УНЦТЭ

Учебно-научный центр тренажеров энергетики

Ивановский энергоуниверситет является одним из старейших энергетических ВУЗов России. Годом его образования считается 1918. Тогда по декрету Совнаркома, подписанному В.И. Лениным, в г. Иваново был перемещён Рижский политехнический институт и образован Ивановский политехнический институт. В 1936 году он разделился на целый ряд отдельных ВУЗов. В их числе был и Ивановский энергетический институт (ИЭИ), который затем (в 1992 году) был переименован в Ивановский государственный энергетический университет.

ИЭИ, а затем и ИГЭУ всегда поддерживал самые тесные связи с Московским энергетическим институтом (одно время был даже его филиалом), поэтому его научные школы развивались в тесном контакте с ведущими учёными-энергетиками СССР, а затем России. Научные работники ИГЭУ всегда находились на острие решения насущных проблем энергетики.

Коллектив УНЦТЭ, являясь одним из научных подразделений ИГЭУ, сложился ещё в 90-х годах прошлого века под руководством заведующего кафедрой АЭС Каёкина В.С. С тех пор, даже в самые трудные времена, он не прекращал свою деятельность по разработке компьютерного программного обеспечения для подготовки специалистов-энергетиков. В настоящее время он является одной из старейших организаций России, разрабатывающих полномасштабные компьютерные тренажёры для энергетики. Основным его «коньком» сегодня является разработка математических моделей процессов и оборудования электростанций. Модели являются не только основой для разработки тренажёров, но также позволяют проводить на них различные исследования работы оборудования в различных режимах, в том числе и элементов АСУ ТП. Уровень подготовки персонала УНЦТЭ ИГЭУ и накопленный им на настоящий момент опыт позволяет разработать полномасштабный тренажёр для станций, имеющих в своём составе практически любое оборудование.

Все разработки проводятся при непосредственном участии персонала энергопредприятия под конкретное оборудование. Их в полной мере можно считать совместными разработками.

Кроме полномасштабных тренажёров «в арсенале» УНЦТЭ имеются спектр локальных тренажёров по отдельным системам оборудования электростанций, а также широкий набор автоматизированных обучающих систем (АОС) и программ для проверки знаний НТД.

В настоящее время центром руководит заведующий кафедрой Паровых и газовых турбин Виноградов Андрей Львович.

Концептуальные основы для разработки тренажёров

В Учебно-научном центре тренажёров в энергетике (УНЦТЭ) Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) при поддержке целого ряда энергетических предприятий России уже достаточно давно ведутся работы по созданию и совершенствованию тренажёров для подготовки оперативного персонала котло-турбинных цехов энергопредприятий. Нами разработан и внедрён целый ряд тренажёров для энергоблоков различных типов и мощности (в том числе ПГУ), сжигающих все виды топлива и имеющих в своём составе самое разное оборудование. Примерная схема одного из наших тренажёров приведена на рис. 1. Все это время споры вокруг тренажёров не утихают. В настоящее время на рынке имеется достаточное количество различных тренажёрных продуктов. Многие из них, по нашему мнению, не отвечают требованиям, предъявляемым к тренажёрам на современном этапе развития энергетики. Цель данной публикации – это представить наш взгляд на перспективы развития данной отрасли и поделиться собственным (может быть, скромным) опытом работы в ней.

В настоящий момент вопрос о необходимости непрерывной тренажерной подготовки персонала энергопредприятий не вызывает никаких споров. В первую очередь это связано с борьбой за повышение надежности, безаварийности и экономичности работы оборудования энергоблока.

Доля аварий и нарушений по вине персонала достигает 15%, а некоторые эксперты называют 40% аварий по вине операторов как реальный показатель для энергоблоков 200-1200 МВт. Опыт эксплуатации свидетельствует, что во время освоения новых технологий управления энергоблоками, их аварийность значительно выше и нарушения по вине операторов достигают от 25% до 80%.

В связи с этим первоочередной задачей подготовки персонала на тренажере является задача научить персонал ориентироваться в сложных ситуациях аварийных и переходных режимов и выбирать правильные решения. Тренажерная подготовка открывает возможности разыгрывания на математических моделях, положенных в основу тренажера, самых разнообразных ситуаций, которые могут встретиться на практике, в том числе самых маловероятных аварий, не рискуя при этом оборудованием станции.

При этом, современный тренажёр, по нашему мнению, должен отвечать ряду очень жёстких требований.

