CC BY
31УДК 681.5
Igor V. Zhukov1, Maksim D. Habarov2, Viktor G. Kharazov3 И.В. Жуков1, М.Д. Хабаров2, В.Г. Харазов3
COMPUTER SIMULATORS FOR TESTING AND OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS IN REFINING
«KINEF» Ltd., Brovko pl., 1, Kirishi, region of Leningrad, 187110, Russia
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26 Moskovsky pr., 26, St.-Petersburg, 190013, Russia
e-mail: [email protected]
Discusses using computer simulators in refining, objectives and ways of learning thetechnologica personnel of the enterprise, as well as process optimization.
Keywords: computer Simulator, dynamic process model, advanced system administration
Введение
Нефтегазовая отрасль отличается сложными технологическими процессами, аварии на которых приводят к значительным экономическим, экологическим и людским потерям. Для работы с подобными процессами требуются квалифицированные операторы, на которых ложится большая ответственность за последствия принятых решений по управлению технологическим процессом. По некоторым оценкам, доля аварий по вине операторов в общем числе наиболее крупных аварий в мировой нефтехимии и нефтепереработке составляет 42 %, а средние потери в результате одной крупной аварии превышают 35 млн.долл. США [1].
Так 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 три года. Внутренние правила ведущих нефтяных компаний мира предполагают обязательный восстановительный курс после отпусков, болезни или длительного отсутствия практики не реже одного раза в год.
В РФ действующие «Общие правила взрывобе-зопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» (ПБ-09-540-03),утвержденные приказом № 480 Ростехнад-зора №96 от 26.11.2015 пункт 2.11, гласят:«Для приобретения практических навыков безопасного выполнения работ, предупреждения аварий и ликвидации их последствий на технологических объектах с блоками I и II категорий взры-воопасности все рабочие и инженерно-технические ра-
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
ООО «КИНЕФ», пл. Бровко, 1, г. Кириши, Ленинградская обл., 187110, Россия
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы использования компьютерных тренажеров в нефтепереработке, задачи и способы обучения технологического персонала предприятия, а также оптимизация технологического процесса.
Ключевые слова: компьютерный тренажер, динамическая модель процесса, система усовершенствованного управления.
ботники, непосредственно занятые ведением технологического процесса и эксплуатацией оборудования на этих объектах, проходят курс подготовки с использованием современных технических средств обучения и отработки таких навыков (компьютерные тренажеры, учебно-тренировочные полигоны). Компьютерные тренажеры должны содержать максимально приближенные к реальным динамические модели процессов и реальные средства управления (функциональные клавиатуры, графические экранные формы). Обучение и отработка практических навыков на компьютерных тренажерах должны обеспечивать освоение технологического процесса и системы управления, пуска, плановой и аварийной остановки в типовых и специфических нештатных ситуациях и авариях» [2] .
Такие меры приняты для безопасного ведения процесса и предотвращения аварийных ситуаций. Использование имитационных компьютерных тренажерных комплексов (КТК) позволяет повысить профессиональный уровень оперативного и технологического персонала отрасли, дать необходимый практический опыт отрабатывать базовые навыки работы с системой управления и навыки действий в аварийных ситуациях без риска повлиять на ход реального технологического процессаи не прибегая к экспериментам на реальных объектах.
При этом одним из наиболее эффективных подходов к обучению и повышению квалификации операторов является применение компьютерных тренажеров реального времени. Основная задача таких тренажеров состоит в формировании комплексного навыка принятия решений, который основывается на возможности получить динами-
1 Жуков Игорь Викторович, канд. техн. наук, инженер-технолог отдела АСУТП, ООО «КИНЕФ», e-mail: [email protected] Igor V. Zhukov, Ph.D (Eng.), process engineer, «KINEF» Ltd.,
2 Хабаров Максим Дмитриевич, инженер-электроник отдела АСУТП, ООО «КИНЕФ», e-mail: [email protected] Maksim D. Habarov, electronics engineer, «KINEF» Ltd.,
3 Харазов Виктор Григорьевич, д-р техн. наук, профессор каф.автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: [email protected] Viktor G. Harazov, Dr Sci, (Eng.), Professor, Chemical Enginering Control Department, SPbSIT(TU)
Дата поступления 8 июня 2017 года
ческий отклик объекта и системы управления на произвольные управляющие воздействия оператора.
По сути, тренажеры являются теми же программами моделирования химико-технологических процессов в динамическом режиме в режиме реального времени. Полученная динамическая модель используется в качестве имитатора реального процесса.
При анализе возможностей тренажёрных комплексов, используемых и внедряемых на предприятии для обучения технологического персонала, были определе-ныследующие задачи:
• повышение эффективности и сокращение сроков подготовки персонала;
• повышение эффективности, надежности и безопасности выполнения стандартных процедур (пуск, нормальный и аварийный остановы);
• освоение процедур управления оборудованием, уменьшение времени пуска;
• формирование и закрепление навыков диагностирования неисправностей;
• тренинг операторов по сценариям предаварий-ных и аварийных ситуаций;
• возможность изучения и анализа влияния параметров ТП, внешних и внутренних возмущений на количественные показатели производства и качественные показатели продуктов;
• повышение безопасности функционирования установки, снижение вредных выбросов;
• накопление знаний о различных системах, используемых на производственной площадке, их функциональности и взаимодействиях с другими системами.
