|
ГЛАВНАЯ
> Вернуться к содержанию
Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:
Багутдинов Р.А., Завьялов Д.А., Иванов М.А., Соколова В.В.
Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств
// Кибернетика и программирование.
2016. № 5.
С. 24-32.
DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.20116 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=20116
Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств
Багутдинов Равиль Анатольевич
Аспирант Инженерной школы информационных технологий и робототехники,
Ассистент Отделения автоматизации и робототехники,
Программист Научно-образовательной лаборатории 3D-моделирования и промышленного дизайна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 216
Bagutdinov Ravil
PhD student of the Engineering School of Information Technology and Robotics,
Assistant of the Department of Automation and Robotics,
Programmer of the Scientific and Educational Laboratory of 3D Modeling and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University
634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 216
|
ravil_bagutdinov@yahoo.com
|
|
 |
Другие публикации этого автора
|
|
Завьялов Дмитрий Алексеевич
аспирант, кафедра инженерной графики и промышленного дизайна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 216
Zavyalov Dmitry Alekseevich
graduate student, Department of Engineering Graphics and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University
634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 216
|
|
zda@tpu.ru
|
|
|
Иванов Максим Анатольевич
кандидат технических наук
заведующий, кафедра оптимизации систем управления, Институт кибернетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 323
Ivanov Maksim Anatolyevich
PhD in Technical Science
Head of Department of Optimizing Control Systems, Institute of Cybernetics, National Research Tomsk Polytechnic University
634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 323
|
|
ivanovma@tpu.ru
|
|
|
|
Соколова Вероника Валерьевна
кандидат технических наук
доцент, кафедра оптимизации систем управления, Институт кибернетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 323
Sokolova Veronika Valer'evna
PhD in Technical Science
Associate Professor, Department of optimizing control systems, Institute of Cybernetics, National Research Tomsk Polytechnic University
634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 323
|
|
veronica@tpu.ru
|
|
|
|
DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.20116
Дата направления статьи в редакцию:
16-08-2016
Дата публикации:
29-01-2017
Аннотация:
Важное значение для обеспечения эффективности работы солнечных панелей имеет периодический контроль герметичности соединений и осмотр их чистоты. Для того чтобы солнечные батареи работали более эффективно предлагается использовать интеллектуальную систему мониторинга и измерений параметров. В данной статье представлена разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств c интеллектуальной системой управления. Разработка относится к вычислительной технике и может быть использована для сервиса высоконадежных отказоустойчивых интегрированных бортовых управляющих комплексов в энергетической и других отраслях, требующих высокой достоверности работы в сервисе вычислительного комплекса, при сохранении устойчивости к сбоям и отказам аппаратуры. В качестве средства принятия решения при выборе средства разработки использовался метод анализа иерархий (МАИ, метод Саати). Новизна исследования заключается в создании новой системы сервисного программного обеспечения, полной наладке системы обеспечения автоматизированного сбора и накопления информации по наблюдаемым параметрам, визуализация параметров работы четырех накопителей и преобразователей солнечных батарей при работе в составе МСЭ, поддержка обновления ПО БУ в реальном времени, обеспечение сохранности основной функциональности системы при порче и потере данных, защита от аварийных ситуаций. Назначением данной системы является управление солнечными панелями в режиме реального времени, автоматический контроль и анализ производительности работы солнечных панелей.
Ключевые слова:
Программное обеспечение, Разработка программного обеспечения, Сервисное обслуживание, МСЭМУ, Интеллектуальные системы управления, Солнечное электропитание, Альтернативная энергетика, Оптимизация систем управления, Программирование, Радиоэлектроника
Данная работа выполнялась в рамках комплексного проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства масштабируемых систем энергоэффективных мехатронных устройств и интеллектуальных систем управления для альтернативной энергетики и других применений». Работа финансировалась в рамках договора с Министерством образования и науки Российской Федерации от 27.04.2016 г. №02.G25.31.0190, выполняемого в соответствии с Постановлением Правительства №218 от 09.04.2010 г.
