Устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования

Изобретение относится к средствам подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, а также персонала, выполняющего проектирование и наладку систем автоматизированного управления для технологического (энергетического) оборудования. Изобретение направлено на повышение эффективности подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования. Этот результат обеспечивается за счет того, что устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования представляет собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержит группу рабочих мест тренинга оперативного персонала и группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, группу ЭВМ модели технологического оборудования, соединенных с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, группу рабочих мест разработки программно-математического обеспечения, соединенных с соответствующими входами третьего сетевого коммутатора, ЭВМ-шлюз, при этом первый сетевой коммутатор посредством ЭВМ-шлюз соединен с третьим сетевым коммутатором. Устройство также включает группу рабочих мест управления тренингом, программируемый контроллер, соединенный с соответствующим входом первого сетевого коммутатора и с подключенными к нему электрическими исполнительными устройствами, ЭВМ моделей контроллеров, соединенную с отдельным входом первого сетевого коммутатора, адаптер связи, соединенный с соответствующим входом второго сетевого коммутатора, ЭВМ связи, соединенную с соответствующим входом второго сетевого коммутатора. Контроллер и электрические исполнительные устройства посредством адаптера связи и второго сетевого коммутатора соединены с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ моделей контроллеров посредством ЭВМ связи и второго сетевого коммутатора соединена с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ управления сценарием обучения соединена посредством четвертого сетевого коммутатора с исполнительными ЭВМ управления тренингом, исполнительные ЭВМ управления тренингом соединены с ЭВМ модели технологического оборудования посредством второго сетевого коммутатора, с контроллерами и ЭВМ моделей контроллеров посредством первого сетевого коммутатора, с ЭВМ разработки программно-математического обеспечения посредством третьего сетевого коммутатора. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к средствам подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, а также специалистов, выполняющих проектирование и наладку систем автоматизированного управления технологического (энергетического) оборудования.

Современное состояние автоматизированных систем управления технологических процессов (АСУТП) характеризуется переходом от традиционной автономной специализированной аппаратуры к микропроцессорным программно-техническим комплексам (ПТК) сетевой организации.

В целом АСУТП на базе ПТК представляют собой распределенные интегрированные программно-технические системы большого информационного масштаба, которые строятся с использованием контроллеров компьютеров рабочих станций операторов и вычислительных сетей, т.е. функциональные задачи контроля и управления реализуются программно-аппаратным путем.

Основные трудности освоения новой технологии управления оборудованием связаны с тем, что впервые ПТК заменяет широкую номенклатуру специализированных технических средств и реализует программно-аппаратными средствами в единой информационно-технической среде как информационно-вычислительные (контроль технологических параметров, сигнализация и др.), так и управляющие функции (дисплейное дистанционное управление, автоматическое регулирование, функционально-групповое управление и др.).

В реальных эксплуатационных условиях подготовка может осуществляться только методом "проб и ошибок", что связано с существенными затратами и не эффективно.

Эффективное освоение новой технологии управления возможно только в ходе выполнения всего комплекса работ по созданию и эксплуатации полномасштабной АСУТП. В связи с этим необходимо устройство для подготовки специалистов, задействованных в работах по созданию, вводу в действие (монтаж, наладка) и эксплуатации автоматизированного оборудования. При этом эффективная подготовка (обучение) специалистов может быть обеспечена при условии, что программные и технические характеристики устройства аналогичны соответствующим характеристикам реальной АСУТП. Например, операторский интерфейс устройства должен быть полностью идентичен интерфейсу операторских станций в составе АСУТП технологического объекта (энергоблока), а модель технологического оборудования должна быть всережимной, обеспечивающей однозначное количественное, качественное и временное соответствие объекту управления.

Известен тренажер оператора энергетического объекта, содержащий пульт оператора, пульт инструктора, узел программируемого ввода задач и/или команд, блоки задания параметров установки с имитаторами пуска, имитатора системы автоматизированного управления установкой и др. [1].

Недостаток известного устройства связан с ограниченными функциональными возможностями и невозможностью его использования для обучения эксплуатационного персонала технологических объектов, создаваемых на основе новых информационных технологий управления.

