Интегрированный комплекс научных исследований и проектирования морской техники и технологий

УДК 536

И. А. Прошин, Д. И. Прошин, Р. Д. Прошина

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОРСКОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ

Введение

Разработка морской техники и технологий связана с решением комплекса разнообразных проблем (конструктивных, энергетических, технологических, управления, автоматизации и др.) и требует привлечения к исследованиям и проектированию множества специалистов различного профиля. Выполнение научно-исследовательских работ по созданию объектов морской техники в вузе обусловливает, с одной стороны, необходимость совмещения научных исследований и проектирования с профессиональной подготовкой студентов, аспирантов, соискателей, докторантов, с другой - привлечения специалистов различных структурных подразделений. Отсутствие в вузах единой лабораторной базы снижает как эффективность научных исследований и проектирования, так и результативность работы по подготовке специалистов по морской технике и технологиям практически всех уровней.

Создание экспериментальной лабораторной базы для проведения научных и учебных исследований на выпускающих кафедрах высших учебных заведений наталкивается на существенное противоречие. С одной стороны, необходимы научные исследования по многим направлениям и лабораторные занятия по многим дисциплинам, что требует использования универсальных средств, с другой - объекты исследования в каждой дисциплине обладают своими уникальными свойствами, что определяет их специфику и необходимость индивидуального исследования каждого объекта.

В рамках вуза это противоречие еще более обостряется, т. к. количество различных специальных дисциплин, научных направлений и объектов исследования для нескольких специальностей расширяется и постоянно изменяется, а организация их автоматизированного исследования и проектирования затрудняется.

Цель настоящей работы - создание интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ), объединяющего научные исследования, проектирование и профессиональную подготовку по направлению морской техники и технологиям в единую целостную автоматизированную систему.

Концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий

Суть предлагаемой концепции [1] состоит в интеграции всех видов учебных занятий, тренажа и научной деятельности по всем дисциплинам специальностей вуза в единый универсальный интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий, сочетающий в себе методы и методики автоматизированного исследования в виртуально-физической среде физических многофункциональных объектов (МФОИ), технических средств автоматизации, программнотехнических комплексов и их математических моделей, в целом интегрированных автоматизированных систем управления, объединяющих автоматизированные системы управления научными исследованиями (АСНИ), технологическими (АСУТП) и производственными процессами (АСУП).

Определение предлагаемого концептуального подхода к построению лабораторной базы в вузе связывает следующую совокупность понятий.

Интеграция. Интеграционные особенности предлагаемой концепции проявляются на нескольких ступенях и уровнях.

Первая ступень - это объединение всех видов занятий и научно-исследовательских работ, проводимых в вузе, интеграция всех дисциплин специальностей в единую целостную систему с последующей интеграцией в единую систему вузов.

Вторая ступень - это построение единого интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий.

Третья ступень - это объединение в единую систему виртуальной и физической среды.

На нижней страте ИКСАЛ интегрируются различные физические явления и закономерности в технологические процессы и объекты управления - многофункциональные установки. При

этом для каждого объекта исследования проводится агрегирование всей совокупности дисциплин по возможности использования для проведения исследований каждой установки, входящей в состав ИКСАЛ.

На второй страте комплекса размещаются исполнительные механизмы и датчики, образующие с многофункциональными объектами управления расширенные объекты управления.

Третий уровень - уровень контроллеров и локальных систем автоматического управления, объединяющих регуляторы с расширенными объектами управления.

Четвёртый уровень объединяет программные средства обработки информации в реальном времени, накопители информации, программные продукты, реализующие методики проведения научных и лабораторных исследований. На четвёртом уровне интегрируются АСНИ, АСУТП и АСУП.

Комплексность. Комплексность отображает, прежде всего, системность, разносторонность, многогранность подхода. Совокупность технических и программных средств, математических моделей, методов и методик, процедур анализа и синтеза, исследования и проектирования по всем дисциплинам и специальностям вуза образует интегрированный комплекс.

Сетевая. Понятие «сетевые» отражает объединение всех технических и программных средств в единую многоуровневую сеть с возможностью обмена информацией между всеми рабочими местами на всех уровнях ИКСАЛ и управления реальными многофункциональными объектами.

Автоматизация. Свойство «Автоматизированная» использовано в смысле проведения как научных, так и учебных исследований в автоматизированном режиме с использованием систем автоматизированной обработки информации, управления и автоматизированного проектирования.

Лаборатория. Понятие лаборатория объединяет учебную и научные стороны исследовательского процесса в единое целое - в учебно-научно-исследовательскую лабораторию.