Abstract: An important to ensure the efficiency of the solar panels is to carry out periodic monitoring of tightness of connections and inspect their cleanliness. In order for solar cells to work more efficiently the authors suggest use of intelligent monitoring and measurement system. This article presents the development of a scalable system of energy-efficient mechatronic devices with an intelligent control system. Development refers to computer engineering and can be used in services of highly reliable fault-tolerant integrated onboard control complexes in the energy sector and other fields requiring high reliability computing complex, while maintaining fault tolerance and hardware failures. As a means of decision-making when selecting development tools used by the analytic hierarchy process (AHP, Saaty method). The novelty of the research is to create a new system service software, the full adjustment of the system software of the automated collection and storage of information on observed parameters, visualization parameters of the four storages and solar converters, real time software updating, safeguarding the basic functionality of the system at the damage and loss of data and protection against emergencies. The purpose of this system is the management of solar panels in real-time automatic monitoring and analysis of the performance of solar panels.
Keywords: software, development of software, service maintenance, scalable systems of energy-efficient mechatronic d, intelligent Control Systems, solar power, alternative energy, optimization of control systems, programming, radioelectronics
Введение В настоящее время во всем мире широко используются альтернативные источники энергии не только в промышленности, но и в частном секторе [4]. Присущие традиционной энергетике недостатки (устаревающее оборудование, отрицательное влияние на экологию, большие затраты и пр.) привели к развитию технологий добычи энергии из возобновляемых источников [2]. К таким источникам относятся солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов [21]. Каждое из данных направлений развития энергетики имеет свои преимущества и недостатки. Например, солнечную энергетику характеризуют неисчерпаемость ресурса и отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Основным недостатком является зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритмов. Несмотря на это, в мире количество вводимых в эксплуатацию установок увеличивается с каждым годом на 25–35 %, особенно в европейских странах [20]. В РФ использование солнечной энергетики также является перспективным, поскольку показатели среднегодовых поступлений солнечной энергии на ряд областей страны выше, чем в Италии, Испании или в Германии (лидерах по объему установленных солнечных мощностей) [4].
В данной статье описана разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств c интеллектуальной системой управления. Назначением системы является управление солнечными панелями в режиме реального времени, автоматический контроль и анализ производительности работы солнечных панелей с помощью разработанного программного обеспечения. Основная часть На первом шаге была спроектирована структура системы согласно основным этапам работы.
Основными компонентами системы являются:
- Модуль солнечной энергетики – МСЭ (SEM).
- Мехатронный модуль – ММ (SPM).
- Накопитель (Accumulator).
- Преобразователь (Converter).
- Масштабируемая система энергоэффективных мехатронных устройств – МСЭМУ (SEMD).
- Блок управления – БУ (Management block).
- Программное обеспечение блока управления – ПО БУ (Remote controller).
- Блок питания (Power cabinet).
- Аппаратура для сервисного обслуживания и комплексной настройки (Hardware for service).
Модуль солнечной энергетики (SEM) включает в себя: мехатронный модуль (SPM), накопитель (accumulator), преобразователь (converter), масштабируемую систему энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD). Мехатронный модуль необходим для фиксации положения панелей солнечных батарей. Аккумулятор получает энергию от панели солнечных батарей (постоянный ток), сохраняет её, а затем направляет в преобразователь, который преобразует постоянный ток в переменный и передает его в блок питания с напряжением 220 вольт. С помощью масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD) можно контролировать положение солнечных панелей в космосе, изменить параметры положения с помощью дистанционного управления и сообщить о сбоях или неисправностях. Кроме того, данные об ошибках в работе модуля солнечной энергетики (SEM) отправляются в аппаратуру для сервисного обслуживания и комплексной настройки (hardware for service), с помощью которой специалист по работе с солнечными батареями может обнаружить и исправить ошибку в работе солнечного модуля.
Структура модуля SEM представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структура модуля солнечной энергетики (SEM)
Масштабируемая система энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD) включает в себя два основных компонента: мехатронный модуль с датчиком высоты и мехатронный модуль с датчиком азимута. Оба модуля включают в себя двигатель (engine), тормоз (brake), кодировщик (encoder) и контроллер двигателя (engine controller). Оператор управляет ими с помощью пульта дистанционного управления или аппаратными средствами обслуживания. С помощью графического интерфейса оператор может изменить параметры в таблицах эфемерид и регулировать расположение панелей солнечных батарей в космосе. Структура этого модуля представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структура системы энергоэффективных мехатронных устройств
Пользователями системы являются: оператор и специалист сервисной службы. В один момент времени в системе может работать только один пользователь. При этом специалисту доступен ряд дополнительных функций и возможностей настройки системы, соответствующих правам администратора системы.
