Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование способов эксплуатации электрооборудования птицефабрик на основе информационных технологий

Общая характеристика работы

электрооборудование программный автоматизация

Актуальность темы. Современная электрификация сельского хозяйства характеризуется наличием в эксплуатации новых электроустановок и устаревшего оборудования. Принято считать, что около 70% электрооборудования имеют сверхнормативный срок службы или морально устарели. В этих условиях для поддержания высоких показателей надежности значительно возрастают требования к его эксплуатации.

В современных условиях электротехнические службы (ЭТС) не справляются с поставленными задачами, так как не используют прогрессивные способы эксплуатации. Прежде всего, это относится к сбору, переработке и хранению информации. Устаревшие подходы применения бумажных носителей и ручного счета не позволяют своевременно и достоверно определять характеристики ЭТС: число исполнителей, график ТО и ТР, эксплуатационные карты и т.д. Все это снижает эффективность работы ЭТС, приводит к потере ценной информации, нарушает выполнение технических обслуживаний (ТО) и текущих ремонтов (ТР).

Для основных видов электрооборудования применяют устаревший послеотказовый способ эксплуатации. Переход к прогрессивной эксплуатации по состоянию электрооборудования сдерживается отсутствием ресурсов на диагностическое оборудование.

Одним из направлений развития эксплуатации энергооборудования служит широкое применение информационных технологий. На этом пути удастся не только комплексно и полностью решить эксплуатационные задачи, но и снизить расходы ресурсов на электротехническую службу.

Первым этапом информатизации является разработка и внедрение автоматизированных рабочих мест инженера-электрика. Это направление сдерживается недостаточной изученностью применения информационных систем в эксплуатационных службах и отсутствием методического и аппаратурного обеспечения решения таких задач.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной программой НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова по теме №6 - «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения систем АПК».

Цель работы заключается в повышении эффективности работы электротехнических служб птицефабрик за счет использования информационных технологий.

Задачи исследования:

- провести анализ эксплуатации электрооборудования птицефабрик;

- обосновать возможность повышения эффективности эксплуатации на основе информационных технологий;

- разработать математическое и программное обеспечение решения функциональных задач эксплуатации для автоматизированного рабочего места инженера-энергетика;

- разработать математическое и программное обеспечение решения диагностических задач эксплуатации для автоматизированного рабочего места инженера-энергетика;

- выполнить лабораторные и производственные исследования автоматизированного рабочего места инженера-электрика;

- определить технико-экономические показатели предлагаемых результатов.

Объект исследования - электротехнические службы птицефабрик АПК.

Предмет исследования - закономерности влияния информационных технологий на качество эксплуатации электрооборудования и управления электротехнической службы на основе использования автоматизированного рабочего места инженера-энергетика.

Методика исследования. Для достижения поставленной цели и решения комплекса задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, использовались аналитические и графические методы, а также математические законы. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по существующим и разработанным частным методикам.

Научная новизна работы:

- обоснованы концепция и принципы построения автоматизированных рабочих мест инженера-электрика птицефабрик;

- предложено теоретическое обоснование решения функциональных задач эксплуатации;

- разработано теоретическое обоснование решения диагностических задач эксплуатации;

- показана возможность диагностирования электрооборудования по параметрам технологических процессов.

Практическая ценность работы. Разработано и создано автоматизированное рабочее место инженера- электрика для сельскохозяйственных предприятий. На примере птицефабрики показана возможность сокращения расчетных трудозатрат на обоснование рационального варианта ЭТС в 20-30 раз, а также для птицефабрик - повышение производственного эффекта на 1-2% и снижение энергетических затрат на 3-4%.

Реализация научно-технических результатов. Производственный образец автоматизированного рабочего места инженера-энергетика используется в течение 1,5 лет на птицефабрике ООО «Возрождение-1» Татищевского района Саратовской области с положительным эффектом. Конференция «Разработки молодых ученых в области повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов» рекомендовала к внедрению результаты работы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на межвузовских и вузовских конференциях: Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2004, 2005, 2006, 2007 годах; Волгоградской ГСХА в 2005 году; Воронежского ГТУ и Международного Института Компьютерных Технологий в 2005 году; «Разработки молодых ученых в области повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов», Агентство энергосбережения г. Саратов 2007 год.

Публикация результатов исследования. Основные результаты исследований опубликованы в монографии и 10 работах, общим объемом 7,84 п. л., из которых на долю соискателя приходится 4 п.л. Одна работа опубликована в реферируемом издании, указанном в «Перечне ведущих журналов и изданий…» ВАК Минобразования и науки РФ.

На защиту выносятся:

- результаты исследования функциональных задач эксплуатации, позволяющие с помощью АРМ выполнять расчеты в режиме реального времени;

- результаты исследования диагностических задач, обеспечивающие переход к послеосмотровому способу эксплуатации;

- результаты лабораторных и производственных исследований, подтверждающие теоретические положения;

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 54 рисунка, 1 приложение. Список используемой литературы включает 127 наименований, из них 14 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, изложены цели и задачи исследования, приводятся данные о реализации и апробации результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Анализ состояния изучаемой задачи», посвящена анализу перспективных направлений развития эксплуатации, а также состоянию электротехнических служб. Рассмотрена роль использования информационных технологий и систем в эксплуатации. Проведена краткая характеристика птицеводческой отрасли, как в Российской Федерации, так и в Саратовской области.

