CC BY
212
УДК 004.5+004.94
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИМИТАЦИОННЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ В ОТКРЫТОМ ПРОФЕССИОНАЛЬНОМ ОБРАЗОВАНИИ
М.Д. Гаммер, к.т.н., нач. отдела ИТ Тел.: 8-961-208-52-49; E-mail: [email protected] Ю.А. Гильманов, нач. отдела Международного сотрудничества Тел.: (3452) 41-79-86; E-mail: [email protected] В.И. Колесов, к.т.н., доц., зам. директора по науке Тел.: (3452) 41-79-86; E-mail: [email protected]
Е.В. Курылев, асп. Тел.: (3452) 41-79-86; E-mail: [email protected] Тюменский государственный нефтегазовый университет НИИ Электронных образовательных ресурсов http://eor.tsogu.ru
An impressive arsenal of the separate imitating training software not connected with each other, was created in Tyumen state oil and gas university. That fact has naturally generated the necessity of transition to the big distributed training systems. The article shows the way of using IEEE 1516, OPC and National I\nstruments LabVIEW software in the development of such systems.
Создание в ТюмГНГУ внушительного арсенала отдельных, не связанных между собой компьютерных имитационных тренажеров закономерно породило необходимость перехода к большим распределенным тренажерным системам. В статье показана возможность использования при проектировании таких систем стандартов IEEE 1516, OPC и программного обеспечения Lab VIEW корпорации National Instruments.
Ключевые слова: IEEE 1516, OPC, Lab View, компьютерные имитационные тренажеры, распределенные тренажерные системы.
Keywords: IEEE 1516, OPC, Lab View, imitating training software, distributed training systems.
В настоящее время открытое образование активно использует инновационные подходы. Широкое внедрение прогрессивных технологий в практику нефтегазовой отрасли предъявляет повышенные требования к качеству подготовки персонала, при этом одним из эффективных инструментов становятся компьютерные имитационные тренажеры (КИТ). Причина возрастающей популярности КИТ заключается в их способности обеспечить принципиально новый способ обмена информацией, превосходящий традиционные способы по дидактическим возможностям в несколько раз. В то же время остается открытым вопрос о взаимодействии КИТ с современными международными стандартами, в частности, с IEEE 1516. Предлагается возможный вариант инженерного решения задачи.
Материалы международных конферен-
ций в области современных средств обучения, каких как International Training and Education Conference (ITEC), The Society for Modeling and Simulation International (SCS), Special Interest Group on Graphics' and Interactive Techniques (SigGraph), International Conference on Artificial Reality and Tele-existence, свидетельствуют о том, что область применения компьютерных тренажеров постоянно расширяется.
В США и Европе имеется опыт применения КИТ в авиации, вооруженных силах, медицине, космонавтике и тех областях, где проведение физического обучения сопряжено с существенными трудностями технического плана и значительными материальными затратами, связанными с высокой стоимостью учебного оборудования и его эксплуатации, большой удаленностью обучаемого от места расположения учебного оборудования, длительностью и опасностью выполняемых работ; сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды и т.д. Мировой опыт свидетельствует о том, что КИТ наиболее эффективны при подготовке персонала, занятого на опасных участках производства и там, где цена
ошибки существенно выше расходов на обучение.
Что же касается практики использования КИТ в учебном процессе ТюмГНГУ, то она показала не только значительное увеличение качества подготовки студентов, но и выявила возможные пути развития технологии проектирования КИТ. Создание в ТюмГНГУ внушительного арсенала отдельных, не связанных между собой тренажеров, закономерно породило необходимость перехода к большим распределенным тренажерным системам, потенциал и эффективность которых неизмеримо выше. Объединив ряд уже имеющихся тренажеров, можно получить тренажерную систему с принципиально новыми возможностями. В качестве примера имеет смысл рас-
f смотреть следующую ситуацию -студенты кафедры «X» должны автоматизировать объект «У», студент кафедры «Z» должен правильно реагировать на штатные и нештатные (включая аварийные) ситуации на объекте «У». Объект (например, магистральный нефтепровод) относится к категории не только особо опасных, но и весьма дорогостоящих. В силу этих причин проведение полноценного обучения на реальном объекте при помощи традиционных методов не представляется возможным.
