CC BY
9УДК 004.896 Uliana Yu. Osipenko, Vladimir I. Fedorov
У.Ю. Осипенко1, В.И. Федоров2
USE OF MODERN SOFTWARE TO IMPROVE EFFICIENCY OF DESIGNING AND APPLICATION OF AUTOMATED TRAINING SYSTEMS
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moscovsky pr., 26, St. Petersburg, 190013, Russia e-mail: osipenko.u@gmail.com
A new approach to designing of automated training systems is proposed. It is based on the use of a modern modeling software and a special programming software. The peculiarities of the approach are as follows the simulation of technical process using a special modeling software and database generation of process parameters in various modes; the database use by the software of automated training system. The simulation of process is performed by a multivariate interpolation of data from the database. The example of the automated training system developed by using the proposed approach is given. The advantages of using this approach are presented.
Key words: automated training system, simulation modeling, simulator, modeling software
В современных экономических условиях с учетом сложности и высокой стоимости технологического оборудования цена ошибок оперативного персонала промышленных производств многократно возрастает. Аварии и сбои по вине оператора, по статистике, являются причиной четверти всех крупных аварий. Потери из-за ошибок оператора огромны, помимо потерь от аварий они приводят к снижению качества продукции, незапланированным простоям оборудования, экологическому ущербу и пр. [1]. Для решения задач обеспечения безопасной эксплуатации технологических установок и оборудования предприятий необходимо повышать и постоянно поддерживать уровень подготовки персонала, непосредственно влияющего на ход технологического процесса. На сегодняшний день в подготовке операторов широкое распространение получило применение различного рода тренажеров.
Обучение на тренажере не только помогает сформировать определенные реакции на возникновение той или иной ситуации (ухудшение качества получаемых продуктов, изменение характеристик исходного сырья и
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ВОЗМОЖНОСТЕЙ
СОВРЕМЕННЫХ
КОМПЬЮТЕРНЫХ
ПРОГРАММ ДЛЯ
ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАЗРАБОТКИ
И ПРИМЕНЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия е-таИ: osipenko.u@gmail.com
Предложен подход к разработке автоматизированных обучающих систем, основанный на комплексном использовании современных моделирующих программ и специальных сред программирования. Особенностями подхода являются: построение модели процесса в специальной моделирующей программе и наработка базы данных технологических параметров работы процесса в штатном и нештатном режимах; использование полученной БД программным обеспечением тренажера. Имитация процесса осуществляется за счет многомерной интерполяции данных БД. Рассмотрен пример разработанного тренажера по предлагаемой двухуровневой схеме. Приведены достоинства использования такого подхода.
Ключевые слова: автоматизированная обучающая система, имитационное моделирование, тренажер, моделирующие компьютерные программы.
пр.), но и позволяет изучить физическую сущность протекающих процессов, их взаимную зависимость, а также ряд существенных тонкостей, присущих именно данному процессу, данному производству.
Существует ряд подходов при разработке автоматизированных обучающих систем. Наиболее подходящим представляется применение имитационного моделирования. Оно позволяет описывать состояние объекта во всех режимах его функционирования; изменения характеристик сырья, производительности, параметров модели, качества продукции; осуществлять варьирование всех входных параметров объекта управления.
Есть два различных способа создания такой имитационной модели. Первый заключается в разработке математического обеспечения для тренажера. Как, например, было сделано в работах [2-5]. В этом случае потребуется не только составить математическую модель каждого аппарата в схеме, учесть рециркуляцию и выбрать подходящие численные методы расчета дифференциальных уравнений, но и составить базу данных
1 Осипенко Ульяна Юрьевна, ст. преподаватель, каф. ресурсосберегающих технологий, e-mail: osipenko.u@gmail.com Uliana Yu. Osipenko senior teacher, Department of Resource-Saving Technologies
2 Федоров Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент, каф. ресурсосберегающих технологий, е-mail: Rst_Fedorov@technolog.edu.ru Vladimir I. Fedorov, Ph.D (Eng.), Associate Professor Department of Resource-Saving Technologies
Дата поступления - 22 сентября 2016 года
II. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Известия СПбГТИ(ТУ) № 36 2016
физико-химических свойств для всех, участвующих в процессе, веществ и соединений.
