Применение технологий IIoT в автоматизированной информационной системе мониторинга и учета энергоресурсов

24. Кудрявцева И. С., Науменко А. П., Одинец А. И., Барданов В. Е. Новые диагностические признаки технического состояния поршневых компрессоров на основе характеристической функции виброакустического сигнала // Проблемы машиноведения: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. В 2-х частях. Ч. 2. 2019. С. 207-214.

25. Костюков В. Н., Науменко А. П., Кудрявцева И. С. Диагностика подшипников качения по параметрам характеристической функции // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 4. С. 142-145.

26. Костюков В. Н., Науменко А. П., Кудрявцева И. С. Оценка модуля характеристической функции виброакустического сигнала при заданном параметре для предельных состояний объекта диагностирования // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 4. С. 239-244. DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-239-244.

27. Кудрявцева И.С., Науменко А.П. Оценка количественных критериев параметров характеристической функции для различных состояний объекта диагностирования // Наука, образование, бизнес: материалы Междунар. научно-практ. конф. учёных, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвящённой Дню радио. 2016. С. 193-209.

28. Кудрявцева И. С. Методика оценки статистических свойств характеристических функций. Омский научный вестник. 2016. № 5 (149). С. 121-124.

29. Пат. 2514119 Российская Федерация, МПК G01M 7/02, G01M 13/04. Способ вибродиагностики механизмов по характеристической функции вибрации / Костюков В. Н. , Науменко А. П. Бойченко С. Н., Кудрявцева И. С. №2012100600/28; заявл. 10.01.2012; опубл. 20.07.2013, Бюл. №20.

30. Пат. 2517772 Российская Федерация, МПК G01M 7/02. Способ вибродиагностики механизмов по характеристической функции вибрации / Костюков В. Н., Кудрявцева И. С., Науменко А. П. Бойченко С. Н. №2012143962/28; заявл. 15.10.2012; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15.

31. Костюков В. Н., Науменко А. П. Решения проблем безопасной эксплуатации поршневых машин // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. № 3. С. 27-36.

32. Науменко А. П. Виброакустическая модель диагностического сигнала поршневого компрессора // Динамика систем, механизмов и машин. 2009. № 2. С. 39-44.

33. Науменко А. П. Методология виброакустической диагностики поршневых машин // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2007. Специальный выпуск «Двигатели внутреннего сгорания». С. 85-94.

34. Науменко А. П. Исследование виброакустических параметров поршневых машин // Двигатель - 2007: сб. науч. тр. по материалам Междунар. конф., посвящённой 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2007. С. 518-525.

35. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Изд. 3-е, перераб. и доп. М. : Радио и связь, 1989. 656 с.

36. Биргер И. А. Техническая диагностика. Изд. 2-е. Москва : URSS : ЛЕНАНД, 2018. 238 с.

37. Пат. 2610366 Российская Федерация, МПК F04B 51/00, G01M 15/00. Способ диагностики технического состояния машин по косвенным признакам / Костюков В. Н., Науменко А. П., Бойченко С. Н., Костюков А. В. № 2016100461; заявл. 11.01.2016; опубл. 09.02.2017, Бюл. № 4.

38. Харкевич А. А. Борьба с помехами. Изд. 3-е. Москва : URSS : Либроком, 2008. 274 с.

УДК 004.7:621.317

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ IIOT В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА И УЧЕТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

APPLYING OF IIOT TECHNOLOGIES IN AN AUTOMATED INFORMATION SYSTEM

FOR MONITORING AND ACCOUNTING OF ENERGY RESOURCES

А. А. Лаврухин, А. Г. Малютин, А. С. Окишев

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия

A. A. Lavrukhin, A. G. Malyutin, A. S. Okishev

Omsk State Transport University, Omsk, Russia

Аннотация. Рассматривается актуальная задача повышения масштабируемости и простоты развертывания распределенной автоматизированной системы мониторинга и учета энергоресурсов (АСМУЭ, далее - система), предназначенной для экспериментального исследования сложных переходных режимов работы в высоковольтных цепях систем энергоснабжения (до 25 кВ) опытного полигона Свердловской железной дороги. Предложен вариант решения с использованием технологий индустриального (промышленного) интернета вещей (IIoT). Сформирован и программно реализован стек прото-

