автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Измерительно-вычислительные комплексы контроля энергопотребления и предупреждения аварийных ситуаций на промышленных предприятиях (энергоемких производств)

:УС

На правах рукописи

Михаль Петр Николаевич

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ (ЭНЕРГОЕМКИХ ПРОИЗВОДСТВ)

Специальность 05 11 16 - Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003058997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор В В Алексеев

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г А кандидат технических наук, доцент Коршунов И Л

Ведущая организация — Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электроэнергетики» (ВНИИЭ) г Москва

Защита диссертации состоится « ¿3 » лая 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212 238 06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « {3 » Л1йЗ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев 3 М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Внедрение измерительно-вычислительных комплексов контроля и управления энергопотреблением дает большой экономический эффект для различных энергоемких производств Поэтому наблюдается постоянно возрастающая потребность на разработку и изготовление таких комплексов для различных типов производств Однако, создание комплексов связано с необходимостью решения ряда проблем технического, алгоритмического и экономического плана

Многообразие производств и их схем потребления различных типов энергии, большое разнообразие принципов контроля и средств измерений значений потребления энергоносителей (электроэнергия, тепло, холодная и горячая вода, пар, газ и др) определяют сложность создания измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления (ИВК КЭ) Такие комплексы должны решать задачи измерений на уровне энергоемких установок - компактные измерительные системы (ИС), технологических процессов - локальные ИС, производств - распределенные ИС

Задача энергосбережения связана с анализом нештатных ситуаций потребления энергии, анализом предаварийных и аварийных ситуаций с целью их предупреждения и предотвращения Это требует проведения анализа метрологических характеристик контролируемых сигналов, разработки алгоритмов контрольных измерений, обеспечивающих надежную идентификацию перечисленных ситуаций

Перечисленные факты обуславливают актуальность настоящей работы Поставленная задача требует систематизации метрологических знаний, и формализации постановки задания на проектирование с учетом требований к измерению контролируемых сигналов, возможностей средств измерений и выбранного критерия эффективности (требований заказчика)

Работа посвящена решению задачи проектирования измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления, на основе функционально законченных средств измерений, выполняющих статические и динамические измерения, а также разработке алгоритмического и программного обеспечения идентификации и предупреждения аварийных ситуаций, учета режимов потребления с целью их анализа и оптимизации

Объектом исследования являются измерительно-вычислительные комплексы контроля энергопотребления и предупреждения аварийных ситуаций

Предметом исследования является принципы проектирования измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления и разработка их алгоритмического и программного обеспечения

Целью работы является разработка методики проектирования ИВК КЭ, разработка алгоритмов идентификации и предупреждения аварийных ситуаций, определение структуры программного обеспечения, обеспечивающего учет режимов потребления с целью их анализа и оптимизации

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи

1 Проводится анализ характеристик контролируемых величин различных носителей энергии в нормальном, предаварийном и аварийном режимах, принципов их измерения, метрологический анализ с целью определения требований к используемым средствам измерений и определения признаков идентификации

2 Разрабатываются алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью

3 Проводится анализ принципов построения измерительных систем, предлагается показатель эффективности организации интерфейса, как элемента системы,

определяющего организацию компактных, локальных и распределенных измерительных систем (ИС)

4 Разрабатываются алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов идентификации, заданных критериев эффективности, при работе ИС в нормальном и аварийном режимах

5 На основе разработанных алгоритмов предлагается методика проектирования ИВК КЭ, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие контроль носителей энергии, анализ и учет энергопотребления, дающие возможность оптимизировать потребление всех носителей энергии

Методы исследования базируются на методах прикладной статистики, теории исследования операций, общей теории оптимизационных задач, алгоритмической теории измерений и методов расчета погрешностей, а также на накопленном I настоящему времени опыте и результатах в области проектирования измерительных систем

Новые научные результаты, полученные автором.

1 Разработаны алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью

2 Предложен показатель эффективности организации интерфейса, позволяющий решить задачу выбора интерфейса при построении компактных и локальных ИС

3 Предложен показатель числа степеней свободы измеряемого сигнала, который лег в основу разработанного алгоритма составления расписания работы компактных и локальных ИС при работе в нормальном и аварийном режимах

4 Разработана методика проектирования ИВК КЭ, позволяющая создавать оптимальные относительно заданного критерия эффективности ИС, обеспечивающие контроль носителей энергии, анализ и учет энергопотребления

Практическая ценность работы заключается в том, что

1 Разработанные алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации позволяют своевременно определить необходимость проведения профилактических работ, или экстренного отключения дорогостоящего оборудования, предупреждая аварии и экстремальные ситуации энергопотребления

2 Разработанные алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС дают возможность создавать ИВК КЭ, максимально учитывающие специфику производства, обеспечивающие заданную надежность при минимальных экономических затратах

3 Разработанная методика проектирования ИВК КЭ нашла применение при создании ИВК «Спрут», внедренного на ряде промышленных предприятий

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Алгоритмы идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью

2 Показатель эффективности организации интерфейса, как элемента системы определяющего ее архитектуру и требования к организации компактных, локальных ИС

3 Алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов идентификации, заданных критериев эффективности, при работе ИС в нормальном и аварийном режимах

4 Методика проектирования ИВК КЭ, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие эффективный контроль носителей энергии, анализ и учет энергопотребления

Внедрение результатов работы Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина), ЗАО «Орбита времени», ООО «Инженерный центр «ЭНЕРГОАУДИТКОНТРОЛЬ»

Полученные в работе результаты использовались при создании ИВК «Спрут», внедренного на ряде промышленных предприятий ОАО «Машиностроительный завод», филиал ОАО «Силовые машины» «ЛМЗ», ООО «МИГис», ЗАО «Яровит Моторс», ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика», ОАО «ЛОМО» в Санкт-Петербурге, МУП ПТП Городское Хозяйство в г Электросталь

Апробация результатов работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2006 (Новосибирск, сентябрь 2006 г ), IX Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям 8СМ-2006 (Санкт-Петербург, июль 2006 г), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза ноябрь 2006 г) и Научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2006 г), на выставках «Энергетика и Электротехника» (Санкт-Петербург, 1998 - 2006 гг), «Электро - 2002» г (Москва)

Публикации По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них - 5 статей (одна работа - из перечня изданий рекомендованных ВАК), 2 депонированных рукописи, 6 докладов на международных научно-технических конференциях и симпозиумах, материалы научно-технического семинара, авторское свидетельство

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и 3-х приложений Основная часть работы изложена на 144 страницах машинописного текста Работа содержит 28 рисунков и 8 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приводится общая характеристика работы, описаны выносимые на защиту положения, указана научная новизна и практическая ценность работы

В первой главе анализируется поставленная проблема, определяются задачи, которые необходимо решить

Показано, что для решения задачи оптимального построения структуры ИВК КЭ и ее алгоритмического обеспечения необходимо провести анализ существующих принципов построения и методов структурного проектирования ИС, анализ характеристик энергопотребления различных носителей, анализ задачи контроля и идентификации нештатных и предаварийных режимов потребления, предупреждения аварийных ситуаций

Сформулирована задача выбора оптимального состава средств измерения (СИ) и определения структуры ИВК КЭ

На основании анализа методов структурного проектирования, показано, что при создании ИВК КЭ для конкретного производства важными задачами являются выбор оптимального состава СИ на нижнем уровне, и выбор эффективной организации системы на верхних уровнях При этом могут быть использованы метод предварительного отсева и анализа вариантов, метод независимой последовательной оптимизации, метод полного перебора Показано, что важным для верхних уровней организации ИС является выбор интерфейса

Проведен анализ принципов организации интерфейсов на физическом и канальном уровнях Предложен показатель эффективности организации приборного интерфейса

