Статья посвящена проектированию технологической установки для последующего масштабирования и переиспользования. Рассматриваются основные требования для тренажёров, ограничения в их использовании и предлагаемые улучшения для облегчения разработки. Научная новизна работы заключается в малоисследованной области и предложении новой архитектуры для разработки тренажёров к технологическим установкам. В результате исследования была разработана архитектура, которая позволяет переиспользовать и масштабировать систему, тем самым сократить временные затраты.
Ключевые слова: компьютерный тренажёр, технологическая установка, проектирование, архитектура.
В современном мире компьютерные тренажёры чаще используются как обязательная часть обучения персонала, при этом в технологических установках информационная часть уже спрограммирована, например, интерфейс управления, поэтому зачастую нет возможности переиспользовать готовые элементы для тренажёров, чтобы сократить временные затраты на разработку.
Цель исследования заключается в построении такой архитектуры тренажёра, с помощью которой можно было вести разработку параллельно, а готовые модули переиспользовать.
Исследования в данной области в основном рассматривают разработку конкретного модуля тренажёра, например, 3D-интерфейса или математической модели, но не освещают вопрос объединения всех модулей. Часто их приходится разрабатывать с нуля.
Объектом исследования является тренажёр технологической установки, а предметом исследования является архитектура данного тренажёра.
В настоящий момент тренажёры реальных объектов зачастую становятся ступенью для допуска работы с реальным объектом, например, для обучения управления полетом самолёта.
Основные требования и допущения при проектировании
Для начала рассмотрим, какие требования предъявляются к технологическим установкам [2]:
визуальная схожесть;
– адекватная работа математической модели;
– оценка пользователя;
– осуществление конкретного сценария.
Визуальная схожесть предполагает, что на экране пользователь будет видеть то же самое, что и при работе с реальной распределённой системой управления (РСУ): обучение управлением на не схожей системе уменьшает эффективность обучения.
Адекватность математической модели предполагает, что при показе показателей на экран их изменение будет аналогично тем, которые отражаются на мониторе на реальном объекте, и их изменение будет незначительным.
Оценка пользователя предполагает, что после выполнения обучения, например, пуска технологической установки, будет выводиться оценка пользователя, сообщая о качестве проводимой операции, сколько затрачено времени и т. п.
Осуществление конкретного сценария предполагает изменение данных извне, что характерно в случае поломки, например, остановки насоса.
В ходе разработки можно установить допущение [1]: математическая модель, используемая для расчёта, не обязательно должна рассчитывать всю работу технологической установки, а только конкретный этап, например, пуск, остановка, конкретная аварийная ситуация — это связано с упрощением математической модели и сохранением времени на разработку и математический расчет конкретных ситуаций. Таким образом, упрощая математическую модель, можно смоделировать больше ситуаций при меньших временных затратах.
Архитектура тренажёра
Математическая модель на производстве часто используется при планировании оптимального регулирования, она поставляется уже готовой. Аналогичная ситуация и с РСУ, которая идет в комплекте с технологической установкой. Исходя из этого, логично разделить данные части, а в качестве промежуточного звена использовать ядро (см. Рис. 1).
Модули:
1) математическая модель — симуляция поведения реального объекта при определенном воздействии на него;
2) интерфейс РСУ — отображение и взаимодействие с математической моделью;
3) ядро — центр обработки данных, также является прокси-сервером;
4) сценарий — производит оценку пользователя и вводит помехи при необходимости;
5) база данных — сохранение исторических данных для последующего воспроизведения и анализа действия пользователя.
Рис. 1. Связь модулей тренажёра
При использовании микросервисной архитектуры можно реализовывать разные модули с использованием разных инструментов, например, математическая модель на CodeSys [3], сценарий на Python, интерфейс РСУ на InTouch или с использованием веб-интерфейса (Рис. 2) и т. д. Таким образом, можно использовать более подходящие инструменты для разработки. В качестве канала передачи данных предлагается использовать OPC в качестве первичного канала, но ядро может поддерживать любой другой протокол, например, REST для web-интерфейса или gPRC для других сервисов.
Рис. 2. Пример реализации РСУ с использованием веб-интерфейса
К преимуществам данной структуры можно отнести то, что для работы с системой имеется возможность подключить дополнительные модули, например, 3D-интерфейс, позволяющий эмулировать работу на полевом уровне.
Заключение
В этом исследовании мы предложили новую архитектуру тренажёра как альтернативу монолитным решениям. Таким образом предполагается сократить время, необходимое для разработки тренажера, что впоследствии облегчит их внедрение в обучение. Планируется дальнейшая разработка данной модели с целью ее реализации при подготовке реальной технологической установки.
Литература:
- К. Ричардсон, Микросервисы. Паттерны разработки и рефакторинга. Питер, Санкт-Петербург, 2019. стр. 544.
- В. М. Дозорцев, Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. Синтег, Москва, 2009, стр. 365
- И. А. Александров. В кн. Перегонка и ректификация в нефтепереработке, Химия, М. 1981, С 20–25