Виртуально-физическая среда. Интеграция виртуальной и физической сред состоит во взаимном дополнении и проникновении, сопоставлении физических объектов и имитационных математических моделей, результатов экспериментальных исследований и результатов исследований на математических моделях. Объединение виртуальной и физической сред обеспечивает расширение возможностей по исследованию процессов и систем при сокращении затрат на проведение экспериментов с использованием минимального количества физических объектов, сочетает современные методы автоматизированного анализа, синтеза и проектирования.

В соответствии с предлагаемой концепцией лабораторная и научно-исследовательская база вуза строится как единая интегрированная автоматизированная система методологического, информационного, математического, организационного и технического обеспечения, в том числе сетевого комплекса расширенных объектов исследования (КРОИ) и имитаторов, объединенного в единый сетевой программно-технический комплекс, сочетающий в себе:

— универсальность исследований;

— уникальность объекта исследования;

— вариативность, комплексность исследования как на физических объектах, так и на имитаторах и математических моделях.

Структура интегрированного комплекса научных исследований и проектирования морской техники и технологий

Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий - основа не только исследования и проектирования систем управления, профессиональной подготовки по отдельным дисциплинам специальности или комплекса специальностей, но и единая система, обеспечивающая проведение научных исследований и профессиональной подготовки по специальности в целом. Поэтому структура ИКСАЛ должна учитывать все возможные режимы и специфику проведения исследований по всем изучаемым дисциплинам. Вместе с тем ИКСАЛ является сам объектом исследования, как пример типовой интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ), и вследствие этого его структура отражает строение типовой ИАСУ.

Типовая структура ИАСУ представляет собой человеко-машинную многоуровневую иерархическую функционально и территориально распределенную открытую совокупность взаимоувязанных автоматизированных систем управления, объединяемых в единую систему межсистемными и локальными связями в соответствии с технологической структурой предприятия, содержанием и иерархией задач управления.

Связь между объектами управления, в которых протекают технологические процессы (0 уровень), подлежащие управлению, и управляющими устройствами (II и III уровень) в АСУТП осуществляется посредством датчиков и исполнительных механизмов (I уровень). В ИКСАЛ технологические объекты управления, датчики и исполнительные элементы объединены в комплекс расширенных объектов управления, который наделён, кроме того, функциями первичной обработки, накопления и передачи информации в реальном времени.

На втором и третьем уровнях ИКСАЛ расположены программируемые контроллеры, исполнительные системы реального времени, серверы, 8СЛБЛ-системы и т. д. Верхний уровень интегрированной лаборатории включает в себя сеть компьютеров, представляющих собой рабочие места студентов, преподавателей, инженеров, научных работников.

Комплекс расширенных объектов исследования морской техники и технологий

За основу при создании ИКСАЛ принимается критерий максимального обеспечения лабораторной базой всех дисциплин специальностей и научных исследований по направлению «Морская техника и технология» при использовании минимального количества физических объектов и площадей при максимальной загрузке лаборатории.

Для обеспечения научных исследований и качественной профессиональной подготовки специалистов по направлению «Автоматизация и управление» в области морской техники и технологий достаточно использовать три интегрированных многофункциональных комплекса расширенных физических объектов (рис. 1):

- интегрированный комплекс «Управляемый синхронный генератор (СГ) - распределённая сеть» (РС);

- интегрированный вентильно-электромеханический комплекс (ИЭМК);

- интегрированный комплекс, реализующий типовые технологические процессы (ИКТП).

Рис. 1. Структура многофункциональных объектов исследования по автоматизации и управлению в области морской техники и технологий

Каждый из рассмотренных объектов построен таким образом, что учитывает особенности предметов и обеспечивает проведение всей совокупности учебных занятий по множеству дисциплин специальности в единой интегрированной виртуально-физической среде, с возможностью наращивания и подключения других подсистем.

С одной стороны, совокупность программных и технических модулей представляет собой интегрированную автоматизированную систему - средство для проведения научных исследований и учебных занятий, с другой - сама автоматизированная система, её программные и технические компоненты являются объектом научных исследований и изучения.

В качестве примера многофункционального объекта исследований рассмотрим МФОИ «СГ - РС». Для судовых валогенераторных установок, обеспечивающих генерирование переменного тока постоянной частоты за счёт отбора механической энергии от главного судового дизеля, характерным является режим работы с переменной скоростью вращения вала дизеля. Поэтому в объекте исследования СГРС в качестве привода используется управляемый по скорости электропривод, обеспечивающий задание требуемых значений скорости вращения ротора СГ.

