ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ИСКУССТВЕННОЙ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
HIERARCHICAL INFORMATION MODEL OF ARTIFICIAL BIOENERGY SYSTEM

Изобретение относится к системам управления, в которых режимы работы для достижения заданного критерия, в частности минимизации энергоемкости, выбираются с использованием моделирующих устройств, а так же к системам распределения энергии в энергетических системах.
Понятие искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) объединяет совокупность энергетических установок, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов, применяемых в отраслях АПК для проведения требуемых технологических операций по получению и переработки исходного сырья в промежуточные и конечные продукты потребления. Эти процессы относятся к энергоемким, оптимизация их проведения требует наличия соответствующей модели, учитывающей параметры входящих в систему объектов [Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник РАСХН. - 2009. - №4. - С.89-92].
Известна иерархическая модель энергетической системы, включающая модули различного уровня, в которой модули нижнего уровня моделируют энергопотребление для модулей верхнего уровня [ЕР 2595013 (А2) Hierar-chichal Model Communication and Control in a Managed Electrical System. G05B 15/02. 2011-11-15].
Основные недостатки известного технического решения:
- отсутствие учета параметров биологических объектов, образующих в сельскохозяйственном производстве биотехнические и биоэнергетические системы;
- отсутствует возможность моделирования технологических процессов сельскохозяйственного производства, связанных с преобразованием энергии и вещества.
Наиболее близким техническим решением является модель потребительской энергетической системы, содержащая БП рынка энергии (1), БП рынка энергетического оборудования (2), БП рынка технологического оборудования (3), БП рынка сырья (4), БП рынка продукции (5), первый (6), второй (7) и третий (8) БП выбора оборудования, блок приборов учета энергии (9), блок приборов учета продукции (10), БП основного энерготехнологического процесса (ЭТПо) (11), БП подготовительного энерготехнологического процесса (ЭТПп) (12), БП энерготехнологического процесса создания микроклимата (ЭТПм) (13), БП окружающей среды (14), блок управления (15), при этом выход БП рынка энергии (1) соединен с входом блока приборов учета энергии (9), выход которого соединен с первыми входами первого (6) и второго (7) БП выбора оборудования и первым входом блока управления (15), выход БП рынка энергетического оборудования (2) соединен с вторым входом первого БП выбора оборудования (6), выход блока управления (15) соединен с входом третьего БП выбора оборудования (8), выходы первого (6), второго (7) и третьего (8) БП выбора оборудования соединены соответственно с первыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), вторые входы которых соединены с БП рынка сырья (4), при этом выход БП рынка технологического оборудования (3) соединен с третьим входом БП ЭТПп (12), выход которого соединен с третьим входом БП ЭТПо (11), выход которого соединен с входом блока приборов учета продукции (10), выход которого соединен с входом БП рынка продукции (5), а выход БП ЭТПм (13) соединен с входом БП окружающей среды (14), выход которого соединен с вторым входом блока управления (15) [Карпов, В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений / В.Н. Карпов. - СПб.: СПбГАУ, 2005. - 137 с.].
Недостатки известного технического решения:
- состав блоков и структура их связей ограничивает возможности моделирования распределения потоков вещества и энергии в системе;
- отсутствует возможность задавать характеристики БП ЭТП, исходя из составляющих их стандартных блоков более низкого уровня;
- отсутствует учет потока вещества (сырья);
- не предусмотрен учет параметров рынка образовательных услуг, влияющего на выбор оборудования и энергоэффективность системы в целом;
- отсутствует учет используемого ресурса возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Задача изобретения - создание технического решения, представляющего собой устройство, моделирующее режимы работы ИБЭС с целью их оптимизации по критерию энергоемкости.
Технический результат - расширение функциональных возможностей модели, обеспечение возможности моделирования распределения потоков энергии и вещества в ИБЭС.
