Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

THE DEVELOPMENT OF A VIRTUAL SIMULATOR – IMITATOR OF OPERATION OF THE TUBULAR FURNACE IN THE ENVIRONMENT OF OBJECT-ORIENTED PROGRAMMING VISUAL BASIC

Khafizov A.M. 1 Yukhin E.G. 1 Gumerov D.A. 1 Kryshko K.A. 1
1 Branch of Ufa State Petroleum Technical University
To enhance industrial safety in the oil and gas industries, to enhance the professionalism of the staff, we propose the creation of a virtual simulator for the furnace in the environment of object-oriented programming Visual Basic. To verify the validity working of the proposed simulator and compare the obtained results with the real, was the analysis of experimental data on technological processes in a tube furnace. In the environment of Visual Basic has been modeled technological processes in a tube furnace, the simulator of proportional-integral-derivative controller, modes start and stop the oven in the normal mode, and presents theoretical information on the furnace design and its basic elements. The simulator allows you to improve the skills of operators at facilities with a tube furnace, simulating the work of a real object, it is possible to introduce network mode, in which the training can take from several students simultaneously, which greatly enhances the learning process. The introduction of simulator-imitator in enterprises will allow to develop employees skill testing in the case of abnormal situations.
tube furnace
virtual simulator
emergency situation
improving of professional skills
production safety
1. Koshelev N.A. Razrabotka immitatora-trenazhera dlya monitoringa tekhnologicheskih processov i ehlektrooborudovaniya predpriyatij neftegazovoj otrasli / N.A. Koshelev, E.G. Yuhin, A.M. Khafizov // Materialy dokladov XI Mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Tinchurinskie chteniya» / pod obshch. red. rektora KGEHU EH.YU. Abdullazyanova. V 3 t.; T. 1. Kazan: Kazan. gos. ehnerg. un-t, 2016. рр. 27–28.
2. Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoj bezopasnosti «Obshhie pravila vzryvobezopasnosti dlja vzryvopozharoopasnyh himicheskih, neftehimicheskih i neftepererabatyvajushhih proizvodstv». Serija 09. Vypusk 37. 2-e izd., dop. M.: Zakrytoe akcionernoe obshhestvo «Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti», 2013. 126 р.
3. Khafizov A.M. Problemy korporativnoj socialnoj otvetstvennosti v oblasti ehkologii na primere PAO «Gazprom» / A.M. Khafizov, O.S. Malysheva, A.I. Samoshkin, YA.F. Habirova // Fundamentalnye issledovaniya. 2016. no. 6–2. рр. 480–484.
4. Khafizov A.M. Razrabotka sistemy «usovershenstvovannoe upravlenie» dlya ocenki resursa trubchatoj pechi i povysheniya ehffektivnosti protivoavarijnoj avtomaticheskoj zashchity / A.M. Khafizov, M.G. Bashirov, D.G. Churagulov, R.R. Aslaev // Fundamentalnye issledovaniya. 2015. no. 12–3. рр. 536–539.
5. Yuhin E.G. Perspektivy primeneniya virtualnyh trenazherov v promyshlennom proizvodstve / E.G. Yuhin, A.M. Khafizov // Evrazijskij nauchnyj zhurnal 2016. no. 4. рр. 63–64.
6. Yuhin E.G. Razrabotka virtualnogo trenazhera-imitatora raboty trubchatoj pechi dlya povysheniya professionalnyh navykov sotrudnikov predpriyatij neftegazovoj otrasli / E.G. Yuhin, N.A. Koshelev, A.M. Khafizov, O.S. Malysheva // Fundamentalnye issledovaniya. 2015. no. 12–5. рр. 970–974.

Технологические установки предприятий нефтегазовой отрасли считаются опасными производственными объектами. Они имеют высокие показатели возникновения нештатных и аварийных ситуаций [2].

Анализ аварийных ситуаций на производственных объектах нефтегазовой отрасли показал, что трубчатая печь является одним из опасных объектов. Данные Академии государственной противопожарной службы МЧС России за временной промежуток с 2007 по 2016 г. показывают, что 11,6 % всех аварий на производственных объектах нефтегазовой отрасли приходится на трубчатые печи [4].

Применение виртуальной модели трубчатой печи позволяет многократно воспроизводить различные режимы работы, условия, не затрачивая при этом ресурсов настоящего оборудования и не подвергая опасности персонал и печи [5].

Поэтому для подготовки персонала на производстве наиболее эффективно использовать интерактивные современные технологии обучения, в частности виртуальные симуляторы, более того применение такого рода симуляторов обязательно для большинства промышленных предприятий [3].

Цель данной работы – повышение безопасности трубчатой печи путем изучения ее работы на основе виртуальной модели. Для этого предлагаются решения следующих задач:

– разработка графических элементов тренажера;

– наглядное представление производственного объекта в виртуальной среде;

– описание механизма работы тренажера.

Для реализации виртуального тренажера за основу был взят реальный производственный объект. Для моделирования процессов в виртуальной среде был произведен сбор необходимых данных: техническая документация установки, нормы технологического процесса, характеристики объекта и оборудования.