В состав многофункционального объекта СГРС входят четыре модуля, управляемые от сети компьютеров:

- модуль управления (МУ);

- модуль трансформаторов и магнитных пускателей (ТМП-1);

- тиристорный коммутатор трёхфазных нагрузок (ТКН-3);

- тиристорный коммутатор однофазных нагрузок (ТКН-1).

Система предназначена для исследования работы СГ и систем на его основе. Система позволяет:

- менять режимы управления СГ, типы и конфигурацию его нагрузок;

- осуществлять непрерывный мониторинг параметров выходных цепей СГ;

- производить передачу результатов измерений выходных параметров СГ на ПЭВМ.

Модуль управления (рис. 2) обеспечивает управление обмоткой возбуждения синхронного генератора (ОВСГ) при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а также магнитными пускателями и тиристорами модулей ТМП-1, ТКН-1, ТКН-3. Диапазон изменения тока в ОВСГ от 0 до 6 ампер с дискретностью 0.1 А. Напряжение на ОВСГ зависит от задаваемого тока. Поддержание заданного уровня выходного напряжения СГ обеспечивается путем формирования воздействия на ОВСГ в замкнутой и разомкнутой системах управления. Значения коэффициентов регулятора заносятся в память с панели управления (ПУ) модуля управления или с ПЭВМ. Подачу в ОВСГ тока с фиксированным значением, которое задается пользователем с ПУ блока управления (БУ) или с ПЭВМ. Результаты измерения напряжения и тока в цепи ОВСГ и напряжений и токов фаз А, В и С генератора отображаются на индикаторе ПУ БУ.

Рис. 2. Модуль управления

Обработка результатов измерений и непрерывная их передача на ПЭВМ обеспечивается по изолированному интерфейсу Я8-485. Модуль управления формирует два массива данных, каждый из которых включает в себя результаты измерений напряжения и тока каждой фазы СГ за десять периодов сети по сорок измерений на период, а также результаты измерений тока и напряжения на ОВСГ. Двухсторонний обмен с ПЭВМ организован в полудуплексном режиме. Аналогично выполнены и другие модули.

Программное обеспечение интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий

Структура программного обеспечения ИКСАЛ объединяет (рис. 3):

- сервер приложений;

- сервер базы данных;

- WEB-сервер.

Рабочие места 1Е

Орега Р1геРох

Рис. 3. Программное обеспечение ИКСАЛ

Сервер приложений включает в себя: периодический опрос базы данных; сервер базы данных; передачу параметров работы объекта контроллеру; ожидание завершения процесса контроллером; приём результатов; запись результата в базу данных; отображение состояния обмена на мониторе.

Сервер базы данных, в свою очередь, осуществляет функции хранения очереди запросов на выполнение научных исследований или лабораторной работы и хранения результатов работы объекта.

WEB-сервер связывает функции: обеспечения интерфейса с пользователем; передачи запросов в базу данных; получения результата из базы данных; передачи результата на рабочее место.

Основная экранная форма при исследовании СГРС включает в себя схему базового модуля объекта, управляющие органы, средства графического и цифрового представления информации и др. (рис. 4).

Управление режимами многофункционального объекта СГРС включает в себя перевод системы для исследования характеристик генератора (холостого хода, короткого замыкания, регулировочной, внешней и др.), организацию исследований разомкнутой и замкнутой систем управления, оценки показателей качества электрической энергии и системы управления, управление частотным электроприводом, нагрузками и др. Взаимосвязь силовой части МФОИ осуществляется через канал Я8-485.

і£ СГРС | Управление 1.1—' I ^

Рис. 4. Основная экранная форма объекта СГРС

Блок управления может находиться в одном из двух рабочих режимов: «Дистанционный» или «Местный». В режиме «Местный» управление БУ осуществляется с панели управления (ПУ) БУ. ПЭВМ может только запрашивать данные, т. е. работать в режиме монитора. В режиме «Дистанционный» управление системой СГРС передается ПЭВМ, которая может запрашивать данные, вводить параметры в память контроллера БУ, управлять подключенным к БУ оборудованием.

В режиме управления системой от ПЭВМ любое изменение данных, находящихся в регистрах, доступных для записи, воспринимается системой СГРС как «Событие», приводящее к изменению выходных параметров системы. Например, изменение выходного напряжения синхронного генератора, тока в ОВСГ, параметров ПИД-регулятора, подключение нагрузки РС и т. п. (рис. 5).

