1. Основные принципы построения компьютерных тренажеров.
11. Требования, предъявляемые к построению КТ.
13. Структура и назначение КТ.
14. Назначение, состав и области применения КТ.
Компьютерный тренажёр представляет собой программно-технический комплекс, включающий в себя совокупность математической модели реальной АСУТП и сервисных систем обеспечения процесса тренировок.
Внедрение современной АСУТП не может быть полноценным без организации тренажёрной подготовки эксплуатационного персонала. При этом наибольший эффект по обучению и сокращению затрат на освоение персоналом новой техники может быть достигнут, если тренажёр будет введен в действие ещё до начала внедрения реальной АСУТП на объекте.
Основной целью создания компьютерного тренажёра является обеспечение процесса обучения и тренировки оперативного персонала в режиме реального времени с возможностью имитации его деятельности во всех эксплуатационных режимах работы оборудования (нормальных, переходных, предаварийных, аварийных, режимах пусков и остановов из различных тепловых состояний). Также тренажёр может быть использован в качестве испытательного стенда для изучения и отладки прикладного программного обеспечения АСУТП (защиты, блокировки, сигнализация, АВР, АСР, ФГУ и т.п.).
Полнота моделирования (технологическое оборудование и режимы его работы, контролируемые параметры и органы управления, набор воспроизводимых аварий и отказов в работе оборудования и устройств автоматики) обеспечивает использование тренажёра на всех этапах проведения подготовки оперативного персонала энергоблока:
начальной подготовке;
подготовке на новую должность;
противоаварийных тренировках смены;
соревнованиях и конкурсах профмастерства.
Компьютерные тренажеры для обучения студентов и специалистов предприятии цветной металлургии строятся на базе ПК, у которых клавиатура ПК (мышь) используется для управления процессом, отображение информации осуществляется на экране монитора, а системный блок предназначен для хранения математической модели и исходных данных, используемых для описания исследуемого процесса.
На экране монитора представлено головное меню, которое предлагает студенту выбрать тип изучаемого или управляемого процесса. Меню также позволяет выбрать один из возможных режимов работы компьютерного тренажера: обучения, контроля, советчика.
В режиме обучения на экран монитора выводятся подсказки и рекомендации по управлению процессом, после окончания сеанса обучения производится анализ допущенных ошибок.
В режиме контроля тренажер используется при проверке знаний студентов (защита лабораторных работ, сдача зачетов) и сдаче квалификационных экзаменов техническим персоналом металлургических предприятий при сдаче техминимума и сдаче квалификационных экзаменов на разряд. Данный режим отличается от режима обучения тем, что в процессе управления не выводятся на экран ошибки, допущенные студентом или мастером, они накапливаются в памяти компьютера и выводятся на экран после окончания сеанса обучения. По окончании сеанса обучения на экран дисплея выводится суммарная оценка, характеризующая эффективность усвоения материала по изучению процесса студентом, или эффективность приобретения навыков по управлению процессом технологическим и оперативным персоналом металлургических цехов. При необходимости на экран дисплея также можно вывести ошибки, допущенные студентом (мастером) в управлении процессом.
В режиме советчика тренажер применяется для коррекции хода реального технологического процесса в условиях действующего производства. Необходимость в такой коррекции может возникнуть как для многостадийных процессов (процесс аффинажа), так и для процессов с непрерывным технологическим режимом при отклонении основных регулируемых параметров от оптимального значения. Для осуществления такой коррекции технолог (мастер) должен с помощью компьютерного тренажера исследовать различные режимы, позволяющие исключить возникшие отклонения от технологического регламента и выбрать такие управляющие воздействия, которые в данной производственной ситуации могут принести наибольший эффект, т. е. позволят снова вывести процесс на заданный оптимальный режим работы. Использование компьютерных тренажеров в режиме советчика позволяет улучшить основные технико-экономические показатели технологических процессов путем выбора оптимальных режимов работы.
Для реализации вышеперечисленных функций, компьютерный тренажер должен отвечать требованиям многофункциональности, наглядности и информативности.
