Синтез структуры цифровой системы автоматического управления судовой электрической станцией на основе метода конструктивно-функциональной близости
На правах рукописи
Малышев Юрий Сергеевич СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНСТРУКТИВНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ БЛИЗОСТИ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы.
Специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Н. Новгород – 2012
Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» (г. Нижний Новгород).
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сугаков Валерий Геннадьевич
Официальные оппоненты: Федоров Олег Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», профессор Горелкин Виктор Иванович доктор технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», профессор Ведущая организация Нижегородский военный институт инженерных войск г. Кстово
Защита состоится 17 мая 2012 г. в 14 часов в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (603950, ГСП41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского го сударственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Автореферат разослан 14 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Соколов В.В.
Актуальность исследования. Анализ систем автоматического управления (САУ) судовыми электрическими станциями (СЭС) эксплуатируемых судов показывает, что системы управления электростанциями выполняются на различной элементной базе, в том числе с использованием импортных программируемых контроллеров различных типов (выпускаемых разными фирмами). Как правило, такие системы работают до первого отказа, который не может быть устранён судовым персоналом, тем более в случае отсутствия электротехнического персонала (электромехаников). Иногда это связано с отсутствием принципиальных схем и программного кода контроллеров в документации импортных САУ. В таких условиях ужесточаются требования российского речного регистра к обеспечению повышенной надежности и аппаратурной унификации САУ СЭС. Однако САУ СЭС эксплуатируемых судов не являются унифицированными. Они привязаны к конкретным типам первичных двигателей (ПД), генераторам и их мощностям.
СЭС является совокупностью систем, обеспечивающих работу ПД и генератора. Нарушение функционирования любого из элементов этих систем, может привести к выходу из строя электростанции судна. Поэтому при разработке САУ СЭС необходимо учитывать взаимосвязи ПД и генератора.
СЭС должна обеспечивать надежное и бесперебойное электроснабжение судна в любых условиях, в том числе при любых аварийных ситуациях, что достигается повышением уровня ее автоматизации. Расширение объема функций автоматического управления и контроля элементами СЭС позволит существенно упростить их эксплуатацию и восстановление, а также снизить требования к обслуживающему персоналу.
В результате можно утверждать, что существует противоречие между требованиями к СЭС, с одной стороны, и функциональными свойствами эксплуатируемых СЭС – с другой. Разрешение этого противоречия возможно преимущественно путем углубления автоматизации СЭС на основе современных методов построения логических моделей и разработки САУ СЭС.
Функциональные связи между составными частями СЭС устанавлива ются на основании структурных моделей. Обычно при делении на элементы структурных моделей используют принцип конструктивной близости, кото рый не учитывает сигналы, передаваемые через конструктивный элемент, или принцип функциональной близости, заключающийся в том, что при оп ределении внутреннего содержания объекта в нем собирают элементы, рабо тающие на формирование общего выходного сигнала на одном выходе. При этом рассматриваются сигналы одной природы. Однако в комбинированных системах, какой является электрическая станция, наличие разнородных сиг налов и конструктивное исполнение деталей и узлов в большинстве случаев не позволяет использовать принцип функциональной близости. Поэтому для структурирования объекта каждого уровня СЭС необходимо использовать метод конструктивно-функциональной близости, предполагающий конструк тивное единство и разделение входных сигналов по функциональному назначению или физической природе сигналов.
Учитывая вышеизложенное, целью диссертационной работы является исследование вопроса о расширении функциональных возможностей САУ СЭС на основе метода конструктивно-функциональной близости.
Цель работы определяет задачи исследования:
- анализ существующих САУ СЭС;
- синтез структурной и логической моделей САУ СЭС на основе метода конструктивно-функциональной близости;
- разработка математической модели САУ СЭС в соответствии с пред ложенной логической моделью;
- создание алгоритмов и программ, моделирующих работу САУ СЭС;
- синтез структуры цифровой САУ для различных степеней автоматиза ции судовых электростанций;
- разработка функций управления и диагностики СЭС, включая функ цию реконструктивной диагностики.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались: теории электрических цепей и электрических машин, теории системного и корреляционного анализа, теория автоматиче ского управления. В качестве аппарата исследования использована алгебра логики. Численная реализация и анализ математических моделей выполнены на ЭВМ с использованием прикладных программ.
