Комплексный рекурсивно-идентификационный тренажер (КРИТ-1) для подготовки эксплуатационного персонала энергообъекта

Изобретение относится к средствам подготовки оперативного персонала энергетического оборудования, а также персонала, выполняющего ремонт и техобслуживание технологического (энергетического) оборудования.

Большое значение в новой современной методологии моделирования придается методике агрегирования грубых моделей. Основная идея агрегирования грубых (аналитических) моделей состоит в том, что начальное синтаксическое и семантическое содержание отдельных подсистем объекта моделирования объединяется (агрегируется) в одну сложную систему с целью определения в дальнейшем интегральных свойств агрегированной модели при ее адаптации, отличных от индивидуальных свойств отдельных подсистем.

Аналитическая модель - это, в общем случае, в энергетике - формула, представляющая математическую зависимость тепловых, гидравлических, аэродинамических, механических, электротехнических и химических процессов в объекте моделирования, показывающая, что выходы модели находятся в функциональной зависимости от входов.

Основанием каждой модели, таким образом, является более или менее развитая теория объекта моделирования (аналитическая модель); эта теория укладывается в синтаксически установленные рамки, в концепцию системы, положенную в основу конкретного построения модели.

Системная концепция фиксирует общие рамки модели, иначе говоря, она определяет структуру модели. Конкретная форма модели, в которой она уподобляется объекту моделирования, получается благодаря тому, что экспериментальные (эмпирические) данные приводят форму модели в соответствие с объектом, то есть для параметров модели, ее степеней свободы шаг за шагом устанавливаются все более достоверные знания. В этом смысле каждая разработанная модель выражает компромисс между теорией и практикой, теоретическими познаниями и эмпирическими данными.

С точки зрения адекватности модели исходному объекту указанный подход гарантирует не только уменьшение избыточности при грубом аналитическом моделировании, но и такой синтаксис, то есть описание отношений между согласованными величинами в виде алгоритмов и формул модели, и такую семантику модели, то есть соответствие входных и выходных величин и состояний реальному объекту, при котором ее поведение будет адекватным поведению реального объекта.

Применительно к энергетике противоречие семантического содержания аналитической модели и эмпирическими фактами выглядит следующим образом. Современные энергообъекты, рассматриваемые как объект моделирования, в большинстве своем нестационарны, нелинейны, многомерны, со многими внутренними обратными связями, невелика или отсутствует вовсе априорная информация о форме и степени взаимосвязи между переменными в динамике в реальных условиях эксплуатации. Это значительно усложняет получение их адекватного математического описания. Использование разработчиком модели для этой цели априорной информации, которая имеется, например, в распоряжении конструктора (физические, химические, механические закономерности, нормативные документы) в большинстве случаев вызывает затруднения. Это определяется следующим.

Закономерности (уравнения кинетики, тепломассообмена, материального баланса и пр.) при эксплуатации энергообъекта значительно искажаются, т.е. изменяется форма и степень связи между переменными из-за изменения масштабов процесса, влияния помех, шумов различного рода, отклонения от идеальных условий.

Кроме того, математическая модель должна включать одновременное влияние на выходную переменную всех входных параметров: однако это уравнение не может быть получено из уравнений зависимостей выходной переменной от каждого из входных параметров, тем более, что для реальных тепловых, электрических и химических процессов все переменные по своей природе стохастические.

Для преодоления указанных противоречий и проблем и создаются так называемые имитационные модели, которые с позиций классификации представляют некоторый симбиоз материальной и идеальной модели. То есть имитационную модель формально можно представить себе как идеальную (знаковую) модель, соединенную с материальным объектом (компьютером) и выраженную в виде программного обеспечения. Причем существенным признаком имитационной модели является способность ее к адаптации, то есть способность к преодолению противоречий между теоретическими познаниями и эмпирическими данными путем верификации и валидации. Естественно, что в таких условиях использование всей априорной информации практического изучения реальных процессов значительно ускоряет процесс получения модели. Результаты промышленных экспериментов, оказываются существенными при определении синтаксиса и семантики модели, то есть при решении задач выбора структуры модели, оценки параметров, стационарности, линейности, выбора информативных переменных, оценки степени адекватности модели реальному объекту и т.д.

Современное, имитационное моделирование промышленных объектов (физико-статистическая идентификация) включает в себя два подхода: физико-технологический (аналитический) и функционально-статистический (верификация и валидация).

Концепция физико-статистического подхода к анализу технологических объектов заключается в том, что структура модели исследуемого объекта должна быть сформирована на основе физико-технологического анализа причинно-следственных связей переменных объекта и возмущении внешней среды, а оценка параметров модели и корректировка структуры должна проводиться статистическими методами по конкретным данным функционирования технологического объекта. Концепция этого подхода определяет основную сторону методологии в постановке и решении всех задач моделирования энергообъектов для тренажеростроения.