колов, обеспечивающий снижение объема трафика в системе с поддержкой уже существующих и разрабатываемых устройств, использующих технологии LoRa и XNB. Разработаны мобильные информационно-измерительные комплексы с использованием беспроводных технологий ZegBee, LoRa, XNB и независимых источников питания. Предложен комплекс решений, позволяющих обеспечить модульность архитектуры для оперативного добавления новых устройств и функций за счет применения технологий IIoT.

Ключевые слова: промышленный Интернет вещей, автоматизированная система, система электроснабжения, цифровая железная дорога.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-122-128

I. Введение

Реализация проекта «Цифровая железная дорога» предполагает трансформацию существующих и создание новых отраслевых систем посредством применения сквозных цифровых технологий, а также известных и перспективных инструментов технологии перевозочного процесса [1].

В перечень приоритетных направлений и задач ОАО «РЖД» в энергетике и ресурсосбережении входит развитие информационно-коммуникационных технологий, разработка и внедрение интеллектуальных систем мониторинга устройств инфраструктуры, позволяющих обеспечить снижение уровня небаланса и потерь электроэнергии в тяговой сети и снижения потребления электроэнергии на собственные нужды тяговых подстанций. В данной работе рассматривается один из путей решения этих задач - развитие мобильных информационно-измерительных комплексов (ИИК), обеспечивающих мониторинг, оценку и прогнозирование состояния объектов инфраструктуры тяговой сети.

Одним из аспектов сквозных цифровых технологий, позволяющих реализовать мобильные информационно-измерительные комплексы, является технология индустриального (промышленного) Интернета вещей (IndustrialInternet of Things, IIoT) [2, 3]. Применительно к рассматриваемой задаче IIoT раскрывается как отраслевая система объединенных сетей и подключенных к ним ИИК со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме [4].

Перспективы и области применения промышленного Интернета вещей на российских железных дорогах и зарубежный опыт внедрения Интернета вещей на железнодорожном транспорте рассмотрен в ряде работ российских и зарубежных авторов [4, 5, 6].

В работе рассматриваются архитектура и технические решения, реализованные в рабочем прототипе системы контроля и учета электроэнергии опытного полигона Свердловской железной дороги [8], с использованием IIoT. Достигнутые новые качественные характеристики системы позволяют реализовать комплексный анализ и оценку потерь электроэнергии из-за неоптимальных режимов работы электроподстанций и электроподвижного состава (повышенное и пониженное напряжение, перетоки мощности между тяговыми подстанциями, потери в понижающих трансформаторах, скачки напряжения из-за рекуперации и т. д.), а также формирование рекомендаций по повышению энергоэффективности систем энергоснабжения.

II. Постановка задачи

АСМУЭ опытного полигона Свердловской железной дороги имеет многоуровневую архитектуру (рис. 1).

В архитектуре АСМУЭ выделяются следующие основные уровни:

- уровень мобильных информационно -измерительных комплексов (ИИК, Data Measurement System (DMS));

- уровень локальных информационно -вычислительных комплексов (ЛИВК, Local Data Computing System (LDCS));

- информационно-вычислительный комплекс (ИВК, Data Computing System (DCS));

- внешние пользователи и сервисы (ВПС, External Users of Services (EUS)).

Проблемы развития и масштабирования систем с развитой распределенной сетевой инфраструктурой и АСМУЭ [8] в частности усугубляются с ростом объема передаваемой информации и количества подключаемых сетевых устройств, каковыми являются ИИК. Часто, для уже имеющихся каналов проблема решается путем повышения эффективности протоколов передачи данных и оптимизации трафика, передающегося от ИИК или каких-либо других терминальных устройств к централизованным системам сбора информации.

