CC BY
275
УДК 044.457
А. А. Хоменко, А. Р. Бикмурзин, Э. Ш. Теляков
РЕАЛИСТИЧНЫЕ 3D ТРЕНАЖЕРЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ключевые слова: Компьютерный тренажер, 3D моделирование химико-технологических установок.
Разработан компьютерный тренажер, позволяющий моделировать реальные промышленные объекты химической и нефтеперерабатывающей отраслей. Тренажёр включает в себя максимально приближённые к реальным динамические модели процессов химической технологии, автоматизированной системы управления технологическими процессами, а также системы противоаварийной автоматической защиты. При создании тренажера использовались возможности современной 3D графики, что придает ему особую реалистичность. Функциональное обеспечение этого тренажера позволяет реализовывать на виртуальной производственной площадке все мероприятия, необходимые для локализации и ликвидации аварийных ситуаций.
Keywords: computer simulator, 3D modeling of chemical process plants.
A computer simulator that allows you to simulate real industrial sites of chemical and petroleum industries. The simulator includes as close to real dynamic models of chemical processes, automated process control systems, and automatic emergency protection system. When you create a simulator used by the possibilities of modern 3D graphics, which gives it a special realism. The functional simulator software that allows you to implement a virtual production site all the activities necessary for localization and liquidation of emergency situations.
Введение
Построение реалистичных моделей окружающих нас физических объектов и явлений продолжает оставаться на сегодняшний день актуальной задачей. Создаваемые модели используются в научноисследовательских и учебных целях. Данный подход позволяет изучать моделируемый объект, проводить разносторонние исследования, проведение которых в реальных условиях было бы либо затруднительно, либо опасно по ряду причин. Немаловажное значение сегодня имеет построение моделей нефтеперерабатывающих и химических объектов. Под моделью объекта здесь понимается, как его реальное трехмерное изображение, так и адекватное математическое описание процессов протекающих в нем. На базе таких моделей разрабатываются компьютерные тренажеры, отвечающие требованиям «Общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-540-03» для промышленных предприятий и учебных заведений.
Реализация компьютерного 3й тренажера
Компьютерный 3D Тренажер состоит из 4-х основных модулей:
1) Технологический модуль - математическая модель химико-технологической системы (ХТС), датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов (имитация технологии).
2) Модуль распределенной системы управления (РСУ). Имитация рабочего места оператора-технолога (операторной). На рис. 1 приведен экран скада-системы YOKOGAWA этанового блока установки газоразделения.
Рис. 1 - Имитация экрана рабочее место
оператора-технолога
3) 3D Модуль. Имитация реального
технологического объекта в трехмерном пространстве (рис. 2).
Рис. 2 - 3Б Модель предприятия
4) Модуль Инструктора. Предназначен для оценки и наблюдения за действиями пользователя, а также для создания различных ситуаций обучаемому.
Каждый модуль запускается на отдельном персональном компьютере, взаимодействие между
которыми, осуществляется по локальной сети (рис. 3).
РСУ Рабочее место Инструктора
Рис. 3 - Схема взаимодействие между модулями по локальной сети
Математическая модель технологического объекта
В основе технологического модуля заложены математические модели технологических процессов, аппаратов, исполнительных механизмов и элементов управления. Вычисления параметров выполняется с помощью решения систем дифференциальных уравнений с учетом материального баланса, теплового баланса, фазового и химического равновесия. Данный модуль является "ядром" компьютерного тренажера. Практически весь моделирующий расчет проводится в этом модуле. В разработках используется многолетний опыт, накопленный при выполнении научноисследовательских работ [1, 2, 3, 4] специалистами из КНИТУ.
При помощи технологического модуля проводится обучение персонала, отрабатывается последовательность действий по ведению технологического процесса, пуску, останову и
аналогичные штатные и нештатные ситуации. С
использованием 3D-модуля расширяется
функциональность и появляются дополнительные возможности использования динамического компьютерного тренажера.
3й модуль технологического объекта
3D модуль технологического объекта представляет собой приближенную к реальности виртуальную копию трехмерного пространства
моделируемой установки, со всем основным и
вспомогательным оборудованием.
В виртуальном пространстве создаются только те элементы реального объекта, которые несут в себе информационную нагрузку к ним относятся:
- технологическое оборудование, с которым ведется непосредственный контакт персонала любого уровня, со всеми управляющими элементами (вентилями, задвижками, регулирующими
клапанами, различными кнопками и
переключателями);
- здания и сооружения, в которых перемещается персонал со всеми коридорами, переходами и аварийными выходами;
- инвентарь - предметы, которые используются в ходе проведения технологических операций, а также предметы, используемые при различных аварийных ситуациях (огнетушитель, лафетный ствол, противогаз, защитный костюм, лопата, лом, молоток, фонарик и т.д.);
- персонажи - персонал, работающий на данном объекте (анимированные фигурки людей в спецодежде данного предприятия);
- освещение - расположение источников
освящения (фонарей, сигнальных ламп, и других осветительных приборов, как стационарных, так и переносных). С помощью освящения
имитируется любое время суток и погодные условия (ясно, облачно, туман);
- звук - объемное звуковое сопровождения
технологического процесса (специфические
звуки, издаваемые оборудованием при его работе), громкоговорящая связь и звуки аварийных сигнализаций.
Элементы с которыми не предусмотрен контакт персонала, прорисовывается не так
тщательно с целью экономии системных ресурсов и времени, необходимого для их создания.
