Внедрение компьютерных тренажерных комплексов на объектах теплоэнергетики

Более чем за 80 лет произошли серьезные изменения в аппаратно-технической части систем автоматического контроля и управления (АСУ), систем противоаварийных защит (ПАЗ), включая переход от традиционных релейных схем к микропроцессорной технике. Нужно отметить, что из-за совершенствования АСУ и систем ПАЗ количество промышленных аварий значительно сократилось, однако тяжесть аварий увеличилась, в том числе из-за человеческого фактора.

Бесспорно, один из лучших вариантов получения бесценного опыта специалистами по правильным действиям в момент возникновения аварийной ситуации и ликвидации ее последствий — непосредственное участие в реальной аварийной ситуации. Однако никакие плюсы данного метода не могут перевесить его минусы. Можно ли, минимизируя риски при обучении, не потерять его эффективности? При современном уровне развития ИТ-технологий и разработок в области математического моделирования — да.

Специалисты из разных научно-технических областей сходятся во мнении, что в процессе обучения необходимо использовать такие обучающие системы, которые могли бы полностью имитировать поведение реального технологического объекта. Наиболее ценной в таком обучении является имитация различных аварийных ситуаций без ущерба для оборудования и без рисков для здоровья и жизни персонала. Такими обучающими системами являются компьютерные тренажерные комплексы (КТК) на базе цифровых двойников реальных объектов. Один из вариантов — КТК «Тропа». На базе данного решения могут быть созданы тренажеры для объектов различных отраслей промышленности, включая теплоэнергетику, нефтяную, газовую, нефтехимическую и прочие отрасли. Объектами управления могут быть котлы, паровые и газовые турбины, ГРП, нефтеперерабатывающие установки, нефте- и газохранилища, парки ГСМ, топливозаправочные комплексы и другие производственные установки, функционирующие на опасных производственных объектах, включая объекты критической информационной инфраструктуры (КИИ).

Использование подобных систем позволит не только оценить степень подготовленности и компетенции обслуживающего персонала, но и повысить квалификацию или поддержать ее на должном уровне, позволит отработать навыки безопасного и технологически правильного управления оборудованием в сложных переходных и аварийных режимах.

В повседневной работе даже опытный оперативный персонал достаточно редко сталкивается с подобными режимами, поэтому очень часто в нештатных ситуациях на начальных этапах возникновения аварии ошибочные реакции и действия сотрудников приводят к серьезным материальным и финансовым потерям. Это еще раз подчеркивает важность использования КТК в процессе проф­подготовки оперативного и обслуживающего персонала, в том числе для повышения их психологической устойчивости «в бою».

Назначение и реальное внедрение

Тренажерная подготовка оперативного персонала — одна из наиболее эффективных форм профессионального обучения, обеспечивающая снижение аварийности, повышение эффективности и надежности работы технологического оборудования. Анализ инцидентов с ошибками персонала показывает, что наибольшее количество ошибочных действий совершается во время аварийных ситуаций, при пусках, остановах, при производстве плановых переключений и других воздействиях на органы управления оборудованием. Частота ошибочных действий персонала зависит от его навыков управления оборудованием и готовности парировать аварийные ситуации.

Если навыкам проведения типовых и штатных переключений (с известными ограничениями) можно обучиться на реально действующем оборудовании, то навыкам ликвидации нештатных и аварийных ситуаций невозможно обучиться без применения современных компьютерных тренажеров.

Таким образом, развитие и закрепление способностей человека-оператора работать с высокой степенью готовности достигается только целенаправленным обучением на тренажерах в штатных режимах, а также в условиях предаварийных и аварийных ситуаций, максимально приближенных к реальным.

В 2022–2023 гг. компанией «КРУГ» было успешно проведено комплексное внедрение в эксплуатацию двух учебных тренажерных комплексов на Салаватской ТЭЦ. В концепцию компьютерных тренажеров заложен цифровой двойник основного и вспомогательного электротехнического и тепломеханического оборудования котлотурбинного (КТЦ) и электрического цехов (ЭЦ — рис. 1).

