CC BY
327
УДК: 004.942 ББК: 32.973
Тамьяров А.В., Шкромадо А.А., Булкаева Е.А.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ИМИТАЦИОННОГО ТРЕНАЖЕРА «ПОДОГРЕВАТЕЛЬ НЕФТИ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ» СРЕДСТВАМИ SCADA И SOFTLOGIC СИСТЕМЫ TRACE MODE 6
Tamyarov A. V., Shkromado A.A., Bulkaeva E.A.
SOFTWARE DEVELOPMENT OF COMPUTER DYNAMIC IMITATTION SIMULATOR «OIL HEATER WITH INTERMADIATE HEAT CARRIER» IN SCADA AND SOFTLOGIC SYSTEM TRACE MODE 6
Ключевые слова: программирование, алгоритмизация, компьютер, тренажер, SCADA, Trace Mode, МЭК 61131-3, ST, FBD, математическая модель, имитационное моделирование.
Keywords: programming, algorithmic, computer, simulator, SCADA, Trace Mode, IEC 61131-3, ST, FBD, mathematical model, simulation.
Аннотация: в работе представлена разработка интерфейсной и программной частей компьютерного тренажера для нефтегазовой отрасли средствами SCADA/HMI и SOFTLOGIC системы Trace Mode 6. Обоснована необходимость применения интегрированных систем проектирования и управления к разработке тренажеров. Предложено в качестве языков программной реализации моделей использовать ST и FBD. Приведены конкретные примеры программ с подробным описанием.
Abstract: the paper presents the interface and software parts development for the oil and gas industry's computer simulator in SCADA / HMI and SOFTLOGIC system Trace Mode 6. The necessity of using integrated design and management systems in the development of simulators is substantiated. Proposed to use ST and FBD as a software implementation models language. There are concrete examples of programs with a detailed description.
Компьютерные тренажеры в общем случае являются сложными программно-аппаратными комплексами, содержащими средства моделирования, анализа, симуляции и визуализации. Основные задачи, которые решаются с помощью компьютерных тренажеров, - теоретическая подготовка обучаемых и отработка у них практических навыков, а также их проверка и тестирова-ние1.
Применение компьютерных тренажеров является жизненно необходимым для областей деятельности, в которых обучение на реальных объектах невозможно в силу высокой опасности нарушения нормального хода процесса из-за ошибки персонала и
1 Компьютерные тренажеры нового поколения:
[Электронный ресурс] // Системы компьютерной автоматизации URL: http://www.asutp.ru/?p=400322 (дата обращения: 15.03.2013)
возникновения аварийной ситуации. Как правило, наряду с угрозой жизни и здоровью людей, возникновение подобной ситуации приводит к значительным финансовым затратам на устранение последствий и ликвидацию воздействия техногенных факторов.
Одним из актуальных направлений применения компьютерных тренажеров является использование их в обучении операторов технологических процессов и производств. Наибольший вклад в изучение и развитие промышленных компьютерных тренажерных систем технологических процессов внесли российские ученые В.М. Дозорцев, Т.Б. Чистякова, С.И. Магид, С.А. Рубашкин и др.
Лидирующие позиции во внедрении компьютерных тренажеров занимает нефте-
газовая отрасль2. Это объясняется как высокой сложностью и опасностью процессов, что заставляет предъявлять высокие требования к квалификации операторов, на которых ложится ответственность за принятие решения, так и требованиями нормативных документов.
Основными нормативными документами являются федеральный закон «О техническом регулировании» № 184-ФЗ, федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116-ФЗ и «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» ПБ09-540-03. В частности, п. 2.12 последних предписывает всем инженерно-техническим работникам технологических объектов с блоками I и II категорий взрывоопасности проходить обучение и переобучение на компьютерных тренажерах, включающих максимально приближенные к реальным динамические модели процессов и реальные средства управления.