У,Р = (СсгКлр 1исУ№ / 1шр), (1)

где Сс№ - стоимость узла связи интерфейса, С]р- удельная стоимость одного метра коммуникаций физического уровня, 1ис -расстояние между элементами ИС, - рабочая частота интерфейса, 1мр=ттц: - количество тактов обмена по интерфейсу, необходимое для получения одного результата данных контрольных измерений , т^ - число тактов цикла обмена по интерфейсу, т — число циклов Показатель учитывает организацию интерфейса на физическом и канальном уровнях, позволяет оценить эффективность его использования для конкретных условий, сделать выбор при построении ИС

Рассмотрен пример оценки эффективности некоторых интерфейсов Результаты приведены в табл 1

Таблица 1

Интерфейс Параметры

CciF C* 1ис fff(lO) flF(lOOO) ÍDIF VlF(IO) VlFdOOO)

CAN 900 30 10/1000 1000 50 58 70 35844

ProfiBus 900 30 10/- 1500 - 96 77 -

ModBus 900 30 10/1000 1000 50 73 88 45111

ASI 900 30 10/- 1000 - 48 58 -

Biffius 1800 60 10/- 5 - 57 23940 -

RadBus 900 30 10/1000 60 60 96 1920 49440

Из расчета видно, что для выбранных условий при построении локальной системы (1ис<10 м) наиболее эффективным из рассмотренных интерфейсов является ASI, а для распределенной (1ис< 1 ООО м) - CAN

Показано, что на этапе формирования ТЗ на построение ИВК КЭ должен быть проведен анализ всех контролируемых сигналов, определены требования к их измерениям, определены алгоритмы анализа результатов измерений и идентификации нарушения штатного потребления, предаварийных и аварийных режимов и их предупреждения В результате должны быть сформулированы требования к СИ и определен состав алгоритмического обеспечения ИС

Во второй главе проводится анализ контролируемых сигналов, характерных для задач контроля энергопотребления, дано определение штатного и нештатного режимов работы производства, проводится анализ методов контроля энергопотребления, рассмотрены структуры компактных ИС, обеспечивающие контроль указанных параметров Проводится метрологический анализ основных измерительных алгоритмов

Показано, что погрешность результата измерения получасовых мощностей потребления электроэнергии можно определить как Д№э,= | [{Ди I соб(ф) к}+{Д1 и соб(ф) к}+{ДсоБ(ф) и I к}+{Дк и I с05(ф)}]&30„ (Вт/ч),

130.

где учтены только основные составляющие погрешности Составляющими погрешности второго и третьего порядка малости можно пренебречь

Причем, стандартный канал для измерения мгновенных значений величины напряжения и тока имеет погрешности результатов измерения

Д1 = Г~{ЯМШт(Кроптах(КАЦп(Квп(Кип1(1^ДКип1)±АКвп)±ДКАЦп)±ДКроп)±АК«Шт}, где и" и Iй - идеальные (действующие) значения измеряемых величин, Кмцгг, Т1рот, Е-ацп, К-вп, Яипи, Яиш - измерительные процедуры масштабирования, обратного преобразования, аналого-цифрового преобразования, вторичный измерительный преобразователь измерительного преобразования напряжения, тока

В случае измерения количества потребляемого тепла анализ проводится для следующего алгоритма

= + V/;,, = т,(Ь| - ы - т2(Ь2 - Ьхв), АУз = т3(Ь3 - Ихв) - пъ,^ - Ы, где - масса носителя = (V) я Ц,2/4) г р(Т^ Р^= р(Т^ РД), V, - скорость теплоносителя, Ц, - диаметр трубопровода, I - время, р - плотность теплоносителя, Ь3 и

Ьхв - энтальпия теплоносителя на входе и выходе и энтальпия холодной воды (Ьу = Г(Т,, РД Ьхв= ^Тхв, Рх,))

Количество потребляемого тепла за 1 интервал времени определяется как

М^СкДО = ]Г (-1^) ^ (тс Ц,2/4)У,к р(Т,к, Р,к) (Г(Т,Ь Р^) -) *

"Е С"1^') I! (лО>)У;кр(Т^Р^)(Г(Тхвк,Рхвк)о=1АЗ,4 ] *

Погрешность измерения мгновенных значений потребления тепла будет

=\У\,к - X (-1^1)(тс(0±Д0)2/4)(Ул<±Д^с+8ау;)

1

р((Т^±ДТ^+8а^), (Р^±ДР^+ёоРда ((Т^ДТ^от,), (Р;к±ДР;С+8с^))) -1

(f ((ТХЕк±АТХЕС+даТм), (Рх«к±ДРхк+ба[>хв))) =

= (ДАУт,кс ± Цаштк.) - (ДWT1|(cxa ± £0\ут1кхв)

Отбросив составляющие погрешности второго и более порядка малости, определим погрешность результатов измерений потребления тепла за 1 интервал времени

А^/Т1= ]Г Д^пксга± Лтк + Е ^пкхв ]1/2 = Д^'^с ± ЦО\Ут1

к к к к

Погрешность результата потребления тепла за заданный период времени в этом случае будет

Д \УТ= Л\УТС ± раЖт= X Д\УТ1С±8[2] сДуЛ'^Ди^рсдат

/ I

Таким образом, погрешность результата измерений включает неисюпоченную и случайную составляющие Неисюпоченную составляющую погрешности можно учесть путем введения функций поправок Случайная составляющая погрешности (степень неопределенности) имеет сложную структуру, большое количество составляющих, на основании чего можно утверждать, что эта составляющая с большой достоверностью может быть аппроксимирована нормальным законом распределения

Измеряемые величины изменяются во времени и изменяются в определенных пределах

8,(1)=81СР(1)+Б,(1),

где 1 - номер контролируемого носителя энергии, 8,Ср(0 - среднее значение потребления, 5,(0 - допустимые отклонения потребления

Нарушение режима потребления может быть определено, если результат измерения превышает допустимое значение внерабочее время Б,« > ^,(1) + ™н,(1) = ^,тах(1), 1раб± Д1, в рабочее время 8,(0 > + = XV

нпах

На рис 1 приведен пример изменения значений потребления энергии в течение рабочей смены

Определение нарушения штатного режима работы, предаварийной и аварийной ситуаций связано с измерением и регистрацией рабочего и нерабочего времени, измерением и сравнением с допустимыми значениями показателя потребления энергии

На рис 2 приведен пример, иллюстрирующий связь свойства анализируемого сигнала, метрологических характеристик СИ (результатов контроля) с выбранными порогами принятия решений и вероятность определения предаварийной или аварийной ситуации

о

Рисунок 1 Пример изменения значений потребления энергии в течение рабочей

смены

На рисунке 8щ0П - Допустимое значение потребления, 8,авар - аварийное значение для потребления конкретного носителя, 8,прел - предельное значение, 1нс - время начала смены, ^с - время окончания смены

Рисунок 2 Плотности распределения вероятностей показателя потребления энергии - pwl и результатов контрольных измерений - ps, (кривые 1 - pi5, и 2 - p2S,)

В главе проводится анализ вероятности наступления аварийной ситуации, вероятность обнаружения аварийной ситуации при контроле, если в качестве порога

используется W,max, и Wnop, Показано, что для Wnopl вероятность обнаружения аварийной ситуации будет

Р2авар+ = p(s, > Smonf w > W,max) = J I p2s,(s/w) pwl(w) dw ds, (2)

S.™ "Wl

а вероятность необнаружения аварийной ситуации в этом случае будет

Ргавар- = p(S, < SwJ w > W,m„) = J J p2s,(s/w) pW](w) dw ds

о If,»».(')

Причем значение вероятности обнаружения значительно больше значения вероятности необнаружения р2аваР+ » Ргавар и определяется значением Wnopi, параметрами закона распределения плотности вероятностей погрешности результатов измерений ps,(s) - неопределенностью результатов измерений

