Введение к работе
Актуальность исследования. Анализ систем автоматического управления (САУ) судовыми электрическими станциями (СЭС) эксплуатируемых судов показывает, что системы управления электростанциями выполняются на различной элементной базе, в том числе с использованием импортных программируемых контроллеров различных типов (выпускаемых разными фирмами). Как правило, такие системы работают до первого отказа, который не может быть устранён судовым персоналом, тем более в случае отсутствия электротехнического персонала (электромехаников). Иногда это связано с отсутствием принципиальных схем и программного кода контроллеров в документации импортных САУ. В таких условиях ужесточаются требования российского речного регистра к обеспечению повышенной надежности и аппаратурной унификации САУ СЭС. Однако САУ СЭС эксплуатируемых судов не являются унифицированными. Они привязаны к конкретным типам первичных двигателей (ПД), генераторам и их мощностям.
СЭС является совокупностью систем, обеспечивающих работу ПД и генератора. Нарушение функционирования любого из элементов этих систем, может привести к выходу из строя электростанции судна. Поэтому при разработке САУ СЭС необходимо учитывать взаимосвязи ПД и генератора.
СЭС должна обеспечивать надежное и бесперебойное электроснабжение судна в любых условиях, в том числе при любых аварийных ситуациях, что достигается повышением уровня ее автоматизации. Расширение объема функций автоматического управления и контроля элементами СЭС позволит существенно упростить их эксплуатацию и восстановление, а также снизить требования к обслуживающему персоналу.
В результате можно утверждать, что существует противоречие между требованиями к СЭС, с одной стороны, и функциональными свойствами эксплуатируемых СЭС - с другой. Разрешение этого противоречия возможно преимущественно путем углубления автоматизации СЭС на основе современных методов построения логических моделей и разработки САУ СЭС.
Функциональные связи между составными частями СЭС устанавливаются на основании структурных моделей. Обычно при делении на элементы структурных моделей используют принцип конструктивной близости, который не учитывает сигналы, передаваемые через конструктивный элемент, или принцип функциональной близости, заключающийся в том, что при определении внутреннего содержания объекта в нем собирают элементы, работающие на формирование общего выходного сигнала на одном выходе. При этом рассматриваются сигналы одной природы. Однако в комбинированных системах, какой является электрическая станция, наличие разнородных сигналов и конструктивное исполнение деталей и узлов в большинстве случаев не позволяет использовать принцип функциональной близости. Поэтому для структурирования объекта каждого уровня СЭС необходимо использовать
метод конструктивно-функциональной близости, предполагающий конструктивное единство и разделение входных сигналов по функциональному назначению или физической природе сигналов.
Учитывая вышеизложенное, целью диссертационной работы является исследование вопроса о расширении функциональных возможностей САУ СЭС на основе метода конструктивно-функциональной близости.
Цель работы определяет задачи исследования:
анализ существующих САУ СЭС;
синтез структурной и логической моделей САУ СЭС на основе метода конструктивно-функциональной близости;
разработка математической модели САУ СЭС в соответствии с предложенной логической моделью;
создание алгоритмов и программ, моделирующих работу САУ СЭС;
синтез структуры цифровой САУ для различных степеней автоматизации судовых электростанций;
разработка функций управления и диагностики СЭС, включая функцию реконструктивной диагностики.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались: теории электрических цепей и электрических машин, теории системного и корреляционного анализа, теория автоматического управления. В качестве аппарата исследования использована алгебра логики. Численная реализация и анализ математических моделей выполнены на ЭВМ с использованием прикладных программ.
Научная новизна
Впервые рассмотрены в комплексе генератор, электрические цепи, технические системы и механизмы первичного двигателя судовой электростанции, что позволило на основании структурного анализа объективно установить полный состав элементов, требующих управляющего воздействия, и синтезировать обобщенную структуру цифровой системы автоматического управления судовой электростанцией.
Синтезированы обобщенные структурная и логическая модели цифровой системы автоматического управления судовой электростанцией, отличающиеся наличием математического описания сигналов различной природы, проходящих через конструктивные элементы судовой электростанции, путем использования метода конструктивно-функциональной близости и позволяющие разработать цифровую САУ для различных степеней автоматизации судовых электрических станций.
Разработана структура цифровой САУ СЭС, позволяющая расширить функциональные возможности систем автоматического управления судовыми электрическими станциями, путем введения новых функций диагностики, включая реконструктивную. Функции реконструктивной диагностики реализуются по принципам последовательности и хроноконтроля.
Научная новизна подтверждается положительным решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010149367/07(071322) и свидетельством о государственной регистрации программы № 2011610852.
Практическая значимость.
Разработан метод математического описания объектов СЭС, включая генератор электрические цепи и ПД, с учетом алгоритмов работы ее элементов.
Написана программа для исследования функционирования ЦСАУ СЭС, подтвержденная свидетельством об официальной регистрации программ.
Разработана инженерная методика, позволяющая формализовать процесс синтеза новых цифровых САУ СЭС, что способствует сокращению затрат на их производство.
Разработана цифровая система возбуждения синхронного генератора, которая обеспечивает форсированное возбуждение СГ по приращению тока генератора. Предложенная система возбуждения отличается применением внешнего источника и имеет высокую форсировочную способность, ограниченную лишь его параметрами. На предложенную систему возбуждения получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Реализация результатов работы.
Полученные результаты использованы при разработке и модернизации технических проектов СЭС конструкторским бюро «Вымпел» и проектно технической организацией ООО «Эккотех», а также внедрены в образовательный процесс подготовки специалистов в «Волжской государственной академии водного транспорта на кафедре «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта».
На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты исследования с использованием разработанной структурной и логической моделей СЭС.
Принципы построения и структуры ЦСАУ СЭС для различных степеней автоматизации.
Результаты исследования с использованием разработанной программы моделирования работы ЦСАУ СЭС.
Логические функции управления и контроля ЦСАУ СЭС.
Технические решения для реализации ЦСАУ СЭС.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
- ежегодных региональных научно-технических конференциях «Акту
альные проблемы электроэнергетики». - НГТУ. Н.Новгород: 2008, 2009;
- XIV, XV Нижегородских сессиях молодых ученых. Технические науки.
-Н.Новгород: 2009-2010;
- ХІ-ХІІІ международных научно-промышленных форумах: «Великие
реки - 2009» - «Великие реки - 2011». - Н.Новгород: ННГАСУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендуемых ВАК. Получено свидетельство на официальную регистрацию программы и положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 105 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 148 страницах машинописного текста, кроме того, диссертация включает 56 рисунков, 9 таблиц и приложения на 82 страницах.