На основании требований нормативной документации можно сформулировать некоторые основные требования к моделям компьютерного тренажера технологических процессов нефтегазовой отрасли:
- система должна моделировать реальные физические процессы на основе методов имитационного моделирования;
- модели физических процессов, используемые в тренажере, должны имитировать динамические показатели технологических параметров реального процесса с заданной точностью;
- управление технологическим процессом должно осуществляться в реальном масштабе времени;
- параметры моделей должны допускать модификацию с целью подстройки тренажера под конкретный технологический объект в случае его модернизации или технического переоснащения;
- интерфейс тренажера должен максимально соответствовать интерфейсу реальной системы управления, а в идеале -
2 Семенова, И.И. Компьютерные тренажеры в нефтегазовой отрасли: обзор [Электронный ресурс] // URL: http://semenova-ii.narod.ru/stat/02.html (дата обращения: 11.01.2013)
быть выполнен в той же среде (инструментальной системе), в которой разрабатывалась оригинальная распределенная система управления (РСУ).
Данные требования следуют из требований нормативной документации, но не являются исчерпывающими. Более подробно требования к компьютерным тренажерам рассматриваются в работах В.М. Дозорцева3.
Таким образом, именно математическая модель процесса является центральным и наиболее трудоемким и ресурсоемким в разработке элементом тренажера. Помимо нее можно выделить такие основные элементы как станции обучаемых, станцию ин-
4
структора и процессовую станцию .
Математическая модель представляет собой написанные, как правило, на языках высокого уровня (C, C++, Delphi, Pascal) программные модули, выполняющие решение дифференциальных уравнений или уравнений состояния в векторно-матричной форме. Поскольку математические модели могут насчитывать до нескольких тысяч уравнений, то их разрешение требует достаточно больших вычислительных мощностей. Поэтому для крупных тренажерных комплексов структурно в составе тренажере для математической модели отводится выделенный сервер или целый вычислительный кластер. Число уравнений, т.е. сложность моделей, определяет вид тренажера.
Существующее многообразие классификаций тренажеров по виду в контексте сложности математической модели достаточно просто укладывается в классификацию, принятую компанией Honeywell - одного из самых крупных производителей компьютерных тренажеров для нефтегазовой отрасли. Honeywell выделяет следующие виды тренажеров5:
3 Дозорцев, В.М., Шестаков, Н.В. Компьютерные тренажеры для нефтехимии и нефтепереработки: опыт внедрения на российском рынке. - М.: Приборы и системы управления, 1998, № 1. C. 27-32.
4 Шабаев А.И. Тяжело в учении - легко в бою // Отраслевой научн. тех. журнал «ИСУП». - 2005. -№ 4. - С. 35-39.
5 KTK-M: многофункциональные компьютерные тренажеры: [Электронный ресурс] // Honeywell URL: http://hpsregional.honeywell.com/Cultures/ru-RU/AdvancedSolutions/SimulationandOperatorTraining Systems/Products/CTCM/ (дата обращения: 17.01.2013)
- специализированные тренажеры реальных (т.е. конкретных) технологических установок. Выполняются, как правило, в среде, применяемой на установке РСУ, и с высокой точностью воспроизводят динамику изменения технологических параметров именно той установки, для которой разрабатывались;
- типовые тренажеры (тренажеры типовых технологических установок). Включают в себя упрощенные (по сравнению со специализированными) математические модели, не описывающие детально конкретную установку, а содержащие универсальные математические зависимости, относящиеся ко всем аналогичным установкам различных технологических объектов;
- базовые тренажеры (тренажеры типовых технологических узлов и агрегатов). Содержат относительно простые модели отдельных элементов технологического процесса (клапанов, насосов, теплообменников и т.д.) или их взаимосвязей (небольшие блоки или установки).
Процессовая станция содержит алгоритмы системы управления технологическим процессом, реализованные зачастую на специализированных языках стандарта МЭК 61131-36, включающего в себя два текстовых (Structured Text, Instruction List) и три графических (Ladder Diagram, Function Block Diagram, Sequential Function Chart) языка программирования .
В заключение данного краткого обзора следует отметить, что стоимость тренажеров чрезвычайно высока из-за сложности получения всех необходимых для достоверного математического и функционального описания данных, а также самого процесса разработки программ8, требующего наличия команды высококвалифицированных про-
6 Шабаев А.И.. Тяжело в учении - легко в бою // Отраслевой научн. тех. журнал «ИСУП». - 2005. -№ 4. - С. 35-39.