Многие исследователи изучали эксплуатационные свойства электрооборудования в условиях сельского хозяйства. Ценные рекомендации имеются в трудах: Г.П. Ерошенко, А.А. Медведева, С.В. Оськина, Р.М. Славина, И.Г. Стрижкова, Н.Н. Сырых, М.А. Таранова, В.Я. Хорольского, и других ученых. Большой вклад в развитие основ эффективной эксплуатации внесли труды Н.М. Зуля, М.С. Левина, А.М. Мусина, А.Г. Прищепа, А.А. Пястолова и других ученых.

Одним из направлений развития эксплуатации энергооборудования служит широкое применение информационных технологий. Первым этапом информатизации является внедрение автоматизированных рабочих мест (АРМ) инженера-электрика. Традиционное решение задач состоит в том, что электрооборудование выделяют в самостоятельную подсистему или парк оборудования и достигают цели изолированно от технологических процессов, объектов, ресурсов, сырья и других факторов, участвующих в получении конечных продуктов.

Возникла необходимость увязать эксплуатацию электрооборудования с качеством функционирования всех технологических процессов на объекте. На любом производстве можно выделить технологические потоки, влияющие на получение конечной продукции. Нарушение одного из параметров ведёт к нарушению технологического процесса, что требует системного решения данной проблемы. Такой системный подход позволил сформулировать новый принцип технической эксплуатации по параметрам технологического процесса. Этот принцип включает в себя две части: функциональную и диагностическую. Следовательно, возникла важная научно-техническая задача - разработать теорию и программное обеспечение автоматизированного рабочего места инженера-энергетика для решения функциональных и диагностических задач эксплуатации. В заключение главы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава «Теоретическое обоснование параметров АРМ инженера- электрика».

Электротехническая служба (ЭТС) является частью производственной системы, предназначенной для выпуска определенной продукции. В соответствии с главной целью производственной системы подсистема ЭТС имеет цель обеспечить эффективность работы технологического объекта. Используют различные критерии эффективности для решения задач совершенствования эксплуатации, необходимо применить обобщенный критерий. Им может быть максимум вероятности безотказной работы производственной системы. Для этого, в первую очередь, необходимо обеспечить бесперебойность снабжения всеми входными ресурсами. С позиций надежности параллельные входные потоки включены последовательно, как показаны на рис.1а. Вероятность безотказного выпуска продукции равна:

P_п (t) = P_т(t) * P_м(t) * P_э(t), (1)

где P_т(t), P_м(t), P_э(t) - вероятности безотказного поступления трудовых, материальных и энергетических ресурсов.

Вероятность P_т(t) зависит от укомплектованности штата птицефабрики и от индивидуальных особенностей исполнителей. Специалисты птицеводческой отрасли глубоко изучили технологические процессы с учетом биологических особенности птицы и обеспечивают безотказное снабжение птицефабрик кормами, питьевой водой и т.д., за счет широкого применения запасных емкостей и складских помещений. Поэтому можно считать P_м(t) = 1,0. Вероятность безотказного энергоснабжения имеет две составляющие: вероятность внешнего энергоснабжения (P_э1(t)) и вероятность безотказности электроустановок предприятия (P_э2(t)). Поскольку птицефабрики относятся к первой категории по надежности электроснабжения, можно принять P_э1(t) = 0,99. Вероятность безотказной работы внутренних электроустановок изменяется в широких пределах: P_э2(t) = 0,75 - 0,90.С учетом изложенного, структурную схему надежности технологического процесса можно принять в виде рис.1б.

а)

б)

Рисунок 1. Структурные схемы надежности производственного процесса

В итоге получаем:

P_п (t) = P_т(t)* P_э1(t)* P_э2(t) = (0,70-0,98)*(0,99*(0,75-0,90) = 0,62 - 0,87

Это довольно низкий уровень надежности производственного процесса в птицеводстве. И он обусловлен низкой надежностью потоков энергетических и трудовых ресурсов.

Для повышения надежности можно выделить два способа: снижение загрузки энергооборудования, что аналогично постоянному резервированию; внедрение эксплуатации по состоянию оборудования на основе его диагностирования или информационных технологий (мониторинга).

Сущность первого способа заключается в выборе оборудования с запасом по нагрузочным параметрам (току, мощности т.д.), что приводит к большому перерасходу средств на оборудование и процесс. Второй способ признается самым прогрессивным, так как количество и состав ремонтных операций соответствует фактическому уровню надежности. Но для реализации этого способа необходимо иметь огромный парк диагностического оборудования и большой штат дежурного персонала. Для решения этих проблем целесообразно привлечь информационные технологии, которые позволяют осуществлять непрерывный мониторинг хода технологических процессов и состояния оборудования.

В соответствии с общими сведениями об информационных технологиях, АРМ имеет следующие составляющие: исходные данные; информационное обеспечение; классификация задач; методическое и математическое обеспечение; программное обеспечение; аппаратурное обеспечение.

