3.2 Компьютерный имитатор технологического оборудования
Тренажер-имитатор моделирует технологический процесс и предоставляет информацию о его состоянии через интерфейс существующей АСУ ТП (автоматизированной системы управления).
Тренажер-имитатор используется для подготовки технологического персонала и позволяет:
Изучить принципы управления технологическим процессом через существующую АСУТП;
Изучить назначение и характеристики используемого технологического оборудования;
Получить практические навыки по управлению технологической установкой:
при пуске;
при остановке;
при работе в нормальном режиме;
при работе в аварийных и нештатных ситуациях;
Проверить знания и провести аттестацию технологического персонала.
Тренажер разрабатывается с использованием эксплуатируемого на предприятии программного обеспечения АСУТП.
Это позволяет:
повторить в тренажере все функции существующей АСУТП, такие как интерфейс оператора, системы противоаварийной защиты (ПАЗ);
использовать актуальные проекты АСУТП в среде тренажера;
проверять изменения, вносимые в АСУТП, на тренажере.
В основе компьютерного тренажера лежат динамические, статические (балансовые), экспертные математические модели технологических процессов.
Модели разрабатываются с применением следующих подходов:
детерминированного описания процессов (с помощью дифференциальных уравнений);
статистической обработки информации с помощью нейронных сетей и нечетких вычислений;
экспертных оценок на основе нечетких вычислений.
Одним из основных требований, предъявляемых к тренажерам в промышленности, является регламентируемая степень имитации объекта, управлять которым необходимо обучить, условно говоря, оператора. Задача имитации объекта в общем случае решается программно-математическим моделированием и физическим макетированием.
Традиционно считается, что чем больше реальный объект копируется тренажером, тем лучше. Поэтому некоторые заказчики требуют изготавливать тренажеры на базе реального оборудования. И действительно, при ограниченном типаже объектов управления и их относительной простоте этот подход может быть оправдан. Но, к примеру, хотя летчики годами летают на самолетах одного типа, реактивный лайнер «живьем» в учебный класс не поставишь, да и не полетать на нем в помещении. Или, что делать, если обучение предполагает большое разнообразие объектов?
Возьмем, допустим, тренажер для обучения водителей автомобилей. Их различные виды конструктивно различаются, что препятствует вырабатыванию психомоторных навыков многократным повторением операций вождения. Или взять буровое оборудование, которое у разных изготовителей отличается конструктивно и по управлению. В такой ситуации неоправданно дорого макетировать все объекты. Приходится макетировать нечто, похожее на все варианты сразу, и выделять для обучения некие общие операции путем их математического и программного моделирования. Поэтому средством моделирования повсеместно становится оснащенный соответствующим программным обеспечением цифровой компьютер.
Разработчики математической модели стремятся достичь максимальной точности имитации поведения объекта и среды его функционирования. Но на этом пути их ожидают либо недостаток вычислительной мощности, необходимой для такого моделирования стоимость суперкомпьютеров выше стоимости самолетов, и никто тренажеры ими не оснащает, либо недостаток знаний о реально происходящих при работе объекта процессах - не все на свете можно рассчитать точно.
Еще одной проблемой является моделирование длительных процессов. Многие технологические операции растянуты на часы и более. Поэтому имитация выполнения таких работ в реальном времени делает процесс обучения невозможным, и без масштабирования, сжатия времени их протекания, в некоторых тренажерах не обойтись. Для этого модели стараются упростить и, учитывая требования к временным характеристикам моделируемых процессов, уложить их реализацию в конечную по времени вычислительную процедуру.
Вопросы выбора из возможного многообразия вариантов реализации тренажеров решаются на этапе составления технического задания. Результатом реализации проекта является макет объекта, функционирующий почти как настоящий, если судить по показаниям отображающих его действие элементов лампочек, цифровых индикаторов, стрелочных приборов, акустическому сопровождению, красивым картинкам на экране компьютера и др.
Тренажер передается инструктору, в обязанности которого входит организация учебного процесса. Именно на нем лежит ответственность за полноту и качество обучения, и все средства тренажера должны быть нацелены на повышение эффективности его работы.
