Тренажерный комплекс для подготовки эксплуатационного персонала Автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП)
TRAINING COMPLEX FOR TRAINING OF OPERATING PERSONNEL OF AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEMS

Данное устройство относится к тренажерным комплексам, предназначенным для подготовки оперативного, технического и ремонтного персонала объектов любой отрасли промышленности, управляемых с помощью Автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Применение тренажеров для подготовки оперативного персонала АСУ ТП является сложившейся общемировой практикой. Для создания тренажеров применяются специализированные программные комплексы.
В частности, известно устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования (патент на изобретение РФ №2282248, опубликовано: 20.08.2006), содержащее группу рабочих мест тренинга оперативного персонала, группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, группу рабочих мест разработки программно-математического обеспечения, группу рабочих мест управления тренингом, несколько ЭВМ шлюза, ЭВМ модели, ЭВМ связи, ЭВМ управления сценарием обучения, ЭВМ моделей контроллера, ЭВМ разработки программно-математического обеспечения.
Недостатками известного устройства являются включение в состав устройства реальных контроллеров, что существенно увеличивает его стоимость, малая дидактическая эффективность для обучения оперативного и отсутствие возможности обучения технического и ремонтного персонала, отсутствие возможности внесения изменений в логику работы устройства и человеко-машинный интерфейс АРМов тренинга штатными средствами в ходе эксплуатации тренажера, а также ограничение сферы применения только энергетическим оборудованием.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования (патент №2611669, опубликовано 28.02.2017), содержащее группы рабочих мест тренинга оперативного, неоперативного, технического и ремонтного персонала, сетевые коммутаторы, ЭВМ расчета модели оборудования, ЭВМ рабочего места управления тренингом, основной коммутатор, ЭВМ базы данных автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУТП), блок моделирования аварийных сигнализаций, ЭВМ базы данных предупредительной сигнализации, блок предупредительной сигнализации, блок ранней диагностики аварийной ситуации, модуль обработки и коммутации результатов моделирования, блок управления моделью, блок учебно-методического обеспечения, блок предварительной индексации качества топлива, модуль защит и блокировок, база данных АСУТП, блок обучения персонала техобслуживания и ремонта, модуль телефонных переговоров, модуль теплотехнического, тепломеханического, гидравлического, аэродинамического, электротехнического моделирования, модуль моделирования химводоочистки, модуль пошаговых программ, соединенные определенным образом.
Недостатками данного устройства являются малая эффективность обучения оперативного, технического, ремонтного персоналов и деятельности инструктора, обусловленная имитацией только человеко-машинного интерфейса АСУ ТП без имитации типовых элементов реальной АСУ ТП (серверов, контроллеров и т.д.), отсутствием возможности внесения изменений в логику работы устройства и человеко-машинный интерфейс АРМов тренинга штатными средствами в ходе эксплуатации тренажера, а также ограничение сферы применения только энергетическим оборудованием.
Целью изобретения является повышение эффективности подготовки эксплуатационного персонала технологического оборудования за счет:
1. Выделения в составе тренажерного комплекса структурных элементов классической АСУ ТП путем:
- создания имитатора контроллеров систем управления (РСУ) и противоаварийных защит (ПАЗ) с модулем опроса модели технологического объекта;
- создания сервера тренинга, имитирующего сервер АСУ ТП, с модулем опроса модели технологического объекта имитатора контроллера.
2. Создания в составе сервера тренинга модуля записи и демонстрации действий обучаемого с возможностью их визуализации на экране АРМов тренинга и АРМа инструктора;
3. Создания блока разработки тренажерного комплекса с возможностью модификации и внесения изменений в работу тренажерного комплекса в соответствии с изменениями технологического процесса имитируемого технологического объекта и АСУ ТП.