Рис. 1. Главный щит ЭЦ Салаватской ТЭЦ

Салаватская ТЭЦ входит в состав ООО «Башкирская генерирующая компания». Была построена для обеспечения энергоресурсами Салаватского нефтехимического комбината (сегодня «Газпром нефтехим Салават» — крупнейший нефтехимический комплекс России) и рабочего поселка, который впоследствии перерос в город Салават. Сегодня предприятие отпускает электрическую энергию, а также тепловую энергию в паре и горячей воде на нужды отопления. Основным видом топлива на ТЭЦ является природный газ. Установленная электрическая мощность — 180 МВт, тепловая — 706 Гкал/ч.

В составе компьютерного тренажера ЭЦ имитируется работа основного и вспомогательного оборудования электрической части ТЭЦ, включая генераторы ТВ-60-2, системы шин, воздушные линии электропередачи и т. д. Было выполнено моделирование ОРУ 35 и 110 кВ, РУ 6 кВ, РУСН 6 кВ, РУСН 0,4 кВ, в том числе главный щит управления с ключами управления и комплексной сигнализацией (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Графическая мнемосхема «ОРУ 110 кВ»

Рис. 3. Графическая мнемосхема «ГРУ-А 6 кВ»

При разработке компьютерного тренажера КТЦ были использованы графический проект (интерфейс), алгоритмы работы и управления основным и вспомогательным оборудованием, взятые с реально действующей системы автоматизации (рис. 4–8). Программное обеспечение тренажера должно быть выполнено на одной платформе с програм­мным обеспечением, установленным на «боевой» АСУ ТП.

Рис. 4. Графическая мнемосхема «Общая ТГ-9»

Рис. 5. Графическая мнемосхема «Регенерация высокого давления»

Рис. 6. Графическая мнемосхема «Общестанционное оборудование»

Рис. 7. Графическая мнемосхема «Общая мнемосхема ПК-11»

Рис. 8. Графическая мнемосхема «Общая мнемосхема ПК-13»

В составе тренажера достоверно сымитирована вся элементная и программная база измерительно-информационных систем, систем автоматического управления и систем технологических защит и блокировок паровых турбин ТП-60-90 и паровых котлоагрегатов ГМ-151 Салаватской ТЭЦ, функционирующих на базе программно-аппаратного (программно-технического) комплекса КРУГ-2000 (ПАК ПТК КРУГ-2000).

Целями внедрения КТК были:

• использование обучающих систем для высокоэффективной подготовки персонала:
  • начальное обучение работе с оборудованием;
  • поддержание и повышение квалификации оперативного и эксплуатационного персонала;
  • проведение аттестации и проверки навыков и компетенций специалистов в соответствии с требованиями ПТЭ;
• повышение психологической устойчивости оперативного персонала при отработке нештатных и аварийных ситуаций;
• выработка навыков безопасного и экономичного управления оборудованием, в том числе в сложных переходных режимах с целью сокращения числа технологических нарушений, связанных с ошибками персонала.

Основные функции тренажера

Рассмотрим функциональность внедренного тренажерного комплекса.

Основные функции проведения тренировок:

• Работа системы в темпе управляемого «модельного» времени с функциями:
  • остановки и возобновления хода времени;
  • ускорения/замедления хода и «перемотки» времени в пределах имеющейся истории тренировки.
• Создание, сохранение и последующая загрузка требуемых для проведения тренировок «исходных состояний» модели.
• Создание, сохранение и последующая загрузка последовательности изменений параметров модели в виде сценария тренировки.
• Расширенное ведение истории тренировки с возможностью:
  • просмотра хода тренировки в нормальном и (или) ускоренном темпе «модельного» времени (демонстрация) с отображением данных непосредственно на мнемосхемах модели АСУ ТП;
  • возобновление тренировки из любой промежуточной точки имеющейся истории;
  • сохранение и загрузка истории тренировки для просмотра ее хода, анализа ошибочных действий и «работы над ошибками» (повторение тренировки из точки, предшествующей ошибочным действиям).
• Проведение как индивидуальных, так и групповых тренировок операторов.
• Создание аварийных и прочих ситуаций инструктором в момент проведения тренировки или экзамена.
• Проведение экзаменов с выставлением оценки и формированием экзаменационного протокола.