Технический результат достигается тем, что иерархическая информационная модель ИБЭС,
первый уровень иерархии которой составляет совокупность блоков, образующих систему, включает БП рынка энергии (1), БП рынка энергетического оборудования (2), БП рынка технологического оборудования (3), БП рынка сырья (4), БП рынка продукции (5), первый (6), второй (7) и третий (8) БП выбора оборудования, блок приборов учета энергии (9), блок приборов учета продукции (10), БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12), БП ЭТПм (13), БП окружающей среды (14), блок управления (15), БП сельскохозяйственного биологического объекта (СХБО) (16), БП биологических и технических средств обеспечения (БТС) (17), БП технических средств обеспечения микроклимата (ТСОМ) (18), БП рынка образовательных услуг (19), блок приборов учета потоков вещества (20), БП возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (21), четвертый БП выбора оборудования (22), блок учета перераспределения продукции (23), при этом выход БП рынка энергии (1) соединен с первым входом блока приборов учета энергии (9), выход которого соединен с первыми входами первого (6) и второго (7) БП выбора оборудования и первым входом блока управления (15), выход блока управления (15) соединен с входом третьего БП выбора оборудования (8), выходы первого (6), второго (7) и третьего (8) БП выбора оборудования соединены соответственно с первыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), выход блока приборов учета продукции (10) соединен с входом БП рынка продукции (5), первый выход БП окружающей среды (14) соединен с вторым входом блока управления (15), выход БП рынка сырья (4) соединен с входом блока приборов учета потоков вещества (20), выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), третьи входы которых соединены с выходами БП СХБО (16), БП БТС (17), БП ТСОМ (18), первые и вторые выходы соединены с соответствующими входами БП окружающей среды (14), а третьи выходы соединены с входом блока приборов учета продукции (10) и с входом блока учета перераспределения продукции (23), выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), выход БП рынка энергетического оборудования (2) соединен с вторыми входами первого (6), второго (7), третьего (8) и четвертого (22) БП выбора оборудования, третьи входы которых соединены с выходом БП рынка образовательных услуг (19), выход БП рынка технологического оборудования (3) соединен с входами БП СХБО (16), БП БТС (17), БП ТСОМ (18) и первым входом БП ВИЭ (21), второй вход которого соединен с вторым выходом БП окружающей среды, а выход соединен с первым входом четвертого БП выбора оборудования (22), выход которого соединен с вторым входом блока приборов учета энергии (9),
второй уровень иерархии составляет совокупность блоков, образующая БП энерготехнологического процесса (ЭТП), включающая первый счетчик потока энергии (24), блок преобразования энергии (БПЭ) (25), второй счетчик потока энергии (26), первый счетчик потока вещества (27), блок преобразования вещества (БПВ) (28), второй счетчик потока вещества (29), при этом первый вход БП ЭТП является входом первого счетчика потока энергии (24), выход которого соединен с входом БПЭ (25), первый выход которого соединен с входом второго счетчика потока энергии (26), выход которого является первым выходом БП ЭТП, а второй вход БП ЭТП является входом первого счетчика потока вещества (27), выход которого соединен с вторым входом БПВ (28), первый вход которого соединен с вторым выходом БПЭ (25), первый выход является вторым выходом БП ЭТП, второй выход соединен с входом второго счетчика потока вещества (29), выход которого является третьим выходом БП ЭТП,
третий уровень иерархии составляет совокупность блоков, моделирующих характеристики стандартных энергетических операторов (ЭО), образующая БПЭ (25), причем ЭО соединены последовательно-параллельно в соответствии со структурой моделируемого БПЭ и в соответствии с учитываемыми видами энергии ЭО выполнены с возможностью моделирования взаимозависимости поперечной и продольной координат,
при этом взаимодействие уровней иерархии между собой обеспечено возможностью передачи сигналов, соответствующих параметрам модели, с третьего иерархического уровня на второй.
Новые существенные признаки:
Наличие на первом уровне иерархии модели БП СХБО (16), БП БТС (17), БП ТСОМ (18), БП рынка образовательных услуг (19), блока приборов учета потоков вещества (20), БП ВИЭ (21), четвертого БП выбора оборудования (22), блока учета перераспределения продукции (23) при этом выход БП рынка сырья (4) соединен с входом блока приборов учета потоков вещества (20), выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), третьи входы которых соединены с выходами БП СХБО (16), БП БТС (17), БП ТСОМ (18), первые и вторые выходы соединены с соответствующими входами БП окружающей среды (14), а третьи выходы соединены с входом блока приборов учета продукции (10) и с входом блока учета перераспределения продукции (23), выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо (11), БП ЭТПп (12) и БП ЭТПм (13), выход БП рынка энергетического оборудования (2) соединен с вторыми входами первого (6), второго (7), третьего (8) и четвертого (22) БП выбора оборудования, третьи входы которых соединены с выходом БП рынка образовательных услуг (19), выход БП рынка технологического оборудования (3) соединен с входами БП СХБО (16), БП БТС (17), БП ТСОМ (18) и первым входом БП ВИЭ (21), второй вход которого соединен с вторым выходом БП окружающей среды, а выход соединен с первым входом четвертого БП выбора оборудования (22), выход которого соединен с вторым входом блока приборов учета энергии (9),
Наличие на втором уровене иерархии модели совокупности блоков, образующей БП энерготехнологического процесса (ЭТП), включающей первый счетчик потока энергии (24), блок преобразования энергии (БПЭ) (25), второй счетчик потока энергии (26), первый счетчик потока вещества (27), блок преобразования вещества (БПВ) (28), второй счетчик потока вещества (29), при этом первый вход БП ЭТП является входом первого счетчика потока энергии (24), выход которого соединен с входом БПЭ (25), первый выход которого соединен с входом второго счетчика потока энергии (26), выход которого является первым выходом БП ЭТП, а второй вход БП ЭТП является входом первого счетчика потока вещества (27), выход которого соединен с вторым входом БПВ (28), первый вход которого соединен с вторым выходом БПЭ (25), первый выход является вторым выходом БП ЭТП, второй выход соединен с входом второго счетчика потока вещества (29), выход которого является третьим выходом БП ЭТП,
Наличие на третьем уровне иерархии модели совокупности блоков, моделирующих характеристики стандартных энергетических операторов (ЭО), образующих БПЭ (25), причем ЭО соединены последовательно-параллельно в соответствии со структурой моделируемого БПЭ и в соответствии с учитываемыми видами энергии ЭО выполнены с возможностью моделирования взаимозависимости поперечной и продольной координат.
