Е-сетевые средства моделирования и имитации теплоэнергетических процессов в задачах построения компьютерных тренажеров

Основными критериями качества функционирования системы управления энергетическим объектом является надежность и экономическая эффективность объекта энергетики, которая определяется многими факторами: особенностями оборудования, уровнем автоматизации, внешними условиями, квалификацией персонала и т. д. В значительной степени безотказность и безаварийность работы энергетического оборудования определяется качеством подготовки оперативного персонала. По данным международных и государственных организаций большинство аварий на сложных технических объектах (порядка 80%) [24,52] являются результатом неправильных действий обслуживающего персонала сложных технических систем. Человек обладает рядом уникальных характеристик, существенно отличающих его от других элементов контура управления объектом. Проблему надежности энергетического объекта следует рассматривать как проблему надежности и эффективности человеко-машинной (эргатической) системы. Исследования показывают, что эргатическая система является более надежной, по сравнению с автоматической. Однако, будучи введенной, в качестве подсистемы, в сложную систему она вносит некоторую неопределенность в поведение последней. В силу этого на предприятиях энергетики уделяют большое внимание подготовке оперативного персонала.

От оператора требуется наличие комплексных знаний о закономерностях функционирования технологического процесса, для интерпретации, классификации и идентификации возникающих ситуаций, а также формирование аналитического мышления и запоминания последствий своих действий, особенно в аварийных ситуациях, исходя из опыта работы.

Одним из способов решения данной проблемы является подготовка оперативного персонала на тренажерных комплексах. В последние время большое распространение получили компьютерные тренажеры [32,58,76], как наиболее гибкие и мощные средства обучения и контроля знаний у обучаемых. В частности, для обучения персонала пиковых котельных предлагается использовать программный комплекс.

— многофункциональный тренажер оператора водогрейного прямоточного котла КВГМ-50 (100). Данный тренажер должен осуществлять следующие функции:

— режим обучения и режим контроля действий оператора;

— исследование технологических процессов с требуемой детализацией и точностью имитации.

Последний режим необходим, прежде всего, для детального анализа технологических процессов в теплоэнергетической системе, с целью поведения модернизации технологического оборудования, осуществления прогноза технического состояния системы и реализации глобальной модели теплоснабжения города в общей технологической цепи (ГРЭСПиковая котельная — Потребитель — ГРЭС). Корме того, глубокое изучение технологических процессов с помощью динамической модели теплоэнергетической системы позволяет обучить операторов не только на мышечно-моторном уровне, но позволяет работать обслуживающему персоналу в аварийных ситуациях не оговоренной технической документацией.

Потребность решения вышеизложенных задач диктует необходимость разработки программного обеспечения многофункционального компьютерного тренажера, как мощного и гибкого инструмента моделирования сложных динамических процессов, реализованного с единых методологических позиций. В процессе работы многофункциональный компьютерный тренажер (MKT) должен обеспечивать:

1) комплексный и оптимальный процесс обучения/контроля знаний обучаемого, выработку у операторов-диспетчеров и работников КИПиА навыков работы во внештатных ситуациях. Обучение должно включать в себя не только изучение алгоритмов действий по реализации технологического процесса, но и детальное изучение работы основного технологического оборудования;

2) имитацию технологического процесса и исследование работы компонентов энергосистемы с требуемой точностью в заданном масштабе времени;

3) возможность реконфигурации динамической модели (ДМ) энергосистемы при модернизации технологического оборудования и изменении условий эксплуатации исследуемой системы.

Указанные требования к MKT приводят к необходимости построения сложной динамической модели с высокой степенью детализацией технологических процессов. Поэтому для реализации подобного класса тренажеров требуется:

1) осуществить выбор и адаптацию базового математического аппарата описания с единых методологических позиций и последующего динамического воспроизведения с необходимой точностью всех основных процессов в исследуемой энергосистеме;

2) обеспечить адекватность воспроизведения компьютерным тренажером технологических процессов в энергосистеме в заданном масштабе времени.