Компьютерные тренажеры, используемые на Ки-ришском НПЗ, в зависимости от целей обучения подразделяют на следующие типы:
• специализированные тренажеры;
• типовые тренажеры (тренажеры типовых технологических установок);
• базовые тренажеры (тренажеры для базовых технологических узлов и аппаратов).
Специализированные тренажеры с высокой точностью отражают динамику реальных технологических установок и, как правило, выполнены в среде, применяемой на установке распределённой системы управления (РСУ). Это позволяет использовать их для глубокого тренинга операторов разной квалификации (в том числе перед пуском установки или РСУ), проверять настройки систем регулирования и отрабатывать сложные предава-рийные и аварийные ситуации.
Типовые тренажеры описывают динамику типовых технологических установок. Эти уже готовые средства обучения, которые обычно выполняются в типовой среде РСУ и направлены в первую очередь на ознакомление вновь принятых операторов, переходящих из других структурных подразделений (цехов) с технологическими процессами и системами управления.
Базовые тренажеры основаны на типовых моделях отдельных технологических узлов и аппаратов. Они используются для начальной подготовки операторов и мастеров КИПиА, поскольку дают представления об устройстве технологических объектов и особенностях управления ими.
Среди тренажеров, используемых на Киришском НПЗ, можно отметить тренажеры для установок первичной переработки нефти, реформирования бензинов, комплекса глубокой переработки нефти, гидроочистки и вновь разрабатываемые для строящегося комплекса производства высокооктановых компонентов бензинов и реконструированного производства парафинов.
В данной статье рассмотрены тренажеры для установки Л-24/6 гидроочистки, установок комплекса ЛК-2Б и установки Парекс-2. Специализированные тренажеры, к которым относятся рассматриваемые, выполнены в 2-х вариантах исполнения.
Первый вариант представляет собой два сервера,- один из которых содержит копию РСУ, полностью копирующую функционал РСУ установки, а второй содержит динамическую математическую модель, которая имитирует поведение всех процессов установки с максимальным приближением к реальным условиям. Также тренажёр содержит станцию обходчика (станция имитирует работу технологического персонала в «поле»), станцию инструктора, на которой симулируется возникновение каких либо неполадок с оборудованием, и станции операторов (рисунок 1).
Рисунок 1. Компьютерный тренажер установки гидроочистки дизельного топлива и керосина Л-24/6
Второй вариант тренажера использует виртуализацию в среде VMware компании Wonderware совместно с тонкими клиентами, что позволяет объединить на одном и том же физическом оборудовании тренажёрные комплексы разных технологических объектов. В состав тренажера входят 2 сервера, 2 станции обходчика, 5 тонких клиентов, 6 мониторов, 6 ^и^-панелей, которые могут использоваться, как дополнительный экран или функциональная клавиатура. На рисунке 2 представлена принципиальная схема КТК, а на рисунке 3 - компьютерный тренажер установок комплекса Л К-2Б и Парекс-2 в учебном классе.
Рисунок 3. Компьютерный тренажер установок комплекса ЛК-2Б и Парекс-2
Модель процесса, реализованная в среде Unisim, и сервер РСУ Experion установлены на едином сервере виртуальных машин (ВМ) Wonderware. Станции операторов реализованы как ВМ, подключенные через тонких клиентов к серверу ВМ. Обмен данными между Unisim реализован по ОРС протоколу (Ole for Process Control). Подключение WYSE станций реализовано по FTE сети (аналогично установки).
При помощи этих тренажёров технологический персонал отрабатывает свои действия для успешного пуска установок, а у операторов появляется возможность повысить свои знания и навыки работы с РСУ, освоить дисплеи, каналы связи, алгоритмы и др. без ущерба для реального процесса. В совокупности всё это снижает время принятия решений технологическим персоналом. По оценкам компании DuPont это позволяет сократить время пуска процесса на 15-35 % [3].
На различных этапах работы от разработки динамической модели процесса в среде Unisim компании Honeywell до приемки модели, привязанной к рабочим мнемосхемам, контурам управления и логике системы безопасности и противоаварийной защиты (СБ и ПАЗ), относительно вновь разрабатываемых и реконструированных объектов было выявлено значительное количество замечаний, которые могли быть обнаружены на этапе выполнения пуско-наладочных работ.
Ошибки, которые выявляются на этапах разработки тренажёра, - это неточности, допущенные на стадии разработки РСУ, а также ошибки, допущенные при разработке самой проектной документации. Важную роль играет то, что на разных этапах приёмки тренажёрного комплекса удается проверить на работоспособность технологические режимы работы объекта в целом.