Одним из путей повышения эффективности сетевой инфраструктуры системы является применение технологий и протоколов IIoT, уже приспособленных для масштабируемых систем с большим количеством элементов. При этом возможен переход от статичной и монолитной архитектуры системы к архитектуре с развитой транспортной инфраструктурой, способной относительно легко подключать и наращивать значительное количество (до несколько тысяч) оконечных и узловых промежуточных элементов.

Рис. 1. Архитектура АСМУЭ

III. Результаты исследования

Рассмотрим основные архитектурные особенности и стек протоколов системы, реализованной с использованием технологий и протоколов IIoT.

Уровень ЛИВК обеспечивает сбор и промежуточное хранение информации с ИИК с учетом временных меток и географического положения ЛИВК (с использованием систем точного времени и геопозиционирования GPS/Глонасс).

На уровне ИВК развернуты сервер сбора данных телеметрии с ЛИВК и сервер телеметрических приложений. Телеметрическая информация накапливается в системе хранения данных на базе отказоустойчивого кластера. Сервер телеметрических приложений обеспечивает доступ внешних пользователей и сервисов к телеметрической информации, посредством виртуализированных web-, FTP- и прокси-серверов.

Система обеспечения единого времени (СОЕВ) реализована на всех уровнях иерархии и обеспечивает единое время на всех компонентах системы.

На рисунке 2 представлен стек протоколов АСМУЭ с применением технологий и протоколов IIoT. В частности, система ориентирована на применение LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), например таких технологий, как LoRa и XNB [7, 9]. К преимуществам LPWAN-технологий можно отнести возможность интеграции практически неограниченного количество ИИК, высокую проникающую способность сигнала и высокую энергетическую эффективность (табл. 1).

Уровни АСМУЭ Стек протоколов

Уровень 1. ИИК Ethernet, LoRa, XNB, TCP/IP, CoAP, Socket, NTP, SSH

Уровень 2. ЛИВК Ethernet, LoRa, XNB,

Уровень 3. ИВТ TCP/IP, NTP, SSH TCP/IP, HTTP, FTP, NTP, SSH

Уровень 4. ВПС

Рис. 2. Стек протоколов АСМУЭ

Мобильные информационно-измерительные комплексы подключаются к подсистеме ЛИВК с использованием технологий LPWAN и локальных сетей, ориентированных на промышленную эксплуатацию (ZigBee и др.), либо, в особых случаях, беспроводных технологий глобальных сетей операторов связи (например GSM, GSM-R, UMTS, LTE и др.).

Основу транспортной архитектуры составляет стек TCP/IP, а на прикладном уровне стека используются протоколы CoAP и HTTP. Для передачи информации между подсистемами верхнего уровня системы и устройствами второго уровня могут быть задействованы глобальные или корпоративные сети, которые могут взаимно резервировать друг друга.

Особенностью взаимодействия ИВК с ВПС является применение стандартных интернет/интранет-ориентированных технологий, средств и протоколов обмена данными с использованием универсального web -клиента - браузера, что позволяет реализовать клиентскую часть на различных программно-аппаратных платформах.

Такая архитектура имеет высокую степень масштабируемости, устойчивости, доступности, универсальности и унификации. Последние характеристики расширяются с применением сервис-ориентированной архитектуры (SOA, service-oriented architecture), основанной на использовании сервисов (служб) со стандартизированными интерфейсами, например на базе языка XML [8, 9].

ТАБЛИЦА 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Характеристики Технологии передачи данных

LPWAN: LoRa, XNB («СТРИЖ») WPAN: ZigBee (6LoWPAN) WLAN: WiFi WWAN: GSM/UMTS/ LTE

Энергетическая эффективность высокая средняя низкая средняя

Скорость передачи данных (DTR) низкая средняя высокая высокая

Расстояние, м > 3000 50 - 100 50 500 - 1000

Предлагается унифицировать технические решения уровня ИИК. Мобильный ИИК, выполняющий функции измерения, преобразования и передачи электротехнических параметров, имеет типовую модифицируемую блок-схему (рис. 3). В нее входят обязательные или универсальные составляющие (на рисунке 3 отмечены прямым шрифтом) и модифицируемые или специализированные (выделены курсивом). Подсистема измерения состоит из специализированных датчиков, например прецизионных делителей напряжения, шунтов, измерительных трансформаторов.

