Автор: А.С. Павлова, А.Э. Софиев (Московский политех)

Опубликовано в журнале Химическая техника №2/2017

Кадровая составляющая любого производственного потенциала предприятия характеризуется трудовыми ресурсами. К трудовым ресурсам предприятия относятся специалисты, обладающие необходимыми знаниями и навыками труда в соответствующей области. В работе [1] используется такое понятие, как «интеллектуальный капитал» – человеческий капитал, связанный с качественным свойством рабочей силы. Под данным понятием подразумевают функцию образования и квалификации работников.

В химической отрасли предъявляются повышенные требования к подготовке персонала. Это объясняется высокой сложностью и опасностью процессов. Для принятия правильного решения в конкретной ситуации оператор руководствуется соответствующим технологическим регламентом и инструкциями [2]. Для решения конкретных профессиональных задач требуется высококвалифицированный специалист, владеющий достаточным объемом знаний, так как любое действие оператора влияет на качество работы оборудования. Весь персонал для допуска к работе, связанной с эксплуатацией оборудования, должен пройти курс обучения по занимаемой должности. Одним из эффективных методов подготовки сотрудников являются тренажеры химических производств.
Химическое производство представляет собой последовательность трех основных операций, а именно подготовка сырья, химическое превращение и в результате целевое сырье.
Современное химическое предприятие состоит из большого числа взаимосвязанных подсистем. Обучение на реальном объекте химического производства невозможно в силу высокой опасности нарушения нормального хода процесса в результате ошибки персонала и возникновения внештатной ситуации.
В России насчитывается более трех тысяч шестисот химически опасных объектов, а сто сорок шесть городов с населением более ста тысяч человек расположены в зонах повышенной химической опасности [4]. По мнению академика В.А. Легасова [5], определенный процент аварий происходит из-за несогласованной деятельности персонала: ~20–30 % отказов связаны с ошибками человека прямо или косвенно, а 10–15 % всех отказов – непосредственно. Оценка надежности работы человека определяется вероятностью успешного выполнения им работы или поставленной задачи в течение заданного интервала времени при определенных требованиях к продолжительности времени работы [6]. Прогнозирование надежности оборудования без учета надежности работы человека не может дать истинной картины [7].
Типы компьютерных тренажеров
В соответствии с документом [8] все рабочие и инженерно-технические работники, занятые ведением технологического процесса и эксплуатацией оборудования на этих объектах, проходят курс подготовки с использованием современных средств обучения и отработки таких навыков (компьютерные тренажеры, учебно-тренировочные полигоны). Только после этого он может быть допущен к оперативной работе.
Основная задача компьютерных тренажеров химического производства – дать необходимый практический опыт, показать структуру производства, ознакомить сотрудника с расположением элементов и системой управления. Существенный вклад в изучение и развитие промышленных компьютерных тренажерных систем технологических производств внес российский ученый В.М. Дрозорцев [9]. Перечислим предложенные В.М. Дозорцевым основные требования, предъявляемые к моделям компьютерных тренажеров:
  • в основе имитационных данных лежат реальные физические процессы;
  • тренажер должен имитировать динамические показатели технологических параметров реального объекта с определенной точностью;
  • параметры должны допускать модификацию под конкретную технологическую задачу;
  • интерфейс тренажера должен соответствовать реальной системе управления.
Наиболее распространенные тренажеры интенсивно взаимодействуют с аппаратно-программными платформами различных SCADA-систем: SCADA InTouch, SCADA TraceMode, HoneyWell и др.
Для молодых специалистов используют базовые тренажеры, которые основаны на типовых моделях технологических узлов и аппаратов. Эти тренажеры должны ознакомить сотрудника с применяемыми на предприятии технологической номенклатурой, оборудованием, с системами управления и защиты. В данной статье предлагается реализация базового тренажера на примере производства трихлорсилана и четыреххлористого кремния.
Процесс разделения трихлорсилана
и четыреххлористого кремния
Метод производства трихлорсилана (ТХС) основан на реакции гидрохлорирования кристаллического кремния при температуре 290…330 °С и давлении 0,3…0,4 МПа
в реакторе непрерывного действия в «кипящем слое».
В процессе синтеза образуется сопутствующий продукт – четыреххлористый кремний (ЧХК).
Разделение смеси хлорсиланов и ректификационная очистка ТХС и ЧХК осуществляется на схеме непрерывного действия, состоящей из 13 ректификационных колонн.
Ректификационная очистка трихлор-силана с выделением ТХС марок А и Б производится на стадиях грубой очистки (колонны поз. 202, 207, 213, 218/1,2) и тонкой очистки ТХС (колонны поз. 225/1,2, 230/1,2, 235/1,2). Все дефлегматоры, конденсаторы, а также тепловые насосы, емкости-каплеотбойники узла ректификации охлаждаются рассолом температурой не выше минус 20°С. Все кубы-испарители колонн ректификации обогреваются водяным паром под давлением не более 0,9 МПа. Обогрев всех кубов начинается при достижении заданного уровня кубовой жидкости.
