое поведение моделируемого объекта представляется тогда следующим образом:

dx(t)/dt = F_t ( x(), u(), w(), ), (2.1)

H_t( x(), u(), w(), ) 0, (2.2)

G_t( x(), u(), w(), ) = 0, (2.3)

где F_t (), H_t (), G_t () - операторы на пространстве вектор-функций, соответственно, для дифференциальной части, ограничений на переменные и алгебраической части модели. Очевидно, что формально условие (2.3) можно рассматривать как частный случай условия (2.2), когда одновременно имеют место неравенства G_t(x(),u(),w(),) 0 и G_t(x(),u(),w(),) 0.

Свойства большинства процессов химико-технологического типа позволяют говорить о выполнении в модели (2.1), (2.2) следующих трех принципиальных требований:

1) Требование единственности решения x(), (t₀, t] для каждой реализации начальных условий x(t₀) и заданных траекторий управлений и возмущений u(), w(), t.

2) Требование конечности решения x(), (t₀, t], при конечных управлениях и возмущениях u(), w(), t (т.е. ограниченность материальных и энергетических потоков на входе процесса определяет ограниченность его физических переменных).

3) Требование продолжаемости процесса во времени, означающее, что решение системы (2.1), (2.2) существует при любом t > t₀.

Смысл последнего требования поясним на простом примере. Решение уравнения dx(t)/dt = exp(x(t)) при x(t₀) = x₀ , имеющее вид x(t) = - ln(exp(x₀) - t), определено только для t < exp(x₀) и при t exp(x₀) x(t) . На практике такое поведение эквивалентно физическому разрушению соответствующего объекта, но на уровне тренажерной модели требование продолжаемости исключает описанную возможность.

В общих чертах конструктивная методика построения дедуктивной модели описана ниже.

2.2.1 Дедуктивное моделирование

Дедуктивное моделирование предполагает выяснение основных физических закономерностей функционирования отдельных узлов процесса и их взаимодействия. Эти закономерности получаются в форме системы дифференциальных и алгебраических уравнений и алгебраических неравенств, вообще говоря нелинейных, и характеризуют процесс в целом, а не отдельные его режимы. Введение в модель стохастических элементов, как правило, не практикуется, за исключением случаев, когда сам механизм описания процесса принимает вероятностный характер (как, например, в модели процесса каталитического риформинга, где разрыв углеводородных связей парафиновой части сырья случаен).

Всякое дедуктивное моделирование, очевидно, начинается с определения значений физических потоков по получаемым из МИМ положениям непрерывных и дискретных исполнительных механизмов. Для рассматриваемого примера можем определить потоки компонентов А и В и смеси С в следующем виде:

F_А(t) = _A * PA(t) * HVA(t) * FVA(t) * (P_A - 1)^1/2, (2.4a)

F_B(t) = _B * PB(t) * HVB(t) * FVB(t) * (P_B - 1)^1/2, (2.4b)

F_C(t) = _C * PC(t) * HVC(t) * FVC(t) * (P_C (t) - 1)^1/2, (2.4c)

где _A, _B, _C - характеристики клапанов, P_A, P_B, P_C - давления нагнетания соответствующих насосов (в рассматриваемом простом случае P_A и P_B будем считать постоянными, а P_С(t) определим в МП). При расчете потока смеси F_C(t) кроме того необходимо учитывать уровень в емкости смешения, поскольку при отсутствии жидкости образовать поток смеси нельзя. Требуемые в МП единицы измерения физических потоков F_А(t), F_В(t), F_C(t) получаются путем выбора надлежащих значений коэффициентов _A, _B, _C.

После определения физических потоков дедуктивное моделирование позволяет описать следующие связи для текущего объема, выходной концентрации по компоненту А, уровню и давлению нагнетания насоса сырья:

dV(t)/dt = F_A(t) + F_B(t) - F_C(t), (2.5)

X_IN (t) = F_A(t) / ( F_A(t) + F_B(t) ), (2.6)

dXOUT(t)/dt = - (XOUT(t) - XIN (t)) *

{1- exp ( - _X * z_M(t) * ( F_A(t) + F_B(t)) / V(t))}, (2.7)

L(t) = V(t) / S, (2.8)

dP_C(t)/dt = _P * { P_HOM * PC(t) +1 - P_C(t) - _P * F_C(t) }, (2.9)

V(t) V₀ , 0 X_OUT(t) 1. (2.10)

Здесь X_IN(t) - текущая концентрация по компоненту А общего входного потока; X_OUT(t)- концентрация смеси по компоненту А; L(t) - уровень жидкости в аппарате; V(t) - накопленный объем жидкости в аппарате; P_C(t) - давление нагнетания насоса смеси (давлением столба жидкости в уравнении (2.9) пренебрегаем); z_M(t) - признак работы мешалки (для простоты, z_M(t) = 1 для включенной мешалки и z_M(t) = 0 для выключенной); PC(t) - статус насоса смеси; V₀ - полный объем аппарата; S - площадь горизонтального сечения аппарата; P_HOM - давление, соответствующее полному напору насоса смеси; _P, _X, _P - статический и динамические параметры модели.

Смысл множителя:

B(t, _X) = { 1- exp ( - _X * z_M(t) * ( F_A(t) + F_B(t) ) / V(t) ) }

в дифференциальном уравнении концентрации смеси (2.7) таков. Чем больше _X и вес входного потока по отношению к накопленному объему жидкости, тем быстрее концентрация смеси X_OUT(t) приближается к концентрации входного потока; и наоборот, чем меньше _X и B(), тем медленнее идет процесс выравнивания концентраций. Что же касается других параметров модели, то статический коэффициент _P определяет гидравлическое сопротивление насоса смеси, а динамический коэффициент _P - скорость изменения давления нагнетания насоса при колебаниях выходного потока F_С(t) или сменах статуса PC(t).

2.3 Определение параметров и ненаблюдаемых переменных процесса

2.3.1 Статическая задача

Статические параметры могут быть определены из решения статической системы уравнений и неравенств

F ( x*, u*, w*, *) = 0, (2.11)

H ( x*, u*, w*, *) 0 (2.12)

относительно вектора статических параметров * и ненаблюдаемой части вектора выходов x* при регламентных стационарных значениях управлений u*, возмущений w* и наблюдаемой части вектора выходов x*. Динамические параметры на решение системы (2.11), (2.12) не влияют и определены из него быть не могут; а деление вектора x* на наблюдаемую и ненаблюдаемую часть решается исходя из условий конкретной модели и будет обсуждено ниже.

В рассматриваемом примере статический вариант системы (2.5-2.10) принимает вид

F_A* + F_B* - F_C* = 0, (2.13)

X_IN* = F_A* / (F_A* + F_B*), (2.14)

X_IN* = X_OUT*, (2.15)

L* = V* / S, (2.16)

P_HOM + 1 - P_C* - (_P*) * F_C* = 0, (2.17)

V* V₀ , 0 X_OUT* 1, (2.18)

где по регламенту задаются потоки F_A* , F_B*, F_C*; уровень L* (с учетом характера измерения уровня; концентрация смеси X_OUT*; константы P_HOM, V₀, S и статус насоса PC = 1. Из системы (2.13 - 2.18) определяется ненаблюдаемые переменные накопленного объема V* и входной концентрации X_IN*, а также статический параметр _P*.

...