Перечень основных возможностей, поддерживаемых системой для обеспечения взаимодействия с блоком управления МСЭМУ различных пользователей (акторов) приведен в таблице 1.
Таблица 1. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭМУ
Перечень основных возможностей, реализуемых в системе для обеспечения Твзаимодействия с блоком управления МСЭ различных пользователей (акторов) приведен в таблице 2.
Таблица 2. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭ
Все данные о МСЭ и МСЭМУ хранятся в блоках управления соответствующих устройств. Доступ к данным организуется программно с использованием протокола SNMP для скалярных данных и FTP для массива данных. Пример работы МСЭ приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Экранный интерфейс модуля солнечной энергетики
Для оценки эффективности внедрения разрабатываемого программного обеспечения были выбраны следующие показатели: среднее время выполнения сервисной операции, среднее время обнаружения неисправности и среднее время устранения неисправности в работе системы. В течение двух месяцев была проводилась оценка работы системы с использованием и без использования сервисного ПО. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 3.
Согласно проведенному тестированию, средняя эффективность от использования сервисного ПО сократит время на обслуживание в целом на 42,9 %.
Таким образом:
1) Разработанная система позволит пользователю удаленно контролировать производительность работы солнечных панелей в режиме on-line.
2) Предлагаемая система позволит пользователю контролировать вращение и высоту расположения панелей солнечных батарей с целью увеличения их производительности.
3) При необходимости система предоставляет возможность авторизованному пользователю выключать, приостанавливать и возобновлять работу солнечных панелей по заданному времени.
4) Система автоматически формирует журналы событий с целью определения причин сбоя в работе солнечных панелей.
5) Разработанная система позволит пользователю контролировать важные параметры работы солнечных панелей и осуществлять анализ их производительности с помощью диаграмм и графиков. Вывод Результаты проектирования легли в основу прототипа будущей системы энергоэффективных мехатронных устройств. Разработаны основные модули системы, построена схема базы данных для хранения информации о работе солнечных панелей, разработаны макеты графического интерфейса прикладного программного обеспечения по управлению системой, подготовлена справочная документация для пользователя системы.
Главным преимуществом разработанной системы являются возможность удаленного непрерывного мониторинга работы солнечных батарей и снижение времени и затрат на их техническое обслуживание.
Библиография
1. Абрамешин А.Е. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения: научное издание / А.Е. Абрамешин, В.В. Жаднов, С.Н. Полесский; отв. ред. В.В. Жаднов. Екатеринбург: Изд-во ООО "Форт Диалог-Исеть". 2012. 565 с.
2. Багутдинов Р.А. Результаты исследований использования многомерного подхода при моделировании процессов в полевых транзисторах [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. 2015 № 10. C. 1-3. - Режим доступа: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/57975.
3. Багутдинов Р.А. Задача моделирования оптического потока на основе динамики движения частиц // Кибернетика и программирование. 2016. № 5. С. 10-15. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18981.URL: http: //enotabene.ru/kp/article_18981.html
4. Баланчевадзе В.И. Энергетика сегодня и завтра / В.И. Баланчевадзе, А.И. Барановский. М.: Энергоатомиздат, 2008. 344 с.
5. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра / П.П. Безруких // Электрические станции. 2005. № 2. С. 15-19.
6. Бирюков Н.Л., Триска Н.Р., Худынцев Н.Н. Обзор направлений исследований МСЭ в области частотно-временного обеспечения современных сетей связи // T-Comm. 2014. № 2 С. 12-17.
7. Бутузов К.А. Порядок передачи программных средств и организация сопровождения программного обеспечения // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2004. № 1 С. 104-108.
8. Вертакова Ю.В. Управленческие решения, разработка и выбор. М.: КНОРУС, 2005. 352 с.
9. Гасникова А.А. Роль традиционной и альтернативной энергетики в регионах Севера // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. 2013. № 5(29) С. 77-88.