Для обеспечения наглядности на экран монитора должна быть выведена мнемосхема исследуемого процесса или агрегата с имитацией основной пускорегулирующей и контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой для управления данным процессом или агрегатом. Обозначение аппаратуры должно соответствовать обозначению, применяемому на рабочем месте.
Смотреть сигнализацию аварийных режимов и нештатных ситуаций с выводом параметров, достигших аварийных значений, на экран с имитацией световой и звуковой сигнализации.
Требование информативности обеспечивается тем, что на монитор выводится график изменения регулируемого параметра и значения основных входных и управляющих параметров, оказывающих существенное влияние на эффективность функционирования объекта и контролируются автоматически.
Многофункциональность предусматривает режим ускорения времени, его целесообразно использовать для процессов, имеющих большую (десятки минут) постоянную времени, для непрерывных процессов и для циклических процессов, длительность цикла которых составляет несколько часов.
Основу функционирования компьютерного тренажера составляет математическая модель исследуемого процесса и алгоритм функционирования.
При разработке математического и программного обеспечения необходимо, чтобы математическая модель была адекватной исследуемому процессу, а реакция математической модели и тренажёра в целом на управляющие воздействия идентичной реакции реального объекта на аналогичное возмущение. Математическая модель исследуемого процесса должна быть готова для работы в диалоговом режиме и позволять вводить в нее по ходу процесса необходимые управляющие воздействия, используемые при управлении реальным процессом, а также учитывать запаздывание тренажера на управляющие воздействия, которые имеют место в реальных процессах. При расчете управляющего воздействия нужно предусмотреть возможность прогноза регулируемой величины; математическая модель, являющаяся основой функционирования тренажера, должна содержать только параметры, автоматически контролируемые на данном агрегате, быть открытой и включать возможность получения дополнительной информации и возможность управления в реальном масштабе времени и в ускоренном режиме.
2. Компьютерный тренажер для исследования пиро- и гидрометаллургических процессов.
Примеры имитационного моделирования пирометаллургических процессов.
Относятся те процессы, которые протекают при высокой темпер. Процесс электролиза алюм. Процесс плавки в ртп Плавка в жидкой ванне Конвертирование Процесс спекания глинозема во вращающихся печах.
Пирометаллургические процессы можно разделить на: - электро-технологические металургич. процессы (плавка в ртп, алюм) - пирометаллургические процессы в которых источником энергии является или углерод или сера входящие в состав шихты.
При составлении структурной схемы пиром процесса необходимо указать входные и выходные параметры используемые в управлении и оценки данного процесса.
Основными входными параметрами с помощью которых производится плавка является: Gш – кол-во шихты, Gв – воздуха, Cв/к – соотношение воздуха на кислород, Gт – топливо. Выходные показатели: П – производительность, СNi – содержание никеля, Т – температура процесса.
ЭВМ по имеющейся матем. Модели рассчитывает настройки локальных АСР, которые с помощью исполнит. Механизмов изменяют управляющ. воздействия. В АСУТП настройки АСР рассчитываются таким образом, чтобы это приводило к мах возможному значению всех выходных параметров.
Примеры имитационного моделирования гидрометаллургических процессов.
К гидрометаллургическим процессам относят процессы, в которых ТП протекает в водной сфере или в растворах электролита. К гидрометаллургическим процессам относят: - вскрытие сырья жидкофазным хлорированием, - аффинаж палладия и платины, - выщелачивание нефелиновых спёков. Особенностью процесса является то, что они протекают при относительно низкой температуре до 100С, чтобы избежать вскипания раствора.
Структурная схема АСУ гидрометаллургическим процессом на примере аффинажа палладия.
При построении АСУ ТП гидрометаллургическим процессами в качестве входных и выходных параметров необходимо привести конкретные технологические параметры. Для аффинажа: - кол-во подаваемого раствора, кол-во пара, кол-во воды, кол-во кислоты, кол-во аммиака. Выходные параметры: - температура и ОВП. Мат. Модель:
Основой функционирования АСУ ТП является мат. модель. Для управления процессом аффинажа может использоваться управление программное, так и управление с обратной связью. ЭВМ включенная в контур управления может работать в режимах: режим советчика (система поддержки принятия решений), в этом режиме выдает ЭВМ рекомендации по управлению, а решение принимает человек. режим супервизорного управления, который реализуется через локальную АСР – регулирование отдельных входных параметров. ЭВМ рассчитывает настройки локальной АСР и автоматически выставляет их. Использование такого режима позволяет реализовать управление с позиции системного подхода и решение оптимизационных задач.