Традиционная же имитация поведения реальной системы, основанная на использовании SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - систем с некоторой сильно упрощенной моделью (созданной, как правило, самим же студентом), - имеет ряд недостатков:
- слабое владение технологией исследуемого процесса (что типично для процедуры обучения студентов, когда они порой лишь интуитивно представляют объект, который автоматизируют или выполняют его мониторинг), и это особенно проявляется в случаях отсутствия воз-
можности визуального наблюдения за процессом работы технологического оборудования;
- результаты исследований, проводимых в ходе курсового и дипломного проектирования при использовании самодельной «упрощенной модели», могут содержать ошибки и неточности, поскольку отсутствует механизм проверки предложенных решений;
- отсутствует возможность совместной коллективной работы студентов различных кафедр, когда на «ролевых играх» отрабатываются ключевые принципы взаимодействия или технологические регламенты.
Таким образом, необходимы новые подходы к профессиональному обучению. Суть предлагаемого решения заключается в том, чтобы, используя КИТ, предоставить студенту полный набор функций, которым обладает инженер на производстве: выбирать датчики, устанавливать их на объекте, подсоединять к соответствующему оборудованию, использовать SCADA-систему, через OPC-интерфейс (OLE for process control) или контроллер которой решать поставленную задачу. В условиях интеграции аппаратно-программных средства с виртуальной реальностью тренажерные комплексы создают полную иллюзию работы с реальным технологическим оборудованием.
Схема взаимодействия пользователей с реальным объектом, лабораторным оборудованием и с КИТ представлена на рис. 1. Последовательность процедур определяется особенностями процесса обучения и перечнем решаемых задач.
Для решения такого класса задач НИИ электронных образовательных ресурсов ТюмГНГУ (НИИ ЭОР) активно осваивает технологию проектирования распределенных тренажерных систем. Основой используемого метода являются: стандарт распределенного моделирования IEEE 1516, стандарт OPC и программное обеспечение LabVIEW корпорации National Instruments [1].
Стандарт IEEE 1516 определяет архитектуру высокого уровня (HLA - High Level Architecture) для создания распределенных имитационных систем, которые должны обмениваться данными во время своей работы. Не затрагивая специфики самой технологии HLA, отметим лишь отправные ее постула-
ты:
простые «монолитные» имитационные модели не могут удовлетворить потребности профессиональных пользователей;
все возможные сферы применения имитационного моделирования заранее неизвестны;
должны быть предусмотрены возможности произвольного комбинирования отдельных си-муляторов в сложные имитационные модели; архитектура распределенного моделирования должна быть максимально открыта для будущих технологий моделирования и имитации.
Архитектура ИЬЛ является де-факто стандартом в области имитационного моделирования. В частности, все тренажеры, используемые вооруженными силами США и НАТО, обязаны поддерживать этот стандарт.
Стандарт OPC разрабатывался с целью сократить затраты на создание и сопро-
вождение приложений промышленной автоматизации. В начале 90-х у разработчиков промышленного программного обеспечения возникла потребность в универсальном инструменте обмена данными с устройствами разных производителей или с разными протоколами взаимодействия. Суть OPC проста - предоставить разработчикам промышленных программ универсальный фиксированный интерфейс (то есть набор функций) обмена данными с любыми устройствами. В то же время разработчики устройств предоставляют программу, реализующую этот интерфейс (набор функций).
При решении вопроса о связи стандартов IEEE 1516 (являющегося базовым для КИТ) и OPC (применяемого в SCADA-системах) был выбран вариант с использованием пакета Lab VIEW [2].
