Информационная среда проектирования систем ресурсосберегающего управления промышленным оборудованием

ИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Д.Ю. Муромцев, д.т.н.; И.В. Тюрин, к.т.н.; О.А. Белоусов, к.т.н.; Р.В. Гребенников

Освещаются проблемы ресурсосберегающего управления энергоемкими установками и основные пути их решения. Рассматривается созданная инструментальная среда для решения комплекса задач энергоресурсосберегающего управления промышленным оборудованием. Приводятся основные результаты использования разработанных методов на производстве.

Ключевые слова: ресурсосбережение, энергосбережение, оптимальное управление, экспертная система, информационная среда, множество состояний функционирования, система управления.

Современные отечественные и международные стандарты экологичности и экономичности промышленного оборудования требуют перехода на новые технологии, в том числе интеллектуальные и энергосберегающие. Невозобновляемые энергетические потоки учитываются лишь в виде затрат на извлечение природных богатств без учета реальной ценности добываемого и потребляемого ресурса. Конечность запасов ископаемых природных углеводородов также формирует потребность в развитии и широком внедрении ресурсосберегающих технологий. К настоящему времени основными путями снижения потребления ресурсов являются:

- оптимизация технологических процессов, внедрение концепции бережливого производства;

- использование альтернативных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относят солнечную, геотермальную, ветровую энергию, энергию морских волн, течений, приливов и океана, энергию биомассы, гидроэнергию, низкопотенциальную тепловую и другие виды энергии;

- применение энергосберегающих технологий, в частности, за счет оптимального управления энергоемкими объектами.

В последние годы в России повысился интерес к ресурсосберегающим технологиям. Так, в южных регионах страны в течение ряда лет эксплуатируются солнечные водонагревательные системы для обеспечения горячей водой отдельных объектов ЖКХ. Реализация мер по реинжинирингу предприятий позволяет производителю не только обеспечить экологичность и безопасность производственных процессов, но и снизить себестоимость продукции без ухудшения ее качества.

Математическое обеспечение информационной среды проектирования ресурсосберегающих систем управления

На данный момент насчитываются десятки пакетов программ автоматизированного проектирования алгоритмического обеспечения систем управления. Однако применение таких многофункциональных программных средств не дает

возможности визуально проследить за ходом и результатами решения задач энергосбережения, что очень важно для разработчиков систем оптимального управления. Кроме того, в этих программных продуктах не только отсутствует возможность учета многих важных для практики параметров (ограничения на фазовые координаты, лимит энергии, запас ресурсов, скорость изменения управления и др.), но и не предусмотрено решение обратных задач проектирования систем, связанных с изменением исходных данных систем управления для обеспечения требуемого запаса устойчивости, поддержание значения функционала в заданных границах и т.п.

Коллективом научной школы «Информационные технологии и системы энергосберегающего управления», основанной в 1985 г. на базе Тамбовского государственного технического университета, созданы программные модули для анализа и синтеза оптимальных энергосберегающих управляющих воздействий на множестве состояний функционирования динамических объектов (печи, электро- и газоводонагреватели, сушилки, котельные, машины с электроприводом, транспортные средства, лифты, бытовая техника и др.) и действующие макеты самих устройств, выполняющих функции интеллектуальных контроллеров. Использование нового математического аппарата позволяет по массиву данных задачи управления оперативно определять вид функции оптимального энергосберегающего управления и рассчитывать ее параметры, траектории изменения фазовых координат, эффект энергосбережения и оценивать работоспособность алгоритма управления при изменении исходных данных.

