CC BY
32
УДК 66-5
Князев А.Н. студент магистратуры научный руководитель: Заборовский Е.И.
доцент кафедры ТТ ФГБОУ ВО «СамГТУ» Россия, г. Самара
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Аннотация - любое производство на сегодняшний день не может быть конкурентоспособным без использования цифровых решений. Этот вопрос особенно важен для нашей страны, где, с одной стороны, недостаток широкого распространения современных систем цифровизации сильно снижает эффективность предприятий, а с другой стороны, это предоставляет уникальный шанс перескочить сразу несколько ступеней в развитии и устанавливать новейшие решения, которые только-только стали применяться в ведущих промышленных странах.
Ключевые слова - оператор ТУ, интерактивные тренажеры, тренажерные комплексы, моделирование технологического процесса.
Knyazev A.N. graduate student scientific adviser: Zaborovsky E.I. associate Professor of the Department of TT
FGBOU VO "SamGTU" Russia, Samara
COMPUTER SIMULATORS FOR TRAINING OPERATIONAL PERSONNEL IN THE OIL AND GAS INDUSTRY
Annotation - today, any production cannot be competitive without the use of digital solutions. This issue is especially important for our country, where, on the one hand, the lack of widespread adoption of modern digitalization systems greatly reduces the efficiency of enterprises, and on the other hand, it provides a unique chance to skip several steps in development and establish the latest solutions that have just become apply in leading industrial countries.
Key words - TU operator, interactive simulators, training complexes, process modeling.
Нефтегазовая отрасль отличается сложными технологическими процессами, аварии на которых приводят к серьезным экономическим и экологическим потерям, не говоря о риске человеческих жертв. Для работы с подобными процессами требуются специально обученные, квалифицированные операторы, на которых ложится большая
ответственность за последствия принятых решений по управлению процессом производства.
По некоторым оценкам, доля аварий по вине операторов в общем числе наиболее крупных аварий в мировой нефтехимии и нефтепереработке за период 60-90-х гг. составляет 26%, а средние потери в результате одной крупной аварии превышают 35 млн. долл. США.
С бурным развитием компьютерных технологий появилась возможность моделировать сложные технологические комплексы для подготовки и повышения квалификации специалистов в различных областях хозяйственной деятельности. В этих условиях во многих странах использование компьютерных тренажеров (автоматизированных систем обучения - АСО) для обучения персонала в нефтегазодобыче, переработке и нефтехимии становится законодательной нормой.
Так в США федеральный стандарт предписывает обязательный компьютерный тренинг для всех принимаемых на работу операторов и тренажерный курс переподготовки для всех действующих операторов не реже одного раза в три года. Внутренние правила ведущих нефтяных компаний мира предполагают обязательный восстановительный курс после отпусков, болезни или длительного отсутствия практики по другим причинам.
В РФ действующие «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и
нефтеперерабатывающих производств» (ПБ 09-540-03), пункт 2.12 гласят, что для приобретения навыков безопасного ведения работ все операторы производств I и II категории должны пройти курс обучения на компьютерных тренажерах, в основе которых лежат динамические модели. Такие меры приняты для безопасного ведения процесса и предотвращения аварийных ситуаций.
При этом одним из наиболее эффективных подходов к обучению и повышению квалификации операторов является применение компьютерных тренажеров реального времени. Основная задача таких тренажеров -формирование комплексного навыка принятия решений, который основывается на возможности смоделировать динамический отклик объекта и системы управления на произвольные управляющие воздействия оператора. Т.е. по сути, тренажеры являются теми же программами моделирования химико-технологических процессов в динамическом режиме с обязательным требованием обеспечения режима реального времени.
Структура и назначение тренажерных комплексов
Структура тренажерного комплекса, как правило, имеет три уровня: уровень предприятий, средний уровень и уровень установки.
Уровень предприятия - прогнозы и планирование производства; общий контроль стратегии системы; супервизорный контроль и мониторинг всей системы; обработка данных для административной информационной системы.
Средний уровень - планирование, процесс оптимизации с учетом ряда требований с верхнего уровня; определение функций и набора узлов для отдельных контроллеров; супервизорный контроль и мониторинг процесса. Типичным примером здесь может служить управление работой компрессорных станций, станций подземного хранения газа и т.д.
Уровень установки - непосредственное цифровое управление, контроль экстремальных значений (выбросов) параметров; простейшие расчеты.
Тренажеры уровня установки являются наиболее распространенными.