Научная новизна 1. Впервые рассмотрены в комплексе генератор, электрические цепи, технические системы и механизмы первичного двигателя судовой электро станции, что позволило на основании структурного анализа объективно уста новить полный состав элементов, требующих управляющего воздействия, и синтезировать обобщенную структуру цифровой системы автоматического управления судовой электростанцией.
2. Синтезированы обобщенные структурная и логическая модели цифро вой системы автоматического управления судовой электростанцией, отли чающиеся наличием математического описания сигналов различной при роды, проходящих через конструктивные элементы судовой электростанции, путем использования метода конструктивно-функциональной близости и по зволяющие разработать цифровую САУ для различных степеней автоматиза ции судовых электрических станций.
3. Разработана структура цифровой САУ СЭС, позволяющая расширить функциональные возможности систем автоматического управления судо выми электрическими станциями, путем введения новых функций диагно стики, включая реконструктивную. Функции реконструктивной диагностики реализуются по принципам последовательности и хроноконтроля.
Научная новизна подтверждается положительным решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010149367/07(071322) и свидетельством о государственной регистрации программы № 2011610852.
Практическая значимость.
1. Разработан метод математического описания объектов СЭС, включая генератор электрические цепи и ПД, с учетом алгоритмов работы ее элементов.
2. Написана программа для исследования функционирования ЦСАУ СЭС, подтвержденная свидетельством об официальной регистрации программ.
3. Разработана инженерная методика, позволяющая формализовать процесс синтеза новых цифровых САУ СЭС, что способствует сокращению затрат на их производство.
4. Разработана цифровая система возбуждения синхронного генератора, которая обеспечивает форсированное возбуждение СГ по приращению тока генератора. Предложенная система возбуждения отличается применением внешнего источника и имеет высокую форсировочную способность, ограни ченную лишь его параметрами. На предложенную систему возбуждения по лучено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Реализация результатов работы.
Полученные результаты использованы при разработке и модернизации технических проектов СЭС конструкторским бюро «Вымпел» и проектно технической организацией ООО «Эккотех», а также внедрены в образовательный процесс подготовки специалистов в «Волжской государственной академии водного транспорта на кафедре «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта».
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты исследования с использованием разработанной структурной и логической моделей СЭС.
2. Принципы построения и структуры ЦСАУ СЭС для различных степеней автоматизации.
3. Результаты исследования с использованием разработанной про граммы моделирования работы ЦСАУ СЭС.
4. Логические функции управления и контроля ЦСАУ СЭС.
5. Технические решения для реализации ЦСАУ СЭС.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
– ежегодных региональных научно-технических конференциях «Акту альные проблемы электроэнергетики». – НГТУ. Н.Новгород: 2008, 2009;
– XIV, XV Нижегородских сессиях молодых ученых. Технические науки.
– Н.Новгород: 2009-2010;
– XI-XIII международных научно-промышленных форумах: «Великие реки - 2009» – «Великие реки - 2011». – Н.Новгород: ННГАСУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе работы в журналах, рекомендуемых ВАК. Получено свидетельство на официальную регистрацию программы и положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 105 наименований и приложений.
Основная часть диссертации изложена на 148 страницах машинописного текста, кроме того, диссертация включает 56 рисунков, 9 таблиц и приложения на 82 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования и определены направления их решения.
В первой главе выполнен анализ СЭС эксплуатируемых судов речного флота (сухогрузные и пассажирские суда, ледоколы, буксиры и танкеры), их электрических систем и систем автоматического управления СЭС.
В качестве первичных двигателей СЭС рассмотрены поршневые дизельные двигатели внутреннего сгорания с двухконтурной водо-водяной системой охлаждения, так как они нашли наиболее широкое применение на судах речного флота.
Проанализированы возможности систем управления 40 типов автоматизированных судовых электростанций, определен их состав и установлен перечень операций и функций, который может характеризовать современный уровень автоматизации судовых электрических станций в целом. Исследованы схемы управления и определены состав и количество аппаратных средств, использованных в них. Выявлен их случайный характер.
В результате анализа САУ СЭС было выявлено следующее:
1. Системы управления современных судовых электрических станций обеспечивают автоматическое выполнение от 16 до 35 основных операций управления. Причем общий перечень операций и функций управления содержит 40 позиций.