Для решения прямых и обратных задач энергосберегающего управления наряду с традиционными методами, такими как принцип максимума Понтрягина, динамическое программирование Беллмана и прочими, широко используются новые методы и подходы, а именно:

- полный анализ задачи оптимального управления на множестве состояний функционирования (комплексно учитываются возможные ограничения и условия при реальной эксплуатации); метод

синтезирующих переменных (сокращается размерность массива исходных данных задачи управления);

- оперативное определение вида и расчет параметров функции оптимального энергосберегающего управления, траектории изменения фазовых координат, эффекта энергосбережения и оценка работоспособности алгоритма управления при изменении исходных данных;

- комбинированный метод синтеза оптимального управления объектами (для объектов, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями с разрывной правой частью);

- концепция дестабилизационного управления объектами, учитывающая изменение их возможной производительности;

- принципы наследования (при разработке новых фреймов базы знаний (БЗ));

- принципы комплексирования для совместного использования информации, получаемой методами оптимального управления, на основе знаний экспертов и анализа накопленных фактов.

Эффект энергосбережения достигается за счет:

• оптимизации динамических режимов во всех состояниях функционирования объекта ИеНг

оперативного реагирования на изменение свойств объекта или условий задачи, позволяющего реализовать энергосберегающее управляющее воздействие для нового состояния системы;

• использования оптимальной стратегии функционирования системы управления для каждой пх|н| ситуации;

применения вместо обычных автоматических регуляторов энергосберегающих, позволяющих устранять значительные отклонения регулируемой величины от заданного значения с минимумом затрат электрической энергии или расхода топлива;

• сокращения сроков проектирования систем автоматизации и внесения в них изменений при сопровождении в процессе эксплуатации;

• использования телекоммуникационных средств для выполнения групповых работ по проектированию систем промышленной автоматизации в режиме удаленного доступа;

принятия оптимальных проектных и управленческих решений на всех этапах разработки, внедрения и поддержки при эксплуатации систем управления.

Информационное обеспечение среды проектирования

ресурсосберегающих систем управления

Основу информационной среды проектирования ресурсосберегающих систем управления со-

ставляет экспертная система энергосберегающего управления (ЭСЭУ), упрощенная структура которой приведена на рисунке 1 [1]. В ЭСЭУ реализована методология построения гибридных экспертных систем, предназначенных для решения задач управления энергоемкими объектами (теп-ломассообменными аппаратами и установками, машинами с электродвигателями, транспортными средствами и т.п.). Ядром экспертной системы является БЗ из области энергосберегающего управления. В БЗ содержатся как общие знания, так и информация о частных случаях. БЗ ЭСЭУ использует теоретические методы оптимального энергосберегающего управления и знания экспертов. Пользователи и эксперты взаимодействуют с ЭСЭУ через пользовательский интерфейс. При этом предусматривается пополнение результатами реальной эксплуатации БЗ системы. Механизм логических выводов (создатель заключений) применяет знания и сведения из БЗ и БД при решении реальных задач. Модуль приобретения знаний позволяет пополнять и модифицировать знания в процессе эксплуатации системы. Модуль советов и объяснений выдает заключения, позволяет программе пояснить пользователю свое рассуждение, дать ответы на вопросы «как?» и «почему?».

БД

БЗ Модуль приобретения знаний

Механизм логических выводов

Модуль советов и объяснений

Пользовательский интерфейс

Пользователь

Отаеты Наполнение,

и ^мшшия^ Эксшрт) модификация и дополнение знаний

Рис. 1. Структурная схема ЭСЭУ

Большое значение при создании БЗ придается развитию концепции наследования и формированию принципов комплексирования. Концепция наследования обеспечивает значительное ускорение процесса создания новых и совершенствование существующих фреймов БЗ в направлении расширения множества используемых моделей динамики; возможных ограничений на траектории фазовых координат, на скорость изменения управлений и прочего, встречающихся при реальной эксплуатации систем; использования новых стратегий реализации энергосберегающего управления. Задачи комплексирования связаны с повышением точности или робастности систем ресурсо-

сберегающего управления за счет использования информации, полученной на основе аналитических методов оптимального управления, знаний экспертов и накопленных результатов реальной эксплуатации систем управления. Благодаря сформулированной концепции наследования и применению принципов комплексирования формируется единое информационно-вычислительное пространство для проектирования систем энергоресурсосберегающего управления.