7 IEC 61131-3(2003). Programmable controllers -Part 3: Programming languages. Опубликован 31.01.2003.
8 Грибова, В., Осипенков, Г., Сова, С. Концепция разработки диагностических компьютерных тренажеров на основе знаний: [Электронный ресурс] // International Book Series "Information Science and Computing" URL: http://www.foibg.com/ibs_isc/ibs-
12/ibs-12-p03.pdf (дата обращения: 21.01.2013)
граммистов и соответствующих инструментальных средств. В настоящий момент стоимость тренажеров исчисляется миллионами и десятками миллионов рублей даже для относительно несложных комплексов. Это заставляет заказчиков приобретать более дешевые тренажеры с ограниченным функционалом, что не может не сказываться на качестве обучения персонала. Помимо этого, экономия доводит до того, что столь важный этап, как обучение на тренажерах базовых технологических узлов и агрегатов, зачастую отсутствует вовсе, прерывая комплексный цикл обучения «от простого - к сложному» и оставляя пробелы в познаниях оперативного персонала.
Кроме того, проведенный авторами статьи анализ показывает, что практически отсутствует сегмент отечественных разработчиков тренажеров. Последний и единственный крупный по отечественным меркам разработчик тренажеров нефтегазовой отрасли - компания Петроком, имеющая свыше 200 проектов в России и за рубежом, -была приобретена Honeywell в 2005 году9. Иностранные разработчики не продают свои платформы предприятиям, предпочитая извлекать прибыль из поддержки и модификации уже проданных тренажеров. Проще говоря, разработки являются закрытыми, что значительно затрудняет оперативную доработку и вынуждает после покупки тренажера значительные средства вкладывать в его техническую поддержку и актуализацию.
Вопросы разработки тренажерных комплексов нефтегазовой отрасли рассматриваются в работах А.Г. Колмагорова, А.А. Годо-ва, П.Н. Душанина, К.М. Черезова, И.Г. Ги-ниятова, А.И. Шабаева и др.
Целью настоящего исследования является обоснование разработки программного обеспечения компьютерного динамического имитационного тренажера базовых технологических узлов и агрегатов средствами отечественной интегрированной SCADA и SOFTLOGIC системы Trace Mode 6 с реализацией как математической модели, так и
9 Российские ИТ-разработки для нефтегаза пошли по миру [Электронный ресурс] // Интернет-издание CNews.ru: URL: http://www.media.infobus.ru/mess? mid=11091 (дата обращения: 14.01.2013)
системы управления на языках стандарта МЭК 61131-3 ST и FBD. В качестве объекта разработки выступает подогреватель нефти с промежуточным теплоносителем ПНПТ-1.6.
Данный объект выбран постольку, поскольку содержит процессы как с самовыравниванием (температура нефти), так и без самовыравнивания (уровень теплоносителя), что позволит шире взглянуть на содержание программ и особенности их разработки. Поскольку теплообменные процессы и процессы регулирования количества вещества как составляющие энергетического и материального балансов являются неотъемлемой частью процессов нефтегазовой отрасли, эти модели могут быть в дальнейшем использованы в тренажерах других процессов и установок.
Актуальность исследования объясняется:
- острой необходимостью нефтегазовой отрасли в компьютерных динамических имитационных тренажерах, в т.ч. базовых технологических узлов и агрегатов;
- необходимостью совершенствования процессов разработки тренажеров с целью сокращения затрат на программирование в ходе реализации математической модели;
- необходимостью создания наработок открытых базовых программных модулей моделей, которые могут быть при необходимости доработаны под конкретный процесс или агрегат и использованы повторно;
- возможностью использования единого программного продукта как для разработки компонентов тренажера и системы управления (человеко-машинного интерфейса, программ эмуляции, программ контроля и управления и т.д.), так и в качестве реализации исполнительной системы РСУ;
- стимулированием развития рынка отечественных производителей тренажеров и российских разработчиков системного программного обеспечения.
Научная новизна разработки заключается в:
- применении единого программного продукта для разработки как интерфейсной, так и модельной части тренажера;
- разработке математической модели на языках стандарта МЭК 61131-3 Structured
Text и Function Block Diagram;
- интеграции тренажера и РСУ в рамках одного проекта для сокращения затрат на разработку.