При возникновении события для фиксации процесса изменения выходных параметров системы формируются два массива данных. Первый массив данных (буфер 1) содержит значения выходных параметров системы до начала события за определенный период времени. Второй массив данных (буфер 2) содержит значения выходных параметров системы с момента начала события за определенный период времени.

Содержимое буфера 1 и буфера 2 представляет собой следующие данные:

— мгновенные значения напряжений в фазах А, В, С (2 байта на фазу);

— мгновенные значения токов в фазах А, В, С (2 байта на фазу);

— мгновенные значения напряжения и тока в ОВСГ (по 2 байта).

Частота дискретизации - 2 кГц, т. е. 40 точек на период сигнала. Всего в одном буфере накапливаются мгновенные значения напряжений и токов за 10 периодов сигналов.

Протокол взаимодействия СГРС и ПЭВМ основан на стандарте MODBUS. Режим работы MODBUS - RTU. Скорость передачи данных - 9 600 бит/сек. Взаимодействие между ПЭВМ и СГРС организуется по принципу master/slave (ПЭВМ - master, СГРС - slave).

Данные по каналу RS-485 передаются 10-битными посылками, состоящими из стартового бита, 8 битов данных, стопового бита. Бит чётности не используется. Признак конца сообщения -тайм-аут, длительность которого не менее, чем время передачи З,5 посылок. Для скорости 9 600 бит/сек тайм-аут составляет 4 мс.

Рис. 5. Управление регуляторами и нагрузками от ПЭВМ

При взаимодействии ПЭВМ и СГРС выполняется запись/чтение 16-разрядных регистров СГРС, которые определяют режим работы СГРС и состояние устройства. Разрядность регистра -16 бит. Во всех полях сообщения используется 16-ричный код.

Данные передаются в целочисленном формате (WORD - 2 байта) или формате с плавающей точкой (FLOAT - 4 байта). Каждому передаваемому четырёхбайтному значению соответствуют 2 регистра. Старший байт следует первым.

Методология проведения лабораторных занятий в условиях ИКСАЛ

Изучаемые в едином ИКСАЛ технологические объекты морской техники исследуются как в статических, так и в динамических режимах и включают в себя значительно различающиеся по скорости протекания процессы (электрические, электромеханические, механические, гидромеханические, тепловые), что усложняет применение для их исследования общих методик, обусловливает их специфику.

Методология организации лабораторных занятий в автоматизированном режиме объединяет ряд методик проведения исследований, специфика которых определяется особенностями проводимых исследований и объектов [2]:

— методика параллельного исследования единственного объекта со смещением моментов получения информации для каждого обучающегося;

— методика последовательного исследования обучающимися одного и того же объекта;

— методика комплексного проведения исследований с использованием физических и математических моделей;

— методика комплексного проведения исследований нескольких объектов с использованием физических и математических моделей;

— методика комплексного проведения исследований с использованием синтезированных экспериментальных данных и трендов, снятых с реальных установок.

Технология организации лабораторных занятий, основанная на их автоматизированном комплексном проведении, позволяет расширить возможности исследования различных систем, обеспечивает более глубокое и детальное изучение предмета при значительном повышении надёжности и снижении стоимости оборудования.

Математическое обеспечение интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий

За основу математического обеспечения для рассматриваемого направления (рис. 6) примем структурирование моделей по классам.

Методология ТАУ. принципы, алгоритмы, законы управления

Анализ

1) устойчивости;

2) точности;

3) инвариантности;

4) чувствительности;

5) управляемости;

6) наблюдаемости;

7) качества;

8) оценки

- прямые.

- частотные.

- корневые.

- интегральные

1. Общие принципы синтеза САУ

2. Методы формирования динамических свойств САУ

3. Коррекция САУ

Рис. 6. Математическое обеспечение ИКСАЛ

В качестве узловых, как при обучении на всех ступенях профессиональной подготовки, так и при проведении исследований, введём математические модели «Вход - выход» и «Вход -состояние - выход», систематизированные на базе принципов прямой причинно-следственной связи, а также математических моделей управляемых вентильно-электромеханических систем [3-8].

Система обработки информации

Основу системы обработки информации в ИКСАЛ составляют три следующих принципа [6, 8]: систематизация ММ (базисных функций) по видам преобразования координат; многоуровневый синтез и выбор пакетов функциональных зависимостей; получение состоятельных, несмещённых и эффективных оценок ММ в преобразованных координатах и методы дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализа, планирования эксперимента.