При этом взаимодействие уровней иерархии между собой обеспечено возможностью передачи сигналов, соответствующих параметрам модели, с третьего иерархического уровня на второй.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат в части расширения функциональных возможностей обеспечивается тем, что:
1. Наличие на втором уровене иерархии модели совокупности блоков, образующей БП энерготехнологического процесса (ЭТП), включающей первый счетчик потока энергии (24), блок преобразования энергии (БПЭ) (25), второй счетчик потока энергии (26), первый счетчик потока вещества (27), блок преобразования вещества (БПВ) (28), второй счетчик потока вещества (29) и связей между ними обеспечивает возможность задавать характеристики БП ЭТП, исходя из составляющих их стандартных блоков более низкого уровня;
2. Наличие блока приборов учета потоков вещества (20) обеспечивает возможность учета потоков вещества;
3. Наличие БП рынка образовательных услуг (19), выход которого соединен с третьими входами первого (6), второго (7), третьего (8) и четвертого (22) БП выбора оборудования обеспечивает возможность учета параметров рынка образовательных услуг, влияющего на выбор оборудования и энергоэффективность системы в целом;
4. Наличие БП ВИЭ (21), второй вход которого соединен с вторым выходом БП окружающей среды (14), а выход соединен с первым входом четвертого БП выбора оборудования (22), выход которого соединен с вторым входом блока приборов учета энергии (9) обеспечивает учет используемого ресурса ВИЭ.
Технический результат в части обеспечения возможности моделирования распределения потоков энергии и вещества в ИБЭС в целом обеспечивается составом блоков, входящих в модель и связей между ними.
Возможность использование предлагаемой модели в сельском хозяйстве и энергетике, известность программно-аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация отдельных блоков модели и ее структуры в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил способ того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Анализ уровня техники не выявил известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат (обеспечение возможности моделирования распределения потоков энергии и вещества в ИБЭС), что свидетельствует об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.
н
к
н
к
На фиг. 1 показана вложенность уровней модели с указанием потоков энергии и вещества: первый уровень - уровень ИБЭС; второй уровень - уровень ЭТП; третий уровень - уровень БПЭ; Q, Q, ΔQ - потоки энергии, соответственно подаваемые на вход БПЭ, полезно используемые в БПВ и составляющие энергетические потери; М, М, ΔМ - потоки вещества, соответственно подаваемые на вход БПВ, являющиеся полезной продукцией и составляющие потери вещества.
На фиг. 2 показана структура первого уровня модели ИБЭС: 1 - БП рынка энергии, 2 - БП рынка энергетического оборудования, 3 - БП рынка технологического оборудования, 4 - БП рынка сырья, 5 - БП рынка продукции, 6 - первый, 7 - второй и 8 - третий БП выбора оборудования, 9 - блок приборов учета энергии, 10 - блок приборов учета продукции, 11 - БП ЭТПо, 12 - БП ЭТПп, 13 - БП ЭТПм, 14 - БП окружающей среды, 15 - блок управления, 16 - БП СХБО, 17 - БП БТС, 18 - БП ТСОМ, 19 - БП рынка образовательных услуг, 20 - блок приборов учета потоков вещества, 21 - БП ВИЭ, 22 - четвертый БП выбора оборудования, 23 - блок учета перераспределения продукции.
На фиг. 3 показана структура второго уровня модели ИБЭС (уровня ЭТП): 24 - первый счетчик потока энергии, 25 - блок преобразования энергии, 26 - второй счетчик потока энергии, 27 - первый счетчик потока вещества, 28 - блок преобразования вещества, 29 - второй счетчик потока вещества.
0
1
2
1
2
3
На фиг. 4 показан пример структуры третьего уровня модели ИБЭС с указанием потоков энергии: 30, 31, 32 - ЭО, включенные последовательно-параллельно; ξ, ξ, ξ - продольные координаты; ζ - поперечная координата; R, R, R - показатель реакции соответствующего ЭО.
На фиг. 5 показан пример структуры второго уровня модели ИБЭС (для ЭТПо) с указанием потоков энергии и вещества.
н
в
н
1
2
3
в
к
в
н1
н1
1
1
к1
н2
н2
2
2
к2
н3
н3
3
3
к3
На фиг. 6 показан пример структуры первого уровня модели ИБЭС с указанием потоков энергии и вещества: Q - поток энергии, потребляемый с рынка энергии 1; М - поток вещества, потребляемого с рынка сырья 4, Q - поток энергии, вырабатываемой ВИЭ; Q - поток энергии, потребляемый всеми ЭТП; Р, Р, Р, Р - мощность соответственно ЭТПо, ЭТПп, ЭТПм, ВИЭ; М - поток полезной продукции ИБЭС; М - поток продукции, перераспределяемой между отдельными ЭТП; ΔМ - поток общих потерь вещества; ΔQ - поток общих потерь энергии; Q, М - соответственно потоки энергии и вещества, подаваемые на вход ЭТПо; ΔQ, ΔМ, М - соответственно потоки потерь энергии, потерь вещества и полезной продукции на выходах ЭТПо; Q, М - соответственно потоки энергии и вещества, подаваемые на вход ЭТПп; ΔQ, ΔМ, М - соответственно потоки потерь энергии, потерь вещества и полезной продукции на выходах ЭТПп; Q, М - соответственно потоки энергии и вещества, подаваемые на вход ЭТПм; ΔQ, ΔМ, М - соответственно потоки потерь энергии, потерь вещества и полезной продукции на выходах ЭТПм.
В основе изобретения лежат следующие положения.
Научной основой предлагаемого изобретения является прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), описывающая энергетику ИБЭС с учетом ее многоуровневости и закономерностей взаимодействия сельскохозяйственных биологических объектов с искусственной средой обитания [Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: основные положения и практическая значимость // Известия РАН. Энергетика. - 2009. - №6. - С. 168-175].