Отдельно отметим функции тренажера, связанные с информационным обеспечением и управлением:

• моделирование технологического процесса объекта с формированием технологических параметров, повторяющих реальные значения;
• моделирование исполнительных механизмов и регулирующих органов, а также их характеристик и типовых неисправностей, включая расходные характеристики, люфты, тормоза, нечувствительности и прочее;
• моделирование работы информационных и управляющих контроллеров АСУ ТП со 100%-ным повторением алгоритмов реальных пользовательских программ (алгоритмы регулирования, ТЗиБ и т. д.);
• моделирование неисправностей контроллерного оборудования:
  • неисправности или недостоверности входов и выходов;
  • неисправности модулей ввода/вывода;
• моделирование работы серверов БД АСУ ТП со 100%-ным повторением алгоритмов сбора и обработки данных (сбор и накопление данных, алгоритмы обработок на достоверность, нарушение границ сигнализации и т. д.);
• моделирование станций оператора со 100%-ным повторением графического интерфейса.

У тренажера есть и дополнительные, вспомогательные функции:

• Самодиагностика комплекса технических и программных средств.
• Оперативная перенастройка системы и реконфигурация программного обеспечения АСУ ТП с использованием штатной для АСУ ТП среды разработки.
• Регистрация пользователя, осуществляющего вход в систему.

Если говорить об отдельных тренажерах в составе комплекса, у них есть и специализированные функции. Например, тренажер КТЦ позволяет:

• изучать влияние настроечных параметров автоматических регуляторов на характеристики переходных процессов и нарабатывать навык оптимальной настройки регуляторов;
• нарабатывать навык проверки технологических защит как на остановленном технологическом оборудовании (с воздействием на арматуру), так и без останова технологического процесса (на сигнал);
• изучать алгоритмы работы существующих систем автоматического регулирования (САР) и технологических защит и блокировок (ТЗиБ);
• нарабатывать навык отыскания дефектов в ПАК ПТК КРУГ-2000, а также в подсистемах САР и ТЗиБ.

Тренажер ЭЦ позволяет:

• получить опыт и навыки правильного выполнения плановых и авариных переключений (рис. 9, 10);
• изучить главную электрическую схему и элементы управления схемой.

Рис. 9. Панель управления генератором № 9

Рис. 10. Панель управления генератором № 10

Состав ПО тренажерного комплекса

В программное обеспечение КТК входят:

• Среда разработки. Позволяет создать базу данных (БД) системы, графические интерфейсы операторов и алгоритмы пользователя, аналогичные используемым в реальных системах автоматизации, настраивать функции тренажера, создавать компьютерные модели объектов на основании математических моделей.
• Система реального времени, имитирующая работу SCADA-системы. Алгоритмы работы и графические интерфейсы операторов полностью повторяют работу реальной системы.
• Программное обеспечение «Имитатор системы реального времени контроллера». Служит для имитации работы реальных контроллеров в АСУ ТП, а также для реализации несложных компьютерных моделей объектов управления с использованием типовых динамических звеньев, таких как запаздывание, апериодические звенья, интегратор и т. д.
• Программное обеспечение (сторонних разработчиков) для создания модели объекта. Применяется при высоких требованиях к точности модели, использовании для описания объекта математических моделей с распределенными параметрами, вычисление которых требует больших ресурсов и т. д.
• АРМ инструктора. Программное обеспечение, используемое для администрирования, управления, протоколирования и оценивания процесса обучения.

Структура тренажера

Тренажеры, выполненные на базе КТК «Тропа», могут повторить большинство из известных структур АСУ ТП, включая клиент-серверные архитектуры, многосерверные системы, системы, имеющие в своем составе многомониторные АРМ оператора и экраны коллективного пользования, и т. д. (рис. 11, 12).

Рис. 11. Общая структура тренажера ЭЦ

Рис. 12. Общая структура тренажера КТЦ

При небольшой информационной мощности тренажера все его компоненты могут размещаться на одном компьютере, однако чаще всего в тренажерных комплексах используются аналогичные реальным трехуровневые структуры.

Первый (нижний) уровень системы может быть представлен детерминированной математической моделью объектов управления на базе программного обеспечения сторонних разработчиков. Математическое моделирование технологического процесса в данном случае осуществляется на основе решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы тепло- и массообмена, химической кинетики, фазовых переходов, теплового и материального баланса системы, движения материальных сред, гидравлики и гидро­динамики и т. д. Модель обеспечивает расчет параметров установок во всех режимах функционирования, включая аварийные ситуации и пусковые операции. КТК «Тропа» также предоставляет возможность создания математической модели на базе собственных программных средств с использованием типовых динамических звеньев (интегрирование, запаздывание, дифференцирование и т. д.). Параметры таких моделей получаются в результате обработки статистической информации, отражающей штатную эксплуатацию агрегата. Точность таких моделей в аварийных и переходных режимах существенно ниже.