Что же касается окончательной идентификации модели, то в этом смысле системный парадокс оперативной (тренажерной) модели объекта состоит в том, что принципиально невозможно сформировать критерий приближения к реальному объекту его модели, синтезируемой по реакциям объекта на управляемые и неуправляемые воздействия, если неизвестны эти реакции.

Таким образом, формирование критерия приближения модели тренажера к объекту можно реализовать только путем организации специальных рекурсивных экспериментальных процедур для определения реакций объекта на управляемые и неуправляемые воздействия, а именно, верификации - для корректировки структуры модели (синтаксис), и валидации для корректировки параметров модели (семантика).

Прототипом заявленного технического решения является устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования, известное из патента RU 2611669 С1 (опублик. 28.02.2017). Устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования представляет собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержащее группу рабочих мест тренинга оперативного персонала, группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами соответствующих сетевых коммутаторов, ЭВМ расчета модели оборудования, ЭВМ рабочего места управления тренингом, соединенных с соответствующими входами основного коммутатора, соединенного с остальными сетевыми коммутаторами, отличающееся тем, что дополнительно содержит ЭВМ базы данных автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУТП), соединенную с блоками моделирования и основным коммутатором, ЭВМ базы данных предупредительной сигнализации, соединенную с блоком предупредительной сигнализации и с основным коммутатором, блок ранней диагностики аварийной ситуации, соединенный с модулями обработки и коммутации результатов моделирования и блоками управления моделью и блоком учебно-методического обеспечения, блок предварительной индексации качества топлива, соединенный с модулем защит и блокировок, базой данных АСУТП и блоком управления моделью, блок обучения персонала техобслуживания и ремонта, соединенный с блоком управления моделью и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, модуль телефонных переговоров, соединенный с блоком учебно-методического обеспечения и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, соединенным посредством сети коммутаторов с рабочими местами тренинга технического и ремонтного персонала, блок моделирования аварийных ситуаций, соединенный с блоком обработки и коммутации результатов моделирования и модулем защит и блокировок, модуль защит и блокировок, соединенный с модулем моделирования аварийных ситуаций и модулями теплотехнического, тепломеханического, гидравлического, аэродинамического, электротехнического моделирования и модулем моделирования химводоочистки, которые соединены с базой данных АСУТП и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, модуль пошаговых программ, соединенный с модулями обработки и коммутации результатов моделирования и блоком управления моделью.

Недостатками прототипа является то, что на представленном в качестве прототипа устройстве невозможно проводить рекурсивную структурную и/или параметрическую идентификацию, а именно:

- периодическую итерационную структурную (синтаксическую) верификацию модели технологического объекта;

- и/или периодическую итерационную параметрическую (семантическую) валидацию модели технологического объекта тренажера.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение эффективности подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования путем увеличения точности (степени адекватности) моделирования реального объекта управления.

Технический результат достигается посредством устройства позволяющего производить настройку модели реального объекта управления, и представляющего собой набор блоков для рекурсивной идентификации, соединенных с соответствующими входами блока управления модели, и входами-выходами АСУТП реального объекта управления через основной сетевой коммутатор.

Таким образом, в схему прототипа предлагается включить блоки 32-37 обеспечивающие возможность проведения указанных операций (блоки рекурсивной идентификации). А именно: 32 - блок передатчика прерывателя, 33 - блок вариатора, 34 - блок анализатора, 35 - блок корректора, 36 - блок интегратора, 37 - блок ограничителя допусков. Результаты моделирования поступают из модуля обработки и коммутации моделирования 11 в основной сетевой коммутатор 10, далее в блок передатчик-прерыватель 32, после попадают в вариатор 33. Результаты функционировании объекта управления 39, собираемые АСУТП объекта управления 38, через основной сетевой коммутатор 10, поступают в блок передатчик-прерыватель 32 и передаются на вход анализатора 34. На второй вход анализатора 34, подаются измененные результаты моделирования с вариатора 33, результаты анализа подаются на вход блока корректора 35, и на вход интегратора 36, после чего на выход интегратора через ограничитель допусков 37 подаются на второй вход корректора 35. Корректор 35 на основе данных на входах выдает корректирующие импульсы в блок управления моделью 29, что производит необходимые изменения в процессе моделирования. Для прерывания процесса рекурсивной идентификации в блоке передатчика-прерывателя 32 предусмотрен механизм прерывания передачи результатов функционирования объекта управления на вход анализатора 34.

Устройство может функционировать в оперативном режиме, в режиме обучения или в режиме рекурсивной идентификации модели объекта управления. Этим обеспечивается возможность реализации комплексного системного подхода к профессиональной подготовке персонала на более адекватной, то есть рекурсивно идентифицированной модели оборудования.