3. Понятие имитационного моделирования, области применения, анализ результатов имитационного эксперимента.
9. Понятие имитационного моделирования.
Имитационная модель (ИМ) – это формальное, то есть выполненное на некотором формальном языке, описание логики функционирования исследуемой системы и взаимодействия отдельных ее элементов во времени, учитывающее наиболее существенные причинно-следственные связи, присущие системе, и обеспечивающее проведение статических машинных экспериментов.
Целесообразность использования моделей:
1. Нет законченной постановки задачи исследования, постоянно идет процесс познания объекта моделирования.
2. Характер протекающих в системах процессов не позволяет описывать их в аналитической форме, т.к. стохастические процессы, на которые воздействуют большое количество случайных возмущений (РТП).
3. Необходимо наблюдать за поведением систем, технологические процессы относятся к непрерывным, то исследования в данном направлении может быть безграничным.
4. Требуется исследовать систему при введении в нее новых компонентов (при контроле хим.состава газов, выбрасываемых в атмосферу или фтористого водорода при электролизе алюминия).
5. исследование аварийных и предаварийных режимов работы.
6. Освоение новой техники повышает квалификацию специалистов.
Для построения используют методы: корреляционного, регрессионного анализа, метод непараметрического моделирования и мат. модели построенные по уравнениям физ-хим превращений(для аффинажа платиновой группы), мат.-тепловых балансов (РТП, электролиз Ал-пиромет.процессы). Стохастические и непараметрические модели используются в случае наличия значительного кол-ва экспериментальных данных.
Оценка качества имитационной модели является завершающим этапом ее разработки и преследует две цели:
Проверить соответствие модели ее предназначению (целям исследования);
Оценить достоверность и статистические характеристики результатов, получаемых при проведении модельных экспериментов.
При аналитическом моделировании достоверность результатов определяется двумя основными факторами:
Корректным выбором математического аппарата, используемого для описания исследуемой системы;
Методической ошибкой, присущей данному математическому методу.
При имитационном моделировании на достоверность результатов влияет целый ряд дополнительных факторов, основными из которых являются:
Моделирование случайных факторов, основанное на использовании датчиков случайных чисел, которые могут вносить «искажения» в поведение модели;
Наличие нестационарного режима работы модели;
Использование нескольких разнотипных математических методов в рамках одной модели;
Зависимость результатов моделирования от плана эксперимента;
Необходимость синхронизации работы отдельных компонентов модели;
Наличие модели рабочей нагрузки, качество которой зависит, в свою очередь от тех же факторов;
Пригодность имитационной модели для решения задач исследования характеризуется тем, в какой степени она обладает так называемыми целевыми свойствами. Основными из них являются:
Адекватность;
Устойчивость;
Чувствительность;
Оценка адекватности модели. Под адекватностью понимают степень соответствия модели тому реальному явлению или объекту, для описания которого она строится.
Оценка устойчивости модели. Устойчивость модели - это ее возможность сохранять адекватность при исследовании эффективности системы на всем возможном диапазоне рабочей нагрузки, а также при внесении изменений в конфигурацию системы.
Оценка чувствительности ИМ. Чувствительности модели к изменению параметров рабочей нагрузки и внутренних параметров самой системы.
Калибровка модели. Коррекцию с целью приведения в соответствие предъявляемым требованиям.
Области применения:
Бизнес процессы, боевые действия, динамика населения, дорожное движение, ИТ-инфраструктура, математическое моделирование исторических процессов, логистика, пешеходная динамика, производство, рынок и конкуренция, сервисные центры, цепочки поставок, уличное движение, управление проектами, экономика здравоохранения, экосистема, информационная безопасность.