2. Для разработки схем управления СЭС, применяемых на судах, как правило, использован интуитивный метод с использованием различных способов минимизации. Этот метод основан на эмпирическом опыте разработчика и приводит к существенному возрастанию расхода аппаратурных средств с увеличением числа автоматически выполняемых операций, что делает бесперспективным использование указанного метода при разработке СЭС глубокой автоматизации.
Во второй главе на основании метода конструктивно-функциональной близости проанализирована структура СЭС. Выявлено, что использование иерархической четырехуровневой реструктуризации является достаточным для решения задач по автоматизации и встроенной функциональной диагностике СЭС, так как на пятом и последующих уровнях отсутствуют элементы, требующие управляющего воздействия.
На основе четырехуровневой реструктуризации проведен структурный анализ состава и взаимосвязей элементов электростанции. Использование метода конструктивно-функциональной близости позволило разработать структурные модели объектов различных уровней. На основании структурных моделей объектов написаны их логические модели. Разработана обобщенная логическая модель СЭС в виде системы бинарных уравнений функционирования.
Сформирована система контролируемых параметров САУ СЭС, которая включает контролируемые параметры электрических и неэлектрических величин, а также временные параметры длительностей и задержек. Определена система отсчета бинарных функций управления и их аргументов. Путем анализа логической модели установлен состав объектов управления из числа элементов СЭС. Разработана структура системы цифрового автоматического управления.
Разработана система основных бинарных функций управления элементами САУ СЭС, обеспечивающая необходимые и достаточные условия для организации управления в соответствии с существующими алгоритмами. Проведено научное обоснование функций контроля состояния для встроенной функциональной диагностики элементов СЭС. Научно обоснована методика логического анализа достоверности аргументов разработанных функций управления по нарушению естественной последовательности изменения их значений и методом хроноконтроля. Установлены коды коррекции сбоя измерительных каналов.
Структура СЭС на основе четырехуровневой реструктуризации состоит из следующих уровней: первый уровень «ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ» имеет объектом СЭС, а элементами служат один или несколько ЭА, размещенных в машинном отделении, фальштрубе либо в носовой части судна, снабженном устройствами обеспечения собственных нужд СЭС. Объектами второго уровня «ЭЛЕКТРОАГРЕГАТ» являются элементы первого уровня, а его собственные элементы – генератор, первичный двигатель и распределительное устройство – исполняют роль объектов третьего уровня «СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА».
Элементами третьего уровня выступают технические системы, механизмы, устройства и электрические цепи, которые, в свою очередь, являются объектами четвертого уровня «СИСТЕМА». Узлы, детали и приборы представлены элементами четвертого уровня [1].
Обобщенная структурная модель СЭС, построенная по методу конструктивно-функциональной близости, содержит 234 элемента четвертого уровня, которые образуют 25 структурных моделей элементов третьего уровня.
Разработанные структурные модели элементов СЭС различного уровня представлены в виде многомерных графов, число измерений которых соответствует числу типов сигналов, отличающихся физической природой.
Структурные модели служат основой для создания логических моделей, являющихся совокупностями бинарных уравнений функционирования, которые дают обширную информацию в аналитическом виде при рассмотрении работы или структуры объекта.
Связи между элементами в границах объекта описываются уравнениями внутрисистемной связи, показывающими, с каким входом какого элемента связан данный вход данного элемента. Уравнения внутрисистемной связи в общем случае имеют вид n Z k -l - m = S X k - j -i, (1) где S – здесь и далее по тексту обозначает логическую сумму (дизъюнкцию) логических функций;
k – признак (номер) объекта, в пределах которого находится данная связь;
l, j – признаки (номера) соединяемых элементов объекта;
m, I – признаки (номера) соединяемых входов соответствующих элементов;
n - число однородных входных сигналов, поступающих на вход с номером m.
Однородными считаются сигналы, имеющие одинаковую физическую природу.