Рис. 1. Ректификационная колонна поз. 202
Исходный продукт – смесь ТХС–ЧХК – представляет собой сконденсированную смесь хлорсиланов узла синтеза, которая после отстоя поступает в напорную емкость-приемник (поз. 200/1,2) узла ректификации. Из приемника (поз. 200/1,2) смесь самотеком поступает на питающую тарелку 22 ректификационной колонны (поз. 202). Высококипящие компоненты парогазовой смеси проходя по колонне (поз.202), конденсируются и стекают в куб (поз. 203x). При разогреве кубовой жидкости в кубе (поз. 203) низкокипящие пары (НКП) дихлорсилана (ДХС), ТХС поднимаются в верх колонны, поступают в систему конденсации – дефлегматор (поз. 204), охлаждаемый рассолом температурой не выше 20°С. Основная часть конденсата в виде флегмы поступает на орошение колонны (поз. 202), другая часть – дистиллят, содержащий ТХС с примесями ДХС, ЧХК, самотеком направляется на вторую ступень. Кубовая жидкость из куба (поз. 203), состоящая из ЧХК, ПСХ и ТХС (не более 5%), по заданию непрерывно сливается в емкость-сборник (поз. 205) с последующей передачей на восьмую стадию ректификации.
Несконденсированные газы первой ступени ректификации после дефлегматора (поз. 204) поступают на первый узел улавливания абгазов в емкость-каплеотбойник. На рис. 1 показана схема процесса ректификации колонны 202.
Основными областями применения трихлорсилана являются производство поликристаллического кремния, используемого в солнечных батареях, и кремнийорганических мономеров, используемых для производства лакокрасочных материалов, полиметилсилоксановых жидкостей, синтетических каучуков, гексаметилдисилазана и других полимерных материалов [10].
Для процесса разделения ТХС и ЧХК предлагается реализовать компьютерный тренажер с возможностью структурного представления взаимодействия элементов процесса. Для примера рассмотрим сборник поз. 200. Расход исходной смеси контролируется датчиком FT и регулируется автоматически с помощью клапана, установленного на линии подачи хлорсиланов FCV. Уровень в сборнике контролируется датчиком LT и регулируется автоматически с помощью клапана LCV, установленного между питающим сборником и колонной.
Измерительный преобразователь уровня LT (буйковый, длина буйка 2000 мм, верхний предел измерений 2000 мм, выходной сигнал 4…20 мА, маркировка взрывозащиты «Oexia II CT6») устанавливается в сборнике смеси ТХС-ЧХК (поз. 200/2).
Регулирующий проходной клапан LCV с мембранным исполнительным механизмом (ру = 1,6 МПа, Dу = 15 мм, материал корпуса — углеродистая сталь, коэффициент пропускной способности 5 м3/ч) устанавливается в трубопровод на линии подачи смеси в сборник.
Для контроля расхода смеси в колонну служит вихревой расходомер, установленный в трубопроводе на линии подачи смеси в колонну поз. 202. Характеристики: расход 0…3 м3/ч, температура окружающей среды от –30 до +50 °С, Dу = 15 мм, допустимая погрешность ±1%, выходной сигнал 4…20 мА, маркировка взрывозащиты ATEX II 1G EEx-ia IIC.
Регулирующий проходной клапан FCV с мембранным исполнительным механизмом установлен в трубопроводе на линии подачи смеси в колонну (ру = 1,6 МПа, Dу=15 мм, коэффициент пропускной способности 5 м3/ч).
Архитектура компьютерного тренажера
Программное обеспечение (ПО) написано на кроссплатформенном языке Java. Для хранения информации используется объектно-реляционная система управления базами данных PostgreSQL.
В PostgreSQL данные располагаются в уникальных именованных схемах, которые содержат таблицы, типы данных, функции, триггеры и операции [11]. В схемах
с разными названиями могут содержаться таблицы с повторяющимися именами. Создание схемы возможно через пользовательские интерфейсы или через соответствующие команды SQL языка. Синтаксис доступ к схеме определяется командой: set schema ‘название схемы’.
Тренажер может быть написан для любого процесса, поэтому имя схемы в базе данных соответствует имени проекта, который описывает процесс. Для систематизации всех проектов существует схема с глобальными данными getFullData. В данной схеме хранится информация о пользователях, список проектов, логирование действий пользователя, библиотека глобальных элементов. На рис. 2 изображено структурное представление базы данных.
Рис. 2. Структура базы данных
Библиотека глобальных элементов содержит логические элементы взаимодействия, которые будут использованы во всех проектах, например, логическое сложение, вычитание и т.д. Данная библиотека находится в схеме getFullData в таблице «library. Для каждого проекта существует своя библиотека, определенная под каждый процесс и хранящаяся в схеме проекта. Пользователь самостоятельно создает блоки данной библиотеки, используя существующий интерфейс ПО.