Этот способ требует значительных временных затрат как при разработке такого тренажера, так и при его модификации. Поскольку при каких-либо существенных модернизациях в схеме процесса, влекущих за собой изменения в математических моделях (например, при замене катализатора в реакторе, контактных устройств колонны, те-плообменного аппарата, топлива для печи и т.д.), придется вносить правки в программный код самого тренажера.
Второй способ состоит в использовании специального инструмента разработчика, в качестве которого могут выступать моделирующие программы. В настоящее время существует множество специализированных моделирующих программ (Aspen HYSYS, Honeywell UniSim, CHEMCAD и др.), в основу которых заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов химических производств. Такие системы моделирования включают в себя: базу данных по термодинамическим данным компонентов и свойствам природных углеводородных смесей; различные методы расчета термодинамических свойств; набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем и процессов; средства для формирования схем из отдельных элементов и средства для расчета таких технологических схем. Это позволяет обеспечить решение задачи моделирования сложных химико-технологических процессов.
Применение второго способа позволяет упростить и ускорить разработку тренажера, однако накладывает определенные требования на его использование:
- во-первых, для обучения на таком тренажере требуется наличие системы технологического моделирования на компьютерах в учебном классе на установке, а ее приобретение сопряжено с финансовыми затратами;
- во-вторых, работа в моделирующей среде требует специальной подготовки;
- в-третьих, интерфейс такой системы не отражает реальных условий работы оператора технологической установки, в то время как современные специализированные среды программирования предоставляют удобные средства для разработки интерфейса «под себя».
Несмотря на все минусы, у такого пути есть существенные достоинства: наличие готовой базы данных свойств веществ и компонентов, математические модели аппаратов и методы расчета.
Последней тенденцией в разработке компьютерных тренажеров стало использование второго способа создания имитационной модели процесса и использование ее в структуре обучающей системы через OLE-протоколы и OPC-сервер [6, 7]. Это решает проблему интерфейса оператора и обеспечивает дополнительные возможности, например, использование тренажера как инструмента исследования и оптимизации процесса, возможности вносить изменения в модель процесса и многое другое. Однако такой подход приводит к дополнительным финансовым затратам, связанным с приобретением системы технологического моделирования на месте обучения и последующими покупками лицензии после истечения ее срока, а также с обучением персонала навыкам работы в моделирующей программе, - без этого теряются основные достоинства подобного тренажера. Зачастую финансовая сторона вопроса оказывает решающее влияние на отказ потребителя от применения обучающих систем в подготовке персонала.
К тому же при такой структуре гибкость использования тренажера существенно снижается, ведь он не может быть запущен на стандартном серийном машинном оборудовании с общесистемным программным обеспечением.
Идея использования специальных средств разработки модели технологического процесса, безусловно, позволяет удовлетворить высокие требования, предъявляемые к качеству модели технологического процесса в компьютерном тренажере. Однако можно ли устранить указанные недостатки и при этом сохранить положительные ка-
чества обучающей системы? Целью данного исследования был анализ возможности объединения различных способов разработки имитационной модели для тренажера.
Современные моделирующие программы позволяют проводить расчетные исследования по разработанной модели. Так, например, в среде Aspen Hysys можно выбрать отдельные технологические параметры, задать диапазон их изменения и шаг и, запустив расчет, получить таблицу значений всех технологических параметров схемы для каждого шага изменяемого параметра. Aspen Hysys предоставляет возможность выгрузить полученные значения, таким образом они могут быть использованы в других программах. Исходя из этого был предложен двухуровневый подход, и разработана автоматизированная обучающая система на примере блока вторичной ректификации установки по производству моноолефинов.
Нижний уровень
Нижним уровнем при таком подходе являются:
- база данных значений технологических параметров, характеризующих работу блока, которые рассчитываются по модели в специальной моделирующей программе для всех вариантов ведения процесса;
- база данных ограничений по качеству и регламентных норм для всех технологических параметров;
- методическое обеспечение.
Для формирования базы данных технологических параметров в специализированной среде технологического моделирования была разработана компьютерная модель блока. Проверка адекватности полученной модели показала хорошую сходимость расчетных и фактических данных и подтвердила возможность применения модели для прогноза основных показателей работы блока. С помощью разработанной модели были выполнены многократные расчеты технологического процесса при различных сочетаниях режимных параметров (отборов фракций, расходов орошений, давлений в колоннах, температур после холодильников, и т.д.). Управление работой схемы обеспечивают более 10 независимых параметров, и для каждого варианта режима работы блока таблицы расчетной информации (температурные и концентрационные профили колонн, составы фракций, расходы теплоносителя, и т.д.) преобразовывались в файлы базы данных.
