Разработка программного обеспечения для системы энергоэффективных мехатронных устройств с интеллектуальной системной управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка программного обеспечения для системы энергоэффективных мехатронных устройств с интеллектуальной системной управления

Иванов Максим Анатольевич кандидат технических наук заведующий кафедрой, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 323

Савельев Алексей Олегович кандидат технических наук ассистент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 205

Саклаков Василий Михайлович аспирант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634034, Россия, Томская область, г. Томск, ул. Советская, 84/3, оф. 201 

Аннотация

На сегодняшний при формировании энергетических ресурсов активно применяются технологии альтернативной энергетики. В работе рассматривается ее узкий сегмент - применение солнечных панелей. Ежегодно их количество, вводимое в эксплуатацию увеличивается на 25-35%. Авторский коллектив предлагает собственное решение в данной области, обеспечивающее управление солнечными панелями в режиме реального времени, автоматический контроль и анализ их производительности. Ранее уже была разработана аппаратная часть прототипа. В настоящей работе описываются методы и алгоритмы работы его программной части. В качестве метода исследования при разработке программного обеспечения использовался Метод анализа иерархий (МАИ, метод Саати). Научная новизна исследования состоит в программной реализации методов и алгоритмов работы комплекса мехатронных устройств, разделенного на два модуля - сервисное программное обеспечение и программное обеспечение блока управления. Данная реализация позволила осуществить полную наладку системы обеспечения автоматизированного сбора и накопления информации по заданным параметрам работы, визуализацию данных параметров накопителей и преобразователей солнечных батарей при работе в составе модуля солнечной электроэнергии даже при порче и потере данных или аварийных ситуациях.

Ключевые слова: Комплекс мехатронных устройств, Мехатроника, Электропривод, Солнечные панели, Солнечная энергетика, Интеллектуальные системы управления, Оптимизация систем управления, Базы данных, Радиоэлектроника, Программное обеспечение

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.

солнечный панель программный автоматический

Ivanov Maksim Anatolyevich

PhD in Technical Science

head of the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University

634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 323

ivanovma@tpu.ru

Savelyev Aleksei Olegovich

PhD in Technical Science

assistant at the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University

634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 205

sava@tpu.ru

Saklakov Vasiliy Mihaylovich

post-graduate student of the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University

634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 201

romanov_ky@mail.ru

Abstract

Today alternative energy technologies are a well-established practice in the development of energy resources. The present article is devoted to a narrow aspect thereof, implementation of solar panels. Every year the number of solar panels put into commission increases by 25 - 35 %. The authors of the article offer their own solution in this sphere that allows to manage solar panels in real-time mode and provide for their automatic checkout and productivity analysis. Previous articles of the authors describe the development of the prototype hardware and the present article describes software methods and algorithms. The research method used by the authors to develop software is The Analytic Hierarchy Process (AHP or Saaty Method). The scientific novelty of the research is caused by the fact that the authors develop the software for implementing methods and algorithms of mechatronic devices complex divided into two modules, service software and software support of the control module. Implementation of this software has allowed to complete the alignment of automated collection and accumulation of information based on set working parameters, visualisation of these parameters of solar battery accumulators and transformers working as part of the solar electroenergy module even when data is lost or damaged or when emergency occurs.

Keywords:

Optimization of control systems, Intelligent control systems, Solar power engineering, Solar panels, electric drive, Mechatronics, Mechatronic devices complex, Database, Radio electronics, Software

Применение технологий альтернативной энергетики во всем мире считается перспективным [1]. Очевидные присущие традиционной энергетике недостатки - устаревающее оборудование, отрицательное влияние на экологию, большие затраты и пр. сместили фокус внимания государств и бизнеса к развитию технологий добычи энергии из возобновляемых источников [2]. К данным источникам относятся солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов [3]. Каждое из данных направлений развития энергетики имеет свои сильные и слабые стороны. Солнечная энергетика характеризуется неисчерпаемостью ресурса и отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Основным недостатком является зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритмов. Количество вводимых в эксплуатацию установок во всем мире увеличивается с каждым годом на 25-35 %, особенно в европейских странах [4]. В России использование солнечной энергетики также является перспективным, поскольку показатели среднегодовых поступлений солнечной энергии на ряд областей страны выше, чем в Германии, Италии, Испании (лидерах по объему установленных солнечных мощностей) [1].

Целью настоящей работы является разработка программного обеспечения, обеспечивающего интеллектуальное управление комплексом мехатронных устройств (КМУ). Данный комплекс, в свою очередь, используется преимущественно в альтернативной энергетике. Прежде всего он обеспечивает управление солнечными панелями в режиме реального времени, автоматический контроль и анализ их производительности. Одним из главных предъявляемых к нему требований является энергоэффективность - он должен вырабатывать значимо большее количество электроэнергии, чем потребляет сам.