Ядром любого компьютерного тренажера является динамическая модель исследуемых технологических процессов. В сложных технических системах разработчик имеет дело с разнородными (гибридными) подсистемами, имеющих в свою очередь сложную пространственно-временную иерархическую структуру. Например, при построении модели котельной необходимо имитировать следующие процессы: радиационный и конвективный турбулентный нагрев теплоносителя, гидродинамические процессы в теплообменных трубах, физико-химические процессы горения топлива, многоконтурное автоматическое регулирование технологических параметров системы, воспроизведение, передачу и обработку информационных (управляющих) потоков, динамическое функционирование исполнительных механизмов и датчиков, имитация окружающей среды и т. д.

Поэтому, для осуществления имитации технологических процессов необходимо моделировать широкий класс систем: распределенные/сосредоточенные, детерминированные/стохастические, дискретные/непрерывные и т. д. При моделировании каждого конкретного класса задач существуют различные подходы и математические схемы моделирования, формализация и реализация динамической модели всего разнообразия процессов в теплоэнергетической системе является сложной и нетривиальной задачей [33].

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется существующей в настоящее время потребностью в организации динамических моделей сложных систем с единых методологических позиций, функционирующих в рамках многозадачного компьютерного тренажера. Существующие методы построения компьютерных тренажеров не в полной мере удовлетворяют возможностям адаптации динамической модели тренажера к аппаратному обеспечению и решаемой задаче. Кроме того, затруднена модернизация модели в случае изменения технологического процесса или оборудования. Значительная сложность и разнообразие технологических процессов, протекающих в теплоэнергетической системе, вызывает ряд трудностей в формализации и реализации динамической модели, функционирующей в рамках компьютерного тренажера. Кроме того, необходимо обеспечить имитацию процессов в реальном и ускоренном масштабах времени.

Поэтому, в настоящее время существует потребность выборе математического аппарата, обеспечивающего формализацию и программную реализацию динамических дискретно-непрерывных параллельных процессов. Построение многозадачного тренажера диктует необходимость использования гибкой динамической модели с изменяющейся конфигурацией в зависимости от решаемой задачи и аппаратного обеспечения.

В связи с этим вполне обоснованной является цель диссертационной работы: разработка методологических основ и принципов построения дискретно-непрерывных динамических моделей сложных технических систем на базе методологии Е-сетевого имитационного моделирования, а также реализация механизмов, позволяющих осуществлять имитацию этими моделями процессов в теплоэнергетической системе в структуре многофункционального компьютерного тренажера реального времени. Диссертационная работа является частью исследований в рамках НИР, хозяйственного договора 22/00 (58) «Эксплуатация водогрейного котла» с ОАО «Тюменьэнерго».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методология построения многофункционального компьютерного тренажера (MKT) с введением в его архитектуру системы адаптации динамической модели, позволяющей адекватно моделировать технические системы с учетом целей и условий работы MKT.

2. На основе требований, предъявляемых к современным компьютерным тренажерам, и анализа существующих математических методов моделирования сложных технических систем, функционирующих в требуемом масштабе времени, осуществлен аргументированный выбор аппарата Е-сетей. Данный математический аппарат позволяет формализовать и реализовать динамическую модель, функционирующую в рамках многозадачного компьютерного тренажера.

3. Разработаны методологические основы построения динамических моделей гибридных систем с использованием принципов «блочного» моделирования и аппарата гибридных автоматов на основе Е-сетевых (Е-net — EN) схем. Представленная методика основана на использовании механизмов иерархического взаимодействия элементов аналитико-имитационных моделей. Представлена организация Е-сетевых иерархических схем с использованием жестких и гибких структур, а также рассмотрена иерархическая структура модели с отношением одного нижестоящего элемента к совокупности вышестоящих элементов.

4. Разработана методика построения многофункциональных схем моделирования (МСМ) с использованием механизмов идентификации компонентой модели установленной задачи имитации. Приведены основные принципы построения многофункциональных Е-сетевых схем моделирования с разомкнутой и замкнутой структурой, а также обоснованы условия и ограничения адекватного функционирования подобных структур. Использование принципа многофункциональности обеспечивает сокращение размерности модели за счет уменьшения числа EN элементов.