Показано, что выбор порогового значения является важным моментом, он связан с определением минимального (оптимального) приращения потребления энергии, характерного для данного производства AW,, Wnop, = =W,max + AW, Назначив AW, и задав требуемую вероятность обнаружения аварийной ситуации (2), можно определить требования по точности к средствам контроля данного показателя потребления энергии — Ом

При этом возможна вероятность принятия ошибочных решений считать, что нарушение режима потребления имеет место, в то время как ei о не было, и наоборот, не обнаружить нарушение, когда оно есть

В первом случае вероятность принятия такого решения определяется условной вероятностью

« If,—О)

р' = p(S, > S,авар/ w < W,max) = J J pisi(s/w) p„,(w) dw ds, (3)

0

Во втором - вероятность необнаружения нарушения при его наличии

р" = p(S, < S,ÄOn / W > Wlmax) = Р2авар- (4)

Очевидно, что значение вероятностей зависят от законов распределения вероятностей результатов измерений ps](s) и случайной составляющей значений потребляемой энергии pw,(w) и определяется устанавливаемым значением AW,

На основании проведенного анализа разработаны алгоритмы идентификации нарушения штатного режима работы, предаварийного и аварийного режимов работы оборудования, которые на основании анализа характеристик контролируемых сигналов в рабочее t £ tpa6± A t и нерабочее t g tpa6+ Д t время, анализа свойств возможных аварийных ситуаций устанавливают пороговые значения для системы контроля, а также определяют требования к СИ на основании требований к вероятности обнаружения (2), и вероятностей появления ошибок первого (3) и второго (4) рода Для каждого алгоритма определяется свое решающее правило, обеспечивающее идентификацию соответствующей ситуации

- алгоритм АИ1 (алгоритм определения пороговых значений для идентификации нарушения штатного режима потребления и требований к средствам измерений системы контроля в рабочее время)

пороговые значения для системы контроля S,cP, S,aBaP, для идентификации фактов нарушения штатного потребления энергии S,(t) > W,(t) + w,(t)=

= W,max(t),tetpa6±At

- алгоритм AJI2 (алгоритм определения пороговых значений для идентификации нарушения штатного режима потребления и требований к средствам измерений системы контроля в нерабочее время)

~ пороговые значения для системы контроля S,cP, S^on, S,aBaP, для идентификации фактов нарушения штатного потребления энергии S,(t) > W",(t) + + wH,(t) = WHlmax(t), t <£ tpa6± Д t

- алгоритм АИЗ (алгоритм определения пороговых значений и идентификации предаварийного режима по значению среднесуточного потребления энергии) - пороговые

ЗНЭЧ6НИЯ ДЛЯ СИСТСМЫ КОНТрОЛЯ SICC, Sjccfli Siccn» для идентификации фактов предаварийного режима потребления энергии s)CC > SICCJ+ gos,Cc, Sice < W,ccn,tetpa6±At

- алгоритм АИ4 (алгоритм идентификации предаварийного и аварийного режимов работы установки по времени переходного процесса во время пуска) - пороговые значения для системы контроля ti, t2, kW,cc, для идентификации, если время выхода в нормальный режим работы установки меньше или равно ti, т е W1CC - kW1(;c < s,cc < WiCC + +kW,cc - режим работы нормальный, если время выхода в нормальный режим работы установки находится в интервале ti < t, < t2 - режим работы предаварийный, если время выхода в рабочий режим больше t2 - возникла аварийная ситуация, где ti - время установления нормального режима потребления, t2 - аварийное время

- алгоритм АИ5 (алгоритм идентификации предаварийного и аварийного режимов работы установки по значениям контролируемого параметра во время пуска) - пороговые значения для системы контроля Si0n = Wi0n + ASW) SaBap = =WaMp - ASW, для идентификации, если значение потребления энергии установкой не превышает SJ0r,; т е S, < Sjon - режим работы нормальный, если значение потребления энергии установкой находится в интервале S.on < S, < Samp - режим работы предаварийный, если значение потребления энергии установкой превышает аварийное, те S, > SaBap - возникла аварийная ситуация

В третьей главе рассматриваются вопросы структурного проектирования и формирования информационного обеспечения ИВК КЭ

На основании проведенного анализа разработан алгоритм получения оптимального состава ИС, который заключается в следующем

1 Формирование ТЗ на создание ИВК КЭ определение множества S={s,}, i=l,I,s,={mie}, e=l,0s, где S - множество сигналов s, , I - число контролируемых в соответствии с ТЗ физических величин и сигналов, со1в значение параметра, характеризующего о - ое свойство сигнала (ФВ),

- определение системы ограничений a>ejm><Beis о е ol,

fflejm ^ to0is е е е2, 1(5)

CDeim mm ^ C0ejs S ©eim max, О 6 вЗ, J

где (о - значение параметра характеристики измеряемого сигнала, о - номер параметра в списке параметров, индекс m - признак принадлежности параметра к вектору характеристик СИ, s - признак принадлежности к вектору характеристик измеряемого сигнала, el - множество индексов параметров, требующих выполнения условия "не меньше", е2 - множество индексов параметров, требующих выполнения условия "не больше", еЗ — множество индексов параметров, требующих выполнения интервального условия,

- определение требований к реализации системы

v[a>ej(m,j)] & П03, е е el, v[coej(m,j)] £ £26s о е е2, (6)

где С1вs- требования к реализации системы,

- задание показателя качества реализации системы - критерия эффективности

V[coeiJ(mg)]= «в foHeij(m,j) —» extr , где ccg - коэффициент важности о-ого

J'js »'в*

качества (Хае =1), юне1](ши) - нормированное значение е-ого параметра качества j-oro СИ, позволяющего измерить i-ый сигнал, е4 - множество индексов параметров, выбранных как показатели качества реализации системы (el П е2 П еЗ П е4 = 0)

2 Определение множества имеющихся СИ М = {mj}, j=l,J, mj = {cBejm}, e=l,0m, где J - число СИ в БД, 0m - число параметров, характеризующих СИ

3 Анализ СИ m, = {o),Jjm}, е=1,вт на удовлетворение требованиям Б,={ш,в}, е=1,в5 в соответствии с алгоритмами (5) и формирование множества возможных

реализаций, в которое входят СИ, удовлетворяющие требованиям - M = GEL (M, S), где

вив 2

вевЗ

GEL функция проверки ограничений

Если не все сигналы могут быть измерены, необходимо откорректировать ТЗ -перейти к п 1

4 Анализ выбранных СИ на соответствие требованиям к реализации системы

(6), формирование множества поиска оптимального решения - M = GELE (M, S), где

i

веб 2

GELE функция проверки ограничений Если не все ограничения могут быть выполнены, необходимо откорректировать ТЗ - перейти к п 1

5 Реализация алгоритма упорядочивание множества СИ в порядке неувеличения значений критерия эффективности (в случае минимизации функции V -J'VmmÇM ={m,j}, где 4-Vmln - оператор упорядочивания множества элементов M в порядке неуменьшения значений критерия эффективности), выбор СИ в состав ИВК КЭ, удовлетворяющих требованиям на измерение заданного сигнала до тех пор, пока все сигналы не будут измерены - Ms = {(J mJS = Pj, m4 (V{m,j}=min)}, pJl - коэффициент

Kl

выбора j-ого СИ к реализации из множества средств измерений M , позволяющих измерить 1-ый сигнал (Pj, = 1, если СИ выбрано, pj, = 0 в противном случае)

Таким образом, результатом решения является состав приборов ИВК КЭ, обеспечивающих все требования контрольных измерений для заданного производства

