Тема: "Разработка методов и средств мониторинга расхода и теплотворной способности однофазного горючего газа, протекающего в трубопроводах" (шифр "Расходомер Г")

В рамках настоящей НИР в 1998 году был разработан вычислитель расхода и энергии природного газа ВРПЭГ, предназначенный для автоматизированного измерения расхода и количества природного газа согласно правил учета РД50-213-80 с коррекцией расчета расхода по реальным физическим свойствам газа, вычисляемым по полному компонентному составу, согласно введенным в 1997 году ГОСТ 30319.0-96 ÷ ГОСТ 30319.3-96. Этот вычислитель удовлетворял всем современным нормативно-техническим документам и имел погрешность вычисления расхода на уровне лучших зарубежных образцов – 0,25 %. В России на этот момент лучшие вычислители расхода газа СПГ706 (г. Санкт-Петербург) и ТЭКОН10 (г. Екатеринбург) коррекцию расчета расхода не производили, т.к. не имели в своем составе ни микропрограммы расчета физических свойств газа, ни возможности ввода в них полного компонентного состава для этого расчета. Физические свойства газа: плотность, динамическая вязкость, коэффициент сжимаемости вводились в эти вычислители при их установке на конкретном расходомерном узле и уже не корректировались до следующей их калибровки и поверки.

Таким образом, заявляемая погрешность вычисления расхода, как правило, 0,25 %, 0,5 % на прибор, соответствовала только тем параметров газа, которые были введены. При их изменении во время эксплуатации приборов в межповерочном интервале времени, естественно, увеличивалась и реальная погрешность вычисления расхода. Расчеты показали, что уменьшение плотности газа на 5 % приводит к увеличению его расхода на 2,3 %, и если это изменение плотности (компонентного состава) не учитывать, то соответственно и погрешность вычисления расхода увеличится на 2,3 %, поэтому говорить о погрешности прибора 0,5 % уже не приходится.

С 1.01.99 г. были отменены действующие до этого времени правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами – РД50-213-80 и введены ГОСТ 8.563.1-97, ГОСТ 8.563.2-97, в которых были достаточно существенно изменены правила измерения расхода методом переменного перепада давления на сужающих устройствах. В приложении Е1 ГОСТ 8.563.2-97 приведен пример расчета и расхода количества природного газа, данные из которого были использованы для вычисления расхода вычислителем ВРПЭГ, выполненным согласно РД50-213-80, но уже с учетом коррекции расхода по реальным физическим свойствам газа (ГОСТ 30319.0-96 ÷ ГОСТ 30319.2-96). Результат расчета 10183 м³/ч отличается от результата контрольного примера 10124 м³/ч на 0,6 %. Таким образом, стало очевидно, что микропрограмму расчета в ВРПЭГ необходимо было изменить, что и явилось одной из работ данной НИР.

Анализ показал, что существенную роль в формировании полученной погрешности играют два поправочных множителя в формуле расчета расхода: коэффициент шероховатости поверхности трубопровода и коэффициент притупления входной кромки диафрагмы. В частности, для диаметра трубопровода D₂₀=150 мм и диаметра диафрагмы d₂₀=84 мм (данные из контрольного примера ГОСТ 8.563.2-97) произведение этих коэффициентов по РД50-213-80 (приложение 2) составляет 1,0116, а расчет по ГОСТ 8.563.1-97 дает значение произведения 1,0058. Отличие результатов составляет 0,6 %, как раз те 0,6 %, на которые отличаются результаты расчетов расходов по РД50-213-80 и по ГОСТу.

В результате переработки микропрограммы ВРПЭГ с учетом требования новой нормативно-технической документации (ГОСТ 8.563.1-97, ГОСТ 8.563.2-97, ГОСТ 30319.0-96 ÷ ГОСТ 30319.2-96) результат, полученный при решении ВРПЭГ контрольной задачи, в настоящее время отличается не более чем на 0,005 % от результата, приведенного в ГОСТе.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что вычислитель расхода и энергии природного газа ВРПЭГ полностью соответствует заявленной точности измерения расхода и количества однофазного природного газа, протекающего в одном, двух газопроводах, (основная относительная погрешность составляет не более 0,25 %) и может быть использован для коммерческих расчетов.

В процессе выполнения НИР проведен анализ новых правил расчета расхода газа методом переменного перепада давления, разработана новая микропрограмма расчета расхода в вычислителе ВРЭПГ, изготовлен экспериментальный образец ВРЭПГ, проведены испытания, подтверждающие его высокие точностные характеристики.

Гаркуша В.В., Мишнев А.С., Шушков Н.Н. Цифровая обработка телевизионных изображений для селективного контроля пламени // Распознавание образов и анализ изображения.–1999.–N1.–С.136-137.

Garkusha V.V., Mishnev A.S., Shushkov N.N. Digital Processing of TV gif/images for Selective Control of Gaseous Flame // Pattern Recognition and gif/image Analysis.–1999.–V.9.– N 1.– P.136-137.