Имеются и иные сферы применения, например, электроэнергетика, промышленные средства связи. Он функционирует как электропривод в ряде инженерных систем:

В системах слежения, наведения и управления положением антенных устройств широкого спектра назначения;

Интеллектуальных приводов роботов и манипуляторов.

В предыдущих работах описывались преимущественно разработка аппаратной части системы мехатронных устройств [5-6]. В настоящей работе речь пойдет о разработке программной части данной системы.

Основная часть

Программное обеспечение (ПО) включает в себя две основные части: (1) ПО блока управления (ПО БУ)и (2) Сервисное ПО (СПО). Опишем алгоритм работы данных модулей. Общая схема работы ПО представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема работы программного обеспечения комплексом мехатронных устройств

Программное обеспечение блока управления

ПО блока управления электроприводом предназначено для организации совместных вычислений контроллерами вентильных двигателей. С его помощью реализуется алгоритм управления и слежения за объектом слежения, мониторинга и индикации их состояния. Данное ПО также поддерживает протокол Modbus RTU при обмене данными с СПО по цифровому интерфейсу. Программный код ПО загружается в память контроллера электропривода на этапе настройки работы комплекса мехатронных устройств. ПО БУ выполняет следующий набор функций:

Управление мехатронными модулем (ММ) . Включает в себя (а) анализ текущего положения ММ, (б) его параметров, (в) управление движением по заданному алгоритму, (г) обеспечение работы КМУ без сервисного программного обеспечения (СПО), (д) настройка параметров и их мониторинг.

Журнал событий .

База данных координат . Обеспечивает хранение в энергонезависимой памяти таблицы небесных координат солнца не менее чем за 5 лет.

Корректировка часов . Обеспечивает корректировку часов реального времени по командам от СПО.

Функции управляющей программы ПО БУ реализуются следующими процедурами программы:

1. Инициализация значений переменных (только в первом цикле программы).

2. Проверка на достоверность кода входного сигнала датчиков абсолютного положения. Масштабирование значений параметров, представленных аналоговыми сигналами.

3. Контроль значений параметров, представленных аналоговыми и дискретными сигналами.

4. Формирование признаков - результатов вычисления функций, необходимых для реализации автоматического управления положением панелей модуля солнечной электроэнергии (МСЭ).

5. Выполнение логики управляющей программы (основная функция - формирование команд управления приводами азимута и места).

6. Контроль состояния и управление КМУ.

7. Процедуры поддержки обмена данными с СПО по RS-485. Основная функция этой процедуры - формирование выходного буфера обмена для передачи по RS 485.

Сервисное программное обеспечение

Данный модуль предназначен для графического отображения данных, сформированных ПО БУ в доступном пользователю режиме. СПО функционально состоит из следующих модулей:

1. Модуль автоматизированного сбора и накопления. Предназначен для сбора и накопления информации по наблюдаемым параметрам в автоматизированном режиме. Источником данных при этом является программное обеспечение блока управления.

2. Модуль визуализации. Предназначен для:

вывода информации об ошибках в работе составных частей КМУ и рекомендации по их устранению;

единовременного вывода информации о параметрах работы до четырех накопителей и преобразователей, при работе КМУ;

визуализации журнала событий.

3. Модуль управления включением/выключением КМУ. Предназначен для передачи пользовательских команд ПО БУ для включения КМУ или их отключения.

4. Модуль настройки. Предназначен для настройки параметров работы СПО, в том числе настройки «горячих» клавиш для наиболее часто используемых операций.

5. Модуль обновления ПО БУ и часов реального времени. Предназначен для передачи ПО БУ файла с обновлением и (или) новых значений часов реального времени. Источником данных при этом является информация, предоставляемая пользователем посредством соответствующих интерфейсов загрузки файла с обновлением и (или) настройкой значений часов реального времени.

Основой задачей СПО, как уже было сказано выше, является визуализация как данных получаемых непосредственно с устройств, так и данных о самих устройствах. На рисунке 2 представлен пример экрана дерева устройств, он содержит следующую информацию:

список подключенных устройств;

информация о координатах устройств;

уровень доступа пользователя к текущему устройству;

уровень заряда МСЭ;

уровень заряда МСЭ за определенный промежуток времени.

Рисунок 2 - Экран дерева устройств

Концептуальная и логическая модели базы данных СПО

К основным этапам проектирования баз данных относятся этапы концептуального (инфологического) и логического (даталогического) проектирования. При концептуальном проектировании формируется модель наиболее высокого уровня абстракции, безотносительного конкретных систем управления базами данных. Концептуальная модель данных включает в себя описание информационных объектов предметной области и связей между ними. На рисунке 3 представлена разработанная концептуальная схема данных сервисного программного обеспечения комплекса мехатронных устройств.

Были выделены следующие основные сущности (информационные объекты):

Устройство - сущность, описывающая основные характеристики наблюдаемого устройства.

Тип устройства - сущность-классификатор, характеризующая типы наблюдаемых устройств (КМУ, МСЭ, солнечная панель).