Примерами распространенных замечаний могут быть следующие:
- необходимость корректировки шкал и уставок регуляторов;
- нарушение логики управления одной из технологических установок;
- нарушение логики блокировок или работы технологического оборудования;
- необходимость корректировки логики регулирования в одном из контуров и др.
Тренажеры можно использовать не только как инструмент проверок и обучения, но также как инструмент планирования. Прогнозирование результата при изменении технологических параметров процесса, состава сырьевых потоков, гидравлических сопротивлений и конструктивных особенностей аппаратов, новых схем управления позволит повысить эффективность ведения технологического процесса и спланировать дальнейшую модернизацию. На рисунке 4 приведена математическая модель процесса, выполненная в среде UniSim.
Рисунок 4. Математическая модель процесса в среде программного пакета UniSim Operations
Математическая модель может использоваться в качестве "полигона" при разработке усовершенствованной системы управления (УСУ) [4].
Разработка УСУ проходит в несколько этапов: проектирование системы, настройка контуров регулирования используемых в управлении, получение отклика на ступенчатые возмущения («пошаговое тестирование процесса»), построение предварительных математических моделей основных продуктов и определение основных и вспомогательных параметров. При использовании скорректированной модели тренажера можно сократить время разработки УСУ и введения её в эксплуатацию примерно на 30 %.
Выводы
Технологический персонал, прошедший обучение на тренажёре, получает реальные навыки ведения технологического процесса и повышает скорость принятия решений.
Проверка на тренажёре применяемых технических решений позволяет сократить время пуска объекта на 15-35 % .
С помощью тренажёра можно планировать модернизацию и оптимизацию технологического процесса.
Динамическая модель тренажера может быть использована для разработки системы усовершенствованного управления.
Литература
1. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов М.: СИНТЕГ, 2009. 372 с.
2. Chistyakova T.B., Novozhilova I.V. Intelligence Computer Simulatorsfore Learning of SpecialistsofInn ovativelndustrial Enterprises // Proceedings of the XIX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM'2016). 25-27 May 2016. SPb. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016 P. 329-332. DOI: 10.1109/SCM.2016.
3. Chistyakova T.B., Novozhilova I.V., Zelezinsky A.L. Electronic Information and Education Environment as Instrument of Forming and Quality Evaluation of Professional Competences of the International Industrial Enterprises Specialists // IEEE V Forum Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education.Innovations). 16-18 November 2016. SPb.: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. P. 12-14. D0I:10.1109/IVForum. 2016.7835839.
4. Чистякова Т.Б. Электронная образовательная среда для компетентностно-ориентированного обучения специалистов инженерного профиля // Наука и образование. 2016. № 7. С. 230-241. URL: http://tachnomag.edu.ru/ jour/article/view/1003.
5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезо-пасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». Серия 09. Выпуск 37. 2-е изд. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. 126 с.
6. Медведев В.И. Устойчивость физиологических и психологических функций человека при действии экстремальных факторов. Л.: Наука, 1982. 104 с.
7. Ковард Э. Объединение технологий динамического моделирования и усовершенствованного управления ТП // Автоматизация в промышленности. 2008. № 7. С. 52-53.
References
1. Dozortsev V.M. Komp'juternye trenazhery dlja obuchenija operatorov tehnologicheskih protsessov. M.: SINTEG, 2009. 372 s.
2. Ohistyakova T.B., Novozhilova I.V Intelligence Computer Simulatorsfore Learning of SpecialistsofInn ovativeIndustrial Enterprises // Proceedings of the XIX IEEE International Conference on Soft Computing and
Measurements (SCM'2016). 25-27 May 2016. SPb. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016 P. 329-332. DOI: 10.1109/SCM.2016.
3. Chistyakova T.B., Novozhilova I.V., Zelezinsky A.L. Electronic Information and Education Environment as Instrument of Forming and Quality Evaluation of Professional Competences of the International Industrial Enterprises Specialists // IEEE V Forum Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education.Innovations). 16-18 November 2016. SPb.: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. P. 12-14. DOI:10.1109/IVForum. 2016.7835839.
4. Chistjakova T.B. 'Elektronnaja obrazovatel'naja sreda dlja kompetentnostno-orientirovannogo obuchenija spetsialistov inzhenernogo profilja // Nauka i obrazovanie.
2016. № 7. S. 230-241. URL: http://tachnomag.edu.ru/jour/ article/view/1003.
5. Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoj bezopasnosti «Obschie pravila vzryvobezopasnosti dlja vzryvopozharoopasnyh himicheskih, neftehimicheskih i neftepererabatyvajuschih proizvodstv». Serija 09. Vypusk 37. 2-e izd. M.: ZAO «Nauchno-tehnicheskij tsentr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti», 2013. -126 s.
6. Medvedev V.I. Ustojchivost' fiziologicheskih i psihologicheskih funktsij cheloveka pri dejstvii ^ekstremal'nyh faktorov. L.: Nauka,1982.-104 s.
7. KovardOb"edinenie tehnologij dinamicheskogo modelirovanija i usovershenstvovannogo upravlenija TP // Avtomatizatsija v promyshlennosti. 2008. № 7. S. 52-53.