Разработка функциональных задач эксплуатации включает в себя разработку эксплуатационных карт, расчет годовой производственной программы (ГПП), определение штата исполнителей, обоснование формы и структуры ЭТС.

Математическая модель определения ГПП (вариант 1). Рассмотрим птицефабрики, состоящее из L групп производственных объектов (склады, подсобные предприятия, птичники, и т.д.). В каждой группе имеется M однотипных объектов. Ограничиваясь только электрооборудованием, запишем уравнения трудозатрат на ТО и ТР этого оборудования:

для отдельного объекта

, (2)

для всего предприятия

, (3)

для отдельного оборудования

, (4)

где ф_ТО, ф_ТР - трудозатраты на ТО и ТР для отдельных видов электрооборудования; n, m - годовое количество ТО и ТР; t_ТО, t_ТР - периодичность ТО и ТР; ф_ТО, ф_ТР - разовые трудозатраты на отдельные виды электрооборудования; t_И - годовая занятость; R_к - категория условий окружающей среды; i - вид оборудования; j - условия использования; k - дестабилизирующие воздействия.

Математическая модель определения ГПП (вариант 2). Анализ уравнений (2) (3) свидетельствует, что суммируются разновременные трудозатраты, так как периодичности для ТО (для ТР) не совпадают для разных видов электрооборудования. Это снижает точность расчётов. Кроме того, несовпадающие (некратные) периодичности профилактических мероприятий не позволяют составить графики ТО и ТР, которые позволили бы одновременно выполнить нормативные периодичности, равномерную загрузку электромонтеров и полное использование их рабочего времени. Поэтому необходимо решить задачу о периодичности ТО и ТР. Подробное исследование показало, что нормируемые периодичности определены по критерию минимума суммарных затрат. В области оптимума значение критерия изменяется по пологой кривой. При отступлении от оптимальной периодичности на ± 35 % суммарные затраты увеличиваются не более чем на 5%. Высокая устойчивость эксплуатационных свойств к изменению периодичности ТО и ТР позволяет изменять сроки проведения этих работ и совмещать время проведения ТО и ТР.

Анализ годовой занятости электрооборудования (рис.2) показывает, что в сельском хозяйстве практически все технологические процессы имеют сезонный характер. Поэтому ТР следует выполнять, безусловно, в периоды простоя технологических объектов. Для всех видов электрооборудования, используемых в сухих и влажных помещениях, периодичность ТР - 24 мес., в сырых и пыльных - 18 мес., в особо сырых и с химически активной средой - 12 мес.

Рисунок 2. Годовой график использования и обслуживания электрооборудования: а) подсобные предприятия, б) растениеводство, в) животноводство, г) птицеводство (яичное направление), д) птицеводство (выращивание бройлеров): использование; ----- хранение; … санитарная обработка; Д - техническое обслуживание.

С учетом изложенного, математическая модель расчета ГПП имеет вид:

для всего предприятия

, (5)

для отдельного объекта

, (6)

для отдельного оборудования

. (7)

Программное обеспечение. С целью автоматизации процесса составления эксплуатационных карт, в среде MS «Excel» разработана подпрограмма «Эксплуатационная карта», которая входит в основной пакет прикладных программ АРМ инженера- электрика. Основной вид подпрограммы изображен на рис.3 для объекта птицефабрики «птичник».

В результате программа рассчитывает: коэффициент занятости ЭО; количество условных единиц ЭО; периодичность ТО; количество ТО; периодичность ТР; количество ТР; трудоемкость ТО; трудоемкость ТР; годовые трудозатраты ТО; годовые трудозатраты ТР; годовые трудозатраты ОО. Программа состоит из базовой таблицы, в которой вводятся исходные данные (столбцы B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N) и отображаются результаты расчётов (столбцы S, T, U, V, W, X, Y, Z, AA), а также набора вспомогательных таблиц таких как: таблица условных единиц для определения объёма работ, коэффициент сезонности, периодичность ТО и ТР электрооборудования от окружающей среды и других расчетных таблиц.

Расчёт количества у.е.э. производится в столбце Р. Данный расчёт в основном зависит от следующих параметров и выполняется по следующему алгоритму: тип оборудования мощность характер окружающей среды количество электрооборудования количество часов работы в сутки. Согласно данному алгоритму из вспомогательных таблиц автоматически выбирается и рассчитывается количество у.е.э.. Алгоритм выбора реализован на базе логической функции «ЕСЛИ» и «И».

В АВ5 ячейку: =ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=4;D4>1;D4<=10);AE71; ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=1;D4>10;D4<=40);AE57;ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=2;D4>10;D4<=40);AE62;ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=3;D4>10;D4<=40);AE67;ЕЛИ(И(B4="двигатель";G4=4;D4>10;D4<=40);AE72;ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=1;D4>40);AE58;ЕСЛИ(И(B4="двигатель";G4=2;D4>40);AE63;""))))))). и т.д.

Аналогичными действиями производится выбор и расчет эксплуатационной карты.