Для создания проекта необходимо выбрать меню «Файл» – «Создать проект», ввести название и нажать кнопку «Создать». После этого откроется стартовое окно проекта, в котором слева – дерево проекта, справа – область для отображения информации (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид редактора
Для создания элементов в дереве проекта на элементе схемы (секция – «TxcProject») вызывается контекстное меню: «Создать» – «Блок». Под блоком подразумевается основной технологический объект, в данном примере этот ректификационная колонна. Блоку присваиваются номер и название. Далее создается «группа» – элементы, которые взаимодействуют с ректификационной колонной (сборник, обогреваемая емкость). В группах находятся «агрегаты», элементы управления и идентификации (датчики и управляющие механизмы).
На уровне агрегатов создаются элементы библиотеки: «вызов контекстного меню (правая кнопка мыши) на элементе «датчик» – «Создать» – «Элемент библиотеки»), открывается окно для заполнения пользователем (рис. 4).
Рис. 4. Окно создания нового блока
Необходимо заполнить главные три поля (поле «Описание» можно заполнить при редактировании) и нажать кнопку «Далее» откроется следующая форма (рис. 5).
Для заполнения необходимо необходимо ввести имя сигнала, выбрать тип сигнала – аналоговый или дискретный, выбрать тип действия – управление или состояние, выбрать параметр – входной сигнал или выходной. Далее нажать кнопку «Создать». При этом в пользовательскую библиотеку проекта добавляется вновь созданный элемент, который доступен внутри проекта.
Рис. 5. Окно заполнения данных по сигналам
Для реализации взаимодействия библиотечных элементов процесса в меню агрегат («Сборник») создается лист для рисования связи элементов. На рис. 6 показан алгоритм работы анализа сигналов от датчика уровня LT.
Рис. 6. Сигнал от датчика и алгоритм управления
По показаниям датчика LT автоматически регулируется уровень смеси ТХС-ЧХК в сборнике с помощью клапана LCV. Для работы клапана LCV существует алгоритм работы, который имеет минимальные и максимальные показатели, от которых зависит открытие или закрытие регулирующего органа. При нажатии на блок Клапан совместно с клавишей shift и щелчком левой кнопки мыши осуществляется переход к листу с клапаном (рис. 7).
Рис. 7. Управление клапаном
Каждый элемент оборудования имеет свое описание. При двойном щелчке мыши на элемент открывается маска с указанием данных об устройстве (рис. 8).
Данный тип представления позволяет нарисовать полный цикл химического производства со всеми взаимосвязями. Оператор может посмотреть применение
и алгоритм работы каждого устройства на производстве, отследить параметры, по которым происходит регулирование. Необходимые внутренние документы могут храниться в программе «Идентификация». Существует также справочная система, которая запускается в меню «Справка». Справочная система реализована с использованием открытой java библиотеки Icepdf [12]. Необходимые для прочтения документы загружаются в данный модуль и становятся доступными прямо из программы «Идентификация».
Рис. 8. Данные об устройстве LT
Подводя итог проделанной работе, можно сказать об успешном завершении определенной части разработки компьютерного тренажера. Данный механизм представления процесса позволяет специалисту более детально ознакомится с устройствами и их алгоритмами работы, используемые на химическом производстве. Не отрываясь от изучения процесса, пользователь может посмотреть интересующую его информацию об устройстве, просто нажав определенную комбинацию клавиш на клавиатуре, а не искать данный элемент в существующем на каждом предприятии списком спецификации оборудования. Удобное представление химического производства в виде дерева проекта позволяет найти объект и посмотреть его содержание намного быстрее, чем искать его на бумажном или электронном носителе. Создана также уникальная справочная система с возможностью самостоятельного добавления документов в программу. Данный этап разработки является промежуточным, но может быть применен для обучения молодых специалистов или для обновления знаний уже работающего персонала. Дальнейшая работа будет посвящена визуализации процесса и его динамического представления.
 
Список литературы
1. Гилязутдинова И.В., Ахметзянова С.С. Организационно-экономические проблемы инновационного развития производственного потенциала предприятий нефтехимического комплекса. Казань, 2006.
2. Правила технической эксплуатации тепловых электроустановок» П68. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2009. 192 с.
3. Гумеров Ас.М., Валеев Н.Н., Гумеров Аз.М., Емельянов В.М. Математическое моделирование химико-технологических процессов. Казань, 2008.
4. Электронный ресурс http://www.chem.msu.su/rus/journals/ xr/avarii.html
5. Михайлов Л.А., Соломин В.П., Беспамятных Т.А. и др. Безопасность жизнедеятельности. Санкт-Петербург, 2013.
6. Электронный ресурс http://www.obzh.ru/nad/7-1.html
7. Вайнштейн Л.А. Психология ошибочных действий и нарушений профессиональной надежности деятельности работников//ОТ и СЗ. 2015. 12.
8. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Сер. 9. Вып. 37. М., 2013.
9 Дозорцев В.М., Шестаков Н.В. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. М., 2009.
10. Электронный ресурс: http://www.rusnanonet.ru/goods/ 21266/
11. Электронный ресурс: https://www.postgresql.org/docs/ 9.1/static/ddl-schemas.html
12. Электронный ресурс: http://www.icesoft.org/java/projects/ ICEpdf/overview.jsf