Зависимость выходного сигнала (параметра) от состояния элемента и значений входных сигналов описывается логическим уравнением функционирования элемента. Структура уравнения зависит от числа функционально-связанных входов элемента и логики его работы. В общем случае логическое уравнение функционирования имеет вид j =n i =m X k -v -l = w k - v S Z k -v -i, (2) i =1 j j = где: P – здесь и далее по тексту обозначает логическое произведение (конъюнкцию) логических функций;
n – число однородных сигналов, формирующих выходной сигнал;
m – число групп функционально связанных неоднородных сигналов;
i – текущий номер однородного сигнала, i = 1...n;
j – текущий номер группы неоднородных сигналов, j=1...m;
k – признак объекта;
v – признак элемента;
l – признак выхода элемента;
wk-v – логическая функция состояния v -го элемента k-го объекта.
Для рассмотрения структура силовой схемы является наиболее показательной. В общем случае силовая схема, являясь объектом третьего уровня, содержит элементы: цепи силовой коммутации;
цепи регулирования напряжения;
цепи параллельной работы;
цепи измерения и контроля напряжения;
цепи синхронизации;
цепи приборов электробезопасности.
Логическая модель силовой схемы представляет собой систему уравнений функционирования перечисленных элементов третьего уровня, выведенных на основании уравнений функционирования элементов четвертого уровня.
Структурная схема цепей силовой коммутации (рис. 1.а) включает следующие основные элементы: аппарат защиты 18-1, коммутационный аппарат 18-2 и выходное устройство 18-3 линии генератора;
коммутационный аппарат 18-4, аппарат защиты 18-5 и выходное устройство 18-6 линии сети;
коммутационный аппарат 18-7 включения нейтрали. Они обеспечивают автономную и параллельную работу с другим источником питания или береговой сетью, а также питание потребителей от внешнего источника через распределительное устройство СЭС.
Рис.1. Структурная модель цепи силовой коммутации:
а – развернутая схема, совмещенная с графом;
б – приведен ная схема За счет поглощения внутрисистемных связей от развернутой схемы цепей силовой коммутации (См. рис. 1.а) произведен переход к приведенной схеме (рис. 1.б), представляющей схему цепей силовой коммутации как элемент третьего уровня.
При этом схема цепей силовой коммутации имеет 6 входных параметров, характеризующих соответственно связь с внешним источником У0-4, с цепями измерения У21-1 и цепями приборов электробезопасности У23-1, управляющее воздействие коммутационными аппаратами линии генератора W18-2, сети W18-4 и включения нейтрали W18-7.
Из полученных элементов составлена структурная модель распределительного устройства или схемы силовых цепей (рис. 2).
Совокупность логических уравнений функционирования перечисленных элементов (рис. 2. б) представляет логическую модель схемы силовых цепей как элемент второго уровня.
Рассмотренные структурные модели систем, являются основой для составле ния обобщенной структурной модели силовой схемы (см. рис. 2). Приведенная структурная модель, полученная в результате поглощения межсистемных связей, указывает на наличие внешних связей силовой схемы с окружающей средой по входному сигналу У0-3, представляющему электрический сигнал, поступающий в землю для уменьшения потенциала на корпусе судна.
Рис. 2. Структурная модель силовой схемы:
а – развернутая схема, совмещенная с графом;
б – приве денная схема;
18 – цепи силовой коммутации;
19 – цепи регулирования напряжения;
20 – цепи параллельной ра боты;
21 – цепи измерения и контроля напряжения;
22 – цепи синхронизации;
23 – цепи приборов электробезопас ности;
24 – силовая схема Связь силовой схемы с основной и дополнительной обмотками статора гене ратора осуществляется по параметрам У15-4 и У15-2, по которым передаются потоки электрической энергии для передачи ее потребителям с корпусом У15- генератора, по которому передается сигнал для чувствительного элемента ЗОУ.
Входной сигнал из цепей параллельной работы другого электроагрегата представлен внешней связью У0-2, а от обмотки якоря собственного генератора – связью У19-1, через которую по токовой цепи на выход проходит поток электриче ской энергии. По связям У19-2, У18-7 и У18-3 поступают напряжения генератора, нагрузки и сети соответственно.
Остальные связи силовой схемы, как объекта управления, обеспечивают взаимодействие с САУ и определяют ее функции и состав.
Анализируя обобщенную приведенную схему силовых цепей (см. рис. 2), можно выделить 7 управляющих функций, относящихся к различным элементам силовой схемы, по которым САУ должна генерировать управляющие воздействия. Исходными данными для работы САУ могут служить выходные сигналы схем силовых цепей VI, VF, VU, VP, VR и групп U, I и F контролируе мых параметров, которые должны измеряться средствами САУ.