Печатная плата ИИК имеет универсальную цифровую часть (модуль питания, АЦП (ADS131E08), центральный процессорный или микроконтроллерный модуль (Со1!ех-М4), две SD-карты памяти, ферромагнитную память, часы реального времени) и изменяемую аналоговую (специализированный интерфейс аналоговых сигналов и схему нормализации сигналов).

Печатная плата содержит ряд внешних интерфейсов для подключения модулей расширения (беспроводной модуль 11оТ, модуль GPS/GLONASS) и устройства управления и вывода данных (дисплей, индикаторы, устройство НМ1).

Рис. 3. Типовая модифицируемая блок-схема мобильного информационно-измерительного комплекса

Унифицированная блок-схема ЛИВК показана на рисунке 4. Она также может модифицироваться в зависимости от функциональных требований и применяемых технологий передачи данных. Центральная часть ЛИВК - промышленный компьютер, имеющий высокую отказоустойчивость.

IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рассмотренные архитектура и принципы реализованы в рабочем прототипе системы контроля и учета электроэнергии. На участке опытного полигона Свердловской железной дороги находится шесть тяговых подстанций постоянного тока.

Каждая тяговая подстанция включает в себя два или три выпрямительных устройства и от шести до восьми фидеров. Выпрямительные устройства и фидеры, называемые точками учета, оснащены ИИК, выполняющими регистрацию основных электротехнических параметров - напряжения и тока.

Измерение и регистрация осуществляются с частотой дискретизации 16 кГц, что позволяет проводить анализ гармонических составляющих сигналов в соответствии с существующими стандартами контроля качества электроэнергии, а также регистрировать различные события и связанные с ними переходные процессы, которые могут быть проанализированы специализированной системой диагностирования [8].

Рис. 4. Типовая модифицируемая блок-схема локального информационно-вычислительного комплекса

Пример зарегистрированных и переданных с уровня ИИК на уровень ВПС временных диаграмм тока и напряжения одного из выпрямителей тяговой подстанции постоянного тока показан на рис. 5. Пример зарегистрированных временных диаграмм тока и напряжения одного из фидеров показан на рис. 6. Показаны три слу-

чая: с почти нулевой нагрузкой на выпрямительном устройстве (рис. 5, а) при рекуперации на фидере (рис. 6а); со средней нагрузкой (рис. 5б, рис. 6б) и с высокой нагрузкой (рис. 5в, рис. 6в).

Время,

Рис. 5. Примеры временных диаграмм напряжений и токов, регистрируемых в реальном времени на одном из выпрямительных устройств тяговой подстанции

Напряжение

Ток

3700

3650

3600

3550

Зё 3500

3450

3400

3350

3300

б

в

1400

1200

1000

800

600 *

400

200

-200

0.01

0.02 О

0.01

0.02 0

0.01

0.02

Время, с

Рис. 6. Примеры временных диаграмм напряжений и токов, регистрируемых в реальном времени на одном из фидеров тяговой подстанции

V. Выводы и заключение

В работе рассмотрены технические решения, основанные на применении технологии 11оТ, которые реализованы в системе контроля и учета электроэнергии опытного полигона Свердловской железной дороги. Использование технологии 11оТ позволило повысить уровень масштабирования и простоту развертывания системы с поддержкой разнообразного оконечного оборудования. Предложен комплекс решений, позволяющих обеспечить модульность архитектуры для оперативного добавления новых устройств и функций за счет применения технологий 11оТ, в частности:

- сформирован и реализован стек протоколов, обеспечивающий снижение объема трафика в системе с поддержкой уже существующих и разрабатываемых устройств, использующих технологии LoRa и ХЫВ;

- разработан прототип мобильного информационно-измерительного комплекса с независимым источником питания и поддерживающего технологии 2е£Вее, LoRa, ХЫВ и систему позиционирования GPS/GLONASS.