Процессы, протекаемые в сложных сельскохозяйственных ИБЭС, могут быть сведены к определенному набору типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества, происходящих в отдельных объектах, составляющих систему.
Многоуровневость ИБЭС определяет иерархичность информационной модели системы (фиг. 1). Иерархия представляет собой вложение элементов один в другой, сочетающее жесткие связи и автономную независимость как совокупность взаимодействующих подсистем. Каждая подсистема образует отдельный иерархический уровень, который характеризуется как различным числом и расположением, так и природой элементов системы. Отдельный уровень является элементарной ступенью для вышележащего и сложной ступенью для нижележащего. Взаимодействие элементов на более высоком уровне определяется их свойствами на нижнем уровне. Отдельный иерархический уровень достаточно автономен и допускает свое характерное описание.               Каждый уровень характеризуется структурной специфической организацией, не копирующей предыдущие.
Основу первого уровня модели ИБЭС составляет совокупность следующих блоков, отражающих характеристики основных объектов и соответствующих им ЭТП (фиг. 2).
1. БП СХБО 16, моделирующий закономерности энергетического воздействия на биологические объекты (растения, животных). Назначением потребляемой энергии является непосредственное проведение основного энерготехнологического процесса производства продукции для реализации (ЭТПо).
2. БП БТС 17, моделирующего энергетические характеристики подготовки сырья для ЭТПо. Затраты энергии здесь обусловлены необходимостью предварительной подготовки условий для осуществления основного энерготехнологического процесса (предварительный ЭТПп).
3. БП ТСОМ 18, моделирующий потребление энергии на ЭТП обеспечения условий жизнедеятельности - обогрев, освещение, вентиляция, кондиционирование и т.п. (ЭТПм).
Приборы учета фиксируют потоки потребляемой энергии и сырья, а так же производимой продукции. ИБЭС функционирует в рыночном окружении, которое определяет цены и объемы потребляемых ресурсов и производимых продуктов, а так же ассортимент технического и энергетического оборудования, используемого в производстве. Особенно следует выделить рынок образовательных услуг, предоставляемых учреждениями аграрного образования, задачей которых является формирование компетентности в области энергосбережения у специалистов, оказывающей непосредственное влияние на выбор технических средств ИБЭС. Окружающая среда аккумулирует потери энергии и вещества, а так же является возобновимым источником энергии.
Второй уровень иерархии - уровень ЭТП, при проведении которых происходят процессы преобразования исходного сырья в продукцию, связанные с потреблением энергии (фиг. 3). В зависимости от целей моделирования БП ЭТП может быть представлен совокупностью блоков, в которых происходят процессы передачи, преобразования или использования энергии и вещества в технологических целях.
Модель опирается на следующие основные соотношения.
Закон сохранения энергии
Закон сохранения вещества
Энергоемкость процесса, отн. ед
-1
Энергоемкость продукта, кВт·ч·кг
-1
Удельная энергоемкость, отн. ед.·кг
i
При последовательном проведении N процессов преобразования энергии с энергоемкостью ε каждый, общая энергоемкость
Третий уровень иерархии - уровень БПЭ - является моделью отдельного этапа энергетического процесса. Структуру БПЭ образуют блоки, моделирующие характеристики типовых ЭО - идеализированных сосредоточенных компонентов энергетических цепей как абстрагированных пределов реальной системы при бесконечном уменьшении влияния прочих свойств системы.
Каждый ЭО при моделировании с применением метода физических аналогий вычленяется таким образом, что бы отразить определенные свойства соответствующего реального объекта:
1) Операторы-источники, создающие потенциальную или кинетическую энергию различных видов. Примерами являются источники напряжения и тока, двигатели, компрессоры, насосы.
2) Операторы, рассеивающие энергию (участки трения, капилляры, сопла, демпферы).
3) Операторы, обладающие способностью накапливать энергию (конденсаторы, маховики, массивные подвижные элементы, теплонакопители).
4) Операторы, характеризующие инерционный эффект (индуктивные катушки, пружины).
Совокупность активных и пассивных ЭО, составляющих структуру ИБЭС и условно связанных между собой линиями взаимного влияния физических величин, характеризующими энергетическое состояние операторов, образуют энергетические цепи (ЭЦ). Математически состав и структура ЭЦ может быть описана полюсными уравнениями, отражающими свойства каждого ЭО в виде функциональной зависимости между двумя физическими величинами, характеризующими его состояние.
Первый тип рассматриваемых физических величин может быть зафиксирован измерительными преобразователями, включаемыми параллельно полюсам ЭО, без разрывания схемы соединений ЭЦ (вольтметрами, манометрами, термометрами, спидометрами). Данные величины характеризуют со-
стояние ЭО относительно его полюсов (напряжение, давление, разность температур, скорость) и называются продольными координатами ξ.
Другой тип величин может быть зафиксирован измерительными преобразователями, включаемыми последовательно с ЭО в точку разрыва схемы соединений ЭЦ (амперметрами, динамометрами, расходометрами). Данные величины характеризуют состояние ЭО относительно поперечного сечения направления протекания через них энергии (ток, сила, расход носителя энергии) и называются поперечными координатами ζ.