САУ силовой схемы может быть отдельной структурной единицей или интегрироваться в общую САУ СЭС, учитывающую потребности в управлении элементов систем силовой схемы, на которые должны поступать управляющие сигналы Wi-j, где i – признак системы, а j – признак элемента i-й системы.
В общем случае САУ силовой схемы должна формировать сигналы для управления: W18-2 и W18-4 – коммутационными аппаратами линии генератора и сети соответственно;
W18-7 – аппаратом включения нейтрали;
W19-7 – приводом органа уставки напряжения;
W20-3 – выключателем статизма;
W20-4 – выключателем уравнительных соединений;
W22-4 – синхронизатором.
Аналогичным образом строятся структурные модели элементов ПД.
Анализируя обобщенную приведенную схему ПД (рис. 3), можно выделить управляющих функций, относящихся к различным элементам двигателя, по которым САУ должна генерировать управляющие воздействия. Исходными данными для работы САУ могут служить выходные сигналы ПД У6-10 и У6-13, предусмотреные конструкцией существующих двигателей и контролируемых параметров, которые должны измеряться средствами САУ.
Набор управляющих сигналов, генерируемых САУ конкретного ПД, определяется структурой его систем и заданной степенью автоматизации.
Формирование сигналов производится в соответствии с общим алгоритмом управления СЭС. При этом используются входные сигналы, поступающие от групп контролируемых параметров А и В (давление масла, температура и уровни масла, воды, топлива, частота вращения ПД), привод на регулятор частоты вращения У6-13 и зарядный генератор У6-10, входящие в САУ ПД.
Связь ПД с генератором отражена выходным сигналом У5-1, по которому передается вращающий момент на вал генератора, и входным сигналом У15-1, по которому двигателем воспринимаются механические усилия от элементов конструкции генератора. Остальные связи ПД как объекта управления обеспечивают взаимодействие с САУ и определяют ее функции и состав.
Рис. 3. Развернутая схема структурной модели первичного двигателя:
1 – впускная система;
2 – газораспределительный механизм;
3 – выпускная сис тема;
4 – блок неподвижных деталей;
5 – блок подвижных деталей;
6 – механизм передачи к валам и агрегатам ПД;
7 – система питания топливом;
8 – система смазки;
9 – система охлаждения. 10 – система подогрева;
11 и 12 – системы пуска стартером и воздухом Логическая модель электроагрегата как элемента первого уровня образуется путем объединения логических уравнений элементов второго уровня: первичный двигатель;
генератор и распределительное устройство.
На основании уравнений связи и функционирования элементов низшего уровня получены уравнения функционирования элементов более высокого уровня. Совокупность уравнений функционирования, выведенных для элементов низшего уровня, образует логическую модель элементов более высокого уровня.
Обобщенная логическая модель СЭС представляет собой систему, содержащую 123 бинарных уравнения элементов третьего уровня. Конкретную СЭС описывает система, содержащая n бинарных уравнений, которая в общем случае имеет вид:
w1-1 w1- k w1- l = Y1 K wi - m, (3) Yi = K i wi -1 wi - j wn - t Yn = K n wn -1 wn - s где Y1,Yi,Yn выходные сигналы элементов;
i – индекс сигнала, i = 1 … n;
Ki – конъюнкция межсистемных сигналов, включая сигналы САУ (Wi), участвующих в формировании выходного сигнала Yi, Ki = ПYi-g·ПWi-q;
(4) i-j – бинарная функция состояния j-го элемента, участвующего в формировании выходного сигнала Yi ;
k, j, s – индексы элементов: k = 1, … i;
j = 1, … m;
s = 1, … t.
Анализ логической модели позволяет обоснованно установить совокупность элементов из состава СЭС, требующих управляющего воздействия, и номенклатуру функций управления для организации автоматического управления.
Установленная в результате анализа номенклатура и осуществленная систематизация контролируемых параметров позволяют рационально организовать автоматическое управление. Предложенная система содержит 76 контролируемых параметров по 9 физическим величинам, которые должны измеряться и оцениваться средствами САУ. Она включает параметра неэлектрических величин, 23 электрические величины, длительностей и 10 задержек времени.
Введена система отсчета аргументов функций управления, которая рассматривает аргументы как бинарные функции контролируемых параметров.