5. Разработана оригинальная методика построения системы профилирования динамической модели (ДМ), обеспечивающая структурно — параметрическую адаптацию ДМ, которая функционирует в режиме реального времени. Поиск приемлемого варианта модели, согласно выбранному режиму работы MKT, основана на алгоритме целенаправленного перебора вариантов моделей. Использование механизмов динамической настройки модели реализует коррекцию структуры модели во время функционирования тренажера.

6. Определены новые принципы реализации воспроизведения непрерывных процессов аппаратом Е-сетей с использованием технологии «блочного» программирования — Block Function Diagram (BDF). Построение ДМ непрерывных процессов основано на методе пространства состояний и реализуется с помощью Е-сетевой алгоритмической схемы моделирования (АСМ).

7. Создана оригинальная библиотека Е-сетевых макропереходов («сумматор», «интегратор», «интерполятор», «дифференциатор»), необходимых для реализации алгоритмических схем моделирования. Разработаны структурные схемы, алгоритмы и условия функционирования данных Е-сетевых схем.

Практическую значимость работы представляют:

Построение с единых методологических позиций динамических моделей сложных технических систем с учетом протекания дискретнонепрерывных параллельных асинхронных процессов.

Методика адаптации Е-сетевой модели к конкретному оборудованию вычислительной техники, что позволяет динамической модели работать в реальном масштабе времени.

Библиотеки Е-сетевых модельных компонентов теплоэнергетической системы, позволяющие моделировать дискретно-непрерывные технологические процессы в реальном масштабе времени.

Практическое использование результатов исследований позволяет реализовать многозадачный компьютерный тренажер с адаптируемой структурой динамической модели технологических процессов к возмущающимся факторам, а также к изменяющимся условиям работы компьютерного тренажера.

Результаты работы использованы МУП «Лянторгоркомхоз» и ОАО «Тюменьэнерго» при создании многофункционального компьютерного тренажера для обучения обслуживания персонала пиковых котельных.

Апробация диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научной конференции «Северный регион: экономика и социокультурная динамика», проходившей в Сургуте в 2000 годуVII международной научно — практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2001) — VI Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информации в технике и технологиях» (Воронеж 2001) — XIII Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Судак 2001) — I Всероссийской научной internetконференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (январь-февраль 2001 года) — III Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара 2001) — III научно-практической конференции «Современные средства и системы автоматизации» (Томск 2002) — научных семинарах кафедры «Автоматики и компьютерных систем» Сургутского государственного университета.

Полнота изложения материалов диссертации в печатных работах.

По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Все основные материалы диссертации опубликованы в научной литературе, а практические результаты приведены в 1 отчете о научно-исследовательской работе.

1. Тараканов Д. В., Запевалов А. В., Калачев А. Г. Принципы построения компьютерных тренажеров для подготовки персонала пиковых котельных. Северный регион: экономика и социокультурная динамика: Сборник тезисов к всероссийской научной конференции. Ноябрь 2000, Ханты — Мансийск — Сургут/ Под ред. В. В. Мархинина, Г. И. Назина. -Сургут: Изд-во СурГУ № 5, 2000. — С. 110−114.

2. Тараканов Д. В., Запевалов А. В., Емелин В. В. Повышение эффективности человеко-машинной системы в энергетике. Современные техника и технологии: Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых. — Томск: Изд. ТПУ, 2001. — Т. 1. — С. 97−99.

3. Запевалов А. В., Тараканов Д. В. Организация структурно-параметрического синтеза аналитико-имитационной модели компьютерных тренажеров. Северный регион: наука, образование, культура: Научный и культурно-просветительский журнал.- Сургут: Дефис, 2002. — С. 22−27.

4. Тараканов Д. В. Структура и организация элементов моделирования динамических процессов в задачах профилирования аналитикоимитационных моделей. Научный и культурно-просветительский журнал.- Сургут: Дефис, 2002. — С. 28−31.