На основании анализа возможных структур ИК и требований к измерениям сигналов выделены признаки, определяющие жесткость требований, накладываемых на организацию измерений этих сигналов признак привязки во времени - т (т, = 0, если привязка отсутствует, т, = 1, если привязка есть), признак многократных измерений с заданным интервалом дискретизации - (Чд, = 1, если необходимо проводить одно измерение за время T„, tai = Т„ /А1Л1, если необходимо проводить многократные измерения сигнала через заданный интервал дискретизации AU), признак необходимости применения источника образцового сигнала (воздействия) - т0 (пь, = 0, если необходимости нет, m<„ = 1, если необходимость есть)

Выделенные признаки позволяют измеряемые сигналы представить в виде классов (групп сигналов), определяемых функцией от признаков s,(t,, m01), в виде множеств SI = {s,(0, 1, 0)}, S2 = {s,(0, 1, 1)}, S3 = {s,(0, t„, 0)}, S4 = {s,(0, t№ 1), S5 = { s,(l, 1, 0)}, S6 = {s,(l, 1,1)}, S7 = {s,(l, ta, 0)}, S8 = {s,(l, tm, 1)} Для каждого сигнала введено понятие показателя числа степеней свободы v, = (l-2'inv+2)) со 'р„ (7),

где nv = E[(log2tjOTiax)+l] - максимальное число измерений за Ти, Е[ ] - целая часть, сор, = т, 2 1 + tm2~(nv+1> + m0, 2"(nv+2) - показатель жесткости

Предложенный показатель положен в основу алгоритма составления расписания работы ИС

Алгоритм составления расписания

1 Исходные данные множество сигналов S={s,}, i=l,Ik, множество СИ Ms, временной интервал Ти, за который должны быть измерены все сигналы, Т„ < ^ tB1tmjs, -

ielk

требование (целевая функция), - количество измерений i-ого сигнала за T„, tmjs, - время измерения i-ого сигнала выбранным j-ым СИ, Ik - множество сигналов, распределяемых на входы СИ в процессе реализации данного алгоритма

2 Анализ характеристик сигналов, вычисление показателя числа степеней свободы сигналов (7), и упорядочивание их по неубыванию v, - Sp = 4-v,mm(S={sl}, i=l,I), где vlmln - оператор упорядочивания множества элементов S в порядке неубывания значений показателя числа степеней свободы

3 Распределение сигналов, требующих временной привязки - принадлежащих к м тожествам S8, S7, S6, S5 Сигналы рассматриваются по мере возрастания v, Для

каждого СИ проверяется условие Т^ 2 tjuWi, где - время работы j-oro СИ,

измеряющего i-ый сигнал, и возможность измерения в требуемый момент времени t, Если условие выполняется, сигнал назначается на выбранный канал системы Если 5'словие не выполняется, или сигнал не может быть распределен из-за отсутствия свободных каналов, в множество Ms должна быть введена коррекция - добавлено СИ После чего рассматриваемый сигнал назначается на соответствующий канал

4 Распределение сигналов, требующих временной привязки - принадлежащих к mi- ожествам S4, S3, S2, S1 Реализуется та же последовательность действий, что и в п 3

Если сигнал не распределяется, необходимо пересмотреть ТЗ

5 Формирование таблиц расписания и таблиц результатов измерений

Таким образом, в результате работы выполнено распределение сигналов по входам СИ системы, обеспечивающее измерение всех сигналов за время Ти, произведена коррекция состава СИ в системе, составлены таблицы расписания работы всех СИ системы, определена структура БД результатов измерений

Далее в главе рассматриваются вопросы выбора архитектуры ИВК КЭ Используя покгватель эффективности организации интерфейса (1) для конкретных условий реализации ИС, производится выбор приборных и сетевых интерфейсов на уровнях КИС, ЛИС, РИС

При этом формируется множество вариантов структурной организации КИС IFk = = {IFkM U IFltMpil U U IFlwpic}, где IF|c„pc = { U IF.ntM(fD,nf > hsù, U IF'ntp(fD,nf > Xfcs.)},

uit eINT Ult

с = 1, С, С - число сочетаний групп сигналов измеряемых КИС s, е Sk Оценивается интс нсивность передачи данных k-ой КИС на верхний уровень - А* = Ок(/Ги (байт/сек)

Для ЛИС определяется множество возможных интерфейсов, обеспечивающих

передачу данных с суммарной интенсивностью Xsi = Du«, /Ти = ^ It (байт/сек), где Diko =

к/ЕЮ

= ^ X 1ДЬ где / - номер ЛИС в системе, Kl - множество КИС подключенных к /-ой ЛИС,

кчК nlk

в ре.шьном времени

IF,„ = { U IFml(fDinf>Xs,)},

Me/NT

где /NT- множество интерфейсов, имеющихся в распоряжении проектировщика

В результате предложена обобщенная методика создания ИВК КЭ, которая включает следующие этапы

I Формирование ТЗ на создание ИВК КЭ

Определение множества S={s,}, i=l,I При этом для каждого сигнала s,ES, если сигнал характеризует состояние процесса потребления энергии (нарушение штатного режима потребления энергии, предаварийный и аварийный режим работы), осуществляется назначение алгоритмов идентификации АИ1, АИ2, АИЗ, АИ4, АИ5, для его гщализа, определение требований к его измерениям точность - As,, шаг дискретизации - Д1Я В результате формируется вектор параметров для каждого сигнала множества

S={:,={fflies},e=l,es}

Определение требований к реализации системы v[co9J(m,j)] > iî6s е е el, v[cûej(m,j)] < iîos , е е о2

Задание критерия эффективности У[щву(ти)] —> extr

II Определение состава СИ ИВК КЭ

Рисунок 3 Алгоритм получения оптимального состава СИ ИВК КЭ

III Составления расписания работы ИС

Рисунок 4 Алгоритм составления расписания

IV. Определение структуры ИВК КЭ

1 Исходные данные множество сигналов 8={8,}, 1=1,1, множества сигналов Бк, для

каждой КИС, таблицы распределения сигналов по ИК, таблицы расписания работы СИ

2 Определение структуры КИС

- определение интенсивности получения данных ^к для всех КИС,

- анализ возможных вариантов структурной организации КИС Щс= (Шы 1) №к«р.1 У Шк„р,2 1) II 1Ркмр,с},

- оценка эффективности применения интерфейсов Уц:,

- окончательный выбор структуры КИС

3 Определение структуры ЛИС

- определение интенсивности получения данных Хл от КИС,

- анализ возможных вариантов структурной организации ЛИС

щ = {щм и щмр11 и щмр,2 и и Щ„,,с},

- оценка эффективности применения интерфейсов У[Р, - окончательный выбор структуры ЛИС

4 Определение структуры РИС

- определение интенсивности получения данных А«, от ЛИС,

- анализ интерфейсов, формирование множества вариантов структурной организации РИС,

- оценка эффективности применения интерфейсов У^,

- окончательный выбор структуры ЛИС

В результате работы алгоритма определена структура нижнего уровня ИВК КЭ -КИС, обеспечивающих измерение всех сигналов за время Т„, выбраны интерфейсы для реализации ЛИС и РИС, обеспечивающие сбор информации в реальном времени Причем, среднее ожидание заявок на обмен не превышает Т„/2

V. Определение состава алгоритмического и программного обеспечения

Алгоритмическое и программное обеспечение ИВК КЭ включает алгоритмы контроля и идентификации внештатного потребления энергии, предаварийного и аварийного режимов работы оборудования ЛИ1, АИ2, АИЗ, АИ4, АИ5, программное обеспечение и базы данных Для реализации программного обеспечения и баз данных могут быть использованы стандартные средства Поэтому в диссертационной работе этим вопросам уделяется минимальное внимание