Для бинарных функций контролируемых параметров неэлектрических и электрических величин принята следующая система отсчета значений:
(i ) 1, при p j Pj ;
p (ji ) = (5) (i ) 0, при p j Pj ;
для длительностей операций управления 1, при tH t t H + T1(i ) ;
T1(i ) {t H } = (6) (i ) 0, при t t H или t t H + T1 ;
для задержек времени 1, при t t H + T2(i );
T2(i ){t H }= (7) (i ) 0, при t tH + T2 ;
где pj(i),T1(i){tН} и T2(i){tН} – бинарная функция i-го параметра j-й группы, временного параметра длительности и задержки, соответственно;
Pj(i), T1(i) и T2(i) – значения i-го параметра j-й группы, параметра длительности и задержки соответственно;
pj и t – текущее значение j-й контролируемой физической величины и текущее значение времени;
tН – момент времени начала отсчета (до его фиксации временные аргументы имеют нулевые значения).
В третьей главе разработаны системы основных бинарных функций управления элементами САУ СЭС, обеспечивающие необходимые и достаточные условия для организации управления в соответствии с существующими алгоритмами. Проведено научное обоснование функций контроля состояния для встроенной функциональной диагностики элементов СЭС.
Проведены экспериментальные исследования функционирования САУ СЭС с помощью компьютерной программы [3].
Логическое моделирование проводилось по всем возможным наборам аргументов для каждой функции управления и контроля. В результате вычисления значений функций при всех возможных вариантах аргументов программа выдает достоверный результат.
Программа позволяет исследовать функционирование САУ в процессе моделирования работы САУ СЭС в различных режимах.
В результате изменения исходных данных получена таблица функционирования модели, на основе которой построена диаграмма функционирования САУ, позволяющая проанализировать правильность работы САУ.
Анализ результатов показывает, что во всех исследуемых режимах модель системы управления выдает достоверную и адекватную реакцию.
В четвертой главе синтезированы структуры цифровых САУ СЭС для различных степеней автоматизации. Оценены техноэкономические показатели разработанной САУ. Разработаны средства технической реализации цифровой САУ СЭС. Составлена инженерная методика разработки ЦСАУ СЭС.
В результате оценки дополнительного экономического эффекта от применения разработанной ЦСАУ выявлено, что использование такой ЦСАУ СЭС позволит увеличить надежность СЭС за счет повышения ремонтопригодности САУ, что в свою очередь приводит к положительному экономическому эффекту. С увеличением мощности подключенного к электроагрегату оборудования экономический эффект от применения разработанной САУ возрастает (рис. 4). Расчет проведен для трех типовых проектов судов.
фект, Доп. экономический эф тыс. руб.
проект Q проект 92 200 проект 0 200 400 Мощность подключенного к электроагрегату электрооборудования, кВ•А Рис. 4. Зависимость дополнительного экономического эффекта при применении разработанной ЦСАУ СЭС от мощности подключенного к электроагрегату оборудования При мощности подключенного оборудования в пределах 100 кВ·А наблюдаются перепады характеристик, связанные со значительным различием значений интенсивностей отказов некоторых маломощных потребителей.
Предложенная инженерная методика разработки ЦСАУ СЭС позволяет формализовать процесс разработки ЦСАУ СЭС конкретных типов и конкретных степеней автоматизации, что приводит к дополнительному экономическому эффекту.
Для технической реализации цифровой САУ СЭС разработаны следующие технические устройства: цифровое реле контроля оперативного напряжения, цифровое реле контроля напряжения, двухтактный цифровой синхронизатор без опережения, реле - фазоуказатель, цифровое реле контроля мощности, цифровая система возбуждения синхронного генератора (ЦСВГ) [4–9].
Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение для цифровой системы возбуждения синхронного генератора (рис. 5) [4]. ЦСВГ предназначена для регулирования напряжения, она обеспечивает форсированное возбуждение СГ, которое осуществляется по приращению тока генератора.
Основным конструктивным отличием ЦСВГ является наличие внешнего источника электроэнергии 11, позволяющего обеспечить форсирование возбуждения СГ.