Поставленная цель достигается тем, что в Тренажерный комплекс для подготовки эксплуатационного персонала Автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), содержащий автоматизированные рабочие места (АРМ) тренинга оперативного персонала, АРМов тренинга технического персонала и АРМов тренинга ремонтного персонала, АРМ инструктора, которые через коммутатор верхнего уровня (ВУ) соединены с базой данных параметров сервера тренинга, модулем формирования сигнализаций и событий сервера тренинга, блоком ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени сервера тренинга и блоком учебно-методического обеспечения; базу данных параметров сервера тренинга, связанную с модулем формирования сигнализаций и событий сервера, блоком обучения персонала техобслуживания и ремонта, модулем прикладных алгоритмов АСУ ТП сервера тренинга и блоком ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени сервера тренинга; АРМ инструктора с помощью коммутатора ВУ соединенного с блоком разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций и блоком учебно-методического обеспечения; ЭВМ расчета модели технологического объекта, в которой модуль имитации гидравлических процессов, модуль имитации теплотехнических процессов, модуль имитации тепломеханических процессов, модуль имитации аэродинамических и пневматических процессов, модуль имитации электротехнических процессов, модуль имитации химических и нефтехимических процессов, соединенные с модулем обработки и коммутации результатов моделирования; модуль формирования сигнализаций и событий контроллера, блок ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени контроллера, модуль прикладных алгоритмов АСУ ТП контроллера, блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций контроллера, согласно изобретения дополнительно введены: коммутаторы среднего (СУ) и нижнего уровней (НУ), имитатор контроллера, содержащий ЭВМ имитатора контроллера, с базой данных параметров контроллера, модуль опроса модели технологического объекта, модуль обмена данными с сервером тренинга, причем в составе контроллера выполнены модуль формирования сигнализаций и событий контроллера, блок ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени контроллера, модуль прикладных алгоритмов АСУ ТП контроллера, блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций контроллера с возможностью визуализации на экране АРМов тренинга и АРМа инструктора выполняемых ими функций;
блок разработки тренажерного комплекса, содержащий модуль интерфейса АРМов, модуль разработки базы данных, модуль разработки прикладных алгоритмов АСУТП, модуль разработки модели технологического объекта с возможностью модификации и внесения изменений в работу тренажерного комплекса в соответствии с изменениями технологического процесса имитируемой АСУ ТП;
в состав сервера тренинга введен модуль записи и демонстрации действий обучаемого, модуль опроса имитатора контроллера, при этом сервер тренинга выполнен с возможностью работы по схеме 100%-го «горячего» резервирования;
а в состав ЭВМ расчета модели технологического объекта введены модули обмена данными с имитатором контроллера.
Все элементы тренажерного комплекса объединены в локальную компьютерную сеть посредством соответствующего сетевого коммутационного оборудования.
Кроме того, Тренажерный комплекс выполнен с возможностью работы в режимах:
«Тренировка с участием инструктора» (инструктор может вносить изменения в ход течения технологического процесса во время тренировки) «Тренировка самостоятельная» (без инструктора)
«Тестирование с участием инструктора» (по окончанию тестирования автоматически формируется протокол тестирования с выставлением оценки)
«Запись и Демонстрация» (просмотр действий оператора во время тренировки или тестирования)
«Пауза» (останов модельного времени и «заморозка» течения технологического процесса).
На фиг. 1 показана структурная схема устройства.
Тренажерный комплекс повторяет структуру технических средств моделируемой АСУ ТП и содержит следующие типовые элементы АСУТП, объединенные с помощью стандартного сетевого оборудования (коммутаторов) в единую локальную сеть: АРМы тренинга оперативного персонала 1, АРМы тренинга технического персонала 2, АРМы тренинга ремонтного персонала 3, АРМ инструктора 4, Блок разработки тренажерного комплекса 5, до 2-х взаимно резервируемых серверов тренинга 6, ЭВМ имитатора контроллера 31, ЭВМ расчета модели технологического объекта 32.
Сервер тренинга 6 содержит в своем составе следующие программные модули: база данных параметров 7 сервера тренинга, модуль формирования сигнализаций и событий сервера тренинга 8, модуль опроса имитаторов контроллера 9, блок ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени сервера тренинга 10, модуль прикладных алгоритмов АСУ ТП сервера тренинга 11, блок разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 12, блок учебно-методического обеспечения 13, блок обучения персонала техобслуживания и ремонта 14, модуль записи и демонстрации действий обучаемого 15.
ЭВМ имитатора контроллера 31 содержит в своем составе следующие программные модули: база данных параметров 16 контроллера, модуль формирования сигнализаций и событий контроллера 17, модуль опроса модели технологического объекта 18, блок ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени контроллера 19, модуль прикладных алгоритмов АСУ ТП контроллера 20, блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций контроллера 21, модуль обмена данными с сервером тренинга 22.