В автоматизированном режиме с помощью ЭСЭУ решаются прямые и обратные задачи энергосберегающего управления. Это требует использования методов, которые на основе значительного снижения размерности массивов переменных и параметров, участвующих в решении задач, позволяют визуализировать ход и полученные результаты для проектировщика систем управления.

Отличительными особенностями ЭСЭУ являются уникальная БЗ и оригинальное программное обеспечение, позволяющее оперативно переходить от исследования одной задачи оптимального энергосберегающего управления к другой при решении широкого круга задач анализа и синтеза оптимальных управляющих воздействий на множестве состояний функционирования энергоемких промышленных объектов.

Программное обеспечение среды проектирования ресурсосберегающих систем управления

Информационная среда проектировщика ресурсосберегающих систем управления представляет собой пакет программных модулей.

Модули «Анализ и синтез оптимального управления» (по массиву исходных данных задачи оптимального управления <М, Р, 8, С>, где М -вид и параметры модели объекта; Р - вид минимизируемого функционала; 8 - стратегии реализации оптимального управления; С - условия и ограничения) позволяют оперативно выполнять следующие исследования:

- определить вид функции оптимального управления, реализуемого программной или позиционной стратегиями;

- вычислить параметры оптимального управления;

- рассчитать траектории изменения фазовых координат и управляющего воздействия на временном интервале управления;

- оценить эффект энергосбережения и повышения качества продукции;

- оценить робастность алгоритма оптимального управления при изменении исходных данных;

- разработать программное обеспечение для микропроцессорных устройств;

решить обратные задачи оптимального управления (определить значения исходных данных для достижения требуемых результатов).

Оригинальный метод анализа и синтеза оптимального управления дает возможность отображать на экране дисплея обобщенный геометрический образ множества возможных решений для конкретных классов математических моделей и исходных данных (рис. 2).

Рис. 2. Интерфейс рабочей среды модуля анализа и синтеза оптимального управления

Комплекс модулей «Идентификация модели объекта управления» позволяет проводить эксперимент и предварительную обработку данных, определять параметры модели динамики объекта, определять закон распределения возмущающих воздействий, визуализировать процессы идентификации.

Модуль «Принятие обоснованных решений» позволяет использовать широкий набор методов ранжирования альтернативных вариантов, парных сравнений, оптимизации по Парето, Байеса-Ла-пласа, теории игр и др. Можно также привлекать экспертов через Internet, где размещен действующий модуль ЭСЭУ, для анализа и синтеза оптимального управления (http://www.iptop.net/di или http://crems.jesby. tstu. ru/di).

С помощью созданной информационной среды разработано алгоритмическое и программное обеспечение систем энергосберегающего управления для различного оборудования промышленного назначения.

Реализация систем энергосберегающего управления

В качестве примеров практической реализации системы управления промышленным оборудованием рассмотрим два объекта с распределенными параметрами: многозонную электрическую печь непрерывного действия и группу электрокамерных печей.

Многозонная печь состоит из 6 контролируемых и регулируемых зон и предназначена для термической обработки заготовок терморезисторов в воздушной среде. Внутри печи (в централь-

ной ее части) движется платформа с обрабатываемыми заготовками. Температуры Tj, i=l,n , в каждой зоне управляются напряжениями u,,i=l,n, подаваемыми на нагревательные элементы. Потребляемая мощность - 80 кВт, максимальная температура печи - 1400 °С, скорость проталкивания изделий - 0,3^-1 м/час, габаритные размеры печи - 8200x1800x2300 мм. В печи осуществляется косвенный нагрев заготовок карборундовыми (карбидкремниевыми) стержнями марки КЭН А 18/250/400 (18/300/350), в каждой зоне устанавливается 12 стержней (6 сверху и 6 снизу).

