SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Тяжело в учении - легко в бою


Центр ПетрГУ-Метсо Систем Автоматизации

История компьютерных тренажеров для операторов АСУ ТП начинается с момента создания самих систем управления. А как обстоят дела сегодня?

Для работы с современными АСУ ТП требуются специально обученные, квалифицированные операторы, на которых ложится большая ответственность за последствия принятых решений по управлению процессом производства. По некоторым оценкам [1], доля аварий по вине операторов в общем числе наиболее крупных аварий в мировой нефтехимии и нефтепереработке за период 60-90-х гг. составляет 26%, а средние потери в результате одной крупной аварии превышают 35 млн. долл. США.

В этих условиях во многих странах использование компьютерных тренажеров для обучения персонала в нефтепереработке и нефтехимии становится законодательной нормой. В США федеральный стандарт предписывает обязательный компьютерный тренинг для всех принимаемых на работу операторов и тренажерный курс переподготовки для всех действующих операторов не реже одного раза в 3 года. 

Американский нефтяной институт (API) рекомендует использовать компьютерные тренажеры режимов пуска и останова для определения уровня квалификации работников по крайней мере 1 раз в год. Внутренние правила ведущих нефтяных компаний мира предполагают обязательный восстановительный курс после отпусков, болезни или длительного отсутствия практики по другим причинам. В РФ действующие “Общие правила взрывобезопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий” также предусматривают обязательное обучение на компьютерных тренажерах персонала производства первой категории, что относится практически ко всем объектам отрасли [1].

Общепризнанно, что одним из наиболее эффективных подходов к обучению и повышению квалификации операторов является применение компьютерных тренажеров реального времени. Основная задача таких тренажеров - формирование комплексного навыка принятия решений, который основывается на возможности смоделировать динамический отклик объекта и системы управления на произвольные управляющие воздействия оператора. Наличие тренажера оператора позволяет оперативному и технологическому персоналу отрабатывать базовые навыки работы с системой управления и навыки действий в аварийных ситуациях без риска повлиять на ход реального технологического процесса. Полезность использования тренажеров в подготовке и переподготовке операторов сложных производств обоснована в [1, 2, 3].

Концепция тренажера

В целом, в курсе работы на тренажере можно выделить четыре этапа [3]: 
1_Ознакомление с объектом;
2_Прогнозирование последствий по методу “что, если?”;
3_Поиск причин неисправностей;
4_Стандартные, типовые и аварийные процедуры действий.

Навыки по ознакомлению с объектом, т.е. использованию функций программного обеспечения станции оператора (навигация по системе меню, включение/выключение устройств, перевод устройств в ручной/автоматический режим и т.п.) позволяют получить простые тренажеры. Формирование необходимого комплексного навыка принятия решений (включая заблаговременное выявление нестандартных ситуаций) возможно только в рамках более сложных тренажеров. Эффективность обучения будет тем выше, чем выше сходство тренажерного комплекса и реальной АСУ ТП. Для повышения сходства целесообразно использовать программное обеспечение и функциональные модули той АСУ ТП, для которой разрабатывается тренажер, а также достаточно адекватную математическую модель моделируемого ТП. 

Архитектура тренажерного комплекса в сравнении с реальной АСУ ТП metsoDNA фирмы “Metso Automation” (Финляндия) представлена на рис. 1. На рис. 1 а изображены основные компоненты АСУ ТП metsoDNA. 
Управляющие устройства и датчики подсоединяются через платы ввода/вывода к специализированным станциям управления (в АСУ ТП metsoDNA, называемым процессовыми станциями), в которые загружены алгоритмы обработки сигналов от устройств и датчиков технологического процесса, управляющих сигналов со станций оператора, а также генерации управляющих сигналов. Логика работы процессовых станций определяется в модулях, сконфигурированных в специализированном программном обеспечении. Таким образом, технологический процесс (ТП) с точки зрения процессовой станции представлен набором интерфейсных единиц, каждая из которых позволяет получать данные от устройства или передавать устройству управляющие сигналы.