Актуальность разработки и внедрения компьютерных имитационных тренажеров технологических процессов нефтегазовой отрасли рассматривалась выше.
Применение языков программирования стандарта МЭК 61131-3 значительно упрощает программирование10, что связано с относительной простотой языка и ограничением числа его элементов, возможностью простой модификации программы и наращивания ее функциональности, возможностью повторного использования отработанных фрагментов программ и портируемо-стью проектов. Все это приводит к сокращению затрат времени и трудозатрат на разработку программного обеспечения. В то же время наличие в составе стандарта гибкого языка ST, сходного по функциям и возможностям с языком Pascal, и языка функциональных блоков FBD, наглядно демонстрирующего принцип инкапсуляции и содержащего готовые к применению программные модули в виде блоков, позволяет решать широкий круг задач программирования, в т.ч. разработки математических моделей тренажера. При этом собственные разработки могут быть легко сохранены в виде пользовательских блоков, допускающих модификацию, и использованы в составе других программ. Таким образом можно разработать базовые программные модули под типовые физические процессы или единицы оборудования и сформировать на их основе библиотеку разработки математических моделей тренажеров.
Как уже отмечалось выше, интерфейс тренажера должен быть максимально приближен к интерфейсу реальной системы управления, что легко достижимо, если и тренажер, и система управления разрабатываются в единой среде (инструментальной системе), которая, к тому же, обеспечивает и исполнение разработанных компонентов на реальном оборудовании. Именно такими возможностями обладает интегрированная
10 Денисенко, А.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. - Горячая линия-Телеком, 2009. - 341 с.
SCADA/HMI и SOFTLOGIC - система Trace Mode 611, содержащая как средства разработки интерфейса (редактор представления данных), так и средства разработки программ на языках МЭК 61131-3. Использование единой системы не только сокращает затраты на разработку тренажера, но и упрощает его интеграцию с РСУ.
Отметим также, что Trace Mode является разработкой российской компании АдАстра. Применение программных продуктов отечественных разработчиков не только значительно экономит денежные средства на приобретение инструментальных средств разработки, но и обеспечивает оперативную квалифицированную техническую поддержку, что положительно сказывается на скорости разработки (модификации) и стоимости проектируемых компьютерных тренажеров.
В последующих частях статьи рассмотрим основные алгоритмы функционирования и содержание программ компьютерного динамического имитационного тренажера «Подогреватель нефти с промежуточным теплоносителем 1 ШИТ-1.6», а также особенности их исполнения. В силу того, что математические аспекты разработки моделей компьютерных тренажеров достаточно хорошо описаны в вышеозначенных источниках, в рамках данной статьи они приводятся кратко и лишь там, где необходимы для пояснения сути разрабатываемой программы.
Основными функциями АСУТП подогревателя нефти, реализуемыми в рамках разработки компьютерного динамического имитационного тренажера, являются:
- автоматический сбор и первичная обработка технологической информации об уровне и температуре теплоносителя, расходе топлива (газа);
- автоматизированный контроль состояния технологического процесса, предупредительная сигнализация при выходе технологических показателей температуры и уровня теплоносителя за установленные границы;
11 TRACE MODE 6 и T-FACTORY 6: общие сведения [Электронный ресурс] // АдАстра URL: http://www.adastra.ru/products/overview/ (дата обращения: 28.01.2013)
-управление технологическим процессом в реальном масштабе времени;
- представление информации о состоянии технологического процесса и его параметрах (температуре и уровне теплоносителя, расходе топлива (газа)) в удобном для восприятия и анализа виде на цветных графических операторских станциях в виде графиков, мнемосхем, гистограмм, анимации;
- автоматическое регулирование температуры теплоносителя по ПИД - закону через каскадное регулирование расхода;
- автоматическое регулирование уровня теплоносителя по двухпозиционному закону;
- автоматическая обработка, регистрация и хранение (архивирование) поступающей производственной информации о температуре и уровне теплоносителя, расходе топлива (газа);
- получение информации от подсистемы противоаварийной защиты, предаварий-ная сигнализация по уровню и температуре теплоносителя и регистрация срабатывания при этом подсистемы ПАЗ в отчете тревог;
- защита баз данных и программного обеспечения от несанкционированного доступа;
- диагностика и выдача сообщений по отказам всех элементов комплекса технических средств.