Рисунок. 3. Основной вид подпрограммы расчета ГПП для объекта птицефабрики «птичник №12»

Количество персонала в группах обслуживания и ремонта определяется:

, (8)

где N_i - количество персонала в группе; З_i - годовые затраты труда на выполнение i-го вида работ, чел.- ч.; Ф_Д - годовой фонд рабочего времени.

При использовании АРМ на базе эксплуатационных карт и формул разработана подпрограмма в среде MS Excel для расчета персонала, блок схема показана на рис.4. Для условного примера расчет показан на рис.5.

Для учёта различных способностей, опыта, квалификации электромонтеров рассчитывают гарантированное число электромонтеров, обеспечивающих выполнение максимально возможного объема работ при наихудших условиях.

Рисунок 4. Блок схема подпрограммы



Рисунок 5. Внешний вид окна подпрограммы MS Excel «Расчёт персонала»

Для этого можно использовать выражение:

, (9)

где - среднегодовое число электромонтеров; с - оценка доверительного интервала изменения случайных величин, с=1ч3; К_a - коэффициент вариации объема работ исполнителей, К_a=0,05ч0,10; К_ф - коэффициент вариации производительности исполнителей, К_ф=0,07ч0,15.

Для обоснования формы ЭТС на базе номограммы рис.6. разработаны математические модели. Согласно математическим моделям разработана подпрограмма для расчета условного примера на рис.8. в среде MS Excel для выбора формы эксплуатации.

Математическая модель обеспеченности службы:

, , (10)

где k_N - коэффициент для определения расчётного параметра обеспеченности электромонтёрами; k_L - коэффициент для определения расчётного параметра удалённости от районного центра; - заданное значение у.е.э. объекта или предприятия в целом.

Рисунок 6. Номограмма для определения формы эксплуатации энергоустановок: 1 - комплексная, 2 - специализированная, 3 - хозяйственная

На основании номограммы, (рис.7) разработаны математические модели для определения структуры ЭТС и программа. Далее, согласно математическим моделям построена подпрограмма для условного расчета структуры ЭТС в программной среде MS Excel (рис.8).



Рисунок 7. Номограмма для выбора структуры ЭТС, 1, 2, 3 - зоны территориальной, гибкой и функциональной структур

Выбор соответствующей прямой осуществляется в ячейках D1, E1 с помощью логической функции, «ЕСЛИ», на основании исходных данных (ячейки B2 и B3). В ячейках D1, E1 отображается значение координаты X_a, X_b:

; . (11)

Значение ординаты X_с вычисляется, как:

. (12)

Полученные значения координат X_a, X_с сравниваются с границами зоны в ячейке A9, в которой выдаётся наименование структуры ЭТС.



Рисунок 8. Внешний вид окна подпрограммы MS Excel «Выбор структуры и формы ЭТС»

Перечисленные результаты как показано далее существенно сокращают трудозатраты на обоснование параметров ЭТС и повышают достоверность расчетов. Для дальнейшего повышения эффективности АРМ необходимо разработать методику распознавания состояния электрооборудования с его помощью. Она основывается на измерении диагностических параметров и сопоставления фактических значений с нормативными. Различают прямое и косвенное измерение диагностического параметра. В АРМ целесообразно применять косвенное измерение. Задача сводится к следующему. Имеется l переменных х₁, х₂, …, х_l и зависящий от них диагностический параметр d. Кроме того, на величину влияют и другие, не поддающиеся точному учету факторы з. Тогда значение можно записать:

. (13)

Составляющую з считают случайной величиной с нормальным распределением, имеющим нулевое математическое ожидание. В этом случае имеем:

. (14)

Совокупность х₁,х₂,….х_l называют l-мерным факторным пространством, а значение d - поверхностью отклика.

Анализ (14) осуществляют на основе разложения функции в ряд Тейлора вблизи изучаемой точки:

. (15)

Дальнейшее исследование выполняют на основе регрессионного анализа и определяют известными методами коэффициенты регрессии c_i и соответствующее значение диагностического параметра.

Для примера основное внимание уделим определению диагностического параметра электроосветительного оборудования. В этой задаче уравнение регрессии для величины освещения оправдано записать в следующем виде:

, (16)

где d₀ - номинальное освещение; Дd_u - изменение освещения, обусловленное величиной напряжения на лампах; Дd_3c, Дd_3Д - изменение освещения за счет запыленности светильников и датчиков; Дd_c, Дd₀ - изменение освещения за счет старения и отказов ламп, т.е. признаки дефекта ламп.

Диагностирование состоит в определенной разности между фактическим и номинальным значением параметра. Эта разность служит диагностическим параметром электроосвещения:

, (17)

где Дd_Э = Дd_3c + Дd_3Д + Дd_c + Дd₀ - снижение освещенности за счет эксплуатационных факторов.

Если результат окажется ниже наименьшего нормативного значения, то это свидетельствует о необходимости применения эксплуатационных мер и устранения обнаруженных отступлений.

Вначале рассмотрено решение задачи на качественном уровне. Имеется годовой график изменения технологического параметра - освещения птичника (рис.9). Требуется наметить методы выделения из этого графика значения диагностического параметра ламп.