ЭВМ расчета модели технологического объекта 32 содержит в своем составе следующие программные модули: модули обмена данными с ЭВМ имитатора контроллера 23, модуль обработки и коммутации результатов моделирования 24, модуль имитации гидравлических процессов 25, модуль имитации теплотехнических процессов 26, модуль имитации тепломеханических процессов 27, модуль имитации аэродинамических и пневматических процессов 28, модуль имитации электротехнических процессов 29, модуль имитации химических и нефтехимических процессов 30.
АРМы тренинга оперативного 1 персонала имитируют человеко-машинный интерфейс операторов реальной АСУ ТП. АРМы тренинга технического 2 и ремонтного персонала 3 обеспечивают получение обучаемыми дополнительных навыков, связанных с обслуживанием, наладкой и ремонтом оборудования АСУ ТП таких как: настройка контуров регулирования, изучение подсистемы самодиагностики АСУТП, выявление и устранение типовых неисправностей элементов АСУ ТП и др. АРМ инструктора 4 обеспечивает управление процедурой обучения путем разработки и загрузки сценариев (исходных состояний), внесения изменений в ручном режиме в ход имитируемого технологического процесса («самоход» запорно-регулирующей арматуры, отказ оборудования, изменение значений технологических параметров и т.д.). Блок разработки тренажерного комплекса 5 позволяет пользователю (администратору) в ходе эксплуатации при необходимости самостоятельно модифицировать и совершенствовать тренажерный комплекс в соответствии с изменениями технологического процесса и имитируемой АСУ ТП.
АРМы тренинга оперативного персонала 1, АРМы тренинга технического персонала 2, АРМы тренинга ремонтного персонала 3, АРМ инструктора 4 и Блок разработки тренажерного комплекса 5, содержащий модуль разработки интерфейсов АРМов 33, модуль разработки базы данных 34 и модуль разработки прикладных алгоритмов АСУТП 35, посредством коммутатора сети верхнего уровня (коммутатора ВУ) 37 подключены к серверам тренинга 6.
АРМы тренинга технического персонала 2, АРМы тренинга ремонтного персонала 3, АРМ инструктора 4, модуль разработки базы данных 34 и модуль разработки прикладных алгоритмов АСУТП 35 блока разработки тренажерного комплекса 5 и Сервера тренинга 6 посредством коммутатора сети среднего уровня (коммутатора СУ) 38 подключены к ЭВМ имитатора контроллера 31.
Модуль разработки модели технологического объекта 36 блока разработки тренажерного комплекса 5 и ЭВМ имитатора контроллера 31 посредством коммутатора сети нижнего уровня (коммутатора НУ) 39 подключены к ЭВМ расчета модели технологического объекта 32.
Имитация и моделирование технологического оборудования, датчиков и исполнительных устройств осуществляется на ЭВМ расчета модели технологического объекта 32 с помощью программных модулей имитации гидравлических процессов 25, имитации теплотехнических процессов 26, имитации тепломеханических процессов 27, имитации аэродинамических и пневматических процессов 28, имитации электротехнических процессов 29, имитации химических и нефтехимических процессов 30.
Модуль обработки и коммутации результатов моделирования 24 с помощью модуля обмена данными с имитатором контроллера 23 осуществляет информационный обмен с модулем опроса 18 ЭВМ имитатора контроллера, получая срезы базы данных параметров контроллера 16, содержащие управляющие воздействия и сигналы блокировок и защит, вычисленные в модуле прикладных алгоритмов АСУ ТП контроллера 20 в соответствии с алгоритмом автоматического управления и алгоритмом противоаварийных защит и блокировок соответствующего контроллера в реальной АСУ ТП.
На основании этих данных модулями ЭВМ расчета модели технологического объекта 32 осуществляется имитационный расчет значений датчиков, положений и состояний исполнительных механизмов, которые с помощью вышеописанного механизма передаются в базу данных параметров контроллера 16.
Модуль формирования сигнализаций и событий 17 в соответствии с текущим состоянием и изменениями параметров базы данных параметров контроллера 16 фиксирует события в виде сообщений и формирует соответствующий статус события; сформированное сообщение и его статус записываются в базу данных параметров контроллера 16.
ЭВМ имитатора контроллера 31 посредством модуля обмена данными с сервером тренинга 22 через модуль опроса имитаторов контроллера 9 периодически передает срез базы данных параметров контроллера 16 в базу данных параметров сервера тренинга 7.