Управление тепловыми режимами печи осуществляется автоматизированной системой управления [2], которая на основе сведений о состоянии функционирования, значений температур в зонах печи реализует энергосберегающие управляющие воздействия. Система состоит из промышленного контроллера (iP-8000 на базе DOS-подобной ОС MiniOS7), устройства человеко-машинного интерфейса (панель оператора с цветным дисплеем и сенсорным экраном), промышленных коммутаторов MOXA с кольцом резервирования, интеллектуального промышленного коммутатора PowerTrans PT-7828, универсального адаптера AWK-3121 Wireless Ethernet 802.11 a/b/g. Адаптер совмещает в себе функции беспроводного клиента, точки доступа и беспроводного моста и позволяет организовать беспроводную передачу данных и управление системой непосредственно на участке термообработки. В систему управления введен сервер энергосберегающего управления, на котором размещена экспертная система с БЗ и БД. Экспертная система содержит сведения о полном анализе энергосберегающего управления для конкретных состояний функционирования (в том числе аварийных, связанных с отказами нагревательных элементов), а также сведения о функциях принадлежностей нечетких множеств, алгоритмах идентификации и др.

Разработанная система управления позволяет решать следующие задачи:

- энергосберегающий разогрев зон печи;

- поддержание заданного температурного профиля по длине печи;

оперативное корректирование температурного профиля при отказах отдельных нагревательных элементов;

- остывание печи.

Для централизованного управления тепловыми режимами в печах предусмотрена возможность объединения данной программно-аппаратной платформы в промышленную сеть Ethernet, а также выход в глобальную сеть Internet. Это позволяет передавать данные о работе печей или участка термообработки в единую БД с возможностью не только постоянного визуального контроля и накопления данных, но и изменения или корректиров-

ки процесса термообработки в режиме удаленного доступа.

Во втором примере (см. табл.) рассмотрим систему управления группой III (ЭКП) [3]; напряжение питающей сети - 380 В.

Тип печи Мощность, кВт Номинальная температура, °С Загрузка материала, кг Технологический режим

при запуске в зоне нагрева

СНО-8,14,5-12,5 75 74 1000 10 отжиг меди

СНО-8,14,5-12,5 75 74 1000 20 сушка керамики

СНО-6.12.4/6 60 59 800 8 отжиг стали

СНО-5.8.3/4 40 38 400 5 сушка

СНО-4.8.2,5/2,5 25 24 300 5 сушка

В системе предусмотрены регистрация температуры внутри камеры и снаружи печи, решение задач идентификации моделей динамики и оперативного синтеза энергосберегающих управляющих воздействий для отдельных ЭКП и группы ЭКП в целом.

Структура системы энергосберегающего управления включает два промышленных многоканальных контроллера (LinCom8000), которые позволяют одновременно управлять небольшими группами ЭКП разных цехов термообработки. Контроллеры подключены к внутренней беспроводной сети управления группой ЭКП ZigBee через внешние адаптеры. Особенности данной сети как сети управления и мониторинга заключаются в том, что она поддерживает не только простые топологии беспроводной связи (точка-точка и звезда), но и сложные беспроводные сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений с ячеистой топологией при относительно невысоком энергопотреблении.

Данные сети называют самоорганизующимися и самовосстанавливающимися сетями, так как ZigBee-устройства при включении питания благодаря встроенному программному обеспечению умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.

Используемая технология передачи данных позволяет существенно повысить надежность системы в целом за счет особенностей стандарта IEEE 802.15, что немаловажно для промышленных систем управления и мониторинга. Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в сетях ZigBee составляет 250 Кбит/с, что вполне достаточно для управления группой ЭКП. Радиус охвата приемопередатчиков ZigBee зависит от очень многих параметров, но прежде всего от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети ZigBee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками. При этом следует

учесть, что зона покрытия сети ZigBee значительно больше, чем расстояние между узлами, так как за счет ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети. Кроме того, в составе сети имеются беспроводные операторские панели, позволяющие оперативно корректировать циклы термообработки. Нижний уровень данной системы управления подключен к общей корпоративной сети производства через интеллектуальный модульный коммутатор. В состав системы энергосберегающего управления группой ЭКП также введена экспертная система, в БЗ которой содержится информация о результатах ранее решенных задач энергосберегающего управления.