Для обеспечения функционирования тренажера потребуется разработка следующих программных компонентов: загрузочного (стартового) экрана тренажера, основной мнемосхемы процесса, экранов задания параметров моделей, экранов настройки системы управления, экранов представления технологических параметров, экранов событий и авариной сигнализации и др., программы-эмулятора уровня промежуточного теплоносителя в емкости теплообменника и расширительной емкости, программы-эмулятора температуры нефти на выходе подогревателя, программ аварийной сигнализации по температуре нефти и уровню теплоносителя, программ регуляторов указанных параметров и др.
Программа эмулятора уровня представляет собой зависимость уровня в соединенных между собой основной теплообмен-
ной и расширительных емкостях (расширительная емкость установлена над емкостью теплообменника) от производительности (подачи) насоса, наличия утечек с заданным расходом и геометрических параметров емкостей. Переменные всех параметров имеют установленные по умолчанию значения, рассчитанные на основании данных об установленном оборудовании, но значения могут быть изменены непосредственно из конфигуратора тренажера. Утечка может как присутствовать, так и не быть задействована в процессе тренинга.
Для расчета производных параметров, например, объема емкости по известным конструктивным геометрическим данным или времени заполнения емкости используются дополнительные программы, которые в тексте статьи не приводятся.
Текст программы-эмулятора уровня на языке ST представлен ниже.
PROGRAM VAR_OUTPUT Уровень_тепл: REAL; END_VAR VAR_INPUT Насос: USINT: = 0; END_VAR VAR_INPUT Утечка: USINT: = 0; END_VAR VAR_INPUT Время_налива_расш: REAL: = 3.53; END_VAR
VAR_OUTPUT Теплообменник_заполнен: USINT; END_VAR
VAR_INPUT Объем_расш: REAL: = 1.47; END_VAR
VAR_INPUT Расход_утечка: REAL; END_VAR VAR_INPUT Время_налива_тепл: REAL: = 45.95; END_VAR
VAR_INPUT Объем_тепл: REAL: = 19.1433; END_VAR
VAR_OUTPUT Уровень_расш: REAL; END_VAR VAR Прирост_расш: REAL; END_VAR VAR Скорость_налива_расш: REAL; END_VAR VAR Скорость_слива_расш: REAL; END_VAR VAR Уменьшение_расш: REAL; END_VAR VAR Прирост_тепл: REAL; END_VAR VAR Скорость_налива_тепл: REAL; END_VAR VAR Уменьшение_тепл: REAL; END_VAR VAR Скорость_слива_тепл: REAL; END_VAR //—уровень в емкости теплообменника—
Скорость_налива_тепл=100/ (Время_ налива_тепл*60)*0.1; //...рассчитать скорость наполнения теплообменника в процентах от объема куба за цикл пересчета
if Уровень_расш<=0 then //если расширительная емкость пуста...
