Разработка виртуального лабораторного стенда в динамической среде моделирования Visual Modeler

УДК 004.946

Н. А. Староверова, Ю. Н. Зацаринная, Р. Н. Гайнуллин, М. М. Волкова, С. К. Шубина

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

В ДИНАМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ VISUAL MODELER

Ключевые слова: моделирование, автоматизация, регулирование, регуляторы, динамические характеристики, visual modeler.

В статье рассмотрены основные этапы создания виртуального лабораторного стенда в интегрированной среде для динамического моделирования OmegaLand, которая включает в себя динамический тренажер установки Visual Modeler для проведения лабораторных работ. В отличие от традиционного лабораторного оборудования, виртуальный лабораторный стенд системы горячего водоснабжения может легко тиражироваться, дает существенное сокращение материальных и временных затрат на создание и сопровождение лабораторных стендов.

Keywords: simulation, automation, regulation, regulators, dynamic characteristics, visual modeler.

The article describes the main stages of creating a virtual laboratory stand in an integrated environment for dynamic modeling OmegaLand, which includes a dynamic simulator of the Visual Modeler installation for conducting laboratory works. Unlike traditional laboratory equipment, the virtual laboratory stand of the hot water supply system can easily be replicated, it provides a significant reduction in material and time costs for the creation and maintenance of laboratory stands.

Современная система обучения студентов способствует укреплению теоретических знаний студентов, приобретению ими необходимых навыков по выбранному направлению посредством проведением лабораторных работ. Во многих вузах достаточно остро стоит вопрос приобретения оборудования для проведения лабораторных работ, поэтому нами был разработан виртуальный лабораторный стенд системы горячего водоснабжения в среде моделирования OmegaLand. Виртуальные стенды позволяют моделировать производственные процессы и контролировать усвоение знаний. При этом уменьшаются затраты времени на проведение лабораторных работ, что связано с использованием компьютерных эффектов.

Задача создания лабораторного стенда является весьма актуальной для многих вузов, так как это дает возможность оснастить все образовательные учреждения, независимо от их географического расположения, новым учебным оборудованием и ощутить экономический эффект при затрате средств на разработку или приобретение оборудования.

Существуют различные программные средства, с помощью которых возможно создание виртуальных стендов, для создания нашего лабораторного стенда мы использовали систему моделирования OmegaLand [1].

Каждый продукт OmegaLand содержит несколько "модулей", каждый из которых обеспечивает независимую функцию и VMspace, механизм для систематизированного соединения этих модулей. Например, пакет программ динамического моделирования Visual Modeler (VM), функциональные модули классифицируются как базовые функциональные модули, опционные функциональные модули и функциональные модули пользователя. Базовые функциональные модули включают в себя необходимые фундаментальные модули, хотя и необязательные, для построения почти любой прикладной системы. Опционные

функциональные модули могут быть выбраны в зависимости от назначения. Как базовые, так и опционные функциональные модули являются продуктами компании Omega Simulation [2]. А функциональные модули пользователя

предоставляются и добавляются пользователем. Например, разработанная пользователем система оптимизации работы технологической установки или приложение Excel могут быть включены в функциональные модули пользователя. Каждый модуль обеспечивает различные функции. Однако, в общем случае, он обеспечивает гибкость, которая позволяет настройку продукта под требования заказчика, в зависимости от назначения прикладных систем. Любая программа или данные, настроенные под заказчика, с модулями для каждого применения называется "приложением модуля", или просто "приложением". Например, приложение, созданное с помощью модуля технологической установки VM, обеспечивает модель конкретной технологической установки, такой как модель установки перегонки метанола. В OmegaLand, термин "приложение" используется для индикации программного обеспечения в формате исполнения, которое обеспечивает функции как часть реальной прикладной системы, в то время как термин "модуль" используется для включения механизмов, которые также генерируют каждое приложение [3].

Кроме того, в систему OmegaLand можно внедрить как приложение точные модели, созданные в Visual Modeler, являющейся программой динамического моделирования. Созданная таким образом модель технологической установки может быть исполнена сама по себе в модуле модели технологической установки (то есть в Visual Modeler), что и было сделано при разработке нашего стенда [4].