Кроме этого, общим недостатком известных тренажеров является то, что они решают задачи обучения только оперативного эксплуатационного персонала (операторов) технологического оборудования. Однако эффективность эксплуатации оборудования зависит от согласованной работы всей дежурной вахты, в состав которой входит также и неоперативный эксплуатационный персонал. При этом оперативный и неоперативный персонал взаимодействуют между собой в процессе эксплуатации. Например, неоперативный персонал взаимодействует с оперативным персоналом в режиме диагностирования и устранения неисправностей, связанных с регулирующими органами и исполнительными устройствами, датчиками, настройкой параметров автоматических систем регулирования в контроллерах и др.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является распределенная интерактивная информационная система моделирования и тренинга, содержащая группу рабочих мест управления и подготовки информации, m групп рабочих мест тренинга, группу рабочих мест моделирования и разработки программно-математического обеспечения, группу рабочих мест коллективного тренинга, пульт оператора, магистраль информационного обмена локальной сети [2].

Недостатком известного решения [2] является невозможность управления состоянием системы и его применения для обучения эксплуатационного персонала сложного технологического (энергетического) оборудования в составе новых АСУТП энергоблока.

Задача (техническая эффективность) предлагаемого изобретения - повышение эффективности подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования путем расширения функциональных возможностей тренажера и расширения категорий совместно обучаемых специалистов.

Технический результат достигается посредством устройства подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, представляющего собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержащего группу рабочих мест тренинга оперативного персонала и группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, группу ЭВМ модели технологического оборудования, соединенных с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, группу рабочих мест разработки программно-математического обеспечения, соединенных с соответствующими входами третьего сетевого коммутатора, группу рабочих мест управления тренингом и ЭВМ-шлюз, при этом первый сетевой коммутатор посредством ЭВМ-шлюз соединен с третьим сетевым коммутатором, а также контроллер, соединенный с соответствующим входом первого сетевого коммутатора и с подключенными к нему электрическими исполнительными устройствами, ЭВМ моделей контроллеров, соединенные с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, адаптеры связи, соединенные с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, ЭВМ связи, соединенную с соответствующим входом второго сетевого коммутатора, при этом контроллер и электрические исполнительные устройства посредством адаптера связи и второго сетевого коммутатора соединены с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ моделей контроллеров посредством ЭВМ связи и второго сетевого коммутатора соединена с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ управления сценарием обучения, соединенную посредством четвертого сетевого коммутатора с исполнительными ЭВМ управления тренингом, исполнительные ЭВМ управления тренингом соединены с ЭВМ модели технологического оборудования посредством второго сетевого коммутатора, с контроллерами и ЭВМ моделей контроллеров посредством первого сетевого коммутатора, с ЭВМ разработки программно-математического обеспечения посредством третьего сетевого коммутатора.

При этом число k контроллеров определяется минимально необходимым для обучения неоперативного персонала количеством типовых электрических исполнительных устройств технологического объекта управления.

Устройство работает как в режиме оперативной работы, так и в режиме проектирования и наладки. Этим обеспечивается возможность реализации комплексного подхода профессиональной подготовки на всех этапах создания, ввода в действие и эксплуатации технологического оборудования с полномасштабными АСУТП на базе ПТК.

Например, в режиме наладки устройство позволяет освоить аппаратные средства ПТК: состав и компоновку микропроцессорных контроллеров (модулей базового и проектно-компонуемого комплектов); особенности монтажа как самого ПТК, так и особенности его сопряжения с датчиками и исполнительными устройствами; тестирование контроллеров и модулей УСО с использованием имитаторов сигналов и калибраторов модулей УСО; проверку питания и заземления шкафов; физический пуск контроллеров.

Кроме этого имеется возможность изучения рабочих станций ПТК, сетевых средств (системная сеть, шлюзы, коммутаторы, концентраторы).

В режиме проектирования устройство позволяет изучить: фирменное (инструментальное) программное обеспечение контроллеров и рабочих станций ПТК; технологию разработки баз данных АСУТП; структуру, иерархию и программные средства подготовки баз данных.

При проектировании операторского интерфейса имеется возможность освоения: технологии разработки мнемосхем; порядка проектирования изображений; меню и основные приемы работы с редактором; анимация и рецепция изображения, которое не может быть адекватно исполнено без участия в работе по проектированию специалистов, связанных с оперативной работой оборудования.

На уровне контроллеров устройство позволяет изучить: виртуальную структуру и содержание библиотеки алгоритмов; алгоритмические схемы типовых задач АСУТП (ввода и обработки информации, сопряжения с исполнительными устройствами, автоматическое регулирование и др.). Более того, разработанные алгоритмические схемы могут быть опробованы и протестированы с использованием модели технологического оборудования.