Скорость_слива_тепл=100/ (Объ-ем_тепл/Расход_утечка*60*60)*0.1 ;//...расс-читать //скорость слива из теплообменника в процентах от объема куба за цикл пересчета
else Скорость_слива_тепл=0;//если расширительная емкость не пуста, сливать //сначала из нее - не уменьшать уровень в емкости теплообменника end_if;
if Уровень_тепл<=50 then //если уровень не достиг половины емкости
Прирост_тепл=Скорость_налива_тепл+ Скорость_налива_тепл*(0.5-(0.02 *Уровень_ тепл));//пересчитать скорость налива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (1)
Уменьшение_тепл=Скорость_слива_ тепл+Скорость_слива_тепл* (0.5 -(0.02* Уро-вень_тепл)); //пересчитать скорость слива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (1) end_if;
if Уровень_тепл>50&&Уровень_тепл <=110 then //если уровень достиг половины емкости, но емкость не полностью заполнена
Прирост_тепл=0.5*Скорость_налива_ тепл-С корость_налива_тепл*(1 -(0.02*Уро-вень_тепл)); //пересчитать скорость налива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (2)
Уменьшение_тепл=0.5*Скорость_ слива_тепл-Скорость_слива_тепл*(1-(0.02* Уровень_тепл)); //пересчитать скорость слива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (2) end_if;
if Уровень_тепл<=100 then //если емкость теплообменника не заполнена полностью
case Насос of
1: Уровень_тепл=Уровень_тепл+При-рост_тепл; //при включенном насосе заполнять емкость с расчетной скоростью 0: Уровень_тепл=Уровень_тепл+0; end_case; end_if;
if Уровень_тепл>=0 then //если ем-
кость теплообменника не заполнена полностью
case Утечка of
1: Уровень_тепл=Уровень_тепл-
Уменьшение_тепл; Пи присутствует утечка, уменьшать уровень теплоносителя с расчетной скоростью
0: Уровень_тепл=Уровень_тепл-0;
end_case;
end_if;
if Уровень_тепл>=100 then //если уровень теплоносителя в емкости теплообменника //достиг 100%
Теплообменник_заполнен= 1; //внутренняя переменная
else Теплообменник_заполнен=0; end_if;
//----уровень в расширительной емкости--
if Теплообменник_заполнен==1
then///еслu теплообменник заполнен
Скорость_налива_расш=100/ (Вре-мя_налива_расш*60)*0.1; // ...рассчитать скорость наполнения теплообменника в процентах от объема куба за цикл пересчета
Скорость_слива_расш=100/(0бъем_ расш/Расход_утечка*60*60)*0.1; // ...рассчитать скорость слива теплообменника в процентах от объема куба за цикл пересчета
if Уровень_расш<=50 then //если уровень не достиг половины емкости
Прирост_расш=Скорость_налива_ расш+Скорость_налива_расш*(0.5 -(0.02* Уровень_расш)); //пересчитать скорость налива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (1)
Уменьшение_расш=Скорость_слива_ расш+Скорость_слива_расш*(0.5 -(0.02* Уровень_расш)); //пересчитать скорость слива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (1) end_if;
if Уровень_расш>50&&Уровень_расш <=110 then //если уровень достиг половины емкости, но емкость не полностью заполнена
Прирост_расш=0.5*Скорость_налива _расш-Скорость_налива_расш*(1 -(0.02* Уровень_расш)); //пересчитать скорость
налива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (2)
Уменьшение_расш=0.5 *Скорость_ слива_расш-Скорость_слива_расш*(1 -(0.02 *Уровень_расш)); //пересчитать скорость слива для геометрического профиля //горизонтальной цилиндрической емкости по зависимости (2) end_if;
if Уровень_расш<=100 then II если расширительная емкость не заполнена полностью
case Насос of
1: Уровень_расш=Уровень_расш+ Прирост_расш; //при включенном насосе заполнять емкость с расчетной скоростью 0: Уровень_расш=Уровень_расш+0; end_case;
else Уровень_расш=100; //ограничить уровень 100% - полное заполнение end_if;
if Уровень_расш>=0 then IIесли расширительная емкость не заполнена полностью
case Утечка of
1: Уровень_расш=Уровень_расш-Уменьшение_расш; //и присутствует утечка, уменьшать уровень теплоносителя с расчетной скоростью
0: Уровень_расш=Уровень_расш-0; end_case;
else Уровень_расш=0; //ограничить уровень 0% - пустая емкость end_if; end_if;
END_PROGRAM
Программа эмулятора температуры нефти на выходе подогревателя, написанная на языке функциональных блоков FBD, представлена на рисунке 1. Каждый блок программы представляет собой подпрограмму или функцию. Функции данной программы разработаны на языке ST. Основными из них являются функция KLP, описывающая работу регулирующего клапана с электроприводом, и Q_OUT, содержащая расчет количества отдаваемой в окружающую среду теплоты.
Программа разработана на основании предварительно составленной математической модели динамической системы в при-
ложении Simulink. Модель в Simulink необходима для проверки соответствия разрабатываемой программной модели процесса нагрева нефти реальному физическому процессу путем сравнения значений технологических параметров, получаемых на выходе модели и снятых с объекта в результате проведения серии экспериментов. Использование Simulink удобно, поскольку функциональные блоки данного приложения Matlab и стандартная библиотека функциональных блоков Trace Mode имеют большое количество блоков идентичного функционала. Существенным отличием является ориентация Trace Mode на обеспечение режима реального времени. Именно поэтому предварительное моделирование в Simulink явилось необходимым условием.