На рис.9а показана кривая фактической освещенности и границы допустимых значений освещенности E_min и E_max. Как видно на большом интервале времени освещенность соответствует нормируемому уровню и электроустановка признается исправной. Диагностический параметр близок к нулю. Однако в некоторые моменты времени Дt, показанные на рис.9б, диагностический параметр отличается от нулевого значения. Эти кратковременные значения не влияют на технологической процесс. На рис.9в диагностический параметр отличен от нуля, отступление действует, в течение длительного периода времени и непрерывно, возрастают. Это свидетельствует о неисправности электроосветительной установки за счет запыленности светильников или датчиков, либо старения ламп. Требуется вмешательство электромонтеров оперативной группы.

Наконец, при выходе из строя лампы диагностический параметр резко увеличивается и действует длительное время (рис.9г) - электроустановка неисправна и требует оперативного вмешательства - замена лампы.

Таким образом, технологические параметры позволяют определить состояние осветительной электроустановки. Но для такой оценки необходимо измерять два диагностических параметра: 1 - отклонение освещенности от нормируемого уровня, 2 - длительность этого отклонения. Второй параметр позволяет отстраиваться от колебаний напряжения.

Рисунок 9. Годовой график изменения технологического параметра - освещения

Необходимо определить значения диагностических параметров для реальных условий. С этой целью, прежде всего, необходимо определить требования к размещению датчиков освещенности. Датчики размещаются на горизонтальной поверхности на расстоянии h от источника света с силой света I. Расчетная схема объекта показана на рис.10. В дополнении к ранее введенным обозначениям, обозначено: б - угол падения света; с - горизонтальное расстояние от источника до датчика; r - полное расстояние до излучателя; ДI_u, ДI_c, ДI_п - изменение силы света, обусловлена напряжением сети, старением ламп и их запыленности. Из светотехники известно, что освещенность Е элементарной площадки dS определяется элементарным потоком dF заключенном в элементарном телесном угле dщ, опирающимся на dS, равна: , (18)



Рисунок 10. Схема освещенности

Такой расчет признается идеализированным, поскольку он не учитывает реальные условия по запыленности, возрасту ламп и напряжению. Эксплуатационную освещенность следует представить следующей зависимостью

, (19)

где k_u, k_c, k_п - коэффициенты, учитывающие напряжение, старение и запыленность ламп.

Теоретическое описание эксплуатационных коэффициентов затруднено влиянием многих факторов, имеющих неопределенную природу и сложную зависимость от продолжительности эксплуатации. Эти особенности подтверждают гипотезу о том, что состояние ламп можно определить только непрерывным измерением параметров системы освещения.

Для определения зависимости эксплуатационного освещения от действующих факторов, уравнение (19) можно привести к следующему виду

, (20)

где к_Э = k_u*k_c*k_п - эксплуатационный коэффициент.

Таким образом, в точке размещения датчиков освещенности для заданной лампы показания зависят от эксплуатационных факторов и геометрических координат контрольной точки.

Рисунок 11. Варианты размещения датчиков освещенности на вертикальном поперечном сечении объекта

Рассмотрим птичник с трехрядным размещением светильников (по ширине b) и несколько вариантов размещения датчиков по ширине в плоскости светильников, как показано на рис.11. В рассматриваемом примере датчики размещены на высоте 0,5 м. от пола. Высота размещения светильников от датчиков составляет 2 м. В варианте а) датчик установлен у стены; б) на расстоянии - b/3; в) на расстоянии b/2; г) на расстоянии 5b/6. По уравнению (20) и программы MS Excel определим освещенности в названных контрольных точках при допущении I=1, k_Э=1. Результаты представлены на рис.12.



а) б)

в) г)

Рисунок 12. Освещенность для вариантов размещения датчиков

По результатам расчета и построения графиков, видно, что для первого случая (рис.12а), расположение датчика у стены нецелесообразно, так как на датчик будет действовать только светильник (I). При рассмотрении второго случая (рис.12б), видно, что расположение датчика между (I) и (II) светильниками является целесообразным, так как датчик будет учитывать воздействие двух «ближайших» светильников (I) и (II), а светильник (III) будет считаться «удаленным». При рассмотрении третьего варианта (рис.12в), можно сделать заключение, что при таком варианте расположения на датчик будет действовать в основном светильник (II) и именно он будет считаться «ближайшим», а светильники (I) и (III) соответственно «удаленные». По результатам четвертого варианта размещения датчика (рис.12г), видно, что на датчик в основном действует ближайший светильник (III), а два остальных светильника (I) и (II) учитываться в основном не будут.

Необходимо определить зависимость чувствительности датчика от коэффициента эксплуатации, высоты подвеса от датчика до поверхности светильника, расстояния от датчика до светильника. Для этого воспользуемся аналитическим методом. Найдем частные производные функции освещенности:

, (21)

где Е_э - освещенность в данной точке; к_э - коэффициент эксплуатации; I - сила света данного светильника; h - высота от датчика до поверхности светильника; с - проекция расстояния от датчика до данного светильника.