При разработке интерфейса тренажера использовались мнемосхемы реальных объектов (трубчатые печи производства углеводородной шихты) для большей наглядности при обучении операторов. Основу интерфейса составляет графический экран с набором элементов, составляющих мнемосхему (клапаны, печи, трубопроводы, показания с виртуальных датчиков) [6]. Все элементы разработаны в отдельных графических редакторах. На рис. 3 представлены 2 ступени печи моделируемого объекта.

Данные печи предназначены для испарения и перегрева углеводородной шихты. В тренажере предусмотрены виртуальные датчики температуры в различных секциях печи, датчики содержания кислорода, углекислого газа в дымовых газах, положение дымовой заслонки [6] (рис. 1).

pic_94.tif

Рис. 1. Виртуальные датчики трубчатой печи

Так же помимо печей на мнемосхеме реализован графический элемент, изображающий кожухотрубчатый теплообменник (Т-004 на рис. 3). Его функция заключается в предварительном подогреве шихты за счета тепла алкилата, использующегося как теплоноситель, перед подачей ее в печи.

На рис. 2 представлено графическое исполнение регулирующих клапанов вместе с датчиками контролируемых параметров [1]. На этом же рисунке представлена каскадная система регулирования расхода топливного газа с коррекцией по температуре нагреваемого в печи продукта. Причем сплошная тонкая линия черного цвета означает управляющее воздействие регулятора, а пунктирная серого цвета – считывание информации о технологических параметрах с датчиков.

pic_95.tif

Рис. 2. Внешний вид регулирующего клапана в тренажере

Также на мнемосхеме представлена графическая модель насоса, необходимого для перекачки углеводородной шихты (Н-047 на рис. 3).

Кроме того, в тренажере представлены индикаторы сигнализаций (желтые квадраты на рис. 3), срабатывающие при выходе какого-либо технологического параметра из регламентированного диапазона [1]. Таким образом оператор будет уведомлен о нарушении режима работы объекта.

Общий интерфейс тренажера-имитатора в режиме обучения представлен на рис. 3.

pic_96.tif

Рис. 3. Интерфейс тренажера-имитатора

Индикаторы сигнализаций продублированы в более подробном исполнении на панели сигнализаций в нижней части интерфейса программы (рис. 3).

В случае, если непосредственных действий оператора недостаточно для устранения неполадки (к примеру, не сработала АВР), в тренажере присутствует модуль распоряжений, представляющий собой рацию. Таким образом, оператор может отдать распоряжения виртуальному персоналу по ремонту. Данный модуль имеет несколько вариантов распоряжений, некоторые из которых ложные (в режиме экзамена). Выбирая правильную последовательность распоряжений в каждой конкретной ситуации, оператор имеет возможность устранить неполадку в случае, когда из операторной сделать это не представляется возможным [6]. На рис. 4 представлен интерфейс модуля распоряжений.

pic_97.tif

Рис. 4. Интерфейс модуля распоряжений

Для создания рабочих окон и других второстепенных окон, отличных от главного, в среде Visual Basic использовались глобальные переменные, распознаваемые во всех вновь созданных окнах, а не только на локальном участке кода той формы, где этой переменной присваивается необходимое значение. Например, в тренажере описанная ранее аварийная ситуация, связанная со снижением расхода продукта, может произойти по двум причинам: из-за неисправного насоса или поломки регулятора расхода. Для того, чтобы программа выбирала одну из этих причин при нажатии на кнопку, соответствующую данной аварийной ситуации, была создана глобальная переменная «prichina1». В зависимости от конкретной причины аварии ей присваивается значение 0 или 1. Так как эта переменная глобальная, ее значение считывается и в других рабочих окнах, в частности – в формах насоса и регулятора, после чего рабочие окна изменяют информацию об объекте.

Также в целях обучения в тренажере представлен симулятор ПИД-регулятора, контролирующего расход шихты (рис. 5). Для вызова симулятора необходимо открыть рабочее окно регулятора расхода шихты после насоса, нажав левой кнопкой мыши по соответствующему графическому элементу на мнемосхеме и активировать кнопку «ПИД». Затем откроется рабочее окно симулятора, основную часть которого занимает поле для построения графика, причем желтая линия обозначает уставку, красная – предельное значение расхода, при достижении которого срабатывает сигнализация.

В данном симуляторе для оператора имеется возможность изменить уставку, коэффициенты ПИД-регулятора и увидеть влияние своих действий на тренде. На работу всего тренажера данный симулятор не оказывает влияния, однако дает навыки работы с ПИД-регулятором, показывает зависимости различных коэффициентов на характер построения тренда. У оператора также имеется возможность отрегулировать настройки регулятора, чтобы минимизировать статическую ошибку (по умолчанию определены не самые оптимальные настройки, поэтому ошибка между установленным значением расхода и фактическим присутствует).

После написания кода программы проводится тестирование и отладка, в результате чего найденные ошибки в коде исправляются. Также на данном этапе проверяются всевозможные сценарии взаимодействия пользователя с виртуальным тренажером, чтобы исключить ситуации, когда программа не может найти решения из-за некорректного использования.

pic_98.tif

Рис. 5. Симулятор ПИД-регулятора

Данный тренажер позволяет обучать сотрудников предприятий нефтегазовой отрасли правильному и безопасному обслуживанию трубчатых печей. Имеется множество сценариев, применимых для производственных ситуаций: запуск печи, остановка печи, поддержание рабочего режима печи, обнаружение и устранение неисправности в работе печи.