Рис. 5. Цифровая система возбуждения синхронного генератора: 1 – синхронный генератор;
2 – обмотка якоря;
3 – обмотка индуктора;
4 – первый выпрямитель;
5 – суммирующий трансформатор 6 – первич ная токовая обмотка;
7 – первичная об мотка напряжения;
8 – вторичная обмотка питания индуктора;
9 – обмотка управле ния;
10 – корректор напряжения;
11 – вне шний источник постоянного тока;
12 – электронный ключ;
13 – трансформатор тока;
14 – шунт;
15 – второй выпрямитель;
16 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17 – первый и 18 – второй регистры памяти;
19 – распределитель импульсов;
20 – генератор импульсов стабильной час тоты;
21 – вычитатель;
22 – задающий регистр;
23 – числовой компаратор;
24 – первый дифференциатор 25 – RS-триггер;
26 – второй дифференциатор;
27 – логиче ский элемент ИЛИ 25 – триггер;
28 – шина ПУСК;
29 – формирователь-ограничитель;
30 – инвертор;
31 – логический элемент И Предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность, ограниченную лишь параметрами внешнего источника 11. Она обладает высоким быстродействием форсировки возбуждения, которое определяется частотой генератора 20 импульсов стабильной частоты и осуществляется по приращению тока генератора, ещё до критического снижения напряжения. При этом обеспечивается пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, мощность которого соизмерима с мощностью генератора.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ различных по мощности, составу и степени автомати зации судовых электрических станций из числа эксплуатируемых в настоя щее время автоматизированных СЭС (рассмотрены и проанализированы наиболее распространенных и характерных типов СЭС).
2. Установлено, что для рассматриваемой выборки типов СЭС в качестве первичных двигателей применяются дизельные двигатели внутреннего сго рания с двухконтурной водо-водяной системой охлаждения, принудительной системой смазки и пневматическим или электрическим пуском. Число опера ций и функций управления, выполняемых САУ, лежит в диапазоне от 16 до 35, а сами системы разработаны интуитивным методом.
3. Разработана обобщенная структурная модель СЭС, построенная по ме тоду конструктивно-функциональной близости с использованием иерархиче ской четырехуровневой реструктуризации. Структурная модель содержит 235 элементов четвертого уровня, образующих 25 структурных моделей эле ментов третьего уровня. На основании уравнений связи и функционирования элементов третьего уровня получена система уравнений функционирования, образующая логическую модель САУ СЭС.
4. Предложена система отсчета аргументов функций управления, которая рассматривает аргументы как бинарные функции контролируемых парамет ров и позволяет осуществить переход к цифровому управлению. Система ар гументов содержит 76 контролируемых параметров по 9 физическим величи нам и включает 23 параметра электрических величин, 34 параметра неэлектрических величин, 9 длительностей и 10 задержек времени, которые должны измеряться и оцениваться средствами САУ.
5. На основе метода конструктивно-функциональной близости обоснована структура ЦСАУ СЭС, обеспечивающая цифровое управление и повышение надежности за счет реконструктивной диагностики, которая может строиться по принципу последовательности (для анализа и коррекции аргументов функций управления) или по принципу хроноконтроля (для измерителей и измерительных каналов). При этом возможно решение двух классов задач. Первый класс задач – попутная диагностика отдельных элементов на основе информации, поступающей от измерителей, обеспечивающих управление – решается без дополнительных аппаратурных затрат. Второй (затратный) – определение состава измерителей и мест их установки для целевой диагностики конкретных элементов СЭС.
6. Разработана программа эмуляции системы автоматического управле ния судовой электрической станцией с отображением и регистрацией генери руемых сигналов управления, подтвержденная свидетельством об официаль ной регистрации программы, которая позволяет исследовать функциониро вание САУ в процессе моделирования работы электростанции при различных величинах контролируемых параметров. Программа может быть использо вана в научных, инженерных и образовательных целях производственными и образовательными организациями, а также при проектировании новых сис тем автоматического управления электростанциями и обучении персонала.
Проведенное с помощью программы логическое моделирование по всем возможным наборам аргументов для каждой функции управления и контроля дало достоверный и адекватный результат для всех возможных наборов аргументов.