В режиме наладки отдельных функций и штатной работы устройство обеспечивает изучение и опробование управления исполнительными устройствами технологическим оборудованием с помощью операторского интерфейса, опробование типовых и отработку новых алгоритмов управления. Кроме того, устройство позволяет изучить функционирование архивной, инженерной, событийной и других станций АСУТП.

При проведении режимно-наладочных работ изучается технология ручной настройки систем регулирования с уровня инженерной станции, а также технология автоматизированной настройки систем регулирования.

На чертеже показана техническая структура устройства.

Устройство (тренажер) содержит группу рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала (операторские станции ПТК АСУТП), группу рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала (архивная, инженерные и другие станции ПТК АСУТП), первый сетевой коммутатор 3, группу ЭВМ 4 модели технологического оборудования, второй сетевой коммутатор 5, группу рабочих мест 6 разработки программно-математического обеспечения (станции проектирования), третий сетевой коммутатор 7, группу рабочих мест 8 управления тренингом (станции инструктора), ЭВМ 9 шлюз, контроллер 10, адаптер связи 11, электрические исполнительные устройства 12, ЭВМ 13 моделей контроллеров, ЭВМ 14 связи.

Группа рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала и группа рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала являются рабочими местами обучаемого эксплуатационного персонала и соответствуют рабочим местам управления реального энергетического оборудования. На ЭВМ групп рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала и рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала работает прикладное программное обеспечение операторских, инженерных и архивной станций АСУТП. Число n (количество рабочих мест 1) определяется количеством обучаемого оперативного персонала. Число m (количество рабочих мест 2) определяется количеством обучаемого неоперативного персонала.

Контроллеры 10 соответствуют нижнему уровню управления реальной АСУТП энергетического оборудования. Отличием от реальной АСУТП является наличие в тренажере ЭВМ 13 моделей контроллеров, которые выполняют моделирование физических контроллеров. В контроллерах 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров работает прикладное (алгоритмическое) программное обеспечение контроллеров АСУТП. Соотношение между количеством виртуальных (модельных) контроллеров l и реальных контролеров k определяется минимально необходимым для обучения неоперативного персонала количеством типовых электрических исполнительных устройств 12 технологического объекта управления.

Группа рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала и группа рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала через первый сетевой коммутатор 3 связаны с контроллерами 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров. В комплексе группы рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала и рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала, контроллеры 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров образуют единую автоматизированную систему управления моделируемым энергетическим оборудованием.

Моделирование энергетического оборудования, датчиков и исполнительных устройств выполняется в ЭВМ 4 модели технологического оборудования, которая соединена с контроллерами 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров посредством второго сетевого коммутатора 5, адаптеров связи 11 и ЭВМ 14 связи. Число f (количество ЭВМ 4 модели технологического оборудования) определяется сложностью имитационной модели и вычислительной мощностью ЭВМ 4 модели технологического оборудования.

Связи ЭВМ модели технологического оборудования с контроллерами 10 реализованы в виде физических токовых сигналов и сигналов по напряжению, связи ЭВМ модели технологического оборудования с ЭВМ 13 моделей контроллеров реализованы виртуально по информационной сети. Физические связи реализованы между контроллерами 10 и адаптерами связи 11, виртуальные связи - между ЭВМ 13 моделей контроллеров и ЭВМ 14 связи. Кроме этого часть типовых исполнительных устройств реализовано в виде физических электрических исполнительных устройств 12, которые подключены к контроллерам 10 и через адаптер связи 11 к ЭВМ 4 модели технологического оборудования.

Группа рабочих мест 8 управления тренингом и ЭВМ 16 управления сценарием являются рабочим местом инструктора (руководителя обучения). ЭВМ 16 управления сценарием обучения через четвертый сетевой коммутатор 15 связана с исполнительными ЭВМ 8 управления тренингом. ЭВМ 16 управления сценарием обучения обеспечивает задание сценариев обучения и управляет работой программного обеспечения исполнительных ЭВМ 8 управления тренингом.

На первой исполнительной ЭВМ 8₁ управления тренингом работает программное обеспечение с интерфейсом управления ЭВМ 4 модели технологического оборудования. На второй исполнительной ЭВМ 8₂ управления тренингом работает программное обеспечение, соответствующее программному обеспечению операторской станции, но с дополнительным набором функций по управлению рабочими местами тренинга 1-2, контроллерами 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров. На третьей исполнительной ЭВМ 8₃ управления тренингом работает программное обеспечение, соответствующее программному обеспечению ЭВМ 6 разработки программно-математического обеспечения (станции проектирования).