Пассивными энергетическими операторами (ПЭО) являются элементы ЭЦ, не имеющие независимых источников продольных ξ и поперечных ζ координат (либо имеющие такие источники, но суммы одноименных координат которых равны нулю).
i
i
Приложение одного типа координаты (ξ или ζ) к ПЭО вызывает в последнем реакцию в виде возникновения координаты другого типа (соответственно, ζ или ξ). Реакция зависит от свойств ПЭО и связей между ними. В соответствии с типом реакции координаты - следствия на координату-причину можно выделить три типа ПЭО (принятые ниже названия «пропорциональный», дифференциальный» и «интегральный» условны и соответствуют математическим выражениям в правой части формулы, описывающей зависимости ζ=f(ξ)). Численной характеристикой реакции для ПЭО служит показатель реакции (ПР)R.
п
п
п
п
Пропорциональный пассивный энергетический оператор (ПЭО) - компонент, отражающий необратимый процесс превращения энергии в тепло. ПР для ПЭО является величина, характеризующая интенсивность данного эффекта R (электрическая проводимость, коэффициент трения, крутильное сопротивление, пневматическая проводимость). При приложении продольной координаты ξ к ПЭО возникает поперечная координата ζ, пропорциональная величине прилагаемого воздействия
д
д
д
д
Дифференциальный пассивный энергетический оператор (ПЭО) - компонент, препятствующий изменению продольной координаты ξ. Данный оператор накапливает кинетическую энергию. ПР для ПЭО является величина, характеризующая инерционный эффект носителя R (емкость конденсатора, масса тела, момент инерции, пневматическая упругость). При изменении продольной координаты ξ, действующей на ПЭО, возникает поперечная координата ζ, пропорциональная изменению прилагаемого воздействия
н
и
и
и
Интегральный пассивный энергетический оператор (ПЭО) - компонент, препятствующий изменению поперечной координаты ζ. Данный оператор накапливает потенциальную энергию. ПР для ПЭО, характеризующим данный эффект, является величина R (индуктивность катушки, жесткость пружины, крутильная жесткость, пневматическая инертность). При изменении продольной координаты ξ, действующей на ПЭО, возникает поперечная координата ζ, пропорциональная интегралу от прилагаемого воздействия
Выражение для энергии через соответствующие координаты
Совместное решение уравнений (1…5) и (10) дает выражение
Данное выражение связывает отдельные показатели эффективности преобразования энергии и вещества на макроуровне модели (втором уровне иерархии) с физическими величинами, характеризующими процессы на ее микроуровне (третьем уровне иерархии).
Иерархическая информационная модель ИБЭС на первом уровне иерархии состоит из БП рынка энергии 1, отражающего виды, условия поставки используемых энергетических ресурсов и применяемые тарифы; БП рынков энергетического 2 и технологического 3 оборудования, отражающих ассортимент, стоимость, технические характеристики соответствующих рынков оборудования; БП рынка сырья 4, отражающего виды и цены на сырье, используемое на предприятии; БП рынка продукции 5, отражающего виды продукции и цены на продукцию, производимую на предприятии; БП рынка образовательных услуг 19, определяющего выбор технологического и энергетического оборудования специалистами, подготавливаемыми сферой аграрного образования. Данные блоки составляют модель рыночного окружения предприятия, для которого составлена информационная модель. К блокам окружения относится и БП окружающей среды 14, который моделирует ресурс возобновляемой энергии, потери потоков энергии и вещества, а так же определяет режим регулирования параметров микроклимата.
Учет количества потребляемых потоков энергии и сырья производится соответственно блоком приборов учета энергии 9 и вещества 20. Блок приборов учета продукции 10 фиксирует количество произведенной для реализации продукции по ее видам.
Выход блока приборов учета энергии 9 соединен с первыми входами первого 6 и второго 7 БП выбора оборудования и первым входом блока управления 15. Выход блока управления 15 соединен с входом третьего БП выбора оборудования 8.
Выходы первого 6, второго 7 и третьего 8 БП выбора оборудования соединены соответственно с первыми входами БП ЭТПо 11, моделирующего энергетику производства продукции, БП ЭТПп 12, моделирующего энергетику обеспечения ЭТПо и БП ЭТПм 13, моделирующего энергетику создания требуемых условий микроклимата.
Выход блока приборов учета продукции 10 соединен с входом БП рынка продукции 5. Первый выход БП окружающей среды 14 соединен с вторым входом блока управления 15, который в зависимости от изменения условий окружающей среды моделирует процесс регулирования ЭТПм.
Выход БП рынка сырья 4 соединен с входом блока приборов учета потоков вещества 20, выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо 11, БП ЭТПп 12 и БП ЭТПм 13, третьи входы которых соединены с выходами БП СХБО 16, моделирующего характеристики растений, животных, других биологических объектов, являющихся предметом энергетического воздействия ЭТПо, БП БТС 17, моделирующего затраты энергии на проведение ЭТПп, БП ТСОМ 18, моделирующего затраты энергии на ЭТПм, который обеспечивает условия жизнедеятельности - обогрев, освещение, вентиляция, кондиционирование и т.п.
Первые и вторые выходы блоков ЭТП соединены с соответствующими входами БП окружающей среды 14. Третьи выходы блоков ЭТП соединены с входом блока приборов учета продукции 10 и с входом блока учета перераспределения продукции 23, выход которого соединен с вторыми входами БП ЭТПо 11, БП ЭТПп 12 и БП ЭТПм 13. Выход БП рынка энергетического оборудования 2 соединен с вторыми входами первого 6, второго 7, третьего 8 и четвертого 22 БП выбора оборудования, третьи входы которых соединены с выходом БП рынка образовательных услуг 19. Выход БП рынка технологического оборудования 3 соединен с входами БП СХБО 16, БП БТС 17, БП ТСОМ 18 и первым входом БП ВИЭ 21, второй вход которого соединен с вторым выходом БП окружающей среды, а выход соединен с первым входом четвертого БП выбора оборудования 22, выход которого соединен с вторым входом блока приборов учета энергии 9.