Найдем частную производную функции освещенности по расстоянию с. Для облегчения дифференцирования введем замену:

. (22)

Получим:

. (23)

Зависимость освещенности от места положения имеет сложный характер и зависит от трех параметров при h=const. Знак «-» говорит о том, что при увеличении расстояния освещенность уменьшается; при увеличении расстояния скорость изменения освещенности уменьшается; с увеличением силы света лампы, т.е. ее мощности скорость изменения освещенности будет увеличиваться; увеличение коэффициента эксплуатации приведет также к увеличению скорости изменения освещенности по геометрическим координатам.

Найдем частную производную освещенности по высоте h. Произведем некоторые преобразования в первичной формуле:

. (24)

Введем замену:

.

Тогда, после ряда преобразований, имеем

. (25)

Полученная функция также зависит от трех параметров, при с=const. Произведем, анализ полученного результата, показывает: с увеличением высоты скорость изменения освещенности уменьшится; с увеличением силы света лампы скорость изменения освещенности будет увеличиваться; увеличение коэффициента эксплуатации приведет также к увеличению скорости изменения освещенности. Найдем частную производную освещенности по коэффициенту эксплуатации:

. (26)

Данная производная показывает, что при постоянных значениях I,h и c скорость изменения будет постоянной и не будет зависеть от коэффициента эксплуатации.

Чувствительность датчиков зависит от множества факторов. Наибольшее влияние оказывают мощность ламп, коэффициент эксплуатации и координаты размещения датчиков. Для количественного учета этих факторов достаточно использовать графоаналитический метод. Применим уже известную зависимость (20), принимая высоту от светильника до поверхности датчика h=2 м, получим зависимость освещенности произвольного светильника Е от проекции расстояния «с» от светильника до датчика:

.

При введенных ранее допущении, I=1, k_э=1, получим формулу:

.

По данной формуле произведено построение графика зависимости освещенности Е от расстояния с на рис.13. На данном рисунке произведем дополнительное построение графика суммарной освещенности для каждой точки:

, (27)

где Е_?i - суммарная освещенность от i-го количества произвольных светильников; к_э - коэффициент эксплуатации; F - световой поток произвольного светильника, µ- коэффициент добавочной освещенности, ?e - суммарная условная освещенность i-го количества произвольного количества светильников, k - коэффициент запаса.

Как видно из графика суммарная освещенность меняется по закону близкому к синусоидальному. Суммарная освещенность при изменении расстояния от произвольного светильника до точки на заданной высоте меняется плавно.

Для определения области допустимого смещения необходимо задаться критерием разрешенного изменения освещенности в данной области. Примем значение допустимого изменения освещенности . Рассмотрим часть графика, содержащую минимум и достроим на нем прямую y=1,05*y_min (рис.14).

Рисунок 13. График зависимости освещенности от ширины помещения (E_I, E_II, E_III - освещенность от светильников I, II, III; - суммарная освещенность)

Определив точки пересечения прямой y=1,05*y_min и графика суммарной освещенности, расстояние между полученными точками даст нам диаметр области допустимого смещения датчика без существенного влияния на снимаемые показания. Опустив перпендикуляры из точек пересечения на ось ординат, получим значения координат точек равные 1,85 и 2,65 метра. Тогда:

, (28)

где r_доп - допустимый радиус смещения датчика, м; X₁, X₂ - координаты первой и второй точек пересечении графиков, м.



Рисунок 14. График прямой y=1,05*y_min и суммарной освещенности

В результате проведения графоаналитического анализа формулы (2.23) удалось установить, что отклонение датчика в горизонтальной плоскости от центрального положения в радиусе 0,4 м не даст существенного искажения снимаемых показаний, более 5%.

В третьей главе «Экспериментальное исследование АРМ инженера- электрика на птицефабрике». Для проверки теоретических расчетов в лабораторных условиях была создана экспериментальная установка на рис.15.

Как отмечалось ранее, АРМ условно разделяется на две части: первая из них предназначена для решения функциональных задач; вторая часть предназначена для диагностического контроля за состоянием электрооборудования по параметрам технологического процесса.

Рисунок 15. Структурная схема АРМ инженера- электрика

В ходе эксперимента решения функциональных задач были получены следующие результаты табл. 2.

Таблица 2. Сравнение результатов эксперимента

№ п/п	Наименование задачи	Время, затраченное на АРМ, мин.	Время, затраченное на традиционный метод расчета, мин
1	Сбор исходных данных	80	160
2	Определение количества УЕЭ	0,2	90
3	Расчет периодичности ТО и ТР	0,2	120
4	Расчет трудоемкости ТО и ТР	0,2	100
5	Расчет ГПП	0,2	120
6	Составление эксплуатационной карты всего объекта	0,2	9440
7	Определение штата исполнителей	0,2	100
8	Определение формы ЭТС	0,2	100
9	Определение структуры ЭТС	0,2	100
10	Графическое представление объекта	320	1920
11	Генплан объекта	20	180
12	ИТОГО - в часах	420 7	11840 ~198

Анализ показал следующее:

· В результате многократных решений функциональных задач на АРМ и решения, аналогичных им с помощью традиционного метода было выявлено, что АРМ позволяет сократить время решения в 20 - 30 раз.