Общее количество вариантов режимов выбиралось с таким расчетом, чтобы в широком диапазоне изменения управляющих параметров исследовать процесс достаточно подробно. Размер шага и рабочий диапазон (включающий и выходящие за регламентные нормы значения) для каждого управляющего технологического параметра подбирался отдельно, с учетом чувствительности остальных показателей работы блока на его изменения.
В итоге проделанной работы общий вес баз данных, необходимых для использования в рамках обучающего тренажера, без учета методического обеспечения составил всего 48Мб.
Верхний уровень
К верхнему уровню при таком подходе были отнесены:
- разработка интерфейса тренажера;
- процедура обработки событий на действия пользователя (включающая функций вызова процедур, проверку вводимых значений, обработку ошибок, выдачу сообщений, всплывающих подсказок и пр.);
- процедура чтения баз данных;
- процедура обработки значений из баз данных (включающая численные методы);
- и т.д.
Разработка компонентов тренажера осуществлялась в среде программирования Delphi. При создании пользовательского интерфейса были взяты экранные формы, соответствующие мнемосхемам на рабочем месте оператора (рисунок 1).
Тренажер исмш
Файл Помощь
Рисунок 1. Мнемосхема редистилляционной колонны в обучающей системе
Базы данных и методическое обеспечение подключаются к тренажеру с помощью соответствующих процедур. Загрузка всех необходимых значений технологических параметров, регламентных норм, норм по качеству и т.д. из таблиц БД осуществляется при выборе пользователем типа сырья после запуска обучающей системы. Все вычисления и действия далее производятся над этими загруженными данными без обращения к БД, что значительно сокращает время операций.
Изменение значений управляющих параметров запускает процедуру, отвечающую за расчеты, и проводится многомерная интерполяция технологических показателей в массивах данных. Полученные значения отображаются на мнемосхемах аналогично тому, как это происходит в реальных производственных условиях.
Авторы предполагают, что такой двухуровневый подход позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку обучающей системы, и в будущем упростит модификацию тренажера.
Автоматизированная обучающая система
В обучающей системы реализованы два режима:
- режим обучения;
- режим контроля знаний.
Для первого режима предусмотрен ряд подсказок, которые на начальных этапах обучения способствуют лучшему усвоению материала: вывод информации о нарушении норм по качеству, превышении допустимых значений концентраций компонентов и выходе режимных параметров за рамки регламентных ограничений; осуществлена цветовая индикация, позволяющая
отделить управляющие параметры от остальных показателей работы блока. Обучаемый, согласно сценарию обучения, управляет процессом, руководствуясь рекомендациями автоматизированной обучающей системы.
Одним из важных результатов обучения технологического персонала является понимание и анализ основных причинно-следственных связей, особенностей зависимостей одних параметров от других, возможных способов целенаправленного изменения показателей качества вырабатываемой продукции и условий работы технологического оборудования. В связи с этим в автоматизированной обучающей системе разработан специальный инструментарий, позволяющий в процессе обучения в наглядной форме анализировать влияние изменения значений управляющих режимных параметров на различные показатели работы блока. С помощью данного инструментария пользователь может выбрать варьируемый параметр, после чего система автоматически проводит расчет всего блока при пошаговом изменении выбранного параметра. Результаты расчетов могут быть отображены в табличном и графическом виде для любых, выбранных пользователем, показателей работы блока (рисунок 2).
Кроме того, обучаемый имеет возможность проанализировать потарелочные температурные и концентрационные профили по колоннам, которые могут быть отображены в форме таблиц или графиков (рисунок 3). Данная информация не имеет аналогов в реальных производственных условиях (потарелочный отбор проб не производится, термопары на большинстве тарелок отсутствуют) и позволяет оператору глубже понять особенности процессов разделения на конкретных колоннах блока.
Рисунок 2. Проведение расчетных исследований в обучающей системе
'^Тренажер Г^ТвЦ^)
Файл
Сырьё 16% ▼ Параметры сырья Редистилляиионная колонна С202 ▼ [Г] Отключить режим обучения Составы потоков и профили по колонне Рассчетные исследования
Рисунок 3. Просмотр температурных и концентрационных профилей по колоннам в графическом виде
В режиме контроля знаний все подсказки отключены, и интерфейс тренажера полностью соответствует рабочему месту оператора. Обучаемый самостоятельно выбирает управляющие воздействия и вносит необходимые задания на регуляторы для выбранных режимных параметров, чтобы вывести процесс на заданный режим
работы из любого исходного состояния (например, из ситуации, когда нарушаются требования к качеству выпускаемых продуктов из-за изменения типа или расхода сырья).