Внутренняя структура каждого из БП ЭТПо 11, БП ЭТПп 12 и БП ЭТПм 13 (второй уровень иерархии модели) состоит из совокупности следующих блоков. Первый вход БП ЭТП является входом первого счетчика потока энергии 24, своим выходом соединенного с входом БПЭ 25, первый выход которого соединен с входом второго счетчика потока энергии 26, выход которого является первым выходом соответствующего БП ЭТП. Второй вход БП ЭТП является входом счетчика потока вещества 27, выход которого соединен с вторым входом БПВ 28, первый вход которого соединен с вторым выходом БПЭ 25, а выход является вторым выходом БП ЭТП и соединен с входом второго счетчика потока вещества 29, выход которого является третьим выходом БП ЭТП.
Внутренняя структура БПЭ (третий уровень иерархии модели) состоит из совокупности блоков, моделирующих характеристики стандартных энергетических операторов (ЭО), соединенных  последовательно-параллельно в соответствии со структурой моделируемого БПЭ и в соответствии с учитываемыми видами энергии ЭО выполненных с возможностью моделирования взаимозависимости поперечной (ток, сила, поток и т.д.) и продольной (напряжение, скорость, давление и т.д.) координат.
Конструктивно блоки модели реализованы программно-аппаратно, используя известные схемотехнические решения и программное обеспечение.
Работа модели осуществляется следующим образом.
На первом иерархическом уровне модели БП выбора оборудования 6, 7, 8 с учетом сигналов с БП рынка энергетического оборудования 2 и БП рынка образовательных услуг 19 формируют сигналы, задающие установленную мощность оборудования. БП СХБО 16, БП БТС 17, БП ТСОМ 18 с учетом сигналов с БП рынка технологического оборудования 3 формируют сигналы внутренних параметров модели, опеспечивающие значения, характеризующие эффективность протекания процессов преобразования энергии и вещества в БП ЭТПо 11, БП ЭТПп 12 и БП ЭТПм 13. Сигналы, соответствующие потоку вещества, потребляемого с рынка сырья 4 регистрируют блоком приборов учета потоков вещества 20. Сигналы, соответствующие потоку полезной продукции ИБЭС, поступаемой на БП рынка продукции 5 регистрируют блоком приборов учета продукции 10. Через блок учета перераспределения продукции 23 фиксируют потоки вещества, перераспределяемые между отдельными ЭТП при его последовательной обработке до получения готовой продукции. Сигналы, соответствующие потокам общих потерь вещества и энергии фиксируют БП окружающей среды 14. Блок управления 15 в зависимости от условий окружающей среды производит регулирование параметров ЭТПм. БП ВИЭ 21 с учетом сигналов с БП рынка технологического оборудования 3, а так же БП рынка энергетического оборудования 2 и БП рынка образовательных услуг 19, формирует сигналы внутренних параметров БП выбора оборудования 22, задающие мощность ВИЭ. Сигналы, соответствующие потоку энергии с БП рынка энергии 1 фиксируют блоком приборов учета энергии 9.
На втором иерархическом уровне модели сигналы, кодирующие величины потоков энергии и вещества, подаваемых на входы каждого БП ЭТП, поступают соответственно через первый счетчик потока энергии 24 и первый счетчик потока вещества 27 на БПЭ 25, в котором осуществляется моделирование процессов преобразования энергии, и БПВ 28, в котором осуществляется моделирование процессов преобразования вещества. Далее сигналы через соответственно второй счетчик потока энергии 26 (соответствующие потерям энергии) и второй счетчик потока вещества 29 (соответствующие потоку полезной продукции) поступают на выходы БП данного ЭТП. Кроме того, сигналы с БПЭ 25, соответствующие полезно используемой на преобразования вещества энергии, так же поступают на БПВ 28. Сигналы, соответствующие потоку потерь вещества, не учитываются счетчиком, (как и сигналы, соответствующие полезно используемой на преобразования вещества энергии), но могут быть получены путем расчета и так же поступают на выход данного ЭТП.
Третий иерархический уровень модели составляет совокупность блоков, моделирующих характеристики стандартных ЭО, образующая БПЭ 25, соединенных  последовательно-параллельно в соответствии со структурой моделируемого БПЭ и в соответствии с учитываемыми видами энергии.
к
1
2
3
Пример 1. Для структуры третьего уровня модели (фиг. 4) пусть ЭО, на котором выделяется полезно используемая энергия Q, является блок 30, последовательно включенный с блоками 31 и 32, которые включены параллельно между собой и энергия на которых отнесена к потерям ΔQ. Все операторы являются операторами пропорционального типа. Величины ПР соответственно R=0,3; R=0,4; R=0,1 усл. ед. Данный пример является моделью электрического нагревателя, у которого энергия, идущая на тепло, выделяемое в нагревательном элементе, является полезно используемой энергией, а энергия, идущая на тепло, выделяемое в подводящих проводах - потерями. ПР в этом случае имеет физический смысл проводимости. Продольная координата соответствует напряжению, поперечная - току.