10. Голицына О.Л. Основы проектирования баз данных / О.Л. Голицына. М.: Форум, 2012. 415 с.
11. Жаднов В.В. Информационные технологии в прогнозировании надежности электронных устройств / В.В. Жаднов // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2012. № 1. С. 20-25.
12. Завьялов Д.А., Захарова А.А. Создание экспертной системы для комплексной оценки рисков разработки месторождений углеводородов // Кибернетика и программирование. 2016. № 5. С. 1-9. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18987. URL: http://e-notabene.ru/kp/article_18987.html
13. Зефиров С.Л., Колобанов А.Ю. Методы безопасной разработки программного обеспечения // НиКа. 2009. С. 188-191.
14. Ишкина Е.Г., Щербинина О.В. Архитектура адаптивного сервисно-ориентированного промежуточного программного обеспечения // Известия ВолгГТУ. 2010. № 9. С. 142-145.
15. Коробкин В.В. Оценка безопасности программного обеспечения управляющих систем мехатронных комплексов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2008. № 11. С. 213-219.
16. Логвинова К.В. Современные технологии и средства разработки программного обеспечения // Бизнес-информатика. 2007. № 2. С. 45-53.
17. Мартюкова Е.С. О внедрении процесса автоматизации тестирования в различных методологиях разработки программного обеспечения // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2015. № 18. С. 462-465.
18. Мартинов Г.М., Мартинова Л.И., Григорьев А.С. Специфика разработки программного обеспечения для систем управления технологическим оборудованием в реальном времени // T-Comm. 2009. № S2. С. 121-124.
19. Мусатов В. К. Анализ тенденций развития рекомендаций МСЭ-Т по информационной безопасности // T-Comm. 2013. № 7. С. 93-96.
20. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г. / пер. с англ. под ред. Ю.Н. Старшикова. М.: Энергия, 2005. 256 с.
21. Нетрадиционные источники энергии. М.: Знание, 2003. 120 с.
22. Саати Т.Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1989. 316 с.
23. Слива М.В. Прототипирование графического интерфейса пользователя как неотъемлемая часть процесса разработки программного обеспечения // Вестник НВГУ. 2013. № 1. С. 74-76.
24. Денисенко В.А., Нагоев З.В., Нагоева О.В. Проектирование компьютерной системы на основе рекурсивной когнитивной архитектуры для задачи синтеза интеллектуального поведения агента // Программные системы и вычислительные методы. 2013. № 3. C. 264 - 267. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.9138.
25. Требухин А.Г. Интеллектуальная система проектирования схем автоматизации // Программные системы и вычислительные методы. 2012. № 1. C. 43 - 52.
References
1. Abrameshin A.E. Informatsionnaya tekhnologiya obespecheniya nadezhnosti slozhnykh elektronnykh sredstv voennogo i spetsial'nogo naznacheniya: nauchnoe izdanie / A.E. Abrameshin, V.V. Zhadnov, S.N. Polesskii; otv. red. V.V. Zhadnov. Ekaterinburg: Izd-vo OOO "Fort Dialog-Iset'". 2012. 565 s.
2. Bagutdinov R.A. Rezul'taty issledovanii ispol'zovaniya mnogomernogo podkhoda pri modelirovanii protsessov v polevykh tranzistorakh [Elektronnyi resurs] // Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii. 2015 № 10. C. 1-3. - Rezhim dostupa: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/57975.
3. Bagutdinov R.A. Zadacha modelirovaniya opticheskogo potoka na osnove dinamiki dvizheniya chastits // Kibernetika i programmirovanie. 2016. № 5. S. 10-15. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18981.URL: http: //enotabene.ru/kp/article_18981.html
4. Balanchevadze V.I. Energetika segodnya i zavtra / V.I. Balanchevadze, A.I. Baranovskii. M.: Energoatomizdat, 2008. 344 s.
5. Bezrukikh P.P. Vozobnovlyaemaya energetika: vchera, segodnya, zavtra / P.P. Bezrukikh // Elektricheskie stantsii. 2005. № 2. S. 15-19.
6. Biryukov N.L., Triska N.R., Khudyntsev N.N. Obzor napravlenii issledovanii MSE v oblasti chastotno-vremennogo obespecheniya sovremennykh setei svyazi // T-Comm. 2014. № 2 S. 12-17.