Для управления печами используется обобщенный алгоритм, в котором сочетаются методы синтезирующих переменных и нечеткой логики. Предусмотрен режим адаптации с автоматической коррекцией параметров модели, которые по окончании режима заносятся в БД для последующего использования.

Для централизованного управления тепловыми режимами в печах существует возможность объединения данной программно-аппаратной платформы в промышленную сеть Ethernet, а также выход в глобальную сеть Internet. Благодаря этому данные о работе групп печей или участков термообработки передаются в экспертную систему, где можно осуществлять не только постоянный визуальный контроль и накопление данных, но и изменение или корректировку процесса термообработки в режиме удаленного доступа.

Основными составляющими эффекта энергосбережения при управлении группой ЭКП являются следующие:

- оптимальное управление каждой печью, входящей в состав группы печей;

- оптимальное распределение заданий между печами по критерию затраты энергии, то есть выбор такого распределения, при котором суммарные энергозатраты будут минимальными;

- оперативный пересчет распределения планового задания при всех изменениях производственных ситуаций, в том числе изменения номенклатуры и объемов выпускаемых изделий, отказы технологического оборудования;

- полное использование накопленного (остаточного) тепла в печах при выполнении планового задания, то есть система управления учитывает информацию о температурах в печах и наличии ожидаемых для термообработки изделий.

В заключение необходимо отметить: выполненные теоретические исследования и результаты практической реализации систем ресурсосберегающего управления показывают, что использование рассмотренной многофункциональной информационной среды, охватывающей все этапы жизненного цикла проектирования подобных систем, позволяют

значительно сократить сроки разработки систем ресурсосберегающего управления;

• обеспечить поддержку группового проектирования, в том числе в режиме удаленного доступа;

• использовать опыт предшествующих наработок (за счет применения принципов наследования и постоянного пополнения БЗ);

• снизить стоимость проектных работ.

При этом предприятию удается модернизировать системы управления существующих энергоемких промышленных установок, повысить надежность работы оборудования, обеспечить требования энергоэффективности, экологичности и экономичности оборудования, а также снизить себестоимость продукции и повысить уровень ее качества.

Область применения полученных результатов по энергосберегающему управлению достаточно обширна и не ограничивается только многозонными и электрокамерными печами. Разработанные системы управления универсальны, легки в эксплуатации, надежны, ремонтопригодны, адаптированы к жестким условиям производств, имеют высокую помехозащищенность, что повышает надежность в целом. Данные системы также масштабируемы под различные инфраструктуры предприятий в зависимости от конкретных потребностей.

Наиболее широкие возможности появляются при использовании режимов удаленного доступа и управления пространственно распределенными объектами. Удаленный доступ значительно повышает возможности масштабного контроля процессов. Это особенно актуально для компаний, которые имеют множество представительств и могут из центрального офиса головного предприятия следить за всеми технологическими процессами дочерних филиалов и управлять ими.

Разработанные системы ресурсосберегающего управления внедрены на ряде промышленных предприятий г. Тамбова и области, результаты исследований используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета.

Литература

1. Муромцев Ю.Л., Тюрин И.В. Информационно-инструментальная среда разработки алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления промышленными объектами // Проблемы управления. 2007. № 5. С. 69-75.

2. Муромцев Д.Ю., Тюрин И.В. Энергосберегающее управление сложными объектами // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. № 11. С. 24-28.

4. Белоусов О.А. Автоматизированная система энергосберегающего управления электрокамерными печами // Автоматизация в промышленности. 2005. № 5. С. 32- 34.

4. Муромцев Д.Ю. Методы и алгоритмы синтеза энергосберегающего управления технологическими объектами: монография. Тамбов-М.-СПб-Баку-Вена: Изд-во «Нобелисти-ка», 2005. 202 с.