Тема: "Исследование и разработка перспективных элементов для программно-технических комплексов АСУ ТП в энергетике" (шифр "Энергия")

В рамках НИР проводились работы по следующим направлениям:

• метрологическая аттестация имитаторов постоянного и переменного тока;
• разработка комплекса технических средств для создания программируемых контроллеров, базирующихся на стандартах JSA, PCI;
• разработка терминалов цифровой защиты для создания систем защиты устройств коммутации и электрических машин (идеология и макеты элементов терминала);

В 1999 г. продолжены работы по созданию имитаторов сигналов постоянного и переменного тока для проверки, отладки и калибровки каналов АСУ ТП. Изготовлены образцы имитаторов, разработана техническая документация для их метрологической аттестации.

Поскольку метрологическая аттестация должна производиться специализированной организацией и требует больших финансовых затрат нами привлечена для этих работ заинтересованная организация – Сургутская ГРЭС-1.

• модуль аналого-дискретного ввода-вывода;
• модуль дискретного ввода-вывода;
• контроллер шины JSA.

Модуль аналого-дискретного ввода-вывода имеет 48 линий ввода-вывода. Из них 24 линии могут применяться в качестве как аналоговых, так и дискретных каналов ввода-вывода. Остальные 24 линии только в качестве дискретных каналов ввода-вывода. Модуль обеспечивает подключение коммутационных электрических аппаратов и других устройств, входы и выходы которых имеют уровни ТТЛ-логики, управление светодиодными индикаторами и индикаторными панелями, а также узлами гальванической развязки. Параллельный ввод-вывод выполняется программируемым параллельным интерфейсом-микросхемой 82С55.

Модуль дискретного ввода-вывода имеет 96 линий ввода-вывода дискретных сигналов. Модуль обеспечивает возможность контроля положения и управления энергетическими коммутационными аппаратами, управления различной аппаратурой, имеющей ТТЛ-совместимые входы, управления индикаторами и взаимодействие с модулями гальванической развязки.

Контроллер шины JSA разработан на основе микроконтроллера семейства МК51. В силу ограниченых возможностей семейства МК51 контроллер предназначен для применения в системах с небольшим количеством сигналов и простыми алгоритмами их обработки – например, в пожарной сигнализации. Контроллер имеет средства коммутации с внешними устройствами и памятью.

Работы по защите и диагностике электрических машин проводились совместно с НИИ ЭЛСИБ для Новосибирского завода ЭЛСИБ, выпускающего синхронные и асинхронные машины переменного тока.

В результате работ совместно с НИИ ЭЛСИБ разработано техническое задание на ОКР и техническое предложение по системе контроля, диагностики и защиты электрических машин. Задача системы – выявление неисправностей на ранней стадии их возникновения, сигнализация обслуживающему персоналу о приближении к критическому режиму работы (достижение первой уставки), автоматическое отключение электрической машины при достижении аварийного режима (второй уставки).

Систему диагностики, контроля и защиты предложено создать на базе персонального компьютера с поочередным вводом сигналов от датчиков температуры, скорости вращения, вибраций, переменных и постоянных токов и напряжений, магнитных полей и токов утечки. Измерения должны производиться системой виртуальных приборов, синтезированных на экране монитора компьютера с помощью соответствующего программного обеспечения.

Система виртуальных приборов для непрерывного контроля и диагностики электрических машин выполняет измерения, спектральный анализ, статическую обработку, хранение, представление и передачу данных. Она отличается универсальностью, возможностью развития, позволяет вести базу данных от изготовления электрической машины до ее списания.

В 1999 году в рамках НИР "Сканер" проводились работы по созданию экспериментального образца прецизионного устройства ввода изображений в ЭВМ (УВИ).

Целью работ являлось:

1. Обеспечение заданной точности определения координат объектов на вводимом фотоснимке.
2. Обеспечение требуемой точности измерения оптических плотностей точек изображения на вводимом фотоснимке.
3. Повышение скорости ввода изображений.

Рис. 14.

Экспериментальный образец УВИ (рис.14) обеспечивает ввод полутоновых изображений в ЭВМ с фотоплёнки размером до 300х300мм. Ввод осуществляется "на просвет". Информация записывается на жёсткий диск в темпе ввода и занимает 1,6 Гбайт дискового пространства при вводе растром с апертурой 7,5 мкм.