1 Исходные данные

- множество сигналов 8={б,}, 1=1,1,

- таблицы распределения сигналов по ИК,

- таблицы расписания работы СИ,

- таблицы результатов контроля,

- алгоритмы обработки сигналов,

- алгоритмы идентификации,

- структура ИВК КЭ

2 Определение состава алгоритмического обеспечения - реализация алгоритмов, надежного получения информации, анализа данных контрольных измерений, идентификации предаварийных и аварийных ситуаций, предупреждения о нарушениях режимов потребления энергии, принятия решений в случае аварийных ситуаций и др

3 Определение состава программного обеспечения - выбор ПО управления системой на всех уровнях измерениями, передачей данных и переходом в аварийный режим работы, экономическими расчетами, формированием отчетной документации, предоставлением текущей информации в реальном времени и др

4 Определение структуры БД - выбор системы управления БД, обеспечивающей удобное хранение данных, их архивирование, возможность анализа результатов контроля за любой период времени от любого СИ системы, реализацию алгоритмов анализа и предоставление результатов анализа в удобном виде

В результате выполнения указанной последовательности действий осуществляется разр аботка и выбор состава алгоритмического и программного обеспечения, структуры базн данных контроля, обеспечивающей эффективное их хранение и возможность проведения анализа ситуаций, связанных с нарушением правил энергопотребления и аварийными ситуациями

VI. Реализация ИВК КЭ

В результате выполнения пунктов настоящей методики осуществляется выбор оптимального состава СИ, обеспечивающих измерение всех, перечисленных в ТЗ сигналов, определяется окончательный состав средств и архитектура всех уровней ИВК КЭ ''КИС, ЛИС, РИС), состав и структура алгоритмического и программного обеспечения, структура БД результатов контроля, обеспечивающая удобную работу с контрольной информацией Таким образом, определены все необходимые составляющие для создания ИВККЭ

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов реализации предложенной методики при создании ИВК КЭ

Рассмотрены принципы структурной организации аппаратной и программной частей ИВК «Спрут», обеспечивающие реализацию разработанного подхода по созданию сист ем контроля энергопотребления Разработанные алгоритмы позволяют оптимизировать состав технических средств и архитектуры системы на всех уровнях в соответствии с ТЗ, определить состава и организации алгоритмического и программного обе; печения

Показано, что предложенная методика проектирования ИВК КС может быть использована при создании систем для различных типов производств от систем лок<шьного потребления энергии до распределенных систем потребления, размещаемых на больших территориях, использующих разные носители энергии

Заключение

В работе на основании проведенных исследований разработаны алгоритмы идентификации предаварийных и аварийных ситуаций в энергоемких производствах, разработаны основные этапы структурного проектирования ИВК КЭ, предложена методика, выполнение которой обеспечивает оптимальное, для технического задания, пос--роение структуры системы и ее программного обеспечения Методика нашла применение при разработке ИВК «Спрут», внедренного на предприятиях России

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработаны алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей про чзводства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью

2 Предложен показатель эффективности, учитывающий организацию физического и канального уровней интерфейса, как элемента системы, определяющего ее архитектуру и требования к организации компактных, локальных и распределенных ИС

3 Разработаны алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов идентификации, заданных критериев эффективности, при работе ИС в нормальном и аварийном режимах

4 Разработана методика проектирования ИВК КЭ, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИВК, обеспечивающие эффективный контроль носителей энергии, анализ и учет энергопотребления

5 Разработанная методика проектирования ИВК КЭ нашла применение при создании ИВК «Спрут», внедренного в ряде промышленных предприятий

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Ас № 1615771 СССР, МКИ5 008С19/28 Способ передачи дискретной информации и устройство для его осуществления /ПН Михаль, В М Стекольников, Е В Петелин (СССР) - № 4655500/24-24, заявл 02 01 89, опубл 23 12 90, Бюл № 47 -М 4 с 2 ил

2 Михаль, П Н Технология эффективного энергопотребления/ П Н Михаль И Индустриальный Петербург - СПб, 1998 -№5 -С 27-28

3 Михаль, П Н Энергосбережение/ П Н Михаль // Индустриальный Петербург -СПб, 1999 -№6 - С 73-74

4 Михаль, П Н Технологии энергосбережения/ П Н Михаль // Индустриальный Петербург - СПб , 2000 -№1 - С 35-36

5 Михаль, П Н, Свойства и принципы построения систем АСКУЭ на базе И ЗК «Орбита» /ПН Михаль, О В Балашов // Системы АСКУЭ и автоматизация расчетов с потребителями электроэнергии в энергосистемах информ материалы III науч -те ш семинара, 2002 г - 37 с

6 Протокол обмена в информационно-измерительной системе реального времени/ В В Алексеев, П Г Королев, А М Коновалов, П Н Михаль //Известие СПбГЭ ГУ «ЛЭТИ» (Известия Государственного электротехнического университета) С:р Приборостроение и информационно-измерительные системы - СПб Изд-во СПбГЭ ГУ «ЛЭТИ»-2006 - С 3-11

7 Михаль, П Н Предупреждение аварийных ситуаций в системах контре ля энергопотребления/ П Н Михаль // Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий тр НПК НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» -СПб Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 -С 25-30

8 Михаль, П Н Компактная измерительная система контроля энергопотребления / В В Алексеев, ПГ Королев, ПН Михаль // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006 сб докл VIII МНТК, г Новосибирск, 2006 г -Новосибирск НГТУ, 2006 - С 44-48

9 Михаль, П Н Идентификация аварийных ситуаций в измерительных системах контроля энергопотребления / В В Алексеев, П Н Михаль // Сб докл IX междушр конф по мягким вычислениям и измерениям 8СМ-2006, г Санкт-Петербург, 2006 г -СПб СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - С 36-39

10 Михаль, ПН Энергосберегающие информационно-измерительные и управляющие системы Контроль и предупреждение аварийных ситуаций / В В Алексеев, Е Г Гридина, П Г Королев, Н И Куракина, П Н Михаль// Надежность и качество 2006 сб докл Междунар симпоз , г Пенза, 2006 г - Пенза, 2006 - С 37-40

11 Михаль, П Н Анализ эффективности организации интерфейсов при построении измерительных систем / В В Алексеев, П Н Михаль // Сб докл IX междунар конф чо

мягким вычислениям и измерениям 8СМ-2006, г Санкт-Петербург, 2006 г - СПб СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - С 29-32

12 Михаль, П Н Принципы построения измерительных систем контроля энергопотребления / В В Алексеев, П Г Королев, П Н Михаль -М,200б -17 с -Деп в ВИНИТИ 29 06 06 № 879-В2006

13 Михаль, ПН Измерительные системы контроля энергопотребления, анализ сигналов и идентификация аварийных ситуаций / В В Алексеев, П Г Королев, П Н Михаль - М , 2006 - 17 с -Деп в ВИНИТИ 20 12 06 №1589-В200б

14 Михаль, П Н Измерительно-вычислительный комплекс коммерческого учета энергии и предупреждения аварийных ситуаций / В В Алексеев, П Н Михаль // Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий тр НПК НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - СПб Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 -С 21 -25

15 Михаль, П Н Компактная измерительная система контроля энергопотребления /ВВ Алексеев, П Г Королев, П Н Михаль//Мир измерений - М , 2007 -№1 -С 2024

Подписано в печать 19 04 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 42

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

Условные обозначения и сокращения 11 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

1.1 Задача создания системы контроля энергопотребления 12 промышленного предприятия (анализ носителей энергии и задачи их контроля, техническая структура предприятия, структура коммуникаций, классификация аварийных ситуаций, задача повышения эффективности энергопотребления)

1.2 Анализ принципов построения локальных и распределенных ИВК

1.3 Анализ методов структурного проектирования

1.4 Анализ интерфейсов - с точки зрения надежности и 44 эффективности передачи информации на физическом и канальном уровнях

1.5 Анализ задачи контроля потребления энергии и предупреждения аварийных ситуаций

Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АНАЛИЗА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

2.1 Постановка задачи

2.2 Анализ характеристик измеряемых сигналов

2.3 Метрологический анализ результатов контроля

2.3.1 Контроль потребления электроэнергии

2.3.2 Контроль потребления тепла

2.3.3 Контроль потребления холодной воды, горячей воды, газа

2.4 Разработка алгоритмов анализа результатов контроля и идентификации аварийных ситуаций с целью их предотвращения

2.4.1 Измерение сигналов характерных для нарушения штатного режима

2.4.2 Идентификация нарушения штатного режима потребления в рабочее и нерабочее время

2.4.3 Измерение сигналов характерных для предаварийных и аварийных ситуаций

2.4.4 Идентификация предаварийного режима потребления энергии

2.4.5 Идентификация предаварийного и аварийного режима работы установки

Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТРУКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ, ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИВК

3.1 Постановка задачи

3.2 Определение состава локальной ИС

3.2.1 Задача оптимизации номенклатуры СИ

3.2.2 Задача составления расписания работы ИС

3.3 Определение структуры распределенной ИС

3.3.1 Выбор интерфейса. Определение архитектуры компактной ИС

3.3.2 Выбор интерфейса. Определение архитектуры локальной и распределенной ИС

3.4 Определение структуры алгоритмического и программного обеспечения ИЗ

3.5 Обобщенная методика создания ИВК КЭ 115 Выводы по главе

4 РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ИВК «СПРУТ»

4.1 Постановка задачи

4.2 Определение структуры ИВК КЭ

4.3 Аппаратно - программная организация ИВК «СПРУТ»

4.4 Программно - алгоритмическое обеспечение ИВК «СПРУТ»

Выводы по главе

Актуальность проблемы. Внедрение измерительно-вычислительных комплексов контроля и управления энергопотреблением дает большой экономический эффект для различных энергоемких производств. Поэтому наблюдается все возрастающая потребность на разработку и изготовление таких комплексов для различных типов производств. Однако, создание самих комплексов связано с необходимостью решения ряда проблем технического, алгоритмического и экономического плана.

Многообразие производств и их схем потребления различных типов энергии, а также большое разнообразие принципов контроля и средств измерений значений потребления энергоносителей (электроэнергия, тепло, вода холодная, вода горячая, пар, газ и др.) определяют сложность создания измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления (ИВК ЭП). Такие комплексы должны решать задачи измерений на уровне энергоемких установок - компактные измерительные системы (ИС), технологических процессов - локальные ИС, производств - распределенные ИС.

Задача энергосбережения связана с анализом нештатных ситуаций потребления энергии, анализом предаварийных и аварийных ситуаций с целью их предупреждения и предотвращения. Это требует проведения анализа метрологических характеристик контролируемых сигналов, разработки алгоритмов контрольных измерений обеспечивающих надежную идентификацию перечисленных ситуаций.

Сложность и многообразие измерительных средств системного назначения, большое количество однотипных приборов и устройств затрудняет задачу создания оптимальных информационно-измерительных систем, требуют разработки методов и алгоритмов проектирования ИС.

Перечисленные факты обуславливают актуальность настоящей работы.

В работе проводится всесторонний анализ вопросов, связанных с построением и использованием систем контроля и учета энергии, анализ свойств контролируемых сигналов, характеризующих нормальный режим, предаварийный и аварийные режимы потребления различных носителей энергии для разных типов производств. Проводится анализ метрологических характеристик контролируемых сигналов, позволяющий сформулировать алгоритмы идентификации предаварийных и аварийных ситуаций, анализ средств измерений и принципы построения баз измерительных данных, позволяющих автоматизировать проектирование систем данного класса.

Поставленная задача требует систематизации метрологических знаний, и формализации постановки задания на проектирование с учетом требований к измерению контролируемых сигналов, возможностей средств измерений и выбранного критерия эффективности (требований заказчика).

Работа посвящена решению задачи проектирования измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления, построенных на основе функционально законченных средств измерений, выполняющих статические и динамические измерения, а также разработке алгоритмического и программного обеспечения идентификации и предупреждения аварийных ситуаций, учет режимов потребления с целью их анализа и оптимизации.

Предметом исследования является задача проектирования измерительно-вычислительных комплексов контроля энергопотребления (ИВК ЭП) и разработка их алгоритмического и программного обеспечения.

Целью работы является разработка методики проектирования ИВК ЭП, разработка алгоритмов идентификации и предупреждения аварийных ситуаций, определение структуры программного обеспечения, обеспечивающего учет режимов потребления с целью их анализа и оптимизации.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи:

1. Проводится анализ характеристик контролируемых величин различных носителей энергии в нормальном, предаварийном и аварийном режимах, принципов их измерения, метрологический анализ с целью определения требований к используемым средствам измерений и определения признаков идентификации.

2. Разрабатываются алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации' по характеристикам изменения значений' энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие-определение-ситуации с заданной вероятностью.

3. Проводится анализ принципов-построения измерительных систем, предлагается показатель эффективности организации интерфейса, как элемента системы определяющего ее архитектуру и требования* к организации ■< компактных, локальных и распределенных измерительных систем (ИС).

4. Разрабатываются алгоритмы определения, номенклатурьъ средств измерений, и составления расписания* работьъ компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов* идентификации, заданных критериев« эффективности, при работе ИС в нормальном^ и аварийном режимах.

5. На основе разработанных алгоритмов предлагается методика проектирования ИВК ЭП, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие эффективный контроля носителей энергии, анализ и учет энергопотребления, дающие возможность оптимизировать потребление всех носителей энергии.

Методы исследования базируются на методах прикладной статистики, теории исследования операций, общей теории оптимизационных задач, алгоритмической теории измерений и методов расчета погрешностей, а также накопленный к настоящему времени опыт и результаты в области проектирования измерительных систем.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработаны алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью.

2. Предложен показатель эффективности организации интерфейса, позволяющий решить задачу выбора интерфейса при построении компактных и локальных ИС.

3. Предложен показатель числа степеней свободы измеряемого сигнала, который лег в основу разработанного алгоритма составления расписания работы компактных и локальных ИС при работе в нормальном и аварийном режимах.

4. Разработана методика проектирования ИВК ЭП, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие эффективный контроль параметров носителей энергии, анализ и учет энергопотребления.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Разработанные алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации позволяют своевременно определить необходимость проведения профилактических работ, или экстренного отключения дорогостоящего оборудования, предупреждая аварии и экстремальные ситуации энергопотребления.

2. Разработанные алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС дают возможность создавать ИВК ЭП максимально учитывать специфику производства, обеспечивая заданную надежность при минимальных экономических затратах.

3. Разработанная методика проектирования ИВК ЭП нашла применение при создании ИВК «Спрут», внедренного в ряде промышленных предприятий.

На защиту выносятся:

1. Алгоритмы идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью.

2. Показатель эффективности организации интерфейса, как элемента системы определяющего ее архитектуру и требования к организации компактных, локальных и распределенных ИС.

3. Алгоритмы определения номенклатуры средств измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов идентификации, заданных критериев эффективности, при работе ИС в нормальном и аварийном режимах.

4. Методика проектирования ИВК ЭП, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие эффективный контроля носителей энергии, анализ и учет энергопотребления.

Внедрение результатов работы. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), ЗАО «Орбита времени», ООО «Инженерный центр «ЭНЕРГОАУДИТКОНТРОЛЬ».

Полученные в работе результаты использовались при создании ИВК «Спрут», внедренного в ряде промышленных предприятий ОАО «Машиностроительный завод», филиал ОАО «Силовые машины» «ЛМЗ», ООО «МИГис», ЗАО «Яровит Моторс», ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика»ОАО «ЛОМО» в Санкт-Петербурге, МУП ПТП Городское Хозяйство в г. Электросталь.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Международной конференции

Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2006. (Новосибирск, сентябрь 2006 г.), IX Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. 8СМ-2006. (Санкт-Петербург, июль 2006 г.), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза, ноябрь 2006 г.) и Научно-практической конференции, «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2006 г).