На Сервере тренинга 6 осуществляется модификация базы данных путем алгоритмической обработки модулем прикладных алгоритмов АСУ ТП сервера тренинга 11, а также в соответствии с командами управления, поступающими от АРМов тренинга 1, 2, 3, графический интерфейс которых работает непосредственно с базой данных параметров сервера тренинга 7.
Модуль формирования сигнализаций и событий сервера тренинга 8 в соответствии с текущим состоянием и изменениями параметров базы данных сервера тренинга 7 фиксирует события, происходящие на сервере тренинга 6, в виде сообщений и формирует соответствующий статус события; сформированное сообщение и его статус записываются в базу данных сервера тренинга 7, хранящую также сообщения, сформированные соответствующим модулем контроллера.
Таким образом, все события, сформированные любым элементом тренажерного комплекса, хранятся в единой базе данных в формате, полностью соответствующем реальной АСУ ТП.
Для ускорения или замедления хода технологического процесса предназначены блоки ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени сервера тренинга 10 и контроллера 19. По команде от АРМа инструктора 4 или АРМов тренинга 1,2,3 осуществляется запуск, останов, ускорение и замедление времени в компонентах системы: АРМы 1, 2, 3, 4, сервер тренинга 6, ЭВМ имитатора контроллера 31, ЭВМ расчета модели технологического объекта 32.
Для разработки и загрузки сценариев тренировки, а также создания и фиксации исходных состояний (среза базы данных параметров) тренажерного комплекса служит блок разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 12 сервера тренинга. Разработка и загрузка сценариев осуществляется с помощью интерфейса АРМа инструктора 4. При загрузке исходного состояния и сценария блок разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 12 сервера тренинга 6 производит все требуемые манипуляции с базой данных параметров сервера тренинга 7 и приводит ее в соответствующее состояние, а также транслирует необходимую информацию в блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 21 имитатора контроллера. Блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 21 имитатора контроллера в свою очередь производит все требуемые манипуляции с базой данных параметров контроллера 16 и приводит ее в соответствующее состояние, а также транслирует необходимую информацию в модуль обработки и коммутации результатов моделирования 24 ЭВМ расчета модели технологического объекта 32.
Для осуществления процесса обучения технического и ремонтного персонала используется блок обучения персонала техобслуживания и ремонта 14. Данный модуль имитирует типовые отказы того или иного оборудования АСУ ТП и обеспечивает получение навыков по их устранению, позволяет получить навыки по настройке контуров регулирования и прочее.
Все действия обучаемого и реакции тренажерного комплекса на его действия записываются с помощью модуля записи и демонстрации действий обучаемого 15 сервера тренинга 6 путем фиксации соответствующих состояний базы данных параметров сервера тренинга 7. В дальнейшем, это позволяет осуществлять просмотр действий обучаемого во время тренировки или тестирования с целью их анализа и проведения «работы над ошибками».
Помимо фиксации действия обучаемого с помощью блока учебно-методического обеспечения 13 осуществляется оценка результатов тестирования с автоматическим формированием протокола тестирования.
Наличие блоков разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 12 и 21 и блока разработки тренажерного комплекса 5 позволяет не только загружать сценарии и исходные состояния, разработанные на этапе внедрения тренажерного комплекса, но и постоянно корректировать процесс обучения, моделировать новые штатные и нештатные ситуации, модифицировать и совершенствовать тренажерный комплекс в соответствии с изменениями технологического процесса и имитируемой АСУ ТП.
Наличие модуля записи и демонстрации действий обучаемого позволяет наглядно осуществлять анализ действий оператора во время тренировки или тестирования.
Описание работы устройства.
1. Режим «Тренировка с участием инструктора»
С помощью интерфейса АРМа инструктора 4 осуществляется загрузка исходных состояний (срезов) баз данных параметров сервера тренинга 7 и баз данных параметров контроллера 16, а также сценариев поведения модели технологического оборудования в блок разработки и загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций 12 сервера тренинга и блок загрузки сценариев тренировок с моделированием аварийных ситуаций контроллера 21 ЭВМ имитатора контроллера 31.