Параметр (наблюдаемый параметр) - сущность, описывающая наблюдаемые параметры устройств.

Параметры устройства - сущность, содержащая информацию о значениях наблюдаемых параметров различных устройств с привязкой ко времени.

Рисунок 3 - Концептуальная схема данных СПО

Логическое проектирование подразумевает разработку схемы данных на основе конкретной модели данных. На этапе логического проектирования учитывается специфика конкретной модели данных, но может не учитываться специфика конкретной СУБД. Логическая схема данных СПО представлена на рисунке 4. Описание атрибутов сущностей схемы данных приведено в таблице 1.

Рисунок 4 - Логическая схема данных СПО

Таблица 1 - Характеристика атрибутов сущностей базы данных СПО

Разработанная система позволит пользователю:

1. Удаленно контролировать производительность работы солнечных панелей в режиме реального времени.

2. Увеличить производительность солнечных батарей за счет контроля вращения и высоты расположения панелей.

3. Контролировать важные параметры работы солнечных панелей и осуществлять анализ их производительности с помощью диаграмм и графиков.

4. Авторизованный пользователь может выключать, приостанавливать и возобновлять работу солнечных панелей по заданному времени.

5. Система в автоматическом режиме формирует журналы событий с целью определения причин сбоя в работе солнечных панелей.

Вывод

Результаты разработки программного обеспечения блока управления и сервисного программного обеспечения легли в основу прототипа будущей системы энергоэффективных электроприводов, обеспечивающих функционирование солнечных панелей. Построена схема базы данных для хранения информации об их работе. Разработан графический интерфейс 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.

Библиография

1. Баланчевадзе В.И. Энергетика сегодня и завтра / В.И. Баланчевадзе, А.И. Барановский. М.: Энергоатомиздат, 2008. 344 с.

2. Багутдинов Р.А. Результаты исследований использования многомерного подхода при моделировании процессов в полевых транзисторах [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. 2015 № 10. C. 1-3. - Режим доступа: web.snauka.ru/issues/2015/10/57975

3. Нетрадиционные источники энергии. М.: Знание, 2003. 120 с.

4. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г. / пер. с англ. под ред. Ю.Н. Старшикова. М.: Энергия, 2005. 256 с.

5. Багутдинов Р.А., Завьялов Д.А., Иванов М.А., Соколова В.В. Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств // Кибернетика и программирование. 2016. № 5. С. 24-32.

6. Nalamvar H. S. Automated Intelligent Monitoring and the Controlling Software System for Solar Panels / H. S. Nalamvar, M. A. Ivanov, S. A. Baydali // Journal of Physics: Conference Series. -- 2017. -- Vol. 803: Information Technologies in Business and Industry (ITBI2016): International Conference, 21-26 September 2016, Tomsk, Russian Federation: [proceedings]. -- [012107, 5 p.].

7. Абрамешин А.Е. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения: научное издание / А.Е. Абрамешин, В.В. Ж аднов, С.Н. Полесский; отв. ред. В.В. Ж аднов. Екатеринбург: Изд-во ООО "Форт Диалог-Исеть". 2012. 565 с.

8. Гасникова А.А. Роль традиционной и альтернативной энергетики в регионах Севера // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. 2013. № 5(29) С. 77-88.

9. Мартюкова Е.С. О внедрении процесса автоматизации тестирования в различных методологиях разработки программного обеспечения // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2015. № 18. С. 462-465.

10. Мартинов Г.М., Мартинова Л.И., Григорьев А.С. Специфика разработки программного обеспечения для систем управления технологическим оборудованием в реальном времени // T-Comm. 2009. № S2. С. 121-124.

11. Мусатов В. К. Анализ тенденций развития рекомендаций МСЭ-Т по информационной безопасности // T-Comm. 2013. № 7. С. 93-96

12. Саати Т.Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1989. 316 с.

13. Слива М.В. Прототипирование графического интерфейса пользователя как неотъемлемая часть процесса разработки программного обеспечения // Вестник НВГУ. 2013. № 1. С. 74-76

14. Денисенко В.А., Нагоев З.В., Нагоева О.В. Проектирование компьютерной системы на основе рекурсивной когнитивной архитектуры для задачи синтеза интеллектуального поведения агента // Программные системы и вычислительные методы. 2013. № 3. C. 264-267. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.9138.

15. Требухин А.Г. Интеллектуальная система проектирования схем автоматизации // Программные системы и вычислительные методы. 2012. № 1. C. 43-52.

16. Голицына О.Л. Основы проектирования баз данных / О.Л. Голицына. М.: Форум, 2012. 415 с.

17. Багутдинов Р.А. Задача моделирования оптического потока на основе динамики движения частиц // Кибернетика и программирование. 2016. № 5. С. 10-15. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18981.URL: http: //enotabene.ru/kp/article_18981.html

Размещено на Allbest.ru