Виртуальный лабораторный стенд системы горячего водоснабжения состоит из пластинчатого

теплообменника и системы представленная на рис. 1.

его обвязки,

Рис. 1 - Двухступенчатая схема обвязки пластинчатого теплообменника

Горячее водоснабжение необходимо для гигиенических и бытовых нужд. Температура воды в данной системе варьируется от 50 до 70 градусов [5]. В простом виде местная система горячего водоснабжения представляет собой водоводяной теплообменник и сеть трубопровода, который подает нагретую воду к точкам потребления [5].

В контуре подачи теплоносителя обязательно присутствует свой циркуляционный насос, установленный на подающем трубопроводе. В соответствии с правилами помимо рабочего насоса параллельно ставится резервный такой же мощности. Данная схема использует тепловую энергию обратной линии системы отопления, а также тепло воды, идущей по замкнутому контуру ГВС, которая смешивается с холодной из водопровода водой и только после этого смесь поступает на теплообменник второй ступени. Регулирование температуры на выходе осуществляет ПИД-регулятор, управляющий клапаном на линии подачи теплоносителя. Схема позволяет существенно экономить, снимая лишнюю нагрузку с котлов и используя имеющееся тепло по максимуму. Следует обратить внимание, что на входе в теплообменник устанавливаются фильтры. От этого зависит надежная и долговечная работа агрегата. Также установлены датчики, которые необходимы для контроля расхода, давления и температуры в системе. С помощью них осуществляется реализация автоматической сигнализации в лабораторном стенде [6].

Данная схема подходит для реализации лабораторного стенда, так как на ней удобно реализовать и рассмотреть схему автоматической сигнализации, а также на ней присутствует автоматическое регулирование температуры выходящего продукта, что нам поможет решить задачу по составлению системы автоматического регулирования.

Создание схемы начинается с добавления компонентов, использующихся в технологическом процессев в модуле Visual Modeler.

После добавления компонентов и создания системы нам предоставляется возможность добавления элементов в схему и ввода начальных параметров модели. После чего осуществляется добавление и настройка клапанов, датчиков, теплообменников, ПИД-регулятора, а также в

модуле Graphic осуществляется создание и настройка мнемосхемы, которая может быть использована в тренажере. В соответствии со схемой Visual Modeler необходимо соединить клапана трубами, поставить датчики, насосы и ПИД-регулятор в соответствующих местах, а также соединить пунктирной линией дискретные датчики и ПИД-регулятор с клапанами [7]. Конечный вид схемы, построенной в Graphic Builder, представлен на рисунке 2.

Рис. 2 - Конечная схема процесса, построенная в Graphic Builder

Следующим этапом в создании мнемосхемы является связывание пиктограмм с моделью Visual Modeler.

В результате на основе виртуальной модели технологического процесса горячего водоснабжения был создан виртуальный лабораторный стенд, изображенный на рисунке 3, в основе которого лежит двухступенчатая схема обвязки теплообменника в системе горячего водоснабжения.

Рис. 3 - Схема виртуального лабораторного стенда

Схема состоит из теплообменников Е01 и Е02, насосов Ритр01 и запасного насоса Ритр02, запорных клапанов НУ01, НУ02, НУ03, НУ04, НУ05, НУ06, НУ07, одного регулирующего клапана АУ01, ПИД-регулятора pid01, модулей для реализации логики автоматической защиты и сигнализации Са1с01, Са1с02, Са1с03, Са1с04, татСа1с, датчиков расхода Р101, FI02, FI03, FI04, FI05, датчиков давления Р101, Р102, Р103, Р104, Р105, дискретные датчики LS01, LS02, LS03, LS04, LS05,

LS06, LS07, LS08, LS09, LS11, LS12, LS13, LS14, LS15, LS16.