7. Использование систем управления, выполненных по предложенным структурам, позволяет решить следующие задачи: 1) сократить число эле ментов схем управления и обеспечить внедрение встроенной функциональ ной диагностики и соответственно увеличение надежности всей системы управления электростанцией;
2) применить такие САУ на различных типах судов без изменения электрической схемы, так как для подключения различ ных типов электроагрегатов требуется изменение программных, а не аппаратных составляющих системы;
3) расширить функциональные возмож ности САУ за счет внедрения дополнительных функций диагностики, включая реконструктивную.
8. На основе инженерного метода разработки ЦСАУ СЭС формализован процесс проектирования новых ЦСАУ.
9. Разработаны необходимые для построения ЦСАУ СЭС цифровые функциональные устройства, которые могут применяться в качестве функциональных устройств САУ либо использоваться самостоятельно.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Малышев, Ю.С. Логическая модель судового электроагрегата / Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Вестник Ивановского государственного энер гетического университета. – Иваново. – 2011. – № 1, – С.65–70.
2. Малышев, Ю.С. Реконструктивная диагностика системы автоматиче ского управления судовой электростанцией с математической коррекцией значений аргументов функций управления/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Ежеквартальный сборник научных статей/ «Эксплуатация морского транс порта». – Санкт Петербург: ГМА им. адм. С.О. Макарова,– 2011. – №3 (65). – С.60–64.
3. Малышев, Ю.С. Логическое моделирование для решения задач автоматизации автономных источников электроэнергии/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Вестник Нижегородского университета им.
Н.И. Лобачевского. – Нижний Новгород. – 2011. – № 3(2). – С.253–259.
Патенты и свидетельства о регистрации:
4. Свидетельство о гос. регистрации программы № 2011610852. Про грамма эмуляции системы автоматического управления судовой электриче ской станцией с отображением и регистрацией генерируемых сигналов управления / Ю.С. Малышев, заявитель и правообладатель // Реестр про грамм для ЭВМ. – М.: Роспатент, 2011.
5. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 2010149367/07(071322) от 02.11.2011. Цифровая система возбуждения синхронного генератора / В. Г. Сугаков, О.С. Хватов, В.С. Волошко, Малышев Ю. С. – М.: Роспатент, 2011.
Научные работы, опубликованные в других изданиях:
6. Малышев, Ю.С. Анализ целесообразности использования систем автоматизированного управления судовой энергетической системой на релейно-контактной элементной базе. / Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Труды Нижегородского государственного технического университета, «Актуальные проблемы электроэнергетики».– Нижний Новгород, – 2009. – т. 70. – С.104–109.
7. Малышев, Ю.С. Цифровые средства включения синхронных генерато ров на параллельную работу/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Материалы XIV Нижегородской сессии молодых учёных (технические науки). – Нижний Новгород, 2009. – С. 87.
8. Малышев, Ю.С. Реконструктивная диагностика систем автоматиче ского управления судовых генераторов/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Труды Нижегородского государственного технического университета, «Актуальные проблемы электроэнергетики». – Нижний Новгород, 2009. – т.77 – С.11–15.
9. Малышев, Ю.С. Средства контроля напряжения в автоматике/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Вестник ВГАВТ. – Нижний Новгород, 2009. – № 27. – С. 53–57.
10. Малышев, Ю.С. Цифровое реле контроля мощности/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // 11-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки - 2009» / Труды конгресса. – Нижний Новгород: ННГАСУ. – 2010. – т.2 – С. 549–551.
11. Малышев, Ю.С. Логическая модель судового генератора/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // Материалы XV Нижегородской сессии моло дых учёных (технические науки). – Нижний Новгород, 2010. – С. 89–90.
12. Малышев, Ю.С. Логическая модель первичного двигателя судовой электрической станции/ Ю.С. Малышев, В.Г. Сугаков // 12-й Международ ный научно-промышленный форум «Великие реки - 2010». / Труды кон гресса. – Нижний Новгород ННГАСУ. – 2011. – Т.2. – С.585–587.
13. Малышев, Ю.С. Способ синхронизации синхронных генераторов электроагрегатов/ В.Г. Сугаков, В.С. Волошко, Ю.С. Малышев // Научно технический сборник НВИИВ. – Кстово, 2010. – С. 54–66.
Личный вклад соискателя. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математические модели [1, 3, 11, 12], постановка задачи [2, 5, 6, 7, 8, 9, 10], обобщение результатов [6, 7, 8, 9, 10, 13], моделирование работы устройств [7, 8, 10].