1. По составу, динамике, функциям интерфейса, технологическим нюансам и т.д. тренажёры должны быть максимально приближены к оборудованию реального блока-прототипа и условиям работы на нём. Соответственно таких тренажёров на энергопредприятии должен быть не один, а как минимум один на каждую очередь. Хотя и этого может быть недостаточно. Как известно, у нас в стране «нет двух одинаковых блоков». Процесс разработки и строительства блоков ПГУ это лишний раз доказал. В идеале – каждому блоку свой тренажёр. А поэтому, тренажёры должны быть дёшевы (по крайней мере относительно).

2. Тренажёры должны быть мобильны и доступны. Под мобильностью и доступностью мы подразумеваем простоту и дешевизну их разработки, установки и обслуживания, отсутствие ограничений по тиражированию внутри предприятия. При этом количество рабочих мест тренажёра должно быть неограниченным и определяться в зависимости от целей и задач тренировки инструктором тренажёра. Тренажёр должен позволять проведение тренировок как индивидуально, так и в составе смены.

Для достижения дешевизны разработки можно дать несколько практических советов:

• привлекать к разработке тренажёров организации, имеющие богатый опыт их изготовления, а значит, кроме опыта, имеющие достаточное количество заготовок, шаблонов, стандартных отработанных решений и т.д. Это может значительно снизить цену тренажёра и сократить сроки его разработки;
• не использовать при разработке тренажёров каких либо внешних автономных (часто неспециализированных) математических и графических пакетов. Они дороги сами по себе, капризны при работе, поглощают очень много времени и ресурсов;
• разработку тренажёров проводить «оптом», сразу для нескольких блоков, особенно если они однотипны. Это также позволит резко сократить их стоимость.

Для достижения простоты и дешевизны установки и обслуживания:

• тренажёр должен работать на обычных серийных компьютерах, под управлением стандартной широко распространённой системы (например, Windows), в обычной сети (например, Microsoft). При этом должны использоваться только стандартные приложения, для работы которых не нужно приобретать дополнительных лицензий и сертификатов;
• тренажёры должны легко устанавливаться персоналом энергопредприятия без помощи разработчиков;
• тренажёры ничем не должны быть защищены от тиражирования (внутри предприятия) и могут быть установлены в любом количестве копий, необходимых для организации качественного учебного процесса.

3. Математическая модель тренажёра должна быть:

• полная, т.е. должна охватывать всё оборудование блока, от работы которого зависит качество ведения режима;
• всережимная, т.е. позволять обучаемому работать во всём диапазоне нагрузок и режимов реального блока-прототипа;
• неразрывная. Под этим требованием понимается способность модели обеспечить непрерывную работу тренажёра во всём диапазоне нагрузок в режиме «свободного полёта» без каких либо перескакиваний, искусственных переходов, перезагрузки тренажёра. Например, обучаемый должен иметь возможность растопиться, набрать нагрузку, поработать по графику, включить/отключить любое оборудование, «отвалиться по защите», осуществить горячий подхват с расхолаживанием тракта до ВЗ и т.д. И всё это в «свободном полёте» без каких либо ограничений и перезагрузки режима.
• точная. Современные компьютеры, с нашей точки зрения, способны обеспечить такую точность моделирования, при которой тренажёры можно использовать для проведения на нём исследований работы оборудования блока в различных режимах (в том числе АСУ, системы регулирования, контроллеров). Тренажёр – достаточно дорогая вещь и использовать её только для подготовки персонала, с нашей точки зрения, уже нерационально. Возможно и необходимо проводить на нём различные исследования с целью оптимизации режимов и повышению надёжности работы оборудования, прогнозированию его состояния, поиска оптимальных алгоритмов работы АСУ и т.д. Тем более, что данные, накопленные в современных АСУ ТП, дают очень широкие возможности в этом плане.

4. Тренажёр – это обучающая программа. Поэтому, наряду с хорошей качественной математической моделью и интерфейсом, тренажёр обязательно должен иметь обучающую направленность, заключённую обычно в АРМе (автоматизированное рабочее место инструктора).

В тренажёре должны обеспечиваться такие стандартные очень важные учебные функции как автоматическое оценивание, протоколирование, откат, заморозка, ускорение/замедление процесса, обеспечение различных режимов работы тренажёра (самоподготовка, проверка и т.п.), запись всего хода тренировки с возможностью последующего анализа и повторного прохождения с любого места и другие функции, обеспечивающие учебные свойства тренажёра. Это не менее важно для тренажёра, чем хорошая модель и интерфейс.

Автоматизированное рабочее место инструктора – это также очень важная составляющая учебного процесса с использованием тренажёров. Помимо стандартных функций полномасштабного контроля за учебным процессом, АРМ, с нашей точки зрения, должен обладать ещё рядом свойств.