Группа рабочих мест 6 разработки программно-математического обеспечения (станции проектирования) является рабочими местами обучаемых, выполняющих проектирование и наладку систем автоматизированного управления для энергетического оборудования. На станциях проектирования разрабатывается прикладное программное обеспечение для ЭВМ рабочих места тренинга 1-2 и прикладное программное обеспечение для контроллеров 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров. Число g (количество рабочих мест 6) определяется количеством персонала, обучаемого проектированию и наладке.

Устройство работает следующим образом.

В режиме обучения эксплуатационного персонала.

Инструктор с помощью ЭВМ группы рабочих мест 8 управления тренингом подготавливает устройство к проведению выбранного сценария обучения. С помощью ЭВМ 16 управления сценарием задается сценарий обучения. При этом с помощью первой исполнительной ЭВМ 8₁ управления тренингом загружается соответствующее прикладное ПО контроллеров АСУТП в контроллеры 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров, с помощью второй исполнительной ЭВМ 8₂ управления тренингом задается необходимый режим работы моделируемого технологического оборудования на ЭВМ 4 модели технологического оборудования.

В процессе подготовки обучаемые операторы работают на рабочих местах 1 тренинга оперативного персонала. ЭВМ 1 тренинга оперативного персонала обучает навыкам контроля за состоянием технологического оборудования в виде информации на мнемосхемах (видеограммах), графиках и гистограммах, контроля аварийных режимов работы в виде технологической сигнализации, контроля действия защит и противоаварийной автоматики, ручного управления в виде задания начальных условий и формирования управляющих команд для алгоритмов, функционирующих в контроллерах 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров, ведения оперативной документации и др.

Обучаемый неоперативный персонал (дежурные инженеры) работает на рабочих местах 2 тренинга неоперативного персонала. ЭВМ 2 тренинга неоперативного персонала обучает навыкам контроля за состоянием технических средств управления, ведения регистрации состояний технологического оборудования, ведения оперативной документации, навыкам настройки и ведения архива технологических параметров, регистрации аварийных ситуаций, контроля за расчетом технико-экономических показателей и др.

Контроллеры 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров посредством первого сетевого коммутатора 3 обеспечивают работу групп тренинга оперативного персонала 1 и неоперативного персонала 2 и реализуют информационные и управляющие функции, соответствующие функциям нижнего уровня управления АСУТП. Информационные функции подсистемы управления включают в себя сбор, первичную обработку и распределение информации от подсистемы модели, а также передачу информации по информационной сети в подсистемы оперативного и неоперативного управления. Управляющие функции подсистемы управления включают в себя: дистанционное управление; автоматическое управление; технологические защиты, защитные блокировки и АВР; автоматическое логическое управление и др.

ЭВМ модели технологического оборудования 4 обеспечивают имитацию работы технологического оборудования, датчиков и исполнительных устройств. Имитационные сигналы из ЭВМ 4 модели технологического оборудования посредством второго сетевого коммутатора 5, адаптеров связи 11 и контроллеров 10, ЭВМ 14 связи и ЭВМ 13 моделей контроллеров поступают в ЭВМ группы тренинга оперативного персонала 1 и неоперативного персонала 2. Управляющие сигналы от ЭВМ групп тренинга оперативного персонала 1 посредством контроллеров 10 и устройств связи 11, ЭВМ 13 моделей контроллеров и ЭВМ 14 связи, второго сетевого коммутатора 5 поступают в ЭВМ 4 модели технологического оборудования.

Первая ЭВМ 8₁ управления тренингом реализует функции АСУТП моделируемого технологического оборудования и функции управления качеством работы системы управления - контроллеров 10 и ЭВМ 13 моделей контроллеров. При этом она обеспечивает выполнение заданного на ЭВМ 16 сценария обучения в границах системы управления.

Вторая ЭВМ 8₂ управления тренингом реализует функции контроля и управления ситуацией моделируемых технологических режимов в ЭВМ 4 модели технологического оборудования. При этом она обеспечивает выполнение заданного на ЭВМ 16 сценария обучения в границах модели технологического объекта.

В режиме обучения специалистов, выполняющих проектирование и наладку систем автоматизированного управления для энергетического оборудования.

Инструктор с помощью ЭВМ группы рабочих мест 8 управления тренингом подготавливает устройство к проведению выбранного сценария обучения. С помощью ЭВМ 16 управления сценарием задается сценарий обучения. При этом с помощью третьей исполнительной ЭВМ 8₃ управления тренингом загружается соответствующее ПО в ЭВМ 6 проектирования.