· В технологическом процессе бывают случаи замены или установки оборудования, что в частном случае приводит к необходимости пересчета функциональной задачи. Время необходимое на пересчет с помощью традиционного метода будет близко к первичному, а затраченное время расчет на АРМ сводится только к вводу новых данных или изменения предыдущих.

· Хранение данных АРМ занимает незначительный объем в цифровом формате (HDD, Flash - накопитель, СD - DVD диски и др.) и может быть распечатаны или выведены на монитор в кратчайшие сроки. Информация может быть перенесена на любых цифровых носителях.

· АРМ позволяет свести затраты к минимуму путем совмещения рабочих мест АРМ и другого пользователя ПК.

В ходе эксперимента решения оперативных задач были получены следующие результаты. Проверка влияния расстояния на показания датчиков. Измерение освещенности на горизонтальной плоскости проводилось под источником света в центре и на расстоянии 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,25 метра от центра. По полученным результатам построим график зависимости освещенности от расстояния рис. 16.

Рисунок 16. Зависимость уровня освещенности от изменения расстояния

По результатам эксперимента видно, что для оптимального измерения уровня освещенности устройством ML38H, а именно датчиком освещенности ФД256 (фотоприемник) необходимо в программную оболочку вводить поправочные коэффициенты, на основании, которого показания датчика будут совпадать с расчетными.

Проверка влияние высоты размещения датчиков. Целью проведения эксперимента является определение оптимальной высоты подвеса датчиков контроля технологических параметров. Для чистоты снимаемых результатов необходимо отключить ближайшие светильники, тем самым, исключая их воздействие на экспериментальную область. Результаты показаны на рис. 17.

Рисунок 17. Зависимость уровня освещенности от изменения высоты подвеса

По результатам эксперимента видно, что кривые изменения уровня освещенности от высоты подвеса имеют схожие характеристики, следовательно, показания датчика освещенности ФД256 будут совпадать с показаниями люксметра Ю116 на основе использования поправочного коэффициента в программной оболочке.

Проверка влияния координат размещения датчиков. С целью определения оптимального расположения датчиков в горизонтальной плоскости. В нашем случае, при размерах области эксперимента 3,5*9 м, целесообразно разбить ее на сектора по 0,5*0,5 м. Полученные данные сведены в таблицу 4.

Таблица 4.Результаты влияния координат на показания датчика

Длинна, м. Ширина, м.	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж
1	13,8	20,5	30,6	59,3	30,6	20,5	13,8
2	16,8	21,8	34,9	63,8	34,9	21,8	16,8
3	18,2	19,8	26,2	45,0	26,2	19,8	18,2
4	22,3	24,1	22,9	29,9	22,9	24,1	22,3
5	34,4	36,6	31,8	27,9	31,8	36,6	34,4
6	46,7	56,5	52,8	33,8	52,8	56,5	46,7
7	34,4	35,6	31,8	27,9	31,8	35,6	34,4
8	22,3	24,1	22,9	29,9	22,9	24,1	22,3
9	18,2	19,8	26,2	45,0	26,2	19,8	18,2
10	16,8	21,8	34,9	63,8	34,9	21,8	16,8
11	13,8	20,4	30,6	59,3	30,6	20,4	13,8

По результатам эксперимента видно, что оптимальной зоной размещения датчика на горизонтальной плоскости является зона Г6, что подтверждается теорией которая рассмотрена во второй главе. В данной зоне датчик освещенности будет отвечать за четыре ближайшие лампы.

В четвертой главе «Экономическая оценка результатов испытаний», произведен расчет экономической эффективности применения АРМ. Использование АРМ позволило повысить производственные показатели на 1-2%, энергетические затраты снизились на 3-4%, сократить расчетных трудозатрат на обоснование рационального варианта ЭТС в 20-30 раз. Чистый дисконтированный доход составил от 102985 до 291435 рублей. Срок окупаемости составляет от 1,83 до 0,92 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Электротехнические службы (ЭТС) на птицефабриках ещё не обеспечивают требуемых показателей безотказности и долговечности используемых электроустановок. Например, на птицефабриках электроприводы вентиляторов и электроосветительные установки выходят из строя на 20-30% чаще, чем предусмотрено нормативными документами. Это обусловлено большой долей устаревшего оборудования и несвоевременным профилактическим обслуживанием. Общеприняты восстановительные работы после отказа оборудования.

2. Современное развитие технологии птицефабрик идет по пути комплексной интеграции всех служб производства. ЭТС призвана не только поддерживать требуемую надежность электроустановок, но обеспечивать необходимый микроклимат, поение, кормление и управление многими энергоресурсами. Для успешного управления сложными и многочисленными потоками специальных и смежных ресурсов ЭТС должна перейти от бумажных носителей и ручного счёта к информационному управлению на основе АРМ.

3. Решение традиционных задач с помощью АРМ позволяет подробнее учесть действующие факторы, сократить трудозатраты, вести расчёт в режиме единого времени и осуществлять непрерывное управление не только исполнителями ЭТС, но и систематически корректировать форму и структуру, количество персонала, потребность в запасных частях и т.д. Разработанные математические модели и программное обеспечение функциональных задач позволяет в 20-30 раз сократить трудозатраты на управление ЭТС и реализовать текущий ремонт электрооборудования только в периоды технологических пауз основного производства.