При знакомстве с тренажёром нас часто спрашивают – «сколько исходных состояний в вашем тренажёре, какие тренажёрные задачи в нём присутствуют, какие действия обучаемого и по какому алгоритму оцениваются?».

Все эти вопросы, по нашему мнению, не к разработчику. Рабочее место инструктора должно позволять ему самостоятельно (без помощи разработчика) создавать любые исходные состояния, разрабатывать и реализовывать на тренажёре любые сценарии тренировок, формировать способы, качественные и количественные критерии автоматизированной оценки действий обучаемого. При этом тренажёр превращается в динамический саморазвивающийся и постоянно совершенствующийся объект, постоянно находящийся «на острие» борьбы за организацию качественного, экономичного и безаварийного процесса производства энергии.

Как уже отмечалось выше, современный тренажёр – это не только учебный, но также и исследовательский инструмент, позволяющий (при качественном его изготовлении) проводить самые разные исследования по оптимизации режимов работы оборудования энергоблока, изучению надёжности его работы, разработке и оптимизации алгоритмов работы автоматики и т.д. На наших тренажёрах уже достаточно давно проводятся подобные исследования. В связи с этим хотелось бы остановиться ещё на одном направлении тренажёростроения.

С началом внедрением на энергопредприятиях АСУ ТП нового поколения и бурным развитием компьютерной техники появилась возможность соединения реального оборудования этих систем с полномасштабной математической моделью энергоблока и создания «виртуального» энергоблока. Эта задача в настоящее время многим (и нам в том числе) кажется достаточно актуальной и перспективной. Наличие виртуального энергоблока на базе ПТК дает возможность решить широкий круг задач, вплоть до полной автоматизации управления блоком в различных режимах его работы.

Сложившийся в УНЦТЭ ИГЭУ и признанный энергетикой высокий уровень разработки математического и программного обеспечения для тренажеров, позволил подойти к этой задаче вплотную.

В УНЦТЭ был разработана полнообъёмная версия виртуальной ПТК «Квинт» для блока 300 МВт КГРЭС (включая турбинный контроллер) с математической моделью.

В результате получился некий виртуальный блок, который может позволить:

• Получить полную идентичность работы систем автоматики;
• Производить предварительную проверку и тестирование новых систем и алгоритмов работы автоматики (вплоть до реализации пошагового автоматического пуска) до реализации их на блоке;
• Тестировать и совершенствовать работу действующей автоматики в различных технологических режимах;
• Для проектных и пусконаладочных организаций появляется возможность проверки проектных решений на стадии проектирования АСУ ТП. В частности, возможна проверка объема и правильности работы технологических защит, технологических блокировок, в том числе блокировок взрывобезопасности. Возможна предварительная оценка настроечных коэффициентов автоматических регуляторов.

Польза такого продукта несомненна, но, к сожалению, проанализировав полученный продукт, мы поняли, что это не тренажёр. Мы получили специализированный «полигон» для проведения всевозможных исследований. Тренажёром (в нашем понимании) он не может являться потому, что почти полностью утратил свою обучающую направленность из-за того, что реальный ПТК никоим образом не предназначена для реализации учебных функций. Он не позволяет (или позволяет с очень большим трудом) реализовать практически ни одну из рассмотренных выше «учебных» функций тренажёра. При этом продукт получается очень дорогим как при разработке, так и при обслуживании, полностью немобильным и нетиражируемым.

Таким образом приходится сделать вывод о том, что в настоящее время существуют два направления в нашей отрасли: тренажёростроение и «полигоностроение». И нам кажется, их пока нельзя смешивать.

Тренажёры УНЦТЭ

На сегодняшний день ИГЭУ имеет в своём активе порядка 15 полномасштабных тренажёров энергоблоков ТЭС, в том числе пылеугольных и ПГУ. Центром получено более 50 свидетельств РОСПАТЕНТа о регистрации программ на ЭВМ по тренажёрной тематике. На тренажёрах УНЦТЭ проводились соревнования профессионального мастерства различного уровня, где тренажёры получили высокую оценку профессионалов энергетиков. Разработка «Тренажёры для подготовки персонала энергоблоков ПГУ» стала номинантом на получение премии Правительства РФ для молодых учёных в 2014 году. При разработке не используется какие-либо внешние математические и программные пакеты. Всё математическое и программное обеспечение является авторской разработкой коллектива УНЦТЭ.

