CC BY
38
УДК 004.422.8: 66.021
Крашенинников Р.С., Филиппова Е.Б.
СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ИМИТАЦИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ДЛЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА
Крашенинников Роман Сергеевич, студент 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического инжиниринга; e-mail: [email protected]
Филиппова Елена Борисовна, к.т.н., доцент кафедры информационный компьютерных технологий. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
При разработке новых и реконструкции существующих производств широко востребованы цифровые двойники. Прогресс в области моделирования технологических процессов позволяет решать всё больше актуальных задач проектирования и управления. В данной работе создан программный модуль имитации аварийных ситуаций для цифровых двойников химических производств на примере цифрового двойника конкретного крупнотоннажного производства метанола. Предложенная структура программного модуля может быть использована для создания цифровых двойников различных химических производств, обучения и сертификации операторов-технологов.
Ключевые слова: цифровой двойник, авария, имитационное моделирование, промышленная безопасность, обучение персонала.
CREATION OF THE EMERGENCY SOFTWARE MODULE FOR THE DIGITAL TWIN OF METHANOL PRODUCTION
Krasheninnikov Roman Sergeevich, Filippova Elena Borisovna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
In the development of new and reconstruction of existing industries, digital twins are widely in demand. Progress in the field of process modeling allows solving more and more urgent tasks of design and management. We have developed a software module for simulating emergencies for digital doubles of chemical plants using the example of a digital double of a specific large-capacity methanol production. The proposed structure of the software module can be used to create digital twins of various chemical industries, training and certification of operator-technologists.
Keywords: digital twin, emergency, simulation, industrial safety, personnel training.
Развитие цифровых технологий привело к увеличению степени цифровизации промышленных производств и всех связанных с ними процессов. Как следствие, всё более актуальными становятся исследования в области создания так называемых «цифровых двойников промышленных
производственных процессов» (Digital Twin), которые начались ещё в 2000-х годах. Цифровой двойник - это цифровая модель физического объекта или процесса в реальном времени, которая используются в процессах оптимизации производства.
Пока не существует единого общепризнанного формализованного определения термина «Цифровой двойник», обычно так называют цифровую динамическую модель в виртуальном мире, которая полностью соответствует физическому объекту в реальном мире, с возможностью имитации его характеристик, поведения, жизненного цикла и производительности.
Существует несколько основных направлений использования цифровых двойников:
1. На основе данных, предоставляемых виртуальной копией реального объекта, можно сделать прогноз и на его основе внести необходимые коррективы на различных этапах жизненного цикла физического объекта.
2. Цифровой двойник промышленного процесса можно использовать для тестирования, то
есть использовать виртуальную копию для испытания различных режимов работы промышленного оборудования с целью поиска оптимальных, критических технологических параметров процесса, отработки сценариев пуска и остановки отдельных аппаратов. Данные, полученные на виртуальной копии, могут помочь в принятии различных решений, при этом без риска сбоя налаженных процессов функционирования оборудования, которые могут привести к остановкам в производственном процессе, и, как следствие, к значительным финансовым потерям.
3. Использование в качестве средства обучения персонала. Виртуальные имитационные тренажеры занимают важное место среди современных средств обучения.
Рассмотрим последний способ применения. По данным анализа расследований аварий на производстве, примерно половина аварийных ситуаций возникает из-за низкой квалификации рабочего персонала. При этом, зачастую операторы знают, что необходимо делать лишь в теории и при возникновении реальной аварийной ситуации теряются из-за отсутствия практики.
При рациональном использовании виртуальных тренажеров в образовательном процессе можно добиться не только совершенствования навыков персонала, но и создания безопасной, экологически
чистои среды, а также экономии внушительных финансовых ресурсов.
Благодаря виртуальным тренажерам, которые создаются на основе цифровых двойников реальных производств, сотрудники могут в полной мере освоить сущность всех протекающих процессов, а так же приобрести соответствующую квалификацию, без угрозы для исправности оборудования, здоровья сотрудников и окружающей среды [1-4].
В рамках данной работы разработан комплекс для имитации аварийных ситуаций в технологической схеме производства метанола компании ОАО «Щекиноазот», смоделированной в специализированном пакете Unisim Design АО «Хоневелл» в динамическом режиме. Пакет UniSim Design - это инструмент, который позволяет создавать как стационарные, так и динамические модели для проектирования разнообразных технологических процессов (в том числе технологических процессов нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности), а также системы автоматического управления этими процессами. UniSim Design включает в себя пакет термодинамических расчетов, позволяющий в широком диапазоне параметров вычислять физические свойства компонентов и их смесей.
Для данной технологической схемы возможно множество аварийных ситуаций. В результате анализа было выделено несколько типов аварийных ситуаций, которое могут возникнуть на реальном
СХИ-П
123
£ VLV-105 J8
JL
29
ТЕЕ-104
объекте, не зависят от конструкционных особенностей отдельных аппаратов, и при этом возможна их имитация в программе Unisim Design:
• Течь в аппарате;
• Течь в трубе;
• Проскок перегретого хладагента в теплообменник;
• «Залипание» клапана.
Все эти типы аварийных ситуаций могут возникнуть практически на любом химическом производстве, и не привязаны к конструкционным особенностям отдельных аппаратов. В связи с этим, технология их имитации универсальна и может быть использована в дальнейшем в других проектах. Моделирование каждой аварийной ситуации проходит в данной работе в несколько этапов:
1. Выявление потенциального места на схеме для аварийной ситуации;
2. Добавление на схему в Unisim Design дополнительных материальных потоков, необходимых для имитации аварийной ситуации;
3. Написание сценария развития аварийной ситуации;
4. Программное изменение параметров в схеме, согласно написанному сценарию.