На рисунке 4 представлена структурная схема автоматизированной обучающей системы.
Рисунок 4. Структурная схема автоматизированной обучающей системы
Разработанный тренажер предназначен для:
- повышения эффективности качества подготовки технологического персонала за счет автоматизации основных этапов обучения и контроля знаний;
- проведения расчетных исследований, позволяющих оценить степень влияния изменения одних технологических параметров на другие;
- проведения практических работ по методическим указаниям или индивидуальным заданиям.
Автоматизированная обучающая система внедрена и успешно используется с ноября 2013 года по настоящее время для обучения технологического персонала блока предфракционирования установки производства моноолефинов ООО «КИНЕФ».
Заключение
Предложенный подход позволил разграничить технологический уровень тренажера (физико-химические свойства, зависимости, математические модели и пр.) и уровень, реализующий процесс обучения. Значительная экономия времени при составлении имитационной модели позволила сосредоточиться на разработке специального инструментария и отдельных модулей, позволяющих обучаемому глубже изучить процесс и способствующих улучшению усвоения материала.
С таким разграничением уровней при каких-либо изменениях в промышленной схеме (требующих изменения в модели процесса), при настройке тренажера для применения на подобной установке и т.п. будет
достаточно внести необходимые изменения в разработанную в специализированной программе модель, провести расчеты и составить новую базу данных. При грамотно спроектированной структуре тренажера изменений на верхнем уровне в этом случае либо не будет совсем, либо они будут незначительны
Более того, такой подход при разработке тренажера позволит перепрофилировать обучающую систему на другой технологический объект. Для этого потребуется наработать необходимую БД технологических параметров, заполнить БЗ ограничений, заменить информационное и методическое обеспечение, а также изменить интерфейс пользователя (см. рисунок 4). Остальные модули и подсистемы останутся без изменений.
Поскольку возможности современных специализированных моделирующих программ достаточно широки и охватывают практически все направления химических производств, данный подход может быть использован при создании автоматизированных обучающих систем для совершенно различных объектов химической промышленности. Также он может оказаться полезным при разработке комплексного тренажера, включающего в себя ряд имитационных моделей установок блока, цеха или всего производства. Поскольку в этом случае для каждой установки будут свои БД, БЗ и интерфейс «Пульт оператора», а все подсистемы программного обеспечения могут быть совершенно универсальными.
II. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Известия СПбГТИ(ТУ) № 36 2016
Литература
1. Дозорцев В.М., Агафонов Д.В., Назин В.А., Новичков А.Ю., Фролов А.И. Компьютерный тренинг операторов: непреходящая актуальность, новые возможности, человеческий фактор // Автоматизация в промышленности. № 7. 2015. С. 8-20.
2. Коробейникова У.Ю., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Разработка программы для имитационного моделирования химико-технологической системы синтеза метанола // Автоматизация в промышленности. 2010. № 11. С. 37-40.
3. Чистякова Т.Б., Полосин А.Н., Кузьменков Е.В. Тренажёрный программный комплекс для подготовки операторов процессов получения дискретных объёмных изделий методом термоформования // Автоматизация в промышленности. 2011. № 7. С. 29-35.
4. Чистякова Т.Б. Информационные технологии синтеза компьютерных тренажеров для химических производств // Известия СПбГТИ(ТУ). 2007. №1. С. 90-95.
5. Ершова О.В., Полякова А.М., Чистякова Т.Б. Компьютерные тренажеры для обучения персонала управлению электротехнологическими установками по-тенциальноопасных производств // Автоматизация в промышленности. 2016. № 7. С. 62-64.
6. Натыкач В.В. Компьютерный тренажерный комплекс 800xA Simulator // Автоматизация в промышленности. 2016. № 7. С. 42-46.
7. Барашкин Р.Л., Калашников П.К., Попадько В.Е., Пятибратов П.В. Компьютерный тренажерный комплекс процессов подготовки нефти и газа к транспорту // Территория нефтегаз. 2015. № 5. С. 27-31.