Производственная деятельность подразумевает наличие у ее участника профессиональных знаний о предмете, а также доскональное знание соответствующего регламента, которым предписывается выполнение технологических операций на оборудовании соответствующего промышленного объекта. Профессиональные знания можно получить, изучая учебники. Но для обучения проведению технологических операций и доведения их до автоматизма требуется тренировка на соответствующем тренажере. Поэтому аспекты обучаемости должны решаться в самом начале разработки тренажера и учитываться учебно-технологическим заданием.
Учебно-технологические задания программно реализуются компьютером в рамках имитационной модели объекта. Они «ведут» обучаемого по технологиям производственной деятельности, приучают к строгому порядку действий, слежению за временем выполнения операций, «наказывают» за отклонение от регламента. Задания по выполнению технологических операций положены в основу учебных занятий с использованием тренажера и подробно излагаются в сопутствующей документации.
Очень важно, чтобы тренажер имел как можно меньше ограничений при учете многообразия условий выполнения учебно-тренировочных заданий, так как это влияет на качество подготовки обучения. Снабженный системой описаний множества начальных условий тренажер позволит инструктору проводить целевое обучение с учетом специфики тех или иных географических районов или при использовании специфического оборудования.
Упомянутые описания можно назвать сценарием учебно-тренировочной задачи. Для подготовки сценариев используют базы данных и объектную модель. Использование баз данных увеличивает сложность программного обеспечение тренажера, но во многих случаях связано с приобретением сторонних коммерческих программных продуктов.
Независимо от используемых методов, программное обеспечение, позволяющее создавать многообразные сценарии учебно-тренировочных задач, должно быть понятно и удобно для работы инструктору. Оно не должно требовать от него знания дисциплин и действий, не связанных с учебным процессом, не должно ставить его в зависимость от других специалистов.
Использование тренажеров в учебном классе накладывает дополнительные требования к обеспечению инструктора средствами подготовки и проведения занятий. Необходимо обеспечить реализацию четырех различных подходов к учебному процессу: индивидуального, коллективного, бригадного и лекционно-демонстрационного.
Индивидуальный подход подразумевает возможность каждому обучаемому дать свою учебно-тренировочную задачу, что отвечает разному уровню их подготовки и успеваемости.
Коллективный подход подразумевает одновременное выполнение всеми одинаковой задачи. Это может быть эффективно в плане последовательного знакомства со всеми технологическими регламентами предмета обучения.
Бригадный подход подразумевает объединение нескольких обучаемых и их компьютеров в одну бригаду для выполнения одной учебно-тренировочной задачи с распределенной ответственностью за управление машинами и механизмами предметной области. Этот подход требует особой реализации программного обеспечения, позволяющей с нескольких компьютеров общаться с одной моделирующей средой.
Демонстрационно-лекционный подход подразумевает доступ с нескольких компьютеров к параметрам одной учебно-тренировочной задачи, решение которой демонстрирует инструктор.
Программное обеспечение инструктора, при работе с тренажером в формате учебного класса должно обеспечивать ему доступ к текущим результатам прохождения учебно-тренировочных заданий каждого обучаемого с рабочего места, независимо от того, где в этот момент расположен обучаемый. При этом формат учебного класса может подразумевать и удаленное, например, с помощью Интернета, обучение.
Тренажеры позволяют повысить эффективность формирования у обучающихся профессиональных навыков управления технологическими процессами, определения причин неисправностей в технических объектах, выполнения и отработки сложных движений и т.д. В настоящее время самые разнообразные тренажеры используются при подготовке водителей автомобилей, операторов энергетических и химико-технологических установок, судоводителей, летчиков, сварщиков, рабочих и специалистов многих других профессий.
Тренажеры незаменимы в тех случаях, когда не представляется возможным целостное рассмотрение изучаемого объекта или явления (процесса) в реальных условиях. Хотя опыт работы с виртуальными конструкторами пока не очень большой, но он показывает, что компьютерная поддержка творческой работы во всех направлениях востребована современным образованием.
Вопросы для самоконтроля