4. Подробно изучено и доказано, что информационные технологии позволяют расширить функциональные возможности ЭТС и перейти к прогрессивному послеосмотровому обслуживанию, т.е. по состоянию электрооборудования. Для электроосветительного оборудования теоретически выявлена взаимосвязь между неисправностями ламп и общим освещением птичника. Диагностическими параметрами служат контролируемый уровень светового потока ламп и его продолжительность, измеряемый с помощью цифровых датчиков по одному на 4 лампы. Разработаны математическая модель и программное обеспечение для режимов опроса датчиков, передачи сигналов на диспетчерский пункт АРМ, их архивацию, а также своевременную замену отказавшего оборудования.

5. Для достоверной оценки состояния ламп установлены требования к размещению датчиков освещенности: высота - 0,5 м. от пола; расстояние по ширине - 1,3 м.; по длине - 1,75 м. Режимы опроса: а) - непрерывный; б) - дискретный с интервалом 1 ч. Разработано экспериментальное автоматизированное рабочее место инженера-энергетика для сельского хозяйства, позволяющее решать функциональные и диагностические задачи. Экспериментальные исследования проверки влияния расстояния на показания датчиков доказали, что кривые изменения уровня освещенности от высоты подвеса имеют схожие показания между датчиками освещенности ФД256 и люксметром Ю116. Проверка влияния координат размещения датчиков выявила оптимальную зону в размере 0,5*0,5 м., при высоте размещения 0,5 м. от пола, это значение совпадает с теоретическими расчётами. Испытания работоспособности системы показали, что она уверенно срабатывает при освещенности в контрольной точке ниже 32,9 лк.

6. Технико-экономическая оценка показала, что производственные показатели птичника улучшились на 1-2%, энергетические затраты на освещение снизились на 3-4%. Экономическая эффективность применения АРМ оценивается чистым дисконтированным доходом от 102985 до 291435 рублей. Срок окупаемости составляет от 1,83 до 0,92 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ АВТОРА

1. Мараев В.В. Основные требования к информационным системам в службе инженера-электрика / Мараев В.В. // Вавиловские чтения - 2004: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Саратов. СГАУ. 2004. с. 67-70. (0,14)

2. Мараев В.В. Контроль за технологическими параметрами на основе новых информационных технологий / Мараев В.В. // Вавиловские чтения - 2005: материалы конференции, посвященной 118-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. - Саратов. СГАУ. 2005. с. 48-51. (0,14)

3. Мараев В.В. Техническая эксплуатация электрооборудования по состоянию электрифицированных машин / Ерошенко Г.П., Мараев В.В., Тарасов С.Г. // Актуальные проблемы развития АПК: материалы международной научно-практической конференции. - Волгоград. ВСХА. 2005. с. 247-249. (0,09/0,03)

4. Мараев В.В. Энергосберегающий электрообогрев животных / Тарасов С.Г., Мараев В.В., Жексимбиев Н.С. // Высокие технологии энергосбережения, международная школа-конференция. - Воронеж. ВГТУ. 2005. с. 154-158.

5. Мараев В.В. Использование информационных технологий в эксплуатационной энергетической службе предприятия / Мараев В.В., Худяков Д.А. // Проблемы электроэнергетики: межвузовский научный сборник. - Саратов. СГТУ. 2005. с. 161-164. (0,14/0,1)

6. Мараев В.В. Энергосбережение при обогреве животных / Ерошенко Г.П., Мараев В.В., Тарасов С.Г. // Проблемы электроэнергетики: межвузовский научный сборник. - Саратов. СГТУ. 2005. с. 142-146. (0,18/0,06)

7. Мараев В.В. Информационные технологии на службе у сельскохозяйственных предприятий / Мараев В.В., Тарасов С.Г. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всероссийской конференции. - Камышин. Волгоградский ГТУ. 2005. с. 158-160. (0,09/0,05)

8. Мараев В.В. Совершенствование эксплуатации энергооборудования на основе использования информационных потоков / Ерошенко Г.П., Мараев В.В., Тарасов С.Г. // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора Рыбалко А.Г. - Саратов. СГАУ. 2006. с. 76-81. (0,23/0,09)

9. Мараев В.В. Автоматизированное рабочее место службы главного инженера-электрика / Мараев В.В., Ерошенко Г.П. // Проблемы электроэнергетики: межвузовский научный сборник. - Саратов. СГТУ. 2006. с. 154-157. (0,14/0,07)

10. Мараев В.В. Энергосбережение при использовании электрообогрева в животноводстве / Тарасов С.Г., Мараев В.В. // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - Саратов. СГАУ. 2006 - №5. с.56-59. (0,14/0,07)

11. Мараев В.В. Использование информационных технологий при эксплуатации энергооборудования. / Ерошенко Г.П., Мараев В.В. // Монография. Саратов. Наука. 2007. 139 с. (6,37/3,19)

Размещено на Allbest.ru

...