Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование и разработка масштабируемой системы энергоэффективных мехатронных устройств

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

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

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

Основными компонентами системы являются:

1. Модуль солнечной энергетики - МСЭ (SEM).

2. Мехатронный модуль - ММ (SPM).

3. Накопитель (Accumulator).

4. Преобразователь (Converter).

5. Масштабируемая система энергоэффективных мехатронных устройств - МСЭМУ (SEMD).

6. Блок управления - БУ (Management block).

7. Программное обеспечение блока управления - ПО БУ (Remote controller).

8. Блок питания (Power cabinet).

9. Аппаратура для сервисного обслуживания и комплексной настройки (Hardware for service).

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

Структура модуля SEM представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура модуля солнечной энергетики (SEM)

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

Рисунок 2. Структура системы энергоэффективных мехатронных устройств

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

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

Таблица 1. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭМУ

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

Таблица 2. Подсистема взаимодействия с БУ МСЭ

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

Рисунок 3. Экранный интерфейс модуля солнечной энергетики

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

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

Таким образом:

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

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

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

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

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

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

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

Библиография

мехатронный управление солнечный панель

1. Абрамешин А.Е. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения: научное издание / А.Е. Абрамешин, В.В. Жаднов, С.Н. Полесский; отв. ред. В.В. Жаднов. Екатеринбург: Изд-во ООО «Форт Диалог-Исеть». 2012. 565 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: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/57975.

3. 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

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

5. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра / П.П. Безруких // Электрические станции. 2005. №2. С. 15-19.

6. Бирюков Н.Л., Триска Н.Р., Худынцев Н.Н. Обзор направлений исследований МСЭ в области частотно-временного обеспечения современных сетей связи // T-Comm. 2014. №2 С. 12-17.

7. Бутузов К.А. Порядок передачи программных средств и организация сопровождения программного обеспечения // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2004. №1 С. 104-108.

8. Вертакова Ю.В. Управленческие решения, разработка и выбор. М.: КНОРУС, 2005. 352 с.

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

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

11. Жаднов В.В. Информационные технологии в прогнозировании надежности электронных устройств / В.В. Жаднов // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2012. №1. С. 20-25.

12. Завьялов Д.А., Захарова А.А. Создание экспертной системы для комплексной оценки рисков разработки месторождений углеводородов // Кибернетика и программирование. 2016. №5. С. 1-9. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.5.18987. URL: http://e-notabene.ru/kp/article_18987.html

13. Зефиров С.Л., Колобанов А.Ю. Методы безопасной разработки программного обеспечения // НиКа. 2009. С. 188-191.

14. Ишкина Е.Г., Щербинина О.В. Архитектура адаптивного сервисно-ориентированного промежуточного программного обеспечения // Известия ВолгГТУ. 2010. №9. С. 142-145.

15. Коробкин В.В. Оценка безопасности программного обеспечения управляющих систем мехатронных комплексов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2008. №11. С. 213-219.

16. Логвинова К.В. Современные технологии и средства разработки программного обеспечения // Бизнес-информатика. 2007. №2. С. 45-53.

17. 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.

18. 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.

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

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

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

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

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

24. 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.

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

Размещено на Allbest.ru