Отметим также, что построению мо-
дели в Simulink, в свою очередь, предшествовал этап идентификации методом проведения активного эксперимента и определения параметров передаточных функций, описывающих основные элементы, по кривым разгона методом, предложенным М.П. Симою [9].
Программа, представленная на рисунке 1, содержит как элементы модели технологического процесса, так и системы управления им. Подобный подход при разработке программ на языках функциональных блоков применяется достаточно часто, поскольку из-за инкапсуляции каждой функции или подпрограммы в отдельный блок конечная программа приобретает достаточно простую структуру и позволяет совместить указанные составляющие.
Рисунок 1 - Программа - эмулятор температуры нефти на выходе подогревателя
Как и реальная система управления, программная модель содержит два контура: внутренний - контур регулирования положения рабочего органа клапана (штока с плунжером) и внешний - регулирования температуры нефти на выходе подогревателя. Расход газа через клапан связан с положением плунжера (степенью открытия клапана) теоретической линейной пропускной характеристикой.
Внешний контур регулирования осно-
ван на цифровом ПИД-регуляторе (PID), вырабатывающем на основании рассогласования между заданной и измеренной температурой нефти уставку по положению штока клапана с плунжером для регулятора внутреннего контура, т.е. реализуется каскадное регулирование.
Поскольку реальное регулирование положения штока с плунжером осуществляется путем подачи дискретных сигналов на входы бесконтактного реверсивного пуско-
вого устройства, определяющего прямое либо реверсное вращение электродвигателя в составе привода клапана, внутренний контур содержит трехпозиционный регулятор PREG, вырабатывающий единичные выходные сигналы на соответствующем выходе (QH - открытие, QL - закрытие) с учетом зоны нечувствительности. Значение зоны нечувствительности, взятое из документации на электропривод (устанавливается в конфигураторе тренажера), формирует уставку для трехпозиционного регулятора как максимальное и минимальное пороговые входные значения. Данные значения рассчитываются как уставка по положению в процентах, рассчитанная ПИД-регулятором контура температуры, к которой прибавлено (MAX) и от которой отнято (MIN) половинное значение зоны нечувствительности.
Выходные сигналы регулятора воздействуют на блок KLP, реализованный в виде функции и представляющий собой модель электропривода с редуктором. В зависимости от хода (Leng) и скорости перемещения (Speed) штока рассчитывается положение (POS) штока с плунжером в процентах (степень открытия).
Клапан и теплообменник могут быть описаны передаточными функциями апериодического звена первого порядка. Для теплообменника также необходимо учесть запаздывание. В составе функциональных блоков Trace Mode для описания объектов с такой передаточной функцией используется блок Object (OBJ). Таким образом, первым блоком OBJ рассчитывается расход газа, а на выходе второго формируется значение
температуры, которое может быть достигнуто при сжигании данного количества газа при температуре окружающего воздуха 0°С.
Влияние на температуру нефти на выходе подогревателя температуры окружающего воздуха учтено в блоке функции
О_оит.
В заключение приведем несколько видеокадров интерфейсной части разработанного тренажера. Человеко-машинный интерфейс (НМ1, ЧМИ) является средством организации взаимодействия между человеком и программным обеспечением тренажера (или АСУТП). Главными требованиями к интерфейсу являются простота, информативность, защита от несанкционированных действий (авторизация доступа), а также выдача запросов подтверждения на действия потенциально опасного характера.
В большинстве своем человеко-машинный интерфейс содержит стандартные графически элементы: тренды, ползунки, кнопки, статические и динамические текстовые элементы и т.д. Отличительною особенностью разработанного ЧМИ тренажера является расширенная, но не отвлекающая оператора, анимация технологического процесса и элементов оборудования, помогающая лучше понять суть технологического процесса и повысить качество подготовки обучаемого.