trenagor.jpg
Рис. 1. Архитектура тренажерного комплекса в сравнении с реальной АСУ ТП

На рис. 1б представлена архитектура тренажерного комплекса на базе реальной системы управления metsoDNA. Одно из наиболее значительных преимуществ данной архитектуры заключается в том, что для реализации тренажерного комплекса объекта управления можно с минимальной модификацией использовать программную конфигурацию, которая уже установлена и корректно работает в качестве системы управления этого объекта. Это позволяет полностью сохранить интерфейс пользователя станции оператора, блокировки, алгоритмы и др. Разработчики тренажера для конкретного заказчика, таким образом, могут уделить основное внимание реализации наиболее ресурсоемкой части проекта - разработке математической модели ТП. Благодаря свойствам АСУ ТП metsoDNA существует возможность установки на одну процессовую станцию нескольких конфигураций, соответствующих нескольким ТП, а также подключать к этой процессовой станции несколько эмуляторов различных ТП. Это позволяет использовать в одном тренажерном комплексе различные модели ТП.

Организация потоков данных между процессовой станцией и математической моделью

Для конфигурации систем управления в АСУ ТП metsoDNA используется специализированный язык автоматизации. Его диапазон применений строго ограничен, но наличие специфических конструкций (таких как блоки моторов, насосов, ПИД-регуляторов и т.п.) позволяет значительно эффективнее проектировать системы автоматизации, чем с использованием языков программирования общего назначения (таких как С, Fortran, Pascal и др.). Однако для разработки и отладки математической модели ТП язык автоматизации приспособлен плохо. Более предпочтительной является реализация математической модели ТП в виде программы на языке программирования общего назначения. При этом возникает задача организации потоков данных между процессовой станцией и математической моделью, реализованной на языке программирования общего назначения. 

Программно-аппаратные возможности АСУ ТП metsoDNA допускают несколько способов организации таких потоков данных. Наиболее эффективным с точки зрения быстродействия представляется использование технологии ОРС-сервера. 

Разработка тренажерного комплекса оператора содорегенерационного агрегата в среде АСУ ТП metsoDNA

На данный момент авторами ведется работа над тренажером оператора одного из содорегенерационных агрегатов ОАО “Сегежский ЦБК”. Как известно, содорегенерационный агрегат является, возможно, самым взрывоопасным объектом целлюлозно-бумажного комбината, что и определило выбор его в качестве объекта исследования. Кроме того, поставлена цель определить состав и основные принципы построения подобных тренажеров в целом. 

Разрабатываемая технология создания тренажерных комплексов предусматривает выполнение следующих требований к тренажеру:
- система должна моделировать реальные физические процессы, используя методы математического моделирования. Тренажер должен заключать в себе модели физических процессов ТП, имитирующие свойства реального процесса с заданной точностью; 
- для тренировки действий операторов в нестандартных ситуациях система должна генерировать различные возмущения в ходе моделируемых процессов как в автоматическом режиме в соответствии с заранее описанными правилами, так и с помощью обучающего инструктора; 
- для сокращения времени работы инструктора система должна поддерживать автоматические режимы тренировки с использованием заранее заданного набора упражнений, причем в автоматическом режиме система должна не только ставить задачи перед оператором, но и выдавать рекомендации по их решению. 
Тренажер должен реализовывать функцию сбора информации о действиях оператора с возможностью впоследствии составления отчетов и анализа эффективности принятых решений; 
- система должна быть распределена на несколько тренировочных станций операторов, с обеспечением возможности одновременного обучения нескольких операторов одним инструктором. При этом важным моментом с точки зрения экономии человеческих и машинных ресурсов является возможность тренировки нескольких операторов в один момент времени на разных моделях ТП; 
- система должна предоставлять возможность конфигурации наборов упражнений в соответствии с моделью объекта обучения и специфическими требованиями заказчика.