Оптико-механический блок размещён в закрытом металлическом кожухе, обеспечивающем защиту от пыли и посторонних источников света. Для установки фотоснимка в верхней части кожуха предусмотрена крышка. Крышка открывается, фотоснимок устанавливается на рабочий столик и фиксируется рамкой с прижимным стеклом, крышка закрывается. Экспериментальный образец обладает следующими техническими характеристиками:

1. размер вводимого изображения 300х300мм.;
2. способ ввода "на просвет";
3. точность ввода координат не хуже ± 2мкм.;
4. диапазон вводимых оптических плотностей 0,1D – 3D;
5. количество уровней квантования оптических плотностей 256;
6. размер элемента растра 7,5мкм., 15мкм., 30мкм., 60мкм.;
7. время ввода полноразмерного фотоснимка
   при растре 7,5мкм. 1,5 часа;
   при растре 15мкм. 45мин.;
   при растре 30мкм. 25мин.;
   при растре 60мкм. 25мин.

Время ввода полноразмерного фотоснимка определяется скоростью цифрования изображения. В УВИ применён АЦП 1108 ПВ1, обладающий быстродействием 1Мбайт/сек.В качестве фоточувствительного устройства в сканере использована ПЗС-линейка SONY ILX506. Эта линейка имеет 5000 фоточувствительных элементов с размерами 7,5х7,5мкм. В рамках НИР "Сканер" были исследованы технические характеристики этой линейки, разработаны и испытаны схемы управления линейкой, усиления и преобразования сигнала. Эти схемы оформлены в виде компактного блока, устанавливаемого вместе с ПЗС-линейкой непосредственно на оптической системе сканера.

В настоящее время на отечественных генераторах устанавливаются аналоговые автоматические регуляторы, разработанные более 15-ти лет назад. Их устаревшая элементная база и концепция не удовлетворяют по техническим показателям современным требованиям.

В разрабатываемом цифровом автоматическом регуляторе возбуждения синхронного генератора осуществляется переход от чисто аналоговых методов к прямому цифровому регулированию, которое обеспечивает более гибкий подход к формированию законов автоматического регулирования, позволяет учесть большее количество факторов и обеспечить долговременную стабильность параметров регулятора.

Основой регулятора является мощная быстродействующая одноплатная микроЭВМ, которая позволяет осуществить не только эффективное регулирование возбуждения синхронного генератора, но и одновременно решить ряд сопутствующих задач:

• контроль функционирования регулятора в предпусковой период;
• контроль качества работы регулятора и его составных частей в процессе работы;
• ведение "журнала событий" – в специальном файле фиксируются привязанные к реальному времени факт пуска и останова генератора, срабатывания защит, переключения на резервные узлы и т.д.;
• автоматическая замена отказавших блоков;
• поддержка протоколов обмена информацией по АСУ ТП.

Одноплатная ЭВМ содержит процессор 586-133 Octagon Systems, флеш-диск с встроенным программатором, оперативную память, последовательные порты (2 шт.), параллельный порт, сторожевой таймер. ЭВМ имеет встроенную диагностику.

Для взаимодействия с системой возбуждения и обслуживающим персоналом к одноплатной ЭВМ подключено следующее оборудование:

• модуль сетевого адаптера ARCNET;
• модуль флеш-диска;
• модуль АЦП-ЦАП;
• модуль ввода-вывода цифровых сигналов;
• диспетчер;
• жидко кристаллический дисплей;
• клавиатура.

Цифровой регулятор возбуждения работает следующим образом. Аналоговые сигналы с датчиков токов и напряжений, установленных на генераторе и питающем регулятор трансформаторе, поступают на модуль АЦП, где преобразуются в цифровые данные. Данные обрабатываются по специальной программе и в результате на выходе процессора формируется шестиканальный импульсный сигнал фиксированной длины со сдвигом импульсов между каналами в 60 град. Эти импульсы усиливаются и через блок развязывающих трансформаторов подаются на управляющие электроды тиристоров трехфазного выпрямительного моста. Управление током возбуждения производится с помощью изменения угла между напряжением, питающим выпрямительный тиристорный мост, и сигналами, которые подаются на управляющие электроды тиристоров.

На одноплатную ЭВМ подаются также сигналы с соответствующих датчиков, обработка которых позволяет решать перечисленные выше сопутствующие задачи.

К настоящему времени разработан микропроцессорный контроллер и изготовлен макет силовой части устройства возбуждения и синхронного генератора.

Модификация контроллера использована для управления возбуждением синхронных двигателей средней мощности, используемых на нефтеперекачивающих станциях Урайского управления магистральных нефтепроводов.

В рамках темы работа велась по двум проектам.

В 1999 году по теме исследований проведен анализ используемых языковых средств и подходов к реализации инструментальной среды. Рассматривались различные инструментальные системы: Ultralogik, ISaGRAF, G2, Rose 98, применяемые как для программирования алгоритмов управления, так и для проектирования различных информационных систем, включая системы реального времени.

В качестве языка для проектирования систем реального времени выбран язык Unified Modeling Language(UML), который в 1997 году принят международной группой по объектно-ориентированным методологиям разработки ПО (Object Management Group) в качестве промышленного стандарта. Язык используется в системе Rose 98.

Объекты моделируемой системы представляются в языке в виде следующих