Предлагаемы нами тренажёры разрабатываются в соответствии со следующими требованиями:

Комплексность - возможность подготовки персонала в полном объеме его профессиональной деятельности как индивидуально, так и в составе смены;

Вариативность - количество рабочих мест тренажёра (в том числе и удалённых) должно быть неограниченно и устанавливаться инструктором в зависимости от целей и задач тренировки (с учётом наличия техники);

Мобильность – ПО тренажёра должно легко устанавливаться обслуживающим персоналом без помощи Исполнителя в неограниченном количестве копий (внутри предприятия) для обеспечения его пропускной способности и доступности;

Контролируемость – тренажёр должен включать в свой состав развитое автоматизированное рабочее место (АРМ) инструктора.

Адекватность - по составу, динамике, виду и функциям интерфейса, технологическим нюансам и т.д. тренажёр должны быть максимально приближен к оборудованию реального блока-прототипа и условиям управления им.

Обновляемость – всё ПО тренажёра должно постоянно модернизироваться вместе с развитием и повышением возможностей компьютерной техники и потребностей энергопредприятий.

Наличие системных функций - контроль за распределением ресурсов системы и обеспечение удалённого доступа к ресурсам тренажёра.

Требования к математическим моделям наших тренажёров:

Полнота - должна охватывать всё оборудование блока, от работы которого зависит качество ведения режима;

Всережимность - должна позволять обучаемому работать во всём диапазоне нагрузок и режимов реального блока-прототипа;

Неразрывность - способность модели обеспечить непрерывную работу тренажёра во всём диапазоне нагрузок и при любых воздействиях в режиме «свободного полёта» без каких либо перескакиваний, искусственных переходов, перезагрузки тренажёра;

Точность – должна быть такой, при которой тренажёр можно использовать для проведения на нём исследований работы оборудования блока и отладки алгоритмов управления в различных режимах (в том числе АСУ, системы регулирования, контроллеров);

Адекватность - реакция модели все возможные события должна быть аналогична реакции энергоблока-прототипа;

Масштабируемость - должна предоставлять возможность работы как в реальном времени, так и позволять ускорять/замедлять процессы, а также их остановки (заморозки);

Требованию к АРМу (пульту) инструктора (должно обеспечивать возможность):

• оперативного контроля за ходом тренировки (как в цифровом, так и в аналоговом виде) и, при необходимости, вмешательства в процесс (внесение внутренних возмущений);
• администрирования (текущего и перспективного) контингента обучаемых, инструкторов, ответственных лиц, состава, сроков тренировок, индивидуальных заданий, формы и состава протокола и т.д.;
• осуществлять изменение масштаба времени работы модели (реальное время, ускорение/замедление, заморозка);
• осуществлять «откат» процесса тренировки;
• осуществлять запись и сохранение всего хода тренировки с возможностью последующего просмотра, анализа и её повтора с любого места;
• осуществлять прерывание тренировки и её возобновление через любое время (в случае непредвиденной аварии во время тренировки)(функция работает как в ручном, так и в автоматическом режиме в случае потери питания);
• самостоятельного (без помощи Разработчика) изменение инструктором параметров топлива, окружающей среды, работы механизмов, регуляторов, арматуры и т.д.;
• автоматизированного оценивания действий обучаемого в ходе тренировки;
• самостоятельного (без помощи Разработчика) создания инструктором любых исходных состояний, учебных задач, критериев и алгоритмов автоматизированного оценивания;
• выбора режима работы тренажёра (самоподготовки, тренировка и т.д.).
• записи и загрузки из архива разработанных ранее исходных состояний, учебных задач, алгоритмов оценивания;
• обновления математического и программного обеспечения тренажёров.

Всё разработанное программное обеспечение работает под управлением Windows в сети Ethernet. Приобретение какого-либо дополнительного ПО, лицензий на использование не потребуется.

Таким образом, каждый разработанный тренажёр представляет из себя программно-аппаратный комплекс, включающий в свой состав порядка 6-8 компьютеров, 10-16 мониторов, 4 LCD телевизора для организации экрана общего доступа, цветной принтер для распечатывания итогов тренировок как в цифровом, так и в аналоговом виде, АРМы оператора (количество и состав рабочих мест неограниченно, определяется и устанавливается инструктором), АРМ (пульт) инструктора, позволяющий ему реализовать вышеописанные функции и возможности. Тренажёры будут снабжены набором учебных задач, перечень и состав которых будет согласован в процессе разработки тренажёров, они будут давать возможность дистанционного доступа как для обучения, так и для обновления ПО. Тренажёры не будут защищены от тиражирования и могут быть установлены в любом количестве копий, необходимых для организации качественного учебного процесса персоналом энергопредприятия без помощи Разработчика. В процессе разработки тренажёров для их эксплуатации нами будут подготовлены инструкторы с выдачей им Свидетельств государственного образца.

Наверх