Для повышения эффективности управления технологическим процессом работа специалистов, выполняющих проектирование и наладку, выполняется совместно с оперативным персоналом, эксплуатирующим технологическое оборудование. При этом работа по проектированию выполняется как с опережением, до непосредственной эксплуатации технологического оборудования, так и в ходе эксплуатации (изменение алгоритмов, видеограмм и т.д.)

В процессе подготовки обучаемые работают за ЭВМ 6 проектирования. ЭВМ 6 проектирования обучают навыкам проектирования прикладного ПО для рабочих мест 1 тренинга оперативного персонала (операторских станций) и контроллеров 10, настройки и конфигурации рабочих мест 2 тренинга неоперативного персонала (инженерных и архивной станций), загрузки прикладного ПО, опробования работы алгоритмов. При этом инструктор с помощью третьей исполнительной ЭВМ 8₃ управления тренингом контролирует действия обучаемых и управляет процессом обучения.

Проектируемое прикладное ПО загружается в контроллеры 10, ЭВМ 13 моделей контроллеров, ЭВМ 1 оперативного персонала и ЭВМ 2 неоперативного персонала. После загрузки опробываются алгоритмы прикладного ПО, запроектированный интерфейс оперативного персонала и др.

При обучении контроллеры 10 и электрические исполнительные устройства 12 обеспечивают изучение особенностей и повышение навыков монтажа, настройки и наладки типовых технических средств АСУТП энергетического оборудования.

Из описанного выше видно, что совокупность признаков предлагаемого изобретения обеспечивает получение заявляемого технического результата - обучение группы специалистов (вахту), состоящей из оперативного и неоперативного персонала, взаимодействующих между собой в процессе эксплуатации технологического оборудования, а также специалистов, выполняющих проектирование и наладку систем автоматизированного управления технологического оборудования. Реализация устройства возможна специализированными учебными центрами по подготовке кадров для энергетических объектов и в учебных заведениях энергетического профиля.

Устройство эксплуатируется в лаборатории "Полигон АСУТП электростанций" кафедры Систем управления Ивановского государственного энергетического университета и использовано (апробировано) при подготовке оперативного и неоперативного персонала электростанций, наладочных организаций, а также студентов по специальности "Управление и информатика в технических системах".

Таким образом, устройство позволяет обучать группу специалистов, состоящую из оперативного и неоперативного персонала (вахту), взаимодействующих между собой в процессе эксплуатации технологического оборудования, а также специалистов, выполняющих проектирование и наладку систем автоматизированного управления технологического оборудования в процессе его создания, ввода в действие и последующей эксплуатации. Тем самым повышается эффективность и снижается стоимость обучения.

Источники информации

1. Патент RU 2202830, G 09 В 9/00.

2. Свидетельство на полезную модель RU 235, G 09 В 9/00.

1. Устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, представляющее собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержащее группу рабочих мест тренинга оперативного персонала и группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, группу ЭВМ модели технологического оборудования, соединенных с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, группу рабочих мест разработки программно-математического обеспечения, соединенных с соответствующими входами третьего сетевого коммутатора, группу рабочих мест управления тренингом и ЭВМ-шлюз, при этом первый сетевой коммутатор посредством ЭВМ-шлюз соединен с третьим сетевым коммутатором, отличающееся тем, что дополнительно содержит контроллер, соединенный с соответствующим входом первого сетевого коммутатора и с подключенными к нему электрическими исполнительными устройствами, ЭВМ моделей контроллеров, соединенные с соответствующими входами первого сетевого коммутатора, адаптеры связи, соединенные с соответствующими входами второго сетевого коммутатора, ЭВМ связи, соединенную с соответствующим входом второго сетевого коммутатора, при этом контроллер и электрические исполнительные устройства посредством адаптеров связи и второго сетевого коммутатора соединены с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ моделей контроллеров посредством ЭВМ связи и второго сетевого коммутатора соединена с ЭВМ модели технологического оборудования, ЭВМ управления сценарием обучения, соединенную посредством четвертого сетевого коммутатора с исполнительными ЭВМ управления тренингом, исполнительные ЭВМ управления тренингом соединены с ЭВМ модели технологического оборудования посредством второго сетевого коммутатора, с контроллерами и ЭВМ моделей контроллеров посредством первого сетевого коммутатора, с ЭВМ разработки программно-математического обеспечения посредством третьего сетевого коммутатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число k контроллеров определяется минимально необходимым для обучения неоперативного персонала количеством типовых электрических исполнительных устройств технологического объекта управления.