Виртуальная компрессорная лаборатория

Задача

В 2021 году при реализации проекта опорных университетов ПАО «Газпром» - СПбПУ на базе Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики Политеха был создан Центр коллективного пользования «Технологии и транспорт газа» ПАО «Газпром». При формировании его концепции возникла идея ввести в учебный процесс вуза VR-решения.

Первым, пилотным проектом стало создание цифровых двойников компрессорного оборудования с возможностью интерактивного взаимодействия для обучения студентов работе с компрессорными установками, проведения лабораторных и практических работ в удаленном формате.

Задача разработки - уменьшить риски травматизма при проведении обучения, обеспечить возможность дистанционного обучения и интеграции с системами автоматизированной проверки знаний, а также междисциплинарного обучения студентов Института компьютерных наук и технологий и Института энергетики СПбПУ.

Решение

В качестве основы для реализации проекта использована платформа разработки в реальном времени Unity3D, что позволило получить гибкую, конфигурируемую модель с возможностью запуска на большом количестве современных вычислительных платформ.

Программа подготовлена в двух версиях – для использования с VR-комплектом (очки, контроллеры) и на ноутбуке или ПК. Для работы в VR-режиме подойдут гарнитуры HTC VIVE PRO, Oculus Rift S и другие, совместимые со Steam VR.

VR-версия более эффектна, но компьютерная предоставляет не меньше возможностей для работы с интерактивными инструментами и измерений.

Созданная программа позволяет изучить не только принципы работы компрессоров, но и его устройство, пользователь имеет возможность «разобрать» модель на составные части и изучать ее компоненты благодаря всплывающим подсказкам к каждой детали и возможности перемещаться по залу.

Разработка виртуальной лаборатории велась в 3 этапа.

На 1 этапе была проведена оцифровка реального оборудования и учебного диспетчерского пульта управления в типовом цехе компрессорной станции ПАО «Газпром». В цифровом виде был воссоздана детализированная 3D-модель оборудования с интерактивными элементами управления - контрольно-измерительными приборами, заслонками и задвижками, регулировочными винтами. Подготовлены модели компрессоров трех типов: винтового, поршневого и центробежного.

На 2 этапе была разработана упрощенная математическая модель оборудования для расчета режимов его работы и генерации измеряемых значений, а реализованная экстраполяция данных позволила воссоздать полный цикл работы компрессоров со всеми входными и выходными данными. Значения проведенных измерений можно наблюдать как в самом приложении виртуальной реальности, так и в отчетных документах, сформированных по итогам практической работы. Это позволяет проводить измерения и эксперименты с виртуальным компрессором том же объеме, что и с реальным.

На 3 этапе был реализован модуль интерактивного взаимодействия пользователя с виртуальным оборудованием. Разработанная программа адаптирована к работе в Desktop и VR-режимах.

Детали

Структура и функциональность ПО

Модуль аутентификации.
Возможность многократного прохождения сценариев.
Возможность работы программного продукта в 2 режимах:

- Режим «VR» (с использованием гарнитуры виртуальной реальности),

- Режим «Desktop» (без использования VR-гарнитуры).

Локальное хранение данных по результатам выполнения сценария. После завершения сценария формируются отчетные документы, в которых регистрируются:

- ФИО пользователя, дата, время, параметры запуска сессии,

- Время, затраченное на прохождение сценария,

- Пользовательские взаимодействия с объектами сценария,

- Измерения, проведенные пользователем на виртуальном стенде.

Возможность добавления результатов новых экспериментальных данных для виртуальных стендов в виде дополнительных файлов с расширением .csv.

Интерактивная 3D-модель стенда центробежного компрессора включает в себя:

Тренировочную задачу (сценарий) проведения газодинамических испытаний центробежного компрессора при различных расходах и оборотах ротора.
Возможность визуализации внутренних составных частей экспериментального стенда и проточной части.
Реализацию пуска и остановки компрессора, воздействие на органы управления частотой вращения ротора и органы задвижки, регулирующей расход газа через компрессор.

Исходные данные

Первичные протоколы измерений на стенде (давления в контрольных сечениях, температура окружающей среды, частота вращения ротора, значения величины крутящего момента).
Диапазон варьирования частоты вращения ротора 5300 – 10320 об/мин.
Диапазон давления на нагнетании 75 – 21000 Па.

Сохранение результатов измерений в ходе выполнения лабораторных работ

Интерактивная 3D-модель стенда поршневого компрессора включает в себя:

Тренировочную задачу (сценарий) проведения газодинамических испытаний одноступенчатого поршневого компрессора при различных расходах и оборотах ротора
Реализацию пуска и остановки компрессора, воздействие на органы управления частотой вращения ротора и органы задвижки, регулирующей расход газа через компрессор

Исходные данные

Первичные протоколы измерений (давление на всасывании, давление на нагнетании, давление на счетчике расхода газа, температура на всасывании, температура на счетчике расхода газа, температура на нагнетании, температура ресивера, число оборотов ротора, ток якоря электродвигателя, напряжение якоря электродвигателя, ток возбуждения, напряжение возбуждения).
Диапазон варьирования частоты вращения ротора 625 – 860 об/мин.
Диапазон давления на нагнетании 0.5 – 2 кгс/см².

Сохранение результатов измерений в ходе выполнения лабораторных работ

Интерактивная 3D-модель стенда винтового компрессора включает в себя:

Тренировочную задачу (сценарий) проведения газодинамических испытаний винтового компрессора при различных расхода и оборотах ротора.
Реализацию пуска и остановки компрессора, воздействие на органы управления частотой вращения ротора и органы задвижки, регулирующей расход газа через компрессор.

Исходные данные

Первичные протоколы измерений (число оборотов ротора, температура на всасывании, давление на всасывании, давление на нагнетании, давление на счетчике расхода газа, температура на счетчике расхода газа, температура на нагнетании, ток якоря электродвигателя, напряжение якоря электродвигателя, ток возбуждения, напряжение возбуждения).
Диапазон варьирования частоты вращения ротора 1473 – 976 об/мин.
Диапазон давления на нагнетании 3 – 6 кгс/см².

Сохранение результатов измерений в ходе выполнения лабораторных работ

Технологии

Среда разработки 3D:	Blender, Substance 3D Painter, Marmoset Toolbag
Среда разработки ПО:	Unity, Visual Studio, JetBrains Rider, SteamVR
VR-комплекты:	HTC VIVE PRO, Oculus Rift S и другие гарнитуры, совместимые со Steam VR
Языки программирования и фреймворки:	С#

РИД

Ключевые исполнители

Руководитель проекта: заведующий Лабораторией «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ М.В. Болсуновская
Руководитель группы разработки: программист Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ А.О. Купцов

Исполнители

Лаборатория «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ
Высшая школа энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ
Лаборатория «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Центра НТИ СПбПУ.

Работа выполнена в рамках проекта по созданию Центра коллективного пользования «Технологии и транспорт газа» ПАО «Газпром» в СПбПУ с целью совершенствования образовательного процесса по профильным для ПАО «Газпром» направлениям подготовки в Высшей школе энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ.

Данный проект реализован по Программе повышения качества образования и подготовки кадров на 2020-2021 учебный год ПАО «Газпром»/ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».