Ниже, в качестве примера, будет рассмотрена имитация течи в аппарате на примере сепаратора V224 (рис. 1).
VLV-GAS V224 Е225 IN TUBE
GA5 V224 Е225 IN TUBE
V224
-ХЕЬ
1
32 33
Emergency_Draln
LIQUID
Ф
1UCA1308
30
ТЕЙ-1 ОЁ
11
2-2
4X1-
1 LV"
LIQUID \
С rash-1
'1Э08
224 V2C2-2
Рис. 1. Имитация течи в аппарате V224
Течь в аппарате - одна из наиболее распространённых ситуаций на реальных производствах. Такие аварии могут приводить не только к полному выходу аппаратуры из строя и нарушению технологического режима, но так же могут быть опасными для окружающей среды и сотрудников предприятия. В данной ситуации, течь приводит к понижению уровня жидкости в сепараторе, что в свою очередь приведет нарушению технологического режима и, возможно, к окончательной порче оборудования. При этом, однако, именно понижение уровня жидкости в аппарате будет являться своеобразным индикатором потенциальной аварии для оператора.
Для имитации аварии рассматриваемого типа в Unisim Design необходимо добавить дополнительные материальные потоки на схему. В данном случае это - потоки 22 и 23, расход которых регулируется при помощи добавленного вентиля Crash-1. При открытии вентиля Crash-1 часть жидкости из сепаратора V-224 начнёт утекать, то есть степень открытия вентиля Crash-1 будет имитировать трещину контролируемого размера. Сценарием данной аварии будет постепенное открытие Crash-1, что будет имитировать постепенное увеличение трещины в аппарате с течением времени. Оператор в свою очередь должен будет заметить утечку, просигнализировать о её наличии при помощи специальной кнопки в окне оператора, а затем полностью переключить технологическую линию на аналогичный аппарат, находящийся в резерве, и полностью слить жидкость из аппарата V224.
Для программного управления схемой во время аварийной ситуацией в данной работе используется высокоуровневый кроссплатформенный
интерпретируемый язык программирования общего назначения Python. Python поддерживает объектно-ориентированное, структурное, императивное, функциональное, а так же аспектно-ориентированное программирование. Основные архитектурные черты Python — это динамическая типизация, автоматическое управление памятью, полная интроспекция, а так же механизм обработки исключений, поддержка многопоточных вычислений и высокоуровневые структуры данных. Выбор именно этого языка обусловлен его простым и удобным синтаксисом, а так же обширными возможностями его стандартной библиотеки.
Связь между программой и схемой в Unisim Design осуществляется при помощи специально созданного сервера, который позволяет выводить параметры из схемы и изменять их в ней. Управление схемой осуществляется отправлением на сервер HTTP-запросов. На языке Python это реализуется при помощи библиотеки Requests. Библиотека requests - это стандартный инструментом для составления HTTP-запросов в Python. Простой, понятный и аккуратный API этой библиотеки значительно упрощает трудоемкий процесс создания запросов на сервер.
Изначально сценарий аварийной ситуации при помощи специального приложения на сервере преобразуется в формат JSON (JavaScript Object Notation) - стандартный формат одинаково удобный для чтения и человеком и компьютером. JSON -полностью независимый от языка реализации текстовый формат, он использует соглашения, знакомые программистам различных языков программирования, таких как C, C++, C#, Java, JavaScript, Perl, Python и многих других. Все эти свойства и делают JSON хорошим языком обмена данными.
Программа по имитации аварийных ситуаций на этапе инициализации принимает файл в формате JSON, а затем на этапе выполнения отправляет по таймингу, заданному в сценарии, HTTP-запросы на сервер, имитируя тем самым аварию.
Таким образом, в рамках данной работы были решены следующие задачи:
• Разработана динамическая модель промышленного производства метанола в программе Unisim Design.
• Изучены различные возможные аварийные ситуации на производстве.
• Выделено и описано несколько категорий аварийных ситуаций, возможных на данном производстве и пригодных для имитации в Unisim Design.
• Разработан программный модуль на языке программирования Python, позволяющий имитировать описанные аварийные ситуации. Предложенная структура программного модуля может быть использована для создания цифровых двойников различных химических производств, обучения и сертификации операторов-технологов.
Список литературы
1. Гончаров А. С., Саклаков В. М., Савельев А. О. Цифровой двойник: обзор существующих решений и перспективы развития технологии //Информационно -телекоммуникационные системы и технологии. - 2018. - С. 24-26.
2. Пономарев К. С., Феофанов А. Н. Цифровой двойник производства как инструмент цифровизации технологических процессов предприятия //Актуальные тренды и перспективы развития науки, техники, технологий. - 2019. - С. 141-145.
3. Волкова М. М., Манурова Р. А., Шайдуллина Д. Н. Применение виртуальных тренажеров для обучения специалистов нефтегазовой отрасли //Вестник Технологического университета. -2019. - Т. 22. - №. 4. - С. 115-121.
4. Абазьева М. П. Цифровые двойники: концепция, возможности, перспективы //Наука и бизнес: пути развития. - 2019. - №. 5. - С. 210212.