5. Тараканов Д. В., Гришмановский П. В., Емелин В. В. Режимы теплоэнергетических систем в имитационных моделях. Современные техника и технологии: Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых. — Томск: Изд. ТПУ, 2001. — Т. 1. — С. 100−101.

6. Решетников Л. Л., Тараканов Д. В. Е-сетевое алгоритмическое моделирование технических систем. Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Материалы I Всероссийской научной internet — конференции (январь-февраль 2001 года)/ Гл. ред. Серии проф. А. А. Арзамасцев. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г. Р. Державина, 2001. — В.2. — С.22−24.

7. Тараканов Д. В., Калачев А. Г., Конев А. И. Аналитико-имитационная модель объектов управления теплоэнергетики. Современные проблемы информации в технике и технологиях: Труды VI Международной открытой научной конференции. — Воронеж: ВЭПИ, 2001. — С. 52.

8. Тараканов Д. В., Запевалов А. В. Аналитико-имитационная модель датчиков в компьютерном тренажере теплоэнергетической системы. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Сборник материалов XIII Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. Под редакцией профессора В. Н. Азарова. М.: МГИЭМ, 2001. — С. 211−212.

9. Суровцова М. В., Тараканов Д. В. Аналитическая модель процессов нестационарного теплообмена в топочной камере водогрейных котлов. Научная молодежь — XXI веку: Сборник тезисов докладов межвузовской конференции молодых ученых. Сургут: Изд-во СурГУ, 2001.-С. 148.

Ю.Тараканов Д. В., Запевалов А. В. Моделирование непрерывных процессов Е-сетевым имитационным аппаратом. Научная молодежь.

XXI веку: Сборник тезисов докладов межвузовской конференции молодых ученых. Сургут: Изд-во СурГУ, 2001. — С. 150.

П.Решетников JI.JI., Тараканов Д. В. Использование Е-сетей при построении моделей объектов управления с непрерывным контролем параметров. Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды III Международной конференции /Под ред.: акад. В. П. Мясникова, акад. Н. А. Кузнецова, проф. В. А. Виттиха.- Самара: Самарский научный центр РАН, 2001. — С. 515−520.

12. Тараканов Д. В. Использование средств профилирования при построении компьютерных тренажеров. Новые технологии в образовании. Сборник научных трудов международной электронной научной конференции. — Выпуск IV. — Воронеж: Государственное образовательное учреждение «Воронежский государственный педагогический университет», 2001. — С. 43−44.

13.Тараканов Д. В. Архитектура взаимодействия компонент системы аналитико-имитационной модели формализованной на основе Е-сетевого имитационного аппарата. Наука и образование XXI века: Сборник тезисов докладов. Второй окружной конференции молодых ученых ХМАО. ч.2. Сургут: Изд-во СурГУ, 2001. — С. 78−81.

14. Тараканов Д. В. Реализация макропереходов в Е-сетевых моделях динамических процессов. Наука и образование XXI века: Сборник тезисов докладов Второй окружной конференции молодых ученых ХМАО. 4.2. Сургут: Изд-во СурГУ, 2001. С. 81−84.

15. Тараканов Д. В. Уравнение турбулентного переноса тепла в жидкости, текущей по парообменной трубе. Вестник Южно-уральского государственного университета, № 4 (04), 2001. — С. 62−63.

Выводы по пятой главе:

Проведена апробация динамической модели теплоэнергетической системы (водогрейной котельной), которая включает в себя модель технологического объекта управления — котла КВГМ 100(50), и АСУ ТП «АМАКС». Апробирована система профилирования динамической модели, функционирующая в рамках многозадачного компьютерного тренажера реального времени, данная система обеспечивает своевременную адаптацию ДМ к изменяющимся режимам работы MKT.