Со входного потока ColdFeed поступает водопроводная вода и направляется в теплообменник E01, в котором осуществляется ее первоначальный нагрев теплом смеси теплоносителя, вышедшего из теплообменника E02, и теплом потока обратного отопления, который выходит из элемента ReverseHeating. Далее, смешиваясь с обратным потоком горячего отопления, выходящего из HotWaterSupply, вода направляется на повторный нагрев в теплообменник E02 теплоносителем, выходящим из элементы Heat. После этого нагретая вода идет на выход, к потребителю. ПИД-регулятор регулирует подачу теплоносителя из элемента Heat, изменяя степень открытости клапана AV01, в зависимости от значения уставки. Дискретные датчики принимают сигнал с датчиков давления и расхода.

Выводы

Качество образования, получаемого студентом, определяется не только уровнем теоретической подготовки, но и умением использовать полученные знания на практике. Практическими навыками студент приобретает через специально предусматриваемые в учебном плане лабораторные работы и семинарские занятия. Однако лабораторные стенды, предполагающие физическое моделирование технологического процесса даже в упрощенном виде, означают серьезные финансовые затраты на их создание и поддержку в работоспособном состоянии. Для повышения уровня практической подготовки научных и технических специалистов в последние годы все более широкое применение находят информационные технологии,

в частности, при организации лабораторных практикумов. Созданный нами виртуальный лабораторный стенд системы горячего водоснабжения может легко тиражироваться, дает существенное сокращение материальных и временных затрат на создание и сопровождение лабораторных стендов.

Литература

1. Староверова Н.А., Зацаринная Ю.Н., Герке А.Р., Лира А.В. Разработка модели процесса автоматического регулирования производительности насоса на базе современных средств автоматизации / Староверова Н.А., Зацаринная Ю.Н., Герке А.Р., Лира А.В.// Вестник технол. ун-та. . - 2017. - №15, С.114-118

2. Саданова Б. М., Олейникова А. В., Альберти И. В., Одинцова Е. А., Плеханова Е. Н. Применение возможностей виртуальных лабораторий в учебном процессе технического вуза // Молодой ученый. — 2016. — №4. — С. 71-74.

3. Руководство по работе с программой OmegaLand/ITK -Tokio/Japan: 2006 г. - 130c.

4. Горячее водоснабжение [Электронный ресурс] Режим доступа http: //www. га. wikipedia. org/wiki/ Горячее_водоснабжение, свободный.

5. Виды систем горячего водоснабжения [Электронный ресурс] Режим доступа http://sarssr.ru/content/vidy-sistem-gorjachego-vodosnabzhenija, свободный.

б.Зацаринная Ю. Н., Рахматуллин Р. Р., Ризванова Г. И. Информационная транспортная шина предприятий (ESB) в распределенных энергетических компаниях / Ю. Н. Зацаринная, Р. Р. Рахматуллин, Г. И. Ризванова // Вестник Казанского технологического университета. . - 2013. - №5 - С. 278-280.

7. Зарипов Д.К., Балобанов Р.Н. Индикатор дефекта высоковольтной изолирующей конструкции / Д.К. Зарипов // Электротехника. - 2016. - № 6. - С. 16-21.

© Н. А. Староверова - канд. тех. наук, доцент кафедры автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ; Ю. Н. Зацаринная - канд. тех. наук, доцент кафедры Электрических станций КГЭУ, доцент кафедры автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ, waysubbota@gmail.com; Р. Н. Гайнуллин - д. т. н, заведующий кафедрой автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ; М. М. Волкова - канд. тех. наук, доцент той же кафедры; С. К. Шубина - магистрант гр. Эм-1-17 КГЭУ.

© N. А. Staroverova - candidate. those. Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of Kazan National Research Technological University, J. N. Zatsarinnaya - Candidate. those. Associate Professor, Department of Electrical stations Kazan State Power Engineering University, zac_jul@mail.ru; R. N. Gainullin - doctor of technical sciences, Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of Kazan National Research Technological University, М. М. Volkova - candidate. those. Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of Kazan National Research Technological University, S. К. Shubina - student Эм-1-17 Kazan State Power Engineering University.