Человек (обучаемый), попадающий в виртуальное пространство моделируемого объекта может совершать в нем следующие действия:
- Перемещаться по объекту;
- Подниматься и спускаться по вертикальным лестницам;
- Открывать, закрывать ручные вентиля и задвижки, а также электрозадвижки, переключив их в ручной режим;
- Включать, выключать различные специфические кнопки и переключатели
- Производить операции со щитовыми приборами;
- Управлять электрозадвижками с пультов управления;
- Использовать средства индивидуальной защиты (противогаз, изолирующие костюмы);
- Использовать средства пожаротушения (ручной огнетушитель, лафетный ствол, инвентарь находящейся на щите пожаротушения);
- Пользоваться вспомогательными средствами (фонариком, рычагом для открытия ручной арматуры и др.);
- Звонить по телефону в различные службы предприятия;
- Связываться по рации с другим персоналом.
На рис. 2 рассмотрен пример создания 3D модели узла деэтанизации построенного на основе полученных данных с реально действующей установки газофракционирования.
Здесь основными составляющими элементами разработанного виртуального пространства являются: колонна; АВО; рефлексная ёмкость; кипятильник; конденсатор; подогреватель; теплообменник; градирная; факельная система.
Вспомогательное оборудование:
вертикальные лестницы; лестничный подъемы;
осветительные приборы; эстакады; трубопроводы;
электропроводка; ограждения; настилы; обваловки;
люки; сливные решетки; двери и т. д.
Средства контроля и управления ТП:
• Запорно-отсечная арматура: задвижки; отсечные клапаны; обратные клапаны; регулирующие клапаны; эллектрозадвижки; предохранительные клапаны;
• Приборы по месту (термометры, манометры, выключатели);
• Средства системы ПАЗ (датчики загазованности, сигнальные лампы, динамики звуковой сигнализации);
• Телефон (кабельная связь);
• Кнопки (кнопка пуска/останова насоса, пожарная кнопка);
• Шкафы КИП, и распределительные коробки.
Здания и сооружения:
• Операторная (рис. 4) со всем необходимым набором управляющих устройств (телефоны, мониторы, рация, щиты приборов, пульты управления).
• Насосная (центробежные насосы с обвязкой, система вентиляции, датчики загазованности).
Средства противопожарной защиты:
Лафетный ствол; Огнетушитель; Пожарный шит;
Спец Инвентарь: Фонарик; Рация; Гаечный ключ; Ключ для открытия задвижек
Средства индивидуальной защиты:
Противогаз; спец одежда; костюм химзащиты.
На базе разработанной технологии, представленной в этой статье, можно разрабатывать сетевые компьютерные обучающие системы (компьютерные тренажерные комплексы),
предназначенные для коллективной отработки навыков эксплуатации опасных технологических объектов, предназначенных для обслуживающего персонала. Также 3D Модель технологического
объекта можно использовать при выполнение наряд заказа на выполнение технических работ (использовать как информационную площадку для обучения, для проведения каких либо работ, проведения инструктажа, объяснения маршрутов, оценки навыков, выдача допусков к работе и т.д.)
Возможности 3D тренажера существенно увеличивают информационную насыщенность и эффективность процесса обучения, на наш взгляд он должен составлять одну из важнейших частей системы обучения производственного персонала и оценки его знаний.
Выводы
Таким образом, описанный нами тренажер:
1. уменьшает влияние человеческого фактора;
2. снижает вероятность аварий;
3. соответствует требованиям ПБ 09-540-03;
4. является уникальным инструментом профессиональной подготовки персонала промышленных предприятий.
Следует отметить, что разработанный нами тренажер был апробирован при пуске новой газофракционирующей установки на Альметьевском ГПЗ. Обучение сотрудников с его использованием происходило без отправления персонала на родственные предприятия. Пуск установки был весьма успешен.
Литература
1. Тукманов Д.Г., Теляков Э.Ш., Бикмурзин А.Р., Мулюков К.А., Хоменко А.А. Исследование динамических характеристик ректификационных колонн. В сб. тезисов докладов Всероссийской конференции, посвященной памяти А.Г. Усманова «Тепло- и массообмен в химической технологии», Казань, КГТУ, 2000, с.171-172.
2. Бикмурзин А.Р., Хоменко А.А., Тукманов Д.Г., Теляков Э.Ш. Компьютерное моделирование процессов и аппаратов нефтехимических производств. В сб. тезисов докладов Всероссийской конференции, посвященной памяти А.Г. Усманова «Тепло- и массообмен в химической технологии», Казань, КГТУ, 2000, с. 110-111.
3. Теляков Э.Ш., Бикмурзин А.Р., Хоменко А.А. Моделирование химико-технологических систем совместно с системой управления. МАСИ (IASS) Вестник Академии. Информатика, экология, экономика, Т.5, часть 1, М.: 2001, с. 56-62.
4. Хоменко А.А., Мулюков К.А., Теляков Э.Ш., Тукманов Д.Г., Бикмурзин А.Р. Расчет динамики химико-технологических систем. МАСИ (IASS) Вестник Академии. Информатика, экология, экономика, Т.6, часть 1, М.: 2002, с. 60-65.
Рис. 4 - Вид операторной изнутри
© А. А. Хоменко - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, xomenko-aa@mail.ru; А. Р. Бикмурзин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, mahp_kstu@mail.ru.