Во второй (средний) уровень системы входят:

• виртуальные имитаторы промышленных контроллеров АСУ ТП;
• вспомогательные виртуальные контроллеры, имитирующие ввод-вывод сигналов от неавтоматизированного оборудования с ручным управлением, а также алгоритмы технологических защит, блокировок и регулирования, реализованные в существующих системах на традиционных средствах (релейные схемы, интеллектуальные приборы и т. д.);
• устройства и линии связи, обеспечивающие обмен информацией в цифровом виде.

Имитаторы контроллеров запускаются в виде виртуальных машин на компьютерах соответствующих серверов АСУ ТП.

Имитатор контроллера реализует функции контроллера реальной АСУ ТП. В случае наличия в системе нескольких контроллеров (например, контроллеров подсистем ТЗиЗБ, регулирования и т. д.) в тренажере также создаются несколько имитаторов контроллеров. По каждому из них можно имитировать отказ, неработоспособность отдельных модулей ввода/вывода и каналов и другие ситуации.

Имитатор контроллера обеспечивает обмен данными с моделью объекта (выдача команд управления на исполнительные механизмы и опрос датчиков измеряемых параметров), а также установку начальных значений переменных, получаемых от системы обучения при инициализации тренировки и отработке сценариев.

В третий (верхний) уровень системы входят:

• АРМ инструктора, на котором установлены графический клиент КТК «Тропа», среда разработки прикладного программного обеспечения для КТК «Тропа» и программное обеспечение «АРМ инструктора»;
• АРМ обучаемого (оператора, нач. смены и т. д.), на котором устанавливаются графические интерфейсы с управлением, серверы базы данных и дополнительное вспомогательное ПО.

На АРМ инструктора возможно выполнение следующих функций:

• общее управление функциями тренажера;
• запуск сценариев, обеспечивающих формирование начального состояния объекта и алгоритмов управления контроллера;
• формирование событий (штатных и аварийных);
• запуск модуля оценки, обеспечивающего контроль состояния модели и выполненных учеником действий, формирующего итоговую оценку и сигнал об окончании тренировки (при окончании или «провале»);
• визуальный контроль действий ученика;
• формирование отчетов об экзаменах и тренировках;
• разработка новых сценариев.

Одна из основных задач при создании тренажерного комплекса — сделать интерфейс оператора максимально приближенным к интерфейсу рабочей станции, действующей в реальной АСУ ТП. По этой причине интерфейс оператора и алгоритмы пользователя для тренажера проектируются с использованием среды разработки SCADA КРУГ-2000, входящей в состав ПАК ПТК КРУГ-2000, применяемого для создания систем автоматизации промышленных объектов во многих отраслях промышленности.

Преимущества КТК «Тропа»

Использование для разработки тренажеров программного обеспечения, применяемого в реально функционирующих АСУ ТП, дает следующие преимущества:

• Полное совпадение интерфейсов оператора и функционала SCADA с действующей АСУ ТП.
• Полное совпадение встроенных алгоритмов системы реального времени контроллера и алгоритмов пользователя с алгоритмами АСУ ТП.
• Полное совпадение текстов сообщений и признаков сигнализаций тренажера и АСУ ТП.
• Идентичность структуры и протоколов обмена между контроллерами и SCADA-системой в тренажере и АСУ ТП.
• Сокращение сроков разработки тренажера за счет использования в нем графических интерфейсов, базы данных и программ пользователя реальной АСУ ТП.
• Удобство создания и корректировки графического интерфейса, базы данных и программ пользователя тренажера за счет использования универсального программного продукта SCADA КРУГ-2000. Для создания тренажера с использованием тренажерного комплекса не требуются знания профессиональных программистов.
• Получение продукта с инструментом, позволяющим заказчику собственными силами вносить изменения в пользовательское программное обеспечение тренажера.

Данные преимущества дают возможность пользователю, с одной стороны, поднять качество обучения операторов на новый уровень за счет идентичности тренажера и реальной АСУ ТП, с другой — уменьшить свою зависимость от производителя тренажера при добавлении нового функционала, который может появляться в процессе модернизаций и ремонтов реальной АСУ ТП.