Заключение

Создание ИКСАЛ предусматривает переход от специализированных лабораторий кафедр по отдельным дисциплинам и специальностям к интегрированным системам на всех уровнях (лекции, практические, лабораторные, семинарские и другие виды занятий) преподавания

по различным специальностям и обеспечивает методическую, математическую, информационную, программно-техническую и организационную совместимость, единство и целостность всего учебного процесса на основе интеграции различных педагогических технологий.

Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий объединяет все лаборатории и аудитории вуза в единую интегрированную систему с возможностью проведения в каждой из аудиторий и лабораторий любого вида занятий по любой дисциплине, преподаваемой в вузе. Как показала оценка экономической эффективности ИКСАЛ, затраты на создание одного рабочего места студента для проведения одного часа лабораторной работы примерно в 50-100 раз меньше (в зависимости от специальности или совокупности специальностей), чем в лучших современных системах.

Отличительные особенности ИКСАЛ - это универсальность, магистральность, открытость, целостность и единство.

Разработка и внедрение ИКСАЛ обеспечивает:

1) повышение экономической эффективности проведения лабораторных занятий посредством резкого уменьшения количества эксплуатируемого оборудования и площади, занимаемой оборудованием, увеличения загрузки лабораторий, сокращения работ по обслуживанию;

2) повышение динамичности и гибкости учебного процесса на основе различных педагогических технологий (совместной учебной и научной деятельности студентов, диалоговой, игровой, задачной, тренинговой, информационной);

3) создание условий для проведения самостоятельной работы студентов, НИРС, НИР, работы аспирантов, позволяющих формировать высокий познавательный интерес к усваиваемым знаниям, развивать творческий потенциал, способствовать более глубокому проникновению в отдельные разделы знаний по различным предметным областям на основе их дифференциации и интеграции, организации итерационных процедур, развивать творческие способности и склонность к научно-исследовательской деятельности, расширять теоретический кругозор и научную эрудицию, проводить наиболее эффективный профессиональный отбор способной, одарённой и талантливой студенческой молодёжи для дальнейшего обучения в магистратуре и аспирантуре с целью пополнения научных и педагогических кадров, популяризировать научные знания и достижения среди студентов, аспирантов и преподавателей;

4) интеграцию вариативных технологий обучения на основе системного подхода, совмещения учебных программ и учебных блоков различных дисциплин и специальностей, научной и практической ориентированности, структурированности и модульности, стратификации или уровневой дифференциации, единства, целостности обучения по всем дисциплинам специальностей, проблемного, дифференцированного и программированного обучения, индивидуальных, подгрупповых и фронтальных форм обучения, разнообразия средств и форм обучения;

5) возможность создания интегрированной информационно-управляющей системы, объединяющей все виды деятельности вуза в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прошин И. А., Прошин Д. И., Прошина Р. Д. Концепция построения лабораторной базы в вузе // Академия профессионального образования. - 2006. - № 5. - С. 20-24.

2. Прошин И. А., Прошин Д. И., Прошина Р. Д. Методика проведения лабораторных занятий в условиях интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий // Академия профессионального образования. - 2007. - № 3-4. - С. 26-32.

3. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1. Управление непосредственными преобразователями электрической энергии. - Пенза: ПТИ, 2002. - 333 с.

4. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 2. Математическое моделирование вентильно-электромеханический систем. - Пенза: ПТИ, 2003. - 306 с.

5. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 3. Синтез управляемых вентильно-электромеханический систем. - Пенза: ПТИ, 2003. - 320 с.

6. Математическое моделирование и обработка информации в исследованиях на ЭВМ / И. А. Прошин, Д. И. Прошин, Н. Н. Мишина и др.; под ред. И. А. Прошина. - Пенза: ПТИ, 2000. - 422 с.

7. Прошин И. А., Прошин Д. И., Прошина Н. Н. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. - 178 с.

8. Прошин И. А., Акулова Л. Ю., Акулов В. Г. Исследование технических систем с использованием управляемых графических моделей МАТЫСАБ. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. - 202 с.

Статья поступила в редакцию 13.07.2009

INTEGRATED ASSEMBLY OF SCIENTIFIC RESEARCH AND DESIGN OF MARINE ENGINEERING AND TECHNOLOGIES

I. A. Proshin, D. I. Proshin, R. D. Proshina

Problems and principles of the construction of integrated assembly of network automated laboratories, ensuring the integration of all types of educational and scientific activities of the university, are considered in the paper. The created assembly combines the methods and techniques of automated research on mathematical and physical models.

Key words: automation, integrated assembly, laboratory, model, scientific research, professional training, management.