п
Для потребляемой и полезно используемой энергии на ПЭО
Энергоемкость БПЭ при данной схеме соединения ЭО через величины их ПР равна
Для численного примера
Из физического смысла величины энергоемкости (который следует из ее определения) полученное численное значение следует трактовать так: при величине энергозатрат 1,6 усл. ед полезно используется 1,0 усл. ед. и 0,6 усл. ед. относятся к потерям, т.е. 60% от полезно используемой энергии в БПЭ составляют потери.
-1
Пример 2. Для структуры второго уровня модели (фиг. 5) задачей моделирования является определение количества потребляемой ЭТП энергии для обработки 100 кг сырья, если потери при его обработке составляют 10%, а энергоемкость продукта по технологическим нормам 0,5 кВт·ч·кг. Структура БПЭ соответствует предыдущему примеру, его энергоемкость 1,6 отн. ед.
Масса конечного продукта
к
н
М=0,9М=0,9·100=90 кг.
Полезно используемая в ЭТП энергия
к
М
к
Q=εM=0,5·90=45 кВт·ч.
Потребляемая ЭТП энергия
н
к
Q=εQ=1,6·45=72 квт·ч.
Потоки потребляемой энергии и энергии, относящейся к потерям отображаются соответственно счетчиками 24 и 26. Потоки полезной продукции и потребляемого сырья отображаются соответственно счетчиками 29 и 27.
уд
-1
При этом величина удельной энергоемкости ε=1,6/90=0,018 отн. ед. кг является контрольной для оценки качества технологического процесса по составленной модели.
н
к
н
к
-1
-2
-1
-2
-1
-1
Пример 3. Рассмотрим пример реализации второго уровня модели для ЭТП облучения растений, выращиваемых в условиях светокультуры (по фиг. 5). Первый (24) и второй (26) счетчики потока энергии представляют собой приборы для измерения фотонной облученности. Первый (27) и второй (29) счетчики потока вещества представляют собой приборы для измерения массы. Блоки преобразования энергии (25) и вещества (28) на более низком уровне иерархии моделируют процессы фотоморфогенеза в выращиваемом растении. Пусть излучаемый источниками света и регистрируемый первым (24) счетчиком поток излучения составляет Q=140 мкмоль·с·м. Пусть поток излучения, составляющий потери и регистрируемый вторым (26) счетчиком составляет ΔQ=50 мкмоль·с·м. Пусть суммарный поток исходных веществ (семена, удобрения, вода, углекислота), регистрируемый первым счетчиком (27) составляет М=20 мг·с, а поток продуктов фотосинтеза, выраженный массой сухого вещества и регистрируемый вторым счетчиком (29) составляет М=15 мг·с.
Тогда поток энергии, затрачиваемый на фотосинтез, составляет
к
-1
-2
Q=140-50=90 мкмоль·с·м.
Энергоемкость процесса облучения растений
Энергоемкость продуктов фотосинтеза
Удельная энергоемкость
Сигналы, соответствующие найденным значениям величин, передаются на первый уровень иерархии модели.
Пример 4. Рассмотрим пример взаимодействия БП ЭТП между собой (по фиг. 6).
Все ЭТП являются элементами модели одного (первого) уровня иерархии, но взаимодействуют между собой через блок учета перераспределения продукции (23). Структурой модели предусмотрено параллельное подключение блоков 11-13 последовательно с блоком 23. Пусть технологический процесс получения готовой продукции предусматривает предварительную подготовку сырья и окончательную обработку продукции, т.е. блоки ЭТПп (12) и ЭТПо (11) в модели должны быть включены последовательно. При этом выход блока приборов учета потоков вещества (20) соединен с вторым входом БП ЭТПп (12), третий выход которого соединен с входом блока учета перераспределения продукции (23), выход которого соединен с вторым входом БП ЭТПо (11), третий выход которого соединен с входом блока приборов учета продукции (10).
н2
н
п
н1
н2
к2
к
н1
н
Пусть в численном примере потери массы в блоках ЭТПп и ЭТПо составляют 10%. Пусть поток вещества, регистрируемый блоком приборов учета потоков вещества (20), составляет М=М, причем он полностью подается на второй вход БП ЭТПп (12). На третьем выходе этого блока формируется сигнал М=М=0,9М, который через блок учета перераспределения продукции (23) подается на второй вход БП ЭТПо (11). На его третьем выходе формируется сигнал М=М=0,9М=0,81М, который фиксируется блоком приборов учета продукции (10). С учетом затрат энергии на первых входах на ЭТПп и ЭТПо получают другие параметры модели, характеризующей распределение потоков энергии и вещества в ИБЭС.
Пример 5. Рассмотрим пример реализации взаимодействия иерархических уровней модели между собой. Пусть некоторый ЭТП проводят в устройстве, получающем электрическое питание, характеризуемом напряжением U=220 В и током I=5А. На третьем уровне иерархии устройство моделируется оператором пропорционального типа. Продольная координата ξ соответствует напряжению U, поперечная ζ - току I. Даные сигналы передаются с третьего уровня иерархии модели на второй.
М
уд
-1
-1
Пусть энергоемкость продукта ε=0,12 кВт·ч·кг, удельная энергоемкость ε=0,15 отн. ед.·кг (параметры второго уровня иерархии модели).
Тогда энергоемкость процесса (из формулы 11) равна
Таким образом, параметры модели третьего уровня иерархии определяют параметр модели второго уровня.