На рисунке 2 приведен стартовый экран тренажера, где можно выбрать текущую задачу. На рисунках 3 и 4 представлены статусные сообщения (события) и алармы. Рисунок 5 иллюстрирует мнемосхему процесса подогрева нефти.
Рисунок 2 - Стартовый экран тренажера
Рисунок 3 - События
Рисунок 4 - Алармы
Рисунок 5 - Мнемосхема технологического процесса подогрева нефти
Данные технико-экономических расчетов показывают, что затраты на разработку рассматриваемого тренажера (включая сбор всех необходимых данных, их обработку и программную реализацию) составят
около 238 тыс. руб., что позволит реализо-вывать его по ценам значительно ниже зарубежных аналогов, а годовой экономический эффект от внедрения данного тренажера на предприятии достигает 161 тыс. руб.
Подводя итог проделанной работе, можно говорить об успешном завершении данной части разработки компьютерного динамического имитационного тренажера базового технологического узла - подогревателя нефти с промежуточным теплоносителем. Это позволяет судить о достижении цели исследования - обосновании возможности и необходимости разработки математических моделей тренажеров на языках стандарта МЭК 61131-3 (а именно, ST и FBD) и применения для этой цели интегрированных систем проектирования, позволяющих разработать как интерфейсную, так и программную части в рамках единой инструментальной системы. В качестве таковой системы выступила отечественная SCADAIHMI и SOFTLOGIC система Trace
Mode. Разработанный в результате базовый тренажер может быть применен в обучении оперативного технологического персонала нефтегазовой отрасли, остро нуждающейся в отечественных разработках приемлемой стоимости и с возможностью актуализации в течение жизненного цикла тренажера. В то же время авторы надеются, что разработанные в ходе исследования программные реализации моделей и сформулированные в статье новые идеи и принципы будут полезны при разработке более сложных комплексных тренажеров с приемлемыми свойствами, а сами используют эти наработки в своей дальнейшей научно-прикладной деятельности, связанной с разработкой компьютерных динамических имитационных тренажеров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. IEC 61131-3(2003). Programmable controllers - Part 3: Programming languages. Опубликован 31.01.2003.
2. Грибова, В., Осипенков, Г., Сова, С. Концепция разработки диагностических компьютерных тренажеров на основе знаний: [Электронный ресурс] // International Book Series "Information Science and Computing" URL: http://www.foibg.com/ibs_isc/ibs-12/ibs-12-p03.pdf (дата обращения: 21.01.2013)
3. Денисенко, А.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. - Горячая линия-Телеком, 2009. - 608 с., ил.
4. Дозорцев, В.М., Шестаков, Н.В. Компьютерные тренажеры для нефтехимии и нефтепереработки: опыт внедрения на российском рынке. - М.: Приборы и системы управления, 1998, № 1. C. 27-32.
5. Компьютерные тренажеры нового поколения: [Электронный ресурс] // Системы компьютерной автоматизации // URL: http://www.asutp.ru/?p=400322 (дата обращения: 15.03.2013)
6. Российские ИТ-разработки для нефтегаза пошли по миру [Электронный ресурс] // Интернет-издание CNews.ru: URL: http://www.media.infobus.ru/mess?mid=11091 (дата обращения: 14.01.2013)
7. Семенова, И.И. Компьютерные тренажеры в нефтегазовой отрасли: обзор [Электронный ресурс] // URL: http://semenova-ii.narod.ru/stat/02.html (дата обращения: 11.01.2013)
8. Шабаев, А.И. Тяжело в учении - легко в бою // Отраслевой научн.тех. журнал «ИСУП». - 2005. - № 4. - С. 35-39.
9. TRACE MODE 6 и T-FACTORY 6: общие сведения [Электронный ресурс] // АдАст-ра // URL: http://www.adastra.ru/products/overview/ (дата обращения: 28.01.2013)
10. KTK-M: многофункциональные компьютерные тренажеры: [Электронный ресурс] // Honeywell URL: http://hpsregional.honeywell.com/Cultures/ru-RU/AdvancedSolutions/ SimulationandOperatorTrainingSystems/Products/CTCM/ (дата обращения: 17.01.2013)
Вестник Волжского университета имени В.Н. Татищева №2 (21)