Публикации. По результатам работы опубликовано 15 печатных трудов, из которых: 5 статей, 2 депонированных рукописи, 4 доклада на международных научно-технических конференциях и симпозиумах, 2 доклада на научно-практической конференции, материалы научно-технического семинара, авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы (включающего 101 наименования) и приложений. Основная часть работы изложена на 164 страницах машинописного текста. Работа содержит 28 рисунков и 8 таблиц.

Выводы по главе 4

1. Рассмотрены вопросы реализации предложенной методики при создании ИВК КЭ на этапах формирования ТЗ, оптимизации номенклатуры СИ и составления расписания работы ИК (п. 4.2).

2. Рассмотрены принципы структурной организации аппаратной и программной частей ИВК «Спрут», обеспечивающие реализацию разработанного подхода к созданию систем контроля энергопотребления -оптимизацию состава технических средств и архитектуры системы на всех уровнях в соответствии с ТЗ, определение состава и организации алгоритмического и программного обеспечения (пп. 4.3, 4.4).

Заключение

В работе изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в экономику страны. Повышает эффективность работы энергоемких производств, решает за дачи оптимального построения систем энергоконтроля.

Основными результатами работы являются:

1. Разработаны алгоритмы анализа и идентификации предаварийного режима и аварийной ситуации по характеристикам изменения значений энергоносителей производства или отдельных энергоемких установок, обеспечивающие определение ситуации с заданной вероятностью.

2. Предложен показатель эффективности организации интерфейса, как элемента системы определяющего ее архитектуру и требования к организации компактных, локальных и распределенных ИС.

3. Разработаны алгоритмы определения номенклатуры средств' измерений и составления расписания работы компактных и локальных ИС, обеспечивающие требования алгоритмов идентификации, заданных критериев эффективности, при работе ИС в нормальном и аварийном режимах.

4. Разработана методика проектирования ИВК ЭП, позволяющая создавать оптимальные относительно выбранного критерия эффективности ИС, обеспечивающие эффективный контроля носителей энергии, анализ и учет энергопотребления.

5. Разработанная методика проектирования ИВК ЭП нашла применение при создании ИВК «Спрут», внедренного в ряде промышленных предприятий.

154

1. Алексеев В.В. Структурное проектирование измерительно-вычислительных систем на базе уравнений измерений: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - СПб.: СПбГЭТУ, 1993.

2. Алексеев В.В. ИИС мониторинга окружающей природной среды. Проблемы получения информации и оценки экологической обстановки / Сб. докладов III Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. SCM-1999., т.2, С.-Пб, СПБГЭТУ, 1999. с. 212-217.

3. Алексеев В.В., Королёв П.Г. Оптимизация режимов и составление расписания работы модулей измерительной системы. Деп. в Информприбор 10.08.93 № 5132. пр. 93. 17 - 25с.

4. Алексеев В.В., Королёв П.Г., Михаль П.Н. Компактная измерительная система контроля энергопотребления. // Сб. докладов VIII МНТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2006. Новосибирск: НГТУ. 2006. с. 44 - 48.

5. Алексеев В.В., Королёв П.Г., Михаль П.Н. Принципы построения измерительных систем контроля энергопотребления. Деп. в ВИНИТИ 29.06.06 № 879-В2006. - 17 с.

6. Алексеев В.В., Королёв П.Г., Михаль П.Н. Измерительные системы контроля энергопотребления, анализ сигналов и идентификация аварийных ситуаций. Деп. в ВИНИТИ 20.12.06 №1589-В2006. - 17 с.

7. Алексеев В.В., Королёв П.Г., Михаль П.Н. Компактная измерительная система контроля энергопотребления. // Мир измерений №1 М., 2007. - с. 20 - 24.

8. Алексеев В.В., Королев П.Г., Обоишев М.Ю. Принципы построения информационной базы для задач структурного проектирования ИИС на основе систематизации метрологических знаний. / Деп. Рук. №2693-В2001 от 27.12.2001.-М. 2001.-32 с.

9. Алексеев В.В., Королев П.Г., Обоишев М.Ю. Построение множества возможных вариантов решения задачи синтеза измерительной цепи.//

10. Известие СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Серия «Приборостроение и информационные технологии». СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - №1. с. 14-18.

11. В.В. Алексеев, П.Н. Михаль Идентификация аварийных ситуаций в измерительных системах контроля энергопотребления // Сб. докладов IX Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. SCM-2006. С.-Петербург.: СПбГЭТУ. 2006. - с. 36-39.

12. В.В. Алексеев, П.Н. Михаль Анализ эффективности организации интерфейсов при построении измерительных систем. // Сб. Докладов IX Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. SCM-2006. С.-Петербург.: СПбГЭТУ. 2006. - с. 29-32.

13. Алексеев В.В., Поливанов В.В., Комаров Б.Г. Распределенная система мониторинга сложных объектов, тез. Докл. НПК Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий. С.-Петербург, -СПбГЭТУ, 2004. с.75-77

14. Алексеев B.B1., Королев П.Г., Панков A.B. ИИС контроля показателей энергопотребления организации, тез. Докл. НПК Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий. — С.-Петербург, -СПбГЭТУ, 2004. с.77-81

15. Алексеев В.В. Информационные измерительные системы. Комплексная оценка состояния объектов окружающей природной среды на основе ГИС-технологии/ Вестник образования и развития науки российской академии естественных наук, т.5, №3, СПб, 2001. с. 230-240.

16. Алин Г.Т. Разработка методов оптимизации структуры каналов информационно-измерительных систем: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГЭТУ, 1994.

17. Арис Р. Дискретное динамическое программирование. М.: Мир, 1968.

18. A.C. Способ передачи дискретной информации и устройство для его осуществления./ Михаль П.Н., Стекольников В.М., Петелин Б.В.// A.C. №1615771 от 12.08.90 г.

19. Белман Р. Динамическое программирование. М.: Мир, 1960.

20. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике.-М.: Радио и связь, 1984.

21. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. .Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1980.

22. Бурков В.Н., Рубинштейн М.И. Комбинаторное программирование. -М.: Знание, 1977

23. Быстров В.А., Щербина O.A. Об эффективности решения одного класса задач дискретного программирования с помощью локального алгоритма// Кибернетика. 1987. - № 3.

24. Вентцель Е.С. Исследование операций. — М.: Советское радио, 1972.

25. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. -М.: Наука, 1988.

26. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. М.: Радио и связь, 1982.

27. Волкович В.Л., Волошин А.Ф. Об одной схеме метода последовательного анализа и отсеивания вариантов// Кибернетика. — 1978. -№4.

28. Выбор интерфейса для распределенной информационно-измерительной системы радиационного контроля. Л.С. Горн, A.A. Климашов, Б.И. Хазанов, и др. / Приложение к журналу «Ядерные информационно-измерительные технологии». 2002. № 3. 28 с.

29. Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных технических систем. СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 2001.

30. Гафуров Х.Л., Гафуров Т.Х, Смирнов В.П. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие. СПб.: Судостроение, 2000.

31. Гене Г.В, Левнер Е.В. Дискретные оптимизационные задачи и эффективные приближенные алгоритмы.//Изв. АН ССР. Техническая кибернетика. 1978. - № 6.

32. ГОСТ. 8.401-80. Классы точности средств измерений. Общие требования. М.: Издательство стандартов, 1988.

33. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М.: Издательство стандартов, 1988.

34. Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. -М.: Агропромиздат, 1988.

35. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. -М.: Высшая школа, 2000.