7. Butuzov K.A. Poryadok peredachi programmnykh sredstv i organizatsiya soprovozhdeniya programmnogo obespecheniya // Izvestiya Peterburgskogo universiteta putei soobshcheniya. 2004. № 1 S. 104-108.
8. Vertakova Yu.V. Upravlencheskie resheniya, razrabotka i vybor. M.: KNORUS, 2005. 352 s.
9. Gasnikova A.A. Rol' traditsionnoi i al'ternativnoi energetiki v regionakh Severa // Ekonomicheskie i sotsial'nye peremeny: fakty, tendentsii, prognoz. 2013. № 5(29) S. 77-88.
10. Golitsyna O.L. Osnovy proektirovaniya baz dannykh / O.L. Golitsyna. M.: Forum, 2012. 415 s.
11. Zhadnov V.V. Informatsionnye tekhnologii v prognozirovanii nadezhnosti elektronnykh ustroistv / V.V. Zhadnov // Informatsionnye tekhnologii v proektirovanii i proizvodstve. 2012. № 1. S. 20-25.
12. Zav'yalov D.A., Zakharova A.A. Sozdanie ekspertnoi sistemy dlya kompleksnoi otsenki riskov razrabotki mestorozhdenii uglevodorodov // Kibernetika i programmirovanie. 2016. № 5. S. 1-9. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18987. URL: http://e-notabene.ru/kp/article_18987.html
13. Zefirov S.L., Kolobanov A.Yu. Metody bezopasnoi razrabotki programmnogo obespecheniya // NiKa. 2009. S. 188-191.
14. Ishkina E.G., Shcherbinina O.V. Arkhitektura adaptivnogo servisno-orientirovannogo promezhutochnogo programmnogo obespecheniya // Izvestiya VolgGTU. 2010. № 9. S. 142-145.
15. Korobkin V.V. Otsenka bezopasnosti programmnogo obespecheniya upravlyayushchikh sistem mekhatronnykh kompleksov // Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki. 2008. № 11. S. 213-219.
16. Logvinova K.V. Sovremennye tekhnologii i sredstva razrabotki programmnogo obespecheniya // Biznes-informatika. 2007. № 2. S. 45-53.
17. Martyukova E.S. O vnedrenii protsessa avtomatizatsii testirovaniya v razlichnykh metodologiyakh razrabotki programmnogo obespecheniya // Novye informatsionnye tekhnologii v avtomatizirovannykh sistemakh. 2015. № 18. S. 462-465.
18. Martinov G.M., Martinova L.I., Grigor'ev A.S. Spetsifika razrabotki programmnogo obespecheniya dlya sistem upravleniya tekhnologicheskim oborudovaniem v real'nom vremeni // T-Comm. 2009. № S2. S. 121-124.
19. Musatov V. K. Analiz tendentsii razvitiya rekomendatsii MSE-T po informatsionnoi bezopasnosti // T-Comm. 2013. № 7. S. 93-96.
20. Mirovaya energetika: prognoz razvitiya do 2020 g. / per. s angl. pod red. Yu.N. Starshikova. M.: Energiya, 2005. 256 s.
21. Netraditsionnye istochniki energii. M.: Znanie, 2003. 120 s.
22. Saati T.L. Prinyatie reshenii. Metod analiza ierarkhii. M.: Radio i svyaz', 1989. 316 s.
23. Sliva M.V. Prototipirovanie graficheskogo interfeisa pol'zovatelya kak neot''emlemaya chast' protsessa razrabotki programmnogo obespecheniya // Vestnik NVGU. 2013. № 1. S. 74-76.
24. Denisenko V.A., Nagoev Z.V., Nagoeva O.V. Proektirovanie komp'yuternoi sistemy na osnove rekursivnoi kognitivnoi arkhitektury dlya zadachi sinteza intellektual'nogo povedeniya agenta // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. 2013. № 3. C. 264 - 267. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.9138.
25. Trebukhin A.G. Intellektual'naya sistema proektirovaniya skhem avtomatizatsii // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. 2012. № 1. C. 43 - 52.
Ссылка на эту статью
Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также
попробовать найти похожие
статьи
|
|