По назначению тренажерные комплексы подразделяются на:
• тренажеры геологогеофизического поиска и разведки месторождений;
• тренажеры бурения скважин;
• тренажеры эксплуатации и ремонта скважин;
• тренажеры транспорта нефти и газа (трубопроводного и танкерного);
• тренажеры технологических процессов переработки.
В целом, в курсе работы на тренажере можно выделить четыре этапа:
• ознакомление с объектом;
• прогнозирование последствий по методу «что, если?»;
• поиск причин неисправностей;
• стандартные, типовые и аварийные процедуры действий.
Навыки по ознакомлению с объектом, т.е. использованию функций
программного обеспечения станции оператора (навигация по системе меню, включение/выключение устройств, перевод устройств в ручной/автоматический режим и т.п.) позволяют получить простые тренажеры. Формирование необходимого комплексного навыка принятия решений (включая заблаговременное выявление нестандартных ситуаций) возможно только в рамках более сложных тренажеров. Эффективность обучения будет тем выше, чем выше сходство тренажерного комплекса и реальной АСУ ТП. Для повышения сходства целесообразно использовать программное обеспечение и функциональные модули той АСУ ТП, для которой разрабатывается тренажер, а также достаточно адекватную математическую модель моделируемого ТП.
Операторские интерфейсы тренажеров должны соответствовать принятым стандартам отображения технологической информации. В зависимости от требования заказчика операторский интерфейс тренажера может эмулировать типовой операторский интерфейс микропроцессорной системы управления или с высокой точностью воспроизводить применяемую на установке РСУ. Помимо практической полной функциональности РСУ, такой подход позволяет поддерживать актуальность тренажера в течение долгих лет после внедрения, поскольку пользователь
может адаптировать систему управления в тренажере точно так же, как это делается для реального проекта РСУ на установке.
Архитектура тренажерного комплекса в сравнении с реальной АСУ ТП представлена на рисунке 1.
На рисунке 1а изображены основные компоненты АСУ ТП. Управляющие устройства и датчики подсоединяются через платы ввода/вывода к специализированным станциям управления (называемым процессовыми станциями), в которые загружены алгоритмы обработки сигналов от устройств и датчиков технологического процесса, управляющих сигналов со станций оператора, а также генерации управляющих сигналов. Логика работы процессовых станций определяется в модулях, сконфигурированных в специализированном программном обеспечении. Таким образом, технологический процесс с точки зрения процессовой станции представлен набором интерфейсных единиц, каждая из которых позволяет получать данные от устройства или передавать устройству управляющие сигналы.
На рисунке 1б представлена архитектура тренажерного комплекса на базе реальной системы управления. Одно из наиболее значительных преимуществ данной архитектуры заключается в том, что для реализации тренажерного комплекса объекта управления можно с минимальной модификацией использовать программную конфигурацию, которая уже установлена и корректно работает в качестве системы управления этого объекта. Это позволяет полностью сохранить интерфейс пользователя станции оператора, блокировки, алгоритмы и др. Разработчики тренажера для конкретного заказчика, таким образом, могут уделить основное внимание реализации наиболее ресурсоемкой части проекта - разработке математической модели ТП. Как правило, существует возможность установки на одну процессовую станцию нескольких конфигураций, соответствующих нескольким ТП, а также подключать к этой процессовой станции несколько эмуляторов различных ТП. Это позволяет использовать в одном тренажерном комплексе различные модели ТП.
Рисунок 1. Архитектура тренажерного комплекса в сравнении с реальной АСУ ТП
Требования к тренажеру
Преимущественно используемая технология создания тренажерных комплексов предусматривает выполнение следующих требований к тренажеру:
• система должна моделировать реальные физические процессы, используя методы математического моделирования;
• тренажер должен заключать в себе модели физических процессов ТП, имитирующие свойства реального процесса с заданной точностью;
• для тренировки действий операторов в нестандартных ситуациях система должна генерировать различные возмущения в ходе моделируемых процессов как в автоматическом режиме в соответствии с заранее описанными правилами, так и с помощью обучающего инструктора;
• для сокращения времени работы инструктора система должна поддерживать автоматические режимы тренировки с использованием заранее заданного набора упражнений, причем в автоматическом режиме система должна не только ставить задачи перед оператором, но и выдавать рекомендации по их решению.
• тренажер должен реализовывать функцию сбора информации о действиях оператора с возможностью впоследствии составления отчетов и анализа эффективности принятых решений;
• система должна быть распределена на несколько тренировочных станций операторов, с обеспечением возможности одновременного обучения
нескольких операторов одним инструктором (при этом важным моментом с точки зрения экономии человеческих и машинных ресурсов является возможность тренировки нескольких операторов в один момент времени на разных моделях ТП);
• система должна предоставлять возможность конфигурации наборов упражнений в соответствии с моделью объекта обучения и специфическими требованиями заказчика.