36. Еид М., Цветков Э.И. Потенциальная точность измерительных автоматов. СПб.: СЗОМА, 1999.

37. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. Д.: Наука, 1985.

38. Земмельман М.А. О классификации погрешностей измерений //Измерительная техника. -1985,-№6.

39. Каверкин И.Я., Цветков Э.И. Анализ и синтез измерительных систем. JL: Энергия, Ленинградское отд-ние, 1974.

40. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. Сортировка и поиск, т. 3.-М.:Мир,.1987.

41. Коваленко А.Г. Алгоритмы интервалов и их применение для решения г задач дискретной оптимизации многошаговых процессов// Кибернетика. -1987. -№3.

42. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel'MCS-196/296 во встроенных системах, управления. -М.: ЭКОМ, 1997.

43. Количественное описание неопределенности в аналитических измерениях. Перевод документа EURACHEM. С.-Пб., Крисмас+, 1997. - 129 с.

44. Корбут A.A., Финкелыптейн Ю.Ю. Дискретное программирование. -М.: Наука, 1996.

45. Корн Г, Корн-Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1974.

46. Королев П.Г. Составление расписания работы многоканальных модулей ИВС/ Известия ЭТИ, вып. 446. СПб.: ЭТИ, 1992. - с.29 - 33.

47. Королев П.Г. Разработка алгоритмов оптимального проектирования измерительных систем: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГЭТУ, 1993.

48. Кругляк К.В Промышленные сети: цели и средства./ Современные технологии автоматизации. 2002. № 4. с. 6-17.

49. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин (измерительные преобразователи). -Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1983.

50. Лион К.С. Приборы для научных исследований. Электрические входные преобразователи. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1964.

51. Липский В'. Комбинаторика для программистов. М.: Мир, 1988.

52. Любашин А.Н. Краткий обзор промышленных сетей/ WWW:PT Soft.ru. 20 с.

53. Мартин; Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. -М.: Мир, 1980.

54. Методика проведения энергетических обследований (энергоаудит) бюджетных учреждений. Под. ред. С.К. Сергеева. Нижний Новгород, 2000.

55. Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». М.г Издательство стандартов, 1988.

56. Методы электрических измерений: Учебн. пособие для вузов/ Л.Г. Журавин и др.: под. ред. Э.И. Цветкова. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990.

57. МИ 222-80. Расчет метрологических характеристик измерительных каналов ИИС по метрологическим характеристикам компонентов. В кн.: Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем. М.: Издательство стандартов. -1984.

58. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984.

59. Митеев И.Г. Применение метода ветвей и границ к некоторым задачам дискретного программирования//ЖВМиМФ. 1976. — Т. 17 —№ 2.

60. Михалевич B.C., Волкович B.JI. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982.

61. Михалевич B.C., Кукса А.И. Методы последовательной оптимизации в дискретных сетевых задачах. М.: Наука, 1977.

62. Михаль П.Н. Технология эффективного энергопотребления// Индустриальный Петербург №5 СПб., 1998. - с. 27 - 28.

63. Михаль П.Н. Энергосбережение// Индустриальный» Петербург №6 — СПб., 1999.-с. 73-74.

64. Михаль П.Н. Технологии энергосбережения// Индустриальный Петербург №1 СПб., 2000. - с. 35 - 36.

65. Михаль П.Н., Балашов О.В. Свойства и принципы построения систем АСКУЭ на базе ИВК «Орбита» // Информ. материалы Ш-го научно-технического семинара «Системы АСКУЭ и автоматизация расчетов с потребителями электроэнергии-в энергосистемах», 2002 г. 37 с.

66. Моисеев В!С. Системное проектирование преобразователей информации. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982

67. Налбандян А., Егоров А. Автоматизированные системы учета потребления энергоносителей на базе вычислителя' «Гамма 055» / Современные технологии автоматизации. 2001, №2. с. 50-55.

68. Новицкий П.В. , Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов л измерений. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние ,1991.

69. Обоишев М.Ю. Метрологические-аспекты оценки ресурса сложных технических систем. // Тез. Док. НТК «Проблемы прогнозирования ипредотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий». СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002.

70. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: «Вища школа», 1973.

71. Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Душина Е.М. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1987.

72. Основы структурного проектирования измерительно-вычислительных систем.// Алексеев В.В., Королев П.Г., Овчинников Н.С., Чернявский Е.А. /Учебн. пособие. СПб. Энергоатом-издат, 1999. - 111 с.

73. Павлов Н., Зацепин А, Ананских М. Модернизация автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления' городской электросетью. / Современные технологии автоматизации. 2003, №1. с. 38-45. (Ethernet)

74. Практикум по вероятностным методам в измерительной технике: Учеб. пособие для вузов/ В.В. Алексеев, Р.В. Долидзе, Д.Д. Недосекин, Е.А. Чернявский. СПб.: Энергоатоиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1993. -264 с.

75. Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. М.: Агропромиздат, 1986.-247 с.

76. Распутин А., Федотов И: Программно-технический комплекс ЭКОМ: учет и управление энергоресурсами / Современные технологии автоматизации. 2000, №3.- с. 38-44.

77. РД-50-453-84. Методические указания: Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета. — М.: Издательство стандартов, 1988.

78. Розенберг В .Я. Введение в теорию точности измерительных систем. -М.: Советское радио, 1975.

79. Романов В.Н, Соболев В.С, Цветков- Э.И. Интеллектуализация измерений. М.: РИЦ «Татьянин день», 1994

80. Руа Б. Проблемы и методы принятия решений в задачах со многими целевыми функциями. Вопросы анализа и-процедуры принятия решений. -М.: Мир, 1976.

81. Сергиенко; И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наукова думка, 1985.

82. Сергиенко И.В., Капшицкая М.Ф. Модели и методы решения на ЭВМ комбинаторных задач оптимизации. Киев: Наукова думка, 1981.

83. Сергиенко И.В., Лебедева Т.Т. Приближенные методы решения дискретных задач оптимизации. Киев: Наукова думка, 1980 г.91'. Сигал И:Х. Приближенные методы и алгоритмы дискретной оптимизации. Учеб. пособие. М.: МИП, 2000.

84. Теплосчетчик-регистратор «Взлет TCP». Руководство по эксплуатации. ЗАО «Взлет». СПб. 2000. - 59 с.

85. Туричин A.M. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1975.

86. Финкелыдтейн Ю.Ю. Метод отсечения и ветвления для решения задач целочисленного линейного программирования//Известия АН СССР: Техническая кибернетика. 1971". - № 4.

87. Хачатуров Р.В. Комбинаторные методы и алгоритмы решения задач дискретной оптимизации большой размерности. М.: Наука, 2000.

88. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений. — СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 264 с.

89. Цветков Э.И. Основы математической метрологии. — СПб.: Политехника, 2005. 510 с.

90. Цветков Э.И. Метрологический анализ на расчетной основе //Вестн. / Метрологич. акад., Сев.-Зап. фил. СПб., 1998. — Вып. 1.-е. 6-25.

91. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. Д.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, - 1989.

92. Фукалов А. Автоматизированная система управления энергопотреблением «Янтарь» / Современные технологии автоматизации. 2003. № 4. с. 18-23. (Ethernet)

93. Характеристики интерфейсов применяемых в ИС

94. В соответствии с международным стандартом OSI/ISO (промышленный стандарт ISO 11898) приборный интерфейс имеет три уровня организации: физический, канальный, прикладной.

95. Физический уровень определяет архитектуру системы способы подключения устройств к контроллеру и обмена между собой.

96. В настоящее время из известных принципов получили широкое применение радиальные и магистральные структуры с параллельной или последовательной передачей данных с использованием различных типов линий передачи данных.

97. В табл. П1 приведены основные характеристики основных видов реализации физического уровня 5.