Компьютерный тренажерный комплекс как инновационное средство обучения в инженерном образовании

УДК 004.942

Р. К. Нургалиев, Д. А. Рыжов, А. А. Гайнуллина, А. И. Шигапов, А. И. Шигапов

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕРНЫЙ КОМПЛЕКС

КАК ИННОВАЦИОННОЕ СРЕДСТВО ОБУЧЕНИЯ В ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ

Ключевые слова: компьютерный тренажер, технологический процесс, обучение, модель, система управления.

В данной статье рассматривается компьютерный тренажерный комплекс, разработанный авторами для применения его при подготовке бакалавров и магистрантов по направлениям «Управление в технических системах», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами». Данный комплекс позволяет изучать взаимосвязи различных технологических процессов, аварийные и нештатные ситуации, возникающие на технологических процессах, а также способы их устранения, влияние изменений динамических характеристик объектов на качество работы регуляторов, производить их настройку, а также расчет оптимальных настроечных коэффициентов регуляторов, на базе математической модели процесса.

Keywords: computer simulator, process, training, model, control system.

This article describes a computer training complex, specially developed by the authors for use in the preparation of its undergraduate and graduate areas of "Management in technical systems", "Automatedprocess control systems". This complex allows to study the interaction of different processes, emergency and abnormal situations that arise in the processes, as well as their solutions, the effect of the dynamic characteristics of objects changes the quality of the work of regulators, to make their setting, as well as calculation of optimal tuning knobs coefficients on the basis of a mathematical process model.

Введение

Современные химико-технологические процессы и производства представляют собой сложную систему взаимодействующих организационно-технических процессов. При этом одним из наиболее важных критериев функционирования данной системы является обеспечение безопасности производства и квалифицированная (без нарушений) отработка штатных производственных заданий по изменению технологических режимов эксплуатации. Основным залогом выполнения поставленных целей является использование в работе

высококвалифицированных специалистов, имеющих все необходимые знания и навыки. Как известно, приобретение навыка обеспечивается

использованием знаний в постоянной практике, а приобретение знаний невозможно без соответствующего образовательного процесса. При этом, как получение знаний, так и приобретение навыков гораздо эффективнее при использовании соответствующих инструментов, позволяющих отрабатывать как новую, так и имеющуюся теоретическую информацию в приближенных к реальным условиям. Одним из таких инструментов, используемых для целей подготовки оперативного технологического и обслуживающего персонала технологических установок и производств являются компьютерные тренажеры. Обучение на данных тренажерах обеспечивает приобретение

практических навыков безопасного выполнения работ, предупреждения аварий и ликвидации их последствий на реальных объектах управления.

В данной статье предлагается рассмотреть возможности использования компьютерных тренажеров в качестве инновационного инструмента в инженерном образовании [1].

Разработка и использование тренажеров в образовательном процессе является перспективным направлением, как в подготовке

высококвалифицированных специалистов, так и для повышения квалификации инженерно-технических работников промышленных предприятий. Эффективное применение виртуальных тренажеров в образовательном процессе будет способствовать не только повышению качества образования, но так же устранить недостатки традиционной формы обучения.

В качестве преимуществ использования тренажеров в образовательном процессе следует отметить следующее:

- Отсутствие необходимости использования реальных лабораторных стендов;

- Возможность изучения технологических процессов и исследования различных режимов работы оборудования на виртуальных моделях;

- Изучение влияния различных технологических параметров на качество производимого сырья;

- Определение основных переменных влияющих на критерий оптимальности и показателей качества, для организации оптимального управления технологическим процессом;

- Расчет оптимальных настроек регуляторов на базе математической модели процесса.

Основная часть

Компьютерный тренажерный комплекс (КТК) представляет собой программно-вычислительный комплекс в составе нескольких персональных компьютеров, оснащенных системным и прикладным программным обеспечением, и объединенных в единую локальную сеть.

Программное обеспечение компьютерного тренажера включает в себя динамическую модель технологической установки, автоматизированную систему управления технологическим процессом или его эмуляцию в среде моделирования.

В данном тренажере работу завода имитирует модель, разработанная в программной среде Omega Land [2], а управление осуществляется через интерфейс оператора распределенной системы управления (РСУ) CENTUM VP.

Динамическая модель представляет собой системы дифференциальных уравнений,

описывающих гидродинамические, массообменные, термодинамические, равновесные и другие процессы химической технологии. Динамическая модель настраивается на каждый технологический объект индивидуально, тем самым достигается адекватная имитация процессов, протекающих в аппаратах, в широком диапазоне изменения параметров технологического режима. Это позволяет моделировать различные технологические и аварийные ситуации.

