CC BY
43
УДК 004.942:661.721.4 Дерунец Б.С., Филиппова Е.Б.
ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Дерунец Богдан Сергеевич, студент 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического
инжиниринга;
e-mail: [email protected]
Филиппова Елена Борисовна, к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Данная статья посвящена процессу создания графического интерфейса оператора АСУ для цифрового двойника химического производства, а именно, промышленного производства метанола. Рассматривается выбор оптимальной среды разработки для создания окон оператора на химическом производстве, а также перспективность цифровых двойников химического производства.
Ключевые слова: среда разработки, цифровой двойник химического производства, графический интерфейс, окно оператора.
GRAPHIC INTERFACE FOR DIGITAL DOUBLE OF CHEMICAL PRODUCTION
Derunets Bogdan Sergeevich, Filippova Elena Borisovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article is devoted to the process of creating a graphical interface for an ACS operator for a digital double of chemical production, namely, the industrial production of methanol. The choice of the optimal development environment for creating operator windows in the chemical industry, as well as the prospects of digital counterparts in chemical production, are examined.
Keywords: development environment, digital double chemical production, graphical interface, operator window.
В настоящее время с развитием цифровых технологий происходит цифровизация различных сфер общества. Промышленное производство не является исключением, поэтому на основе реально существующих предприятий создаются так называемые «Цифровые двойники промышленных производственных процессов» (Digital Twin). Цифровой двойник - это цифровая модель процессов или объектов, которая зачастую предназначена для улучшения и повышения качества продукции, производимой на предприятии [1].
Существует несколько основных видов «цифровых двойников»:
• «Цифровой двойник» продукта - представляет собой виртуальную модель продукта. В производстве он используется перед настройкой рабочей линии, чтобы проанализировать его поведение перед запуском и в дальнейшем прогнозировать его функционирование.
• «Цифровой двойник» процесса - это уже несколько моделей, которые имитируют непосредственно сами производственные процессы. Они позволяют разрабатывать для компании наиболее эффективную организацию производства. Процесс оптимизируется за счет виртуальных двойников продукта для каждой единицы оборудования.
• «Цифровой двойник» системы - виртуальные модели всей системы в целом. Они включают в себя объемы данных, производимых продуктами и устройствами в системе, обычно такие двойники
оптимизируют все стадии, необходимые для производства конечного продукта [2]. На основе цифрового двойника продукта создается цифровой двойник, уже готовый к эксплуатации, также учитывается применение программного обеспечения, которое дает возможность обрабатывать данные об его производительности и эффективности в реальном эксплуатационном режиме. Как следствие, информацию, полученную таким образом можно использовать при создании или модернизации цифрового двойника продукта процесса и даже цифрового двойника системы, что крайне необходимо при оптимизации уже готовых решений, позволяя значительно повышать производительность технологических систем при создании новой продукции. Благодаря виртуальным тренажерам, созданным на базе цифровых двойников промышленных производств, сотрудники имеют возможность в достаточном объеме пройти подготовку, прежде чем совершать какие-либо действия на реальном производстве, что крайне важно для безопасности производства, а также для формирования профессиональных знаний и приобретения ими соответствующей квалификации.
Для любого такого двойника системы или производства необходим графический интерфейс пользователя, с помощью которого осуществляется управление самим процессом производства. Графический пользовательский интерфейс (GUI) - это тип пользовательского интерфейса. Он позволяет быстро ориентироваться в компьютере или каком-либо устройстве и выполнять различные действия с
помощью необходимых графических окон, значков, визуальных индикаторов. Интерфейс должен быть понятен любому пользователю интуитивно без необходимости обращения к руководству. Для этого обычно необходимы графические справки [3].
Почти все современные графические интерфейсы строятся по модели WIMP-Window, Icon, Menu, Pointer (окно, иконка, меню, указатель). Элементы графического интерфейса, так называемые виджеты (widget - штука), обычно располагаются внутри окон. Меню может располагаться в различных частях окна. Его предназначение всегда одинаково: оно служит для выбора действий из определенного предоставленного набора. С помощью указателя пользователь сообщает программе те действия, которые он хочет выполнить. Графический интерфейс приобретает независимость от языка программирования с помощью иконок, они позволяют ориентироваться гораздо быстрее в самом интерфейсе, поэтому первоочередной задачей любого графического интерфейса должно являться упрощение коммуникации между самим интерфейсом и пользователем, следовательно, он должен быть удобен и понятен для типичных действий и операций [4].
Существует ряд стилей пользовательского интерфейса, которые получили наибольшее распространение: графический пользовательский интерфейс (GUI), пользовательский веб-интерфейс (WUI), объектно-ориентированный пользовательский интерфейс. Стилевые окна, детали, виджеты WUI-интерфейса зачастую не значительно отличаются от GUI.
Основные особенности приложения с использованием WUI-стиля:
Bade sjrttfhesis gas compMssion
• Веб-браузер обеспечивает меню для Web-приложения.
• Выбор действий ограничен в связи с меню, которое обеспечивает доступ к функциям, и не всегда является легкодоступным.
• Информация отображается в GUI-окне, называемом веб-браузером, свойства окна могут быть различными, в зависимости от вида браузера.
• Создание специализированных меню требует дополнительной работы по программированию.
• Веб-браузер также служит для обеспечения базовых возможностей навигации с помощью различных кнопок на панели инструментов. Проектирование интерфейса представляет собой
многоэтапный процесс, каждый из этапов которого в свою очередь состоит из отдельных задач. Одной из таких задач является выбор среды, на которой будет базироваться основная структура WUI [5].