Этапы создания тренажера Основными этапами создания тренажера являются:
• изучение предоставленной инженерно-технологической документации и выработка проекта детальной функциональной спецификации (ДФС) будущего тренажера;
• сбор данных с производства, опрос персонала и систематизация данных;
• разработка модели в соответствии с ДФС на основе библиотеки модели и разработки новых моделей;
• проверка и наладка модели;
• организация обмена данными с РСУ;
• разработка методической базы тренажерного проекта, включающей в себя систему специальных тренировочных упражнений и методик обучения;
• проверка работоспособности всех систем модели и настройка ее динамических свойств в присутствии специалистов заказчика (заводские приемные испытания);
• обучение будущих инструкторов, передача рабочей и методической документации
(приемные испытания на месте).
Процесс тренировки оператора Тренажерный комплекс обеспечивает следующие этапы тренировки оператора АСУ ТП:
• изучение набора средств оператора АСУ ТП, необходимых для работы со станцией оператора;
• изучение технологического процесса и устройств в нем задействованных;
• отработка наиболее распространенных ежедневных групп операций (пуск, останов, изменение режима);
• оценка состояния ТП по имеющейся информации, обнаружение симптомов неисправности, генерация гипотез о причинах возникновения неисправности и принятие мер по приведению системы в оптимальное состояние, исходя из возникшей неисправности;
• отработка действий в условия аварийной ситуации.
Рабочее место оператора обычно состоит из терминала, с помощью которого оператор получает информацию о ходе процесса, а также клавиатуры и мыши, посредством которых оператор передает системе
информацию о своих решениях. Также могут использоваться специализированные (промышленные) варианты клавиатуры и манипуляторов, отличающиеся по форме и свойствам от стандартных, использующихся для персональных компьютеров. Очевидно, что при обучении целесообразно использовать те устройства, которые будут использоваться в своей дальнейшей профессиональной деятельности.
Технологический процесс и устройства, в нем задействованные, обычно представляются на терминале оператора в виде символов, которые можно разделить на основные классы (клапан, мотор, насос и т. п.). Каждый символ несет в себе определенную смысловую нагрузку и обладает набором функций, связанных с ним.
Например, символы устройств, как правило, имеют функции включения или выключения устройства, перевод устройства в автоматический режим управления и т. п. Обучаемый должен усвоить эту символику, а также получить и закрепить навыки использования всех основных функций символа каждого типа.
В работе оператора значительную часть занимают стандартные типовые последовательности, такие как пуск или останов различных участков ТП или перевод их из одного режима работы
в другой. Для изучения, запоминания и повторения подобных последовательностей тренажерный комплекс должен включать набор соответствующих упражнений.
С точки зрения оператора технологический процесс представляется множеством компонентов (узлов, аппаратов, агрегатов, емкостей и т. п.), каждый из которых представлен на дисплее
в виде измерений и показателей состояния. Различные наборы значений измерений и показателей состояния соответствуют различным состояниям ТП.
Оператор должен научиться и адекватно оценивать по представленной информации состояние отдельных компонентов ТП и всего ТП в целом. Таким образом, группа упражнений должна содержать задачи по оценке состояния системы, обнаружения симптомов неправильного поведения, генерации гипотез о причинах неправильного поведения, предсказывания развития поведения системы в случае невмешательства, предсказывания последствий воздействий на систему, упражнения по генерации воздействий, оптимальных с точки зрения приведения системы в желаемое состояние.
Кроме того, необходимы навыки работы в аварийных ситуациях, либо, если возникновение аварийной ситуации приводит к автоматическому срабатыванию некоторого алгоритма, необходима отработка навыков поведения после завершения работы данного алгоритма.
На различных этапах обучения целесообразно использовать математические модели различной сложности.
Использованные источники: 1. Васильева Н.В., Иванов П.В., Котелева Н.И, - Использование компьютерных тренажеров сложных технологических процессов для
обучения студентов технических ВУЗов/ XV Вишняковские чтения «Вузовская наука в развитии промышленной и социальной сферы региона»: материалы междунар. науч. Конф., 30 марта 2012 г., г. Бокситогорск/ под общ. Ред. Проф. В.Н. Скворцова. - СПб.; Бокситогорск: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2012. - с. 200-202.
2. Дозорцев ВМ. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. - М.: СИНТЕГ, 2009.-372 с
3. Базилевич В.Г. Интерактивные промышленные тренажеры- важное звено эффективного управления производством. ОАО НИПИгазпереработка УДК 371.693.4