Реальный объект с оборудованием
Ж
Лабораторное оборудование, SCAD А- системы.
Ж
кит
I
Пользователь (студент)
Рис. 1. Варианты взаимодействия пользователя с внешними системами
Сервер HLA
HLA DLL
Рдепределеихдетрекажеркм ci
Учебный прошсс
Работа с «реальным» оборудованием
Математическая модель
NI LabVIEW
ОРС-сервер
ОРС-сервер
Эмулятор ПЛК
SCADA (вариант 2)
SCADA (вариант 3)
Платы
I/O
Контротпер
SCADA (вариант 1)
Рис. 2. Взаимодействие компонентов распределенной тренажерной системы
Производственньш участок
Венпшь!
ресивер
Контрольно - измерительный участок
расходомер
О ^юемьщ на виртуальном тренажере
ооновляет гштерлкция * отбиажает
Рис. 3. Федерация КИТ 4ВУ1-5/9
LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами.
Достоинства LabVIEW: полноценный язык программирования; интуитивно понятный процесс графического программирования;
широкие возможности сбора, обработки и анализа данных, управления приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы;
драйверная поддержка более 2000 приборов;
возможности интерактивной генерации кода;
обучение и техническая поддержка мирового уровня.
LabVIEW может поддерживать математические модели любой сложности, выступать в роли OPC-сервера, но не имеет, к сожалению, средств взаимодействия с интерфейсами IEEE 1516. Это удалось преодолеть путем написания соответствующих программных компонентов. Схема их взаимодействия показана на рис. 2.
В качестве примера рассмотрим созданную в НИИ ЭОР ТюмГНГУ распределенную тренажерную систему компрессорной установки 4ВУ1-5/9. Возможности этого КИТ позволяют проверять технологические параметры, режимы работы установки, определять ее техническое состояние, пути повышения подачи, экономичности и безопасности работы компрессора и вспомогательного оборудования.
Студенту доступна информация с датчиков:
температуры и давления после каждой ступени сжатия и каждого промежуточного холодильника, температуры и давления в воздухосборнике (ресивере);
действительная производительность компрессора по показаниям расходомера; температура масла в картере; расход масла на смазку цилиндров компрессора; частота вращения вала компрессора; мощность на валу компрессора и т.д. Так как работа компрессора зависит от многих факторов, входными данными также являются: барометрическое давление всасываемого атмосферного воздуха; температура всасываемого атмосферного воздуха; относительная влажность всасываемого атмосферного воздуха; напряжение, подаваемое на двигатель; коэффициенты, характеризующие возможные неисправности и т. д.
После определения состава имитируе-
мого оборудования, номенклатуры входных и выходных данных была построена модель так называемой федерации HLA, определены федераты (элементы федерации), объекты, входящие в состав федератов, атрибуты объектов и интеракции. В данном случае, федерацией является виртуальный тренажер 4ВУ1-5/9 (рис. 3), в состав которого входят 3 федерата: производственный участок; контрольно измерительный участок; субъект обучения (обучаемый) на виртуальном тренажере.
Федераты включают объекты, которые взаимодействуют между собой посредством механизма распределенной имитации HLA. Объектами производственного участка являются: компрессор; воздухосборник (ресивер); расходомер; вентиль для поступления газа в ресивер; вентиль для спуска газа из ресивера.
Атрибутами компрессора являются: рабочая температура масла в картере (Temp); обороты вала (N); относительный объем мертвого пространства (Vcp); процент охлаждения воздуха в теплообменнике (n_cold); показатель процесса расширения в мертвом пространстве (z); механический КПД компрессора (n_meh); передаточное число вентилятора (z_vent); КПД передачи (n_drive); мощность вентилятора (Power _fan); коэффициент перепуска 1-й и 2-й ступени (a1,a2); состояние предохранительных клапанов ступеней (lock1, lock2); диаметры поршня 1-й и 2-й ступени (D1,D2); длина хода поршня 1-й и 2-й ступени (S1,S2); давление на входе в компрессор (P11); давление на выходе из 1-й ступени (P12); температура на входе в 1-ю ступень (T11); учет потерь, обусловленных созданием всасывания (n1_in); давление на входе с 1-й ступени (P21); давление на выходе из 2-ой ступени (P22); минимальное давление открытия перепускного клапана (Clapan_perepusk).