Обучаемый оперативный персонал с помощью соответствующих АРМов тренинга 1 осуществляют получение и отработку навыков работы с имитируемой АСУ ТП:
- контроль состояния технологического оборудования с помощью информации, размещенных на видеокадрах системы: мнемосхемах, трендах (графиков изменения параметров от времени), гистограммах и т.д.;
- контроля фиксируемых системой событий (в том числе аварийных, предупредительных и диагностических), а также действия подсистемы противоаварийных защит и блокировок;
- дистанционного ручного управления исполнительными механизмами;
- изменения уставок (заданий) регуляторов других настроек, разрешенных оперативному персоналу.
По ходу проведения обучения с помощью блока учебно-методического обеспечения 13 осуществляется показ интерактивных подсказок по выполнению требуемых действий оператором в соответствии с загруженным сценарием.
Обучение технического и ремонтного персонала осуществляется с помощью человеко-машинного интерфейса соответствующих АРМ тренинга 2 и 3, которые обеспечивают получение навыков по диагностированию отказов того или иного оборудования АСУ ТП и их устранению, а также получению навыки по настройке контуров регулирования и прочее.
По ходу проведения тренировки с помощью функционала АРМа инструктора 4 возможно внесение в ручном режиме дополнительных корректировок в течение технологического процесса таких, как имитация «самохода» запорно-регулирующей аппаратуры, отказ технологического оборудования, превышение аварийных границ контролируемыми технологическими параметрами и т.д.
2. Режим «Тренировка самостоятельная»
Данный режим тренировки аналогичен предыдущему режиму. Отличие заключается в том, что обучаемый самостоятельно осуществляет загрузку готовых исходных состояний и сценариев, а инструктор не вмешивается в ход течения технологического процесса.
3. Режим «Тестирование»
Данный режим аналогичен режиму «Тренировка с участием инструктора». Отличие заключается в том, что не осуществляется показ интерактивных подсказок по выполнению требуемых действий оператором в соответствии с загруженным сценарием, а по окончанию тестирования формируется соответствующий протокол с выставлением оценки.
4. Режим «Демонстрация»
Данный режим работы не связан напрямую с процессом обучения, однако он позволяет осуществлять просмотр действий оператора во время тренировки или тестирования с целью их анализа и проведения «работы над ошибками». Данный режим может быть активирован как с АРМа инструктора 4, так и с АРМов тренинга 1, 2, 3. 5.
Режим «Пауза»
Данный вспомогательный режим позволяет остановить модельное время и «заморозить» течение технологического процесса с целью проведения детального анализа конкретной технологической ситуации. Данный режим может быть активирован как с АРМа инструктора 4, так и с АРМов тренинга 1, 2, 3.
Отключение данного режима приводит к возобновлению работы тренажерного комплекса с момента остановки (срез базы данных параметров контроллера 16 и базы данных параметров сервера тренинга 7 в том режиме, в котором он был до активации данного режима.
Активация вспомогательного режима «Пауза» запрещена на режиме «Тестирование с участием инструктора».
Программно-аппаратные средства тренажерного комплекса максимально приближены к типовой структуре реальных АСУ ТП за счет имитации ее основных типовых элементов: контроллеров, серверов, АРМов.
Эксплуатация устройства возможна как специализированными учебными центрами по подготовке персонала промышленных предприятий, так и непосредственно техническими службами этих предприятий. Вместе с тем, возможно использование изобретения в качестве цифрового двойника технологического объекта, оснащенного АСУ ТП, для: безопасного опробованияновых режимов работы имитируемого объекта, что значительно снижает риск ошибок и аварийных ситуаций; безопасной отладки и проверки логики срабатывания противоаварийных защит и блокировок, работы технологических программ контроллеров.
Заявляемое техническое решение обеспечивает высокую эффективность подготовки эксплуатационного персонала технологического оборудования за счет:
выделения в составе тренажерного комплекса структурных элементов классической АСУ ТП путем:
- создания имитатора контроллера с модулем опроса модели технологического объекта;
- создания сервера тренинга, имитирующего сервер АСУ ТП, с модулем опроса модели технологического объекта имитатора контроллера.
создания в составе сервера тренинга модуля записи и демонстрации действий обучаемого с возможностью их визуализации на экране АРМов тренинга и АРМа инструктора;
создания блока разработки тренажерного комплекса с возможностью модификации и внесения изменений в работу тренажерного комплекса в соответствии с изменениями технологического процесса имитируемого технологического объекта и АСУ ТП.