Тренажерный комплекс обеспечивает следующие этапы тренировки оператора АСУ ТП:
- изучение набора средств оператора АСУ ТП, необходимых для работы со станцией оператора. Рабочее место оператора обычно состоит из терминала, с помощью которого оператор получает информацию о ходе процесса, а также клавиатуры и мыши, посредством которых оператор передает системе информацию о своих решениях. Также могут использоваться специализированные (промышленные) варианты клавиатуры и манипуляторов, отличающиеся по форме и свойствам от стандартных, использующихся для персональных компьютеров. Очевидно, что при обучении целесообразно использовать те устройства, которые будут использоваться в своей дальнейшей профессиональной деятельности; 
- технологический процесс и устройства, в нем задействованые, обычно представляются на терминале оператора в виде символов, которые можно разделить на основные классы (клапан, мотор, насос, ПИД-контроллер и т. п.). Каждый символ несет в себе определенную смысловую нагрузку и обладает набором функций, связанных с ним.

Например, символы устройств, как правило, имеют функции включения или выключения устройства, перевод устройства в автоматический режим управления и т. п. Обучаемый должен усвоить эту символику, а также получить и закрепить навыки использования всех основных функций символа каждого типа; 
- с точки зрения оператора технологический процесс представляется множеством компонентов (узлов, аппаратов, агрегатов, емкостей и т. п.), каждый из которых представлен на дисплее в виде измерений и показателей состояния. Различные наборы значений измерений и показателей состояния соответствуют различным состояниям ТП. 

Оператор должен научиться и адекватно оценивать по представленной информации состояние отдельных компонентов ТП и всего ТП в целом. Таким образом, группа упражнений должна содержать задачи по оценке состояния системы, обнаружения симптомов неправильного поведения, генерации гипотез о причинах неправильного поведения, предсказывания развития поведения системы в случае невмешательства, предсказывания последствий воздействий на систему, упражнения по генерации воздействий, оптимальных с точки зрения приведения системы в желаемое состояние; 

- в работе оператора значительную часть занимают стандартные типовые последовательности, такие как пуск или останов различных участков ТП или перевод их из одного режима работы в другой. Для изучения, запоминания и повторения подобных последовательностей в тренажерный комплекс включен набор соответствующих упражнений; 
- кроме того, необходимы навыки работы в аварийных ситуациях, либо, если возникновение аварийной ситуации приводит к автоматическому срабатыванию некоторого алгоритма, необходима отработка навыков поведения после завершения работы данного алгоритма. 

На различных этапах обучения целесообразно использовать математические модели различной сложности. 
Следует отметить, что фирма “Metso Automation” является одним из мировых лидеров в сфере промышленной автоматизации. АСУ ТП и другая продукция этой фирмы в течение многих лет активно используется на предприятиях целлюлозно-бумажной, нефтегазовой, химической, энергетической и горнообрабатывающей отраслях промышленности во многих странах мира, включая Россию. Ежегодно на промышленных предприятиях РФ внедряется несколько (до десятка) систем автоматизации этой компании. 

Авторам известно, что в конце 90-х гг. некоторыми предприятиями ЦБП РФ рассматривался вопрос создания таких тренажеров, однако предложенная стоимость их разработки оказалась неприемлемой. В состав “Metso Automation” входит подразделение, занимающееся моделированием технологических процессов, однако стоимость таких разработок очень высока. В результате, о наличии тренажеров, разработанных в среде АСУ ТП metsoDNA и внедренных или используемых российскими предприятиями, авторам неизвестно. Этим и обусловлена актуальность разработки в среде АСУ ТП metsoDNA такого тренажера оператора, стоимость которого (либо курсов обучения на котором) была бы доступна для российских предприятий. 

Литература

1. Дозорцев В. М. Компьютерные тренажеры реального времени для обучения и переподготовки операторов и технологического персонала потенциально опасных производств. М.: Приборы и системы управления, 1996, №8. C. 30-31.
2. 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.
3. Дозорцев В. М. Обучение операторов технологических процессов на базе компьютерных тренажеров. М.: Приборы и системы управления, 1999, №8. C. 61-70.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(8)_2005

А.И. Шабаев, 
Центр ПетрГУ-Метсо Систем Автоматизации, 
тел./факс: (814-2) 71 96 11 
e-mail: pmasc@petrsu.ru