Пример 6. Рассмотрим примеры реализации блоков, моделирующих характеристики ЭО в различных системах физических величин. В механических цепях при поступательном движении продольной переменной ξ является линейная скорость υ, а поперечной переменной ζ - сила f. В механических цепях при вращательном движении продольной переменной является угловая скорость ω, а поперечной переменной - вращающий момент М. Моделируемыми объектами механических цепей являются массы, рычаги, пружины, зубчатые колеса и т.д. В электрических цепях продольной переменной является напряжение и, а поперечной переменной - электрический ток i. Моделируемыми объектами являются резисторы, конденсаторы, индуктивности, транзисторы и т.д. В пневматических и гидравлических цепях при движении рабочей среды продольной переменной является давление (разность давлений) р, а поперечной переменной - поток g, который определяется как количество молекул, проходящих через поперечное сечение в единицу времени. Моделируемыми объектами являются трубы, золотники, цилиндры и т.д.
По известным правилам структура энергетической цепи преобразуют в схему, состоящую из последовательно-параллельно включенных ЭО. На основании известных приемов метода аналогий (электромеханической, электропневматической, электротепловой) полученную схему при аналоговом моделировании представляют в виде эквивалентной электрической цепи. При цифровом моделировании схему представляют в виде дискретных цифровых элементов. При численном моделировании логическими блоками, реализованными программными средствами. Так, в примере 1 эквивалентная электрическая схема выполнена из резисторов с определенными значениями сопротивления.
Пример 7. Рассмотрим реализацию модели в целом для предприятия тепличного овощеводства (фиг. 6). На предприятии имеются энергетические и технологические установки для выращивания растений (биологических объектов), которые представляют собой товарную продукцию, потребляется сырье и энергия различных видов. Тепличное производство овощей является весьма энергоемким, для повышения его энергоэффективности может быть применена иерархическая информационная модель по предлагаемому изобретению, с помощью которой выбирают режимы работы технологических и энергетических установок, обеспечивающие минимальную энергоемкость производства.
1
2
3
Пусть БП выбора оборудования 6, 7, 8 с учетом сигналов с БП рынка энергетического оборудования 2 и БП рынка образовательных услуг 19 формируют сигналы, соответствующие установленной мощности Р=72 кВт, Р=30 кВт, Р=16 кВт.
н1
н1
1
1
к1
н2
н2
2
2
к2
н3
н3
3
3
к2
п
Пусть БП СХБО 16, БП БТС 17, БП ТСОМ 18 с учетом сигналов с БП рынка технологического оборудования 3 формируют сигналы внутренних параметров модели, опеспечивающие следующие значения, характеризующие эффективность протекания процессов преобразования энергии и вещества в ЭТП за время 1 ч: для ЭТПо (блок 11) Q=70 кВт·ч; М=100 кг, ΔQ=20 кВт·ч, ΔM=10 кг, М=90 кг; для ЭТПп (блок 12) Q=30 кВт·ч; М=100 кг, ΔQ=12 кВт·ч, ΔМ=0 кг, М=100 кг; для ЭТПм (блок 13) Q=16 кВт·ч; М=0 кг, ΔQ=16 кВт·ч, ΔМ=0 кг, М=0 кг. Весь поток продукции ЭТПп поступает на вход ЭТПо, т.е. М=100 кг.
Тогда поток вещества, потребляемого с рынка сырья 4, и регистрируемый блоком приборов учета потоков вещества 20 составляет
Поток энергии, потребляемой всеми ЭТП составляет
Поток полезной продукции ИБЭС, поступаемой на рынок продукции (блок 5) и регистрируемый блоком приборов учета продукции 10 составляет
Потоки общих потерь вещества и энергии, фиксируемые БП окружающей среды 14 соответственно составляют
В зависимости от условий окружающей среды блок управления 15 производит регулирование параметров ЭТПм.
Полезно используемая энергия
к
н
Q=Q-ΔQ=116-48=68 кВт·ч.
Энергоемкость процесса производства ε=116/68=1,71 отн. ед.
в
в
Пусть БП ВИЭ 21 с учетом сигналов с БП рынка технологического оборудования 3, а так же с учетом сигналов с БП рынка энергетического оборудования 2 и БП рынка образовательных услуг 19 формирует сигналы внутренних параметров БП выбора оборудования 22, соответствующие мощности ВИЭ Р=40 кВт. Тогда поток энергии, вырабатываемой ВИЭ Q=40 кВт·ч.
Поток энергии, потребляемый с рынка энергии (блок 1) и фиксируемый блоком приборов учета энергии 9 составляет
н
в
Q=Q-Q=116-40=76 кВт·ч.
За счет использования ВИЭ происходит снижение количества энергии, потребляемой с рынка энергии. В этом случае энергоемкость процесса производства ε=76/68=1,12 отн. ед.
М
-1
Энергоемкость продукта ε=68/90=0,76 кВт·ч·кг.
Таким образом, с помощью заявляемой иерархической информационной модели ИБЭС возможно описание распределения потоков вещества и энергии, а так же управление энергосбережением в системе.
Удобство и наглядность представления потоков вещества и энергии и их зависимости от внутренних параметров модели позволяет использовать предлагаемую модель, реализованную в программно-аппаратном виде, в учебном процессе аграрного вуза, при обучении будущих специалистов теоретическим основам энергосбережения.