Благодаря перечисленным достоинствам система также может быть адаптирована под потребности различных предприятий, где необходимо вести учет любых производственных ресурсов и технологических параметров, которые могут быть синхронно измерены в реальном масштабе времени для исследований и оперативного принятия решений.

Список литературы

1. Arsenii Kitaev, Irina Mironova, Alexandra Pogodaeva, Dmitry Sokolov, Elizaveta Guseva. Railway station 2.0: a new pattern for the development of the digital railway // International Journal of Open Information Technologies. 2017. Vol. 5, no. 2. Р. 85-96.

2. Perry Lea. Internet of Things for Architects: Architecting IoT solutions by implementing sensors, communication infrastructure, edge computing, analytics, and security. Packt Publishing Ltd, 2018. 515 р.

3. Hugh Boyes, Bil Hallaq, Joe Cunningham, Tim Watson. The industrial internet of things (IIoT): An analysis framework // Computers in Industry. 2018. Vol. 101. Р. 1-12.

4. Ray Y. Zhong, Xun Xu, Eberhard Klotz, Stephen T. Newman. Intelligent Manufacturing in the Context of Industry 4.0 // A Review. Engineering. 2017. Vol. 3. Р. 616-630.

5. Тамаркин В. М., Лобанова Т. Э., Тамаркин М. В. Промышленный интернет вещей на железнодорожном транспорте // Автоматика, связь, информатика. 2018. № 8. С. 10-13.

6. Manavalan E., Jayakrishna K. A review of Internet of Things (IoT) embedded sustainable supply chain for industry 4.0 requirements // Computers & Industrial Engineering. 2019. Vol. 127. Р. 925-953.

7. Ray P. P. A survey on Internet of Things architectures // Journal of King Saud University-Computer and Information Sciences. 2018. Vol. 30. Р. 291-319.

8. Malyutin A. G., Lavrukhin A. A., Okishev A. S. Architecture of the automated information system for monitoring and resources accounting // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1050. Р. 012050.

9. Seleznev S., Yakovlev V. Industrial Application Architecture IoT and protocols AMQP, MQTT, JMS, REST, CoAP, XMPP, DDS // International Journal of Open Information Technologies. 2019. Vol. 7, no. 5. Р. 17-28.

УДК 681.2.088

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗЬБ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРУНДОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

IMPROVING THE MEASUREMENT OF THREAD PARAMETERS BY USE OF CORUNDUM ELEMENTS

Е. В. Леун

АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки, Россия

E. V. Leun

Lavochkin Association, Moscow region, Khimki, Russia

Аннотация. Рассматривается усовершенствованный метод трех проволочек для измерения среднего диаметра d^ и шага P резьбы с использованием трех корундовых элементов (лейкосапфир, сапфир, рубин): двух волокон и наконечника с возможностью визуализации и измерения зон контакта с изделием для расчета контактных упругих деформаций. Предлагается использовать два волоконных некогерентных и один когерентный интерферометры для измерения положения корундовых волокон и наконечника. Представлена методика расчета диаметра d^ и шага P резьбы на основе результатов измерений интерферометров с учетом компенсации контактных упругих деформаций.

Ключевые слова: резьба, наконечник, контактные деформации, корунды, интерферометр.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-128-136

I. Введение

Резьбовые соединения широко используются в изделиях ракетно-космической техники, авиации, судостроения, нефте- и газодобывающих других отраслях. Измерение параметров резьбы является непростой задачей и ее решению посвящено большое число работ за рубежом [1-5] и в России [6-14]. Требуемая точность систем измерения резьбовых параметров (СИРП) может достигать единиц микрометров, обусловливая порой субмикронную точность используемых средств измерения.

Измерительный наконечник (в дальнейшем - наконечник) является важным элементом и часто обусловливает прогресс самой СИРП [6,7]. Однако главный недостаток существующих наконечников обусловлен их так называемой слепотой из-за невозможности визуализации и измерении зоны контакта с резьбовой поверхностью, что ограничивает функциональные возможности и точность измерений из-за некомпенсированных контактных упругих деформаций (в дальнейшем - деформации).