Аналогично определяются атрибуты других объектов.
Кроме того, были определены необходимые обновляемые и отображаемые атрибуты и интеракции. Например, федерат - компрессор обновляет данные, которые затем отображаются на федерате контрольно-измерительного участка, это - температура на 1-й и 2-й ступени; давление на 1-й и 2-й ступени; обороты электродвигателя, температура масла в картере и т.д. В качестве примера интеракций могут служить - нажатие пользователем КИТ на клавиши щита управления компрессором, управление вентилями
и т.д. На рис. 3 показана федерация КИТ 4ВУ1-5/9.
Следующим, наиболее сложным этапом проектирования КИТ является создание математической модели федератов и федерации в целом. Поскольку проектируемый тренажер предполагает использование достаточно сложной математической модели, ее создание выполнено в среде ЬаЬУ1Е'^
В процессе работы с КИТ студент имеет возможность изучать схему стенда, процедуру управления компрессором, режимы регулирования, проверку системы предохранительных клапанов и т.д. Особенностью созданного виртуального тренажера является возможность проводить работу при различных состояниях атмосферного воздуха (влажность, температура, давление), что позволяет оценивать его влияние на производительность, потребляемую мощность и т.д. Кроме того, оператор имеет возможность проводить работу при экстремальных и аварийных режимах. Указанные возможности тренажера позволяют успешно использовать его в лабораторном практикуме по дисциплинам «Введение в 8САБЛ-системы», «Микропроцессорные системы автоматизации и управления», «Передача данных в информационно-управляющих системах», «Автоматизированное управление в технических системах с применением 8САБА-систем» и т.д., дополняя традиционные способы проведения лабораторных работ. Общий вид компьютерного имитационного тренажера приведен на рис. 4.
Предложенный подход позволяет проектировать распределенные тренажерные системы практически любой сложности, с возможностью одновременной работы большого количества пользователей, выполняющих различные функции.
Например, может быть реализована совместная работа инструкторов (задающих производственные сценарии), операторов объектов (принимающих решения и осуществляющих управление), диспетчеров производства, механиков, инженеров по автоматизации и т.д., что открывает принципиально новые возможности как при переподготовке специалистов на производстве, так и при обучении студентов в вузе: проведении лабораторного практикума, курсовом и дипломном проектировании. Более того, новая технология позволяет университету создать в перспективе виртуальный полигон для тестирования сложных инновационных проектов.
Рис. 4. Общий вид КИТ
Литература
1. Гаммер М.Д., Колесов В.И., Курылёв Е.В. Опыт проектирования и использования компьютерных имитационных тренажеров в ТюмГНГУ //Дистанционные образовательные технологии: опыт применения и перспективы развития: Матер. Всеросс. научн.-практич. конф. (11 февраля 2008 г. Тюмень). - Тюмень: иДо ТюмГУ, 2008.
2. Колесов В.И., Гаммер М.Д., Гильманов Ю.А., Курылёв Е.В. Современные технологии распределенного моделирования в нефтегазовом образовании //Информационные технологии в экономике, управлении и социальной сфере: Матер. Межрегион. научн.-практич. конф. 15 ноября - 15 декабря 2007 г. -Тюмень: ТюмГУ, 2008.
3. High level architecture (simulation). URL: http://en.wikipedia.org/wiki/High_Level_Architecture_(simulation) (дата обращения: 16.06.2009).
4. Run-Time Infrastructure (simulation). URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Run-Time_Infrastructure (дата обращения: 16.06.2009).
* *
*