На рисунке 1 представлена общая и детальная схемы замещения реального технологического процесса его математической моделью.

----- Производство

Реальные объекты

Производственные установки

Пункт управления производством

V

Математические модели

V

Модели ТП, САУ и ПАЗ

Модель АРМ оператора-технолога

V

\ \ Реализация мат.моделей \

I I I

j \ (компьютерные программы) \

V

1 1 Компьютер №1 Z1- Компьютер №2

Тренажер [ос- .программа] \г- сеть сеть 1 Эмулятор АРМ

альтернативный вариант

Л! L

Компьютер

(Тренажер[основная программа]+Эмулятор

Рис. 1 - Общая и детальная схема замещения реального процесса математической моделью

Компьютерный тренажерный комплекс разработан на базе математической модели процесса атмосферной перегонки нефти (АВТ), и предусматривает 3 основные технологические узла:

- Узел первичной подготовки нефти, включающий в себя: нагрев, обессоливание и обезвоживание нефти;

- Узел первичной разгонки нефти, включающий в себя колонну отбензинивания;

- Узел нагрева колонны отбензинивания, включающий в себя печь нагрева куба колонны.

Тренажерных комплекс включает в себя:

- станцию обучаемого (HIS);

- станцию инструктора (ITK);

- станцию инженера РСУ (ENG);

- станция моделирования (MLD). Подробная структурная схема тренажера

представлена на рисунке 2.

Рис. 2 - Структурная схема КТК

Станция обучаемого разработана на базе программного обеспечения РСУ CENTUM VP и предназначена для полной имитации рабочего места оператора АСУ ТП производства. На рис. 3 представлен общий вид рабочего окна обучаемого. На станцию обучаемого сигналы поступают из математических моделей, позволяя обучаемому следить за ходом технологического процесса и контролировать регулируемые параметры без задержки в модели. Управляющие сигналы, которые задает обучаемый через систему управления, аналогично воздействуют на математическую модель процесса. Взаимодействие математической модели с интерфейсом системы управления осуществляется посредством специализированного интерфейса обмена данными среды Omega Land -VM Space.

Рис. 3 - Окно станции управления обучаемого

Рабочее место оператора позволяет обучаемому управлять моделью технологического процесса, используя функции оператора, идентичные функциям интерфейса оператора АСУ ТП на действующем производстве, и информацию,

имеющуюся в реальном комплексе технологического процесса, включая:

- графические изображения комплекса;

- имена тегов контрольно-измерительных приборов, конфигурации, диапазоны показаний, описания контуров управления;

- контроллеры и клапаны прямого и обратного действия, функции управления;

- действия управления сообщениями сигнализации разрешенные оператору.

Данный подход обеспечивает максимальное приближение компьютерного тренажера к реальному объекту и реалистичность управления технологическим процессом.

Станция инструктора (ITK) включает в себя программный модуль инструктора. Модуль инструктора предназначен для выполнения полного дистанционного контроля сессии обучения на КТК.

На станции инженера РСУ (ENG) осуществляются функции инжиниринга целевых систем РСУ и системы противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ) АСУ ТП с помощью программных средств Centum VP и Prosafe RS.

Станция моделирования технологического процесса (MLD) и ручных операция (FOP) включает в себя моделирующий модуль MLD и модуль FOP. Моделирующий модуль содержит и обеспечивает возможность реагирования на дистанционные действия, которые представляют собой модели эксплуатируемых устройств (т.е. клапанов, двигателей и турбин), которые могут быть активированы или деактивированы. Модуль FOP содержит графический интерфейс с визуализированной технологической схемой моделируемого объекта.

На рис. 4 представлена математическая модель трубчатой печи, предназначенная для поддержания температурного режима атмосферной колонны используемая в компьютерном тренажере. Она разработана в модуле Visual Modeler программы Omega Land.

Рис. 4 - Математическая модель печи нагрева кубы колонны

Моделирующий модуль содержит и обеспечивает способность модификации и настройки параметров модели, которые точно отражают нормальные и переходные состояния. Модели включают (но не ограничиваются) в себя следующее:

- габаритные размеры и характеристики оборудования;

- химическую кинетику реакции;

- массовые балансы;

- тепловые балансы;

- граничные условия.

Так же модель обеспечивает реакцию на изменения параметров, включая следующее:

- термодинамика;

- температура и давление исходной смеси и энергосреды;

- состав исходной смеси и энергосреды;

- температура, давление, состав и показатель расхода продукции;

- граничные переменные установки;

- химические характеристики.