Разработан и внедрен многофункциональный компьютерный тренажер реального времени теплоэнергетической системы в МУП «Лянторгоркомхоз», который обеспечивает процесс обучения/контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе рассмотрена и решена задача построения многофункционального компьютерного тренажера теплоэнергетической системы. Разработанный программный продукт обеспечивает выполнение широкого круга задач: обучение операторов управления технологическим процессом, исследование технологических процессов в системе и т. д. Предложена оригинальная система профилирования динамической модели, которая позволяет осуществлять адаптацию Е-сетевой модели к изменяющимся условиям функционирования и режимам работы тренажера, что позволяет функционировать MKT в требуемом масштабе времени. Кроме того, Е-сетевой формализм моделирования сложных технических систем позволяет значительно повысить эффективность построения непрерывно-дискретной модели, в том числе, за счет использования многофункциональной схемы моделирования, которая осуществляет имитацию различных элементов системы.

Результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа и оценки моделирующих возможностей существующих методов реализации ДМ сложных технических систем осуществлен аргументированный выбор аппарата Е-сетевого моделирования в качестве базиса построения многозадачных компьютерных тренажеров, функционирующих в заданном масштабе времени.

2. Для адекватного воспроизведения деятельности исследуемой технической системы, с учетом целей и условий функционирования программной модели, предложена концепция построения многофункционального компьютерного тренажера с введением в архитектуру компьютерного тренажера системы профилирования (адаптации) ДМ.

3. Представлены методологические основы построения динамических моделей гибридных систем с использованием принципов «блочного» моделирования на базе EN схем. Данная методика основана на использовании механизмов иерархического взаимодействия элементов аналитико-имитационных моделей.

4. Разработана методика идентификации задач имитации многофункциональной Е-сетевой схемой моделирования. Указаны основные принципы построения многофункциональных схем моделирования с разомкнутой и замкнутой архитектурой, а также представлены условия и ограничения их адекватной работы.

5. Разработана замкнутая многофункциональная схема моделирования, которая обеспечивает многократное селективное обслуживание группы разнородных функциональных процессов с минимальным количеством Е-сетевых моделей. Показано, что данная EN структура является наиболее экономичной из рассматриваемых методов построения моделей.

6. Представлена оригинальная методика построения системы профилирования программного обеспечения. Рассмотрен алгоритм структурно-параметрической адаптации динамической модели, работающей в режиме реального времени. Процедура адаптации динамической модели основана на механизме целенаправленного перебора вариантов моделей. Результатом поиска является приемлемый вариант динамической модели, удовлетворяющий всем заданным требованиям и ограничениям. Использование механизмов динамической настройки позволяет реализовать коррекцию структуры модели во время функционирования компьютерного тренажера.

7. Созданы библиотеки Е-сетевых схем моделирования, имитирующие дискретно-непрерывные технологические процессы в теплоэнергетической системе. Разработанные Е-сетевые библиотеки позволяют воспроизводить непрерывные процессы на базе алгоритмических схем моделирования.

Создана оригинальная библиотека Е-сетевых макропереходов («сумматор», «интегратор», «интерполятор», «дифференциатор»), необходимых для реализации алгоритмических схем моделирования непрерывно-дискретных систем. Предлагаемая библиотека Е-сетевых компонентов позволяет имитировать технологические процессы в реальном масштабе времени.

8. Проведена апробация динамической модели теплоэнергетической системы (водогрейной котельной), которая включает в себя модель технологического объекта управления — котла КВГМ 100(50), и АСУ ТП «АМАКС». Апробирована система профилирования динамической модели, функционирующая в рамках многозадачного компьютерного тренажера реального времени, данная система обеспечивает своевременную адаптацию ДМ к изменяющимся режимам работы MKT.

9. Разработан и внедрен многофункциональный компьютерный тренажер реального времени теплоэнергетической системы в МУП «Лянторгоркомхоз», который обеспечивает процесс обучения/контроля операторов и обслуживающего персона водогрейных котлов КВГМ 100(50), а также позволяющий производить имитационные эксперименты с целью модернизации технологического оборудования и повышения экономических показателей эффективности котельной.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертационной работе, подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов и результатов, полученных экспериментальным путем.

Результаты диссертации могут быть использованы для построения компьютерных тренажеров, моделирования сложных гибридных систем в энергетических, транспортных системах, отраслях связи, и т. д. Результаты, связанные с изучением свойств Е-сетевого аппарата, могут быть использованы в других отраслях науки.