Для создания графического интерфейса цифрового двойника химического производства был выбран Vue.js, прогрессивный фреймворк для создания пользовательских интерфейсов, его ядро решает задачи уровня представления (view), это упрощает интеграцию с другими библиотеками. Данный фреймворк позволяет работать с графическими объектами, меняя их размеры, координаты, точки привязки, также с его помощью возможно создание графических редакторов, так как он предназначен для удобства прототипирования сложных
пользовательских веб-интерфейсов.
-I 53 I
Рис. 1. Пример окна оператора АСУ
В ходе работы была рассмотрена и детально изучена технологическая схема синтеза метанола на основе реального промышленного производства, которая была смоделирована в специализированной
программе Unisim Design в динамическом режиме. Пакет UniSim Design АО «ХОНЕВЕЛЛ» - это программа, позволяющая создавать статические технологические схемы с моделями различных
аппаратов, параметры которых не меняются со временем, и динамические, а также системы автоматического управления ими.
Используя прототип данной схемы, были выполнены рисунки моделей аппаратов в программе Adobe Photoshop для последующей возможности внесения их в общую коллекцию аппаратов. На рис.1 коллекция аппаратов представлена справа, с ее помощью можно добавлять аппараты и располагать их в окне оператора по техническому регламенту производства. Также для аппаратов были созданы направления входящих и выходящих потоков, их тоже можно добавлять в окно оператора из коллекции аппаратов. Потоки не привязываются к аппаратам, а лишь имеют определенные параметры, а также свое определенное наименование.
Сама коллекция аппаратов, окно их добавления, изменения свойств аппаратов и последующего возможного их удаления были реализованы с помощью фреймворка Vue.js. Для хранения данных о каждом аппарате используется Django, свободный фреймворк для веб-приложений на языке Python. Свойства аппаратов, которые смоделированы в Unisim Design передаются от каждого аппарата в базу данных, откуда уже потом считываются для определенного аппарата в веб-интерфейсе, параметры могут считываться из базы данных как для статических, так и для динамических режимов моделирования производства метанола, связь происходит при помощи фреймворка Django.
В окне свойств для любого выбранного аппарата пользователь имеет возможность добавлять его наименование, ставить точки привязки к определенным потокам, в том числе энергетическим, выбирать размеры самого аппарата, или добавлять аппараты по соответствующим им пропорциям, также реализована возможность удаления аппарата из схемы в окне оператора без его удаления из коллекции. При удалении аппарата из коллекции, он автоматически удаляется и из схемы в окне оператора.
Веб-страница, в разметку которой добавляются аппараты, написана на стандартизированном языке разметки HTML с использованием формального языка описания внешнего вида документа CSS. Пользователь имеет возможность не только добавлять необходимые аппараты, из представленных в коллекции аппаратов, располагая их для удобства читаемости компонентов и данных к ним, но и изменять свойства аппаратов, которые уже расположены на самой схеме, при необходимости изменяя пропорции или добавляя новые точки привязки. Действия пользователя могут быть также отменены при нажатии соответствующей кнопки в окне изменения свойств.
Технологическая схема промышленного производства метанола состоит из нескольких основных этапов: предреформинга и реформинга, охлаждения конвертированного газа, компрессии синтез-газа и непосредственно самого ключевого этапа - синтеза метанола. Для удобства читаемости параметров были созданы мнемо-схемы, которые являются частями одной общей технологической схемы промышленного производства метанола. Каждая
из мнемо-схем - это производственный этап общей технологической схемы. Чтобы избежать перегруженности мнемо-схем и снижения их читаемости этапы синтеза метанола, компрессии синтез-газа, охлаждения конвертированного газа разделены, каждый на две части. Это обеспечит оператору автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) возможность более внимательно и комфортно следить за состоянием параметров при регулировании или управлении ими. Переключение между мнемо-схемами, происходит по ссылкам на соответствующие разделы, при этом есть возможность при необходимости возвращаться к любой мнемо-схеме, не выходя из самого окна оператора.
Таким образом, в ходе данной работы были:
• выполнены рисунки моделей аппаратов технологической схемы для последующего их добавления в окно оператора АСУТП промышленного производства метанола;
• на языке программирования Java Script с использованием фреймворка Vue.js спроектирована коллекция аппаратов с возможностью добавления в нее новых аппаратов;
• разработан программный модуль интерфейса с использованием фреймворков Django, Vue.js, языков программирования Python, Java Script, языка разметки HTML и языка описания внешнего вида веб-документа (стилей) CSS для цифрового двойника химического производства, а именно, промышленного синтеза метанола.
Список литературы
1. Курганова Н. В., Филин М. А., Черняев Д. С., Шаклеин А. Г., Намиот Д. Е. / Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства // International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162. - Vol. 7, №.5, 2019. -С.105-106.
2. Кокорев Д. С., Юрин А. А. / Цифровые двойники: понятие, типы и преимущества для бизнеса // COLLOQUIUM-JOURNAL. - 2019. - №10 (34). -С. 2-3.
3. Миронов А. С. / Пользовательский интерфейс // Молодой ученый. — 2016. — №15(119). — С. 145147. - URL: https://moluch.ru/archive/119/33034 (дата обращения:25.05.2020).
4. Ермаков М.К., Герасимов А.Ю., Куц Д.О., Новиков A.A. Проведение итеративного динамического анализа приложений, предоставляющих графический интерфейс пользователя. Труды ИСП РАН, том 29, вып. 1,2017г., стр. 120-121. DOI: 10.15514/ISPRAS-2017-29(1)-8.
5. Сергеев С. Ф., Падерно П. И., Назаренко Н. А. // Введение в проектирование интеллектуальных интерфейсов: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - C. 29-34.