Моделирующий модуль содержит:

- адекватные математические модели физико-химических свойств компонентов и их смесей;

- адекватные динамические математические модели процессов, протекающих в технологическом оборудовании;

- адекватные математические модели систем автоматического регулирования;

- адекватные математические модели систем противоаварийной автоматической защиты;

- пользовательский интерфейс;

- модуль протокола связи для подключения АРМ оператора.

Одним из несомненных преимуществ данного компьютерного тренажера является возможность исследования динамических свойств объектов управления при различных режимах работы, и производить настройку регуляторов.

Для расчета настройки регулятора необходимо точно знать статические и динамические характеристики объекта. Теоретическое

определение характеристик либо затруднено, либо не возможно. Для получения этих характеристик экспериментально, используют математические модели объектов, которые позволяют осуществить корректную настройку регуляторов и проследить их влияние на качество и состав конечного продукта и на оптимальное управление технологическим процессом [3].

Окно настройки регуляторов, реализованное в КТК представлено на рис.5.

Рис. 5 - Окно настройки регуляторов

В КТК обучаемый может самостоятельно подобрать настройки регулятора, снять переходную характеристику в режиме реального времени и определить качественные показатели регулятора.

Заключение

Возможности данного тренажерного комплекса не ограничены и позволяют использовать его при изучении различных дисциплин по автоматизации технологических процессов. Внедрение его в учебный процесс обеспечивает высокую эффективность обучения и выполняет следующие функции:

- ведение технологического процесса - дает обучаемому знания о стадиях и режимах протекания технологического процесса производства АВТ;

- приобретение навыков работы с автоматизированной системой управления технологического процесса;

- приобретение навыков безопасного ведения технологического процесса в штатных ситуациях;

- приобретение навыков безопасного ведения технологического процесса в нештатных и аварийных ситуациях;

- приобретение навыков безопасного выполнения операций по пуску и останову производства;

- закрепление знаний и практического опыта;

Данный тренажерный комплекс был разработан

и внедрен в Казанском национальном исследовательском технологическом университете, на факультете управления и автоматизации на базе лаборатории АСУТП [4] и успешно применяется в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Управление в

технических системах», «Автоматизированные системы управления технологическими

процессами» по курсам «Автоматизация технологических процессов и производств», «Системы автоматического управления», «Теория автоматического управления», «Технические средства автоматизации и управления», «Моделирование систем» и т.д., а так же на курсах повышения квалификации для инженерно-технических работников.

В дальнейшем планируется использовать данный компьютерный тренажер для дистанционного обучения.

Литература

1. Зиятдинов Н. Н. Компьютерные технологии в науке и образовании / Н. Н. Зиятдинов, Л. М. Дмитриева, А. Е. Серёжкина, М. Е. Дмитриев // Вестник технологического университета. - 2015. - Т.18, №2. с.357-361.

2. Павлов Ю. Л. Создание тренажерного комплекса с использованием упрощенных динамических моделей химико-технологических процессов / Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов // Вестник технологического университета. - 2015. - Т.17, №20. -с.316-318.

3. Павлов Ю. Л. Системный анализ химико-технологических процессов как объектов управления и методы настройки регуляторов: учебное пособие / Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, Д.А. Рыжов. Казань: Издательство КНИТУ. - 2013. - 88 с.

4. А.Р. Герке Роль и задачи подготовки студентов в лаборатории измерительных приборов современных технологических производств / А. Р. Герке, А. В. Лира // Вестник Казан. технол. ун-та - 2013. - Т. 16, №2. - с. 276-278.

© Р. К. Нургалиев, к.т.н, доцент, зав. кафедрой САУТП КНИТУ, sautp@yandex.ru; Д. А. Рыжов, к.т.н, доцент каф. системотехники КНИТУ, ryzhov.denis@inbox.ru; А. А. Гайнуллина, ст. препод. каф. САУТП КНИТУ; А. И. Шигапов, ведущий инженер-технолог, Центр решений филиал ООО «Иокогава Электрик СНГ», Казань, Ayrat.Shigapov@ru.yokogawa.com; А. И. Шигапов, бакалавр каф. САУТП КНИТУ.

© R. K. Nurgaliev, head of department, candidate of engineering sciences, associate professor, Department of SAUTP, KNRTU, sautp@yandex.ru; D. A. Ryjov, Candidate of engineering sciences, associate professor, Department of «Sistemotehnika», KNRTU, ryzhov.denis@inbox.ru; A. A. Gainiillina, Assistant professor, Department of SAUTP, KNRTU; A. I. Shigapov, Lead Engineer, Solution Center, a branch of LLC "Yokogawa Electric", Kazan, Ayrat.Shigapov@ru.yokogawa.com; A. I. Shigapov, Second-year Bachelor, Department of SAUTP, KNRTU.