На фигуре 1 показана техническая структура заявленного устройства:

поз. 1 - группу рабочих мест тренинга оперативного персонала,

поз. 2 - группу рабочих мест тренинга технического персонала,

поз. 3 - группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала,

поз. 4 - группу рабочих мест ремонтного персонала,

поз. 5 - рабочее место управления тренингом (станция инструктора),

поз. 6-10 - сетевые коммутаторы,

поз. 11 - модуль обработки и коммутации результатов моделирования,

поз. 12 - модуль теплотехнического моделирования,

поз. 13 - модуль тепломеханического моделирования,

поз. 14 - модуль гидравлического моделирования,

поз. 15 - модуль аэродинамического моделирования,

поз. 16 - модуль электротехнического моделирования,

поз. 17 - модуль моделирования химводоочистки,

поз. 18 - модуль предупредительной сигнализации,

поз. 19 - модуль защит и блокировок,

поз. 20 - модуль пошаговых программ,

поз. 21 - модуль телефонных переговоров,

поз. 22 - модуль сценариев тренировок,

поз. 23 - блок ранней диагностики аварийной ситуации с масштабированием времени,

поз. 24 - блок предварительной индексации качества топлива,

поз. 25 - блок моделирования аварийных ситуаций,

поз. 26 - блок учебно-методического обеспечения УМО,

поз. 27 - блок обучения персонала техобслуживания и ремонта,

поз. 28 - ЭВМ базы данных АСУТП,

поз. 29 - блок управления моделью,

поз. 30 - ЭВМ расчета модели объекта (сервер),

поз. 31 - ЭВМ базы данных предупредительных сигнализаций,

поз. 32 - блок передатчика прерывателя,

поз. 33 - блок вариатора,

поз. 34 - блок анализатора,

поз. 35 - блок корректора,

поз. 36 - блок интегратора,

поз. 37 - блок ограничителя допусков,

поз. 38 - АСУТП объекта управления,

поз. 39 - объект управления.

Заявленное устройство подготовки эксплуатационного персонала энергетического оборудования представляет собой рассредоточенную информационно-управляющую систему тренинга, содержащее группу рабочих мест тренинга оперативного персонала, группу рабочих мест тренинга неоперативного персонала, соединенных с соответствующими входами соответствующих сетевых коммутаторов, ЭВМ расчета модели оборудования, ЭВМ рабочего места управления тренингом, соединенных с соответствующими входами основного коммутатора, соединенного с остальными сетевыми коммутаторами, отличающееся тем, что дополнительно содержит ЭВМ базы данных автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУТП), соединенную с блоками моделирования и основным коммутатором, ЭВМ базы данных предупредительной сигнализации, соединенную с блоком предупредительной сигнализации и с основным коммутатором, блок ранней диагностики аварийной ситуации, соединенный с модулями обработки и коммутации результатов моделирования и блоками управления моделью и блоком учебно-методического обеспечения, блок предварительной индексации качества топлива, соединенный с модулем защит и блокировок, базой данных АСУТП и блоком управления моделью, блок обучения персонала техобслуживания и ремонта, соединенный с блоком управления моделью и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, модуль телефонных переговоров, соединенный с блоком учебно-методического обеспечения и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, соединенным посредством сети коммутаторов с рабочими местами тренинга технического и ремонтного персонала, блок моделирования аварийных ситуаций, соединенный с блоком обработки и коммутации результатов моделирования и модулем защит и блокировок, модуль защит и блокировок, соединенный с модулем моделирования аварийных ситуаций и модулями теплотехнического, тепломеханического, гидравлического, аэродинамического, электротехнического моделирования и модулем моделирования химводоочистки, которые соединены с базой данных АСУТП и модулем обработки и коммутации результатов моделирования, модуль пошаговых программ, соединенный с модулями обработки и коммутации результатов моделирования и блоком управления моделью, при этом содержит блок передатчика прерывателя, блок вариатора, блок анализатора, блок корректора, блок интегратора, блок ограничителя допусков, причем результаты моделирования поступают из модуля обработки и коммутации моделирования в основной сетевой коммутатор, далее в блок передатчик-прерыватель, после попадают в вариатор, результаты функционировании объекта управления, собираемые АСУТП объекта управления, через основной сетевой коммутатор, поступают в блок передатчик-прерыватель и передаются на вход анализатора, на второй вход анализатора, подаются измененные результаты моделирования с вариатора, результаты анализа подаются на вход блока корректора, и на вход интегратора, после чего на выход интегратора через ограничитель допусков подаются на второй вход корректора, корректор на основе данных на входах выдает корректирующие импульсы в блок управления моделью.