Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств

Багутдинов Равиль Анатольевич Аспирант Инженерной школы информационных технологий и робототехники, Ассистент Отделения автоматизации и робототехники, Программист Научно-образовательной лаборатории 3D-моделирования и промышленного дизайна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 216 Bagutdinov Ravil PhD student of the Engineering School of Information Technology and Robotics, Assistant of the Department of Automation and Robotics, Programmer of the Scientific and Educational Laboratory of 3D Modeling and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 216 ravil_bagutdinov@yahoo.com Другие публикации этого автора     Завьялов Дмитрий Алексеевич аспирант, кафедра инженерной графики и промышленного дизайна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 216 Zavyalov Dmitry Alekseevich graduate student, Department of Engineering Graphics and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 216 zda@tpu.ru Иванов Максим Анатольевич кандидат технических наук заведующий, кафедра оптимизации систем управления, Институт кибернетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 323 Ivanov Maksim Anatolyevich PhD in Technical Science Head of Department of Optimizing Control Systems, Institute of Cybernetics, National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 323 ivanovma@tpu.ru

Соколова Вероника Валерьевна кандидат технических наук доцент, кафедра оптимизации систем управления, Институт кибернетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 323 Sokolova Veronika Valer'evna PhD in Technical Science Associate Professor, Department of optimizing control systems, Institute of Cybernetics, National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 323 veronica@tpu.ru

Данная работа выполнялась в рамках комплексного проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства масштабируемых систем энергоэффективных мехатронных устройств и интеллектуальных систем управления для альтернативной энергетики и других применений». Работа финансировалась в рамках договора с Министерством образования и науки Российской Федерации от 27.04.2016 г. №02.G25.31.0190, выполняемого в соответствии с Постановлением Правительства №218 от 09.04.2010 г.

В настоящее время во всем мире широко используются альтернативные источники энергии не только в промышленности, но и в частном секторе ^[4]. Присущие традиционной энергетике недостатки (устаревающее оборудование, отрицательное влияние на экологию, большие затраты и пр.) привели к развитию технологий добычи энергии из возобновляемых источников ^[2]. К таким источникам относятся солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов ^[21]. Каждое из данных направлений развития энергетики имеет свои преимущества и недостатки. Например, солнечную энергетику характеризуют неисчерпаемость ресурса и отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Основным недостатком является зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритмов. Несмотря на это, в мире количество вводимых в эксплуатацию установок увеличивается с каждым годом на 25–35 %, особенно в европейских странах ^[20]. В РФ использование солнечной энергетики также является перспективным, поскольку показатели среднегодовых поступлений солнечной энергии на ряд областей страны выше, чем в Италии, Испании или в Германии (лидерах по объему установленных солнечных мощностей) ^[4].

В данной статье описана разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств c интеллектуальной системой управления. Назначением системы является управление солнечными панелями в режиме реального времени, автоматический контроль и анализ производительности работы солнечных панелей с помощью разработанного программного обеспечения.

На первом шаге была спроектирована структура системы согласно основным этапам работы.

Основными компонентами системы являются:

1. Модуль солнечной энергетики – МСЭ (SEM).
2. Мехатронный модуль – ММ (SPM).
3. Накопитель (Accumulator).
4. Преобразователь (Converter).
5. Масштабируемая система энергоэффективных мехатронных устройств – МСЭМУ (SEMD).
6. Блок управления – БУ (Management block).
7. Программное обеспечение блока управления – ПО БУ (Remote controller).
8. Блок питания (Power cabinet).
9. Аппаратура для сервисного обслуживания и комплексной настройки (Hardware for service).

Модуль солнечной энергетики (SEM) включает в себя: мехатронный модуль (SPM), накопитель (accumulator), преобразователь (converter), масштабируемую систему энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD). Мехатронный модуль необходим для фиксации положения панелей солнечных батарей. Аккумулятор получает энергию от панели солнечных батарей (постоянный ток), сохраняет её, а затем направляет в преобразователь, который преобразует постоянный ток в переменный и передает его в блок питания с напряжением 220 вольт. С помощью масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD) можно контролировать положение солнечных панелей в космосе, изменить параметры положения с помощью дистанционного управления и сообщить о сбоях или неисправностях. Кроме того, данные об ошибках в работе модуля солнечной энергетики (SEM) отправляются в аппаратуру для сервисного обслуживания и комплексной настройки (hardware for service), с помощью которой специалист по работе с солнечными батареями может обнаружить и исправить ошибку в работе солнечного модуля.

Структура модуля SEM представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура модуля солнечной энергетики (SEM)

Масштабируемая система энергоэффективных мехатронных устройств (SEMD) включает в себя два основных компонента: мехатронный модуль с датчиком высоты и мехатронный модуль с датчиком азимута. Оба модуля включают в себя двигатель (engine), тормоз (brake), кодировщик (encoder) и контроллер двигателя (engine controller). Оператор управляет ими с помощью пульта дистанционного управления или аппаратными средствами обслуживания. С помощью графического интерфейса оператор может изменить параметры в таблицах эфемерид и регулировать расположение панелей солнечных батарей в космосе. Структура этого модуля представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структура системы энергоэффективных мехатронных устройств

Пользователями системы являются: оператор и специалист сервисной службы. В один момент времени в системе может работать только один пользователь. При этом специалисту доступен ряд дополнительных функций и возможностей настройки системы, соответствующих правам администратора системы.

Перечень основных возможностей, поддерживаемых системой для обеспечения взаимодействия с блоком управления МСЭМУ различных пользователей (акторов) приведен в таблице 1.

Таблица 1. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭМУ

Перечень основных возможностей, реализуемых в системе для обеспечения Твзаимодействия с блоком управления МСЭ различных пользователей (акторов) приведен в таблице 2.

Таблица 2. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭ

Все данные о МСЭ и МСЭМУ хранятся в блоках управления соответствующих устройств. Доступ к данным организуется программно с использованием протокола SNMP для скалярных данных и FTP для массива данных. Пример работы МСЭ приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Экранный интерфейс модуля солнечной энергетики

Для оценки эффективности внедрения разрабатываемого программного обеспечения были выбраны следующие показатели: среднее время выполнения сервисной операции, среднее время обнаружения неисправности и среднее время устранения неисправности в работе системы. В течение двух месяцев была проводилась оценка работы системы с использованием и без использования сервисного ПО. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 3.

Согласно проведенному тестированию, средняя эффективность от использования сервисного ПО сократит время на обслуживание в целом на 42,9 %.

Таким образом:

1) Разработанная система позволит пользователю удаленно контролировать производительность работы солнечных панелей в режиме on-line.

2) Предлагаемая система позволит пользователю контролировать вращение и высоту расположения панелей солнечных батарей с целью увеличения их производительности.

3) При необходимости система предоставляет возможность авторизованному пользователю выключать, приостанавливать и возобновлять работу солнечных панелей по заданному времени.

4) Система автоматически формирует журналы событий с целью определения причин сбоя в работе солнечных панелей.

5) Разработанная система позволит пользователю контролировать важные параметры работы солнечных панелей и осуществлять анализ их производительности с помощью диаграмм и графиков.

Результаты проектирования легли в основу прототипа будущей системы энергоэффективных мехатронных устройств. Разработаны основные модули системы, построена схема базы данных для хранения информации о работе солнечных панелей, разработаны макеты графического интерфейса прикладного программного обеспечения по управлению системой, подготовлена справочная документация для пользователя системы.

Главным преимуществом разработанной системы являются возможность удаленного непрерывного мониторинга работы солнечных батарей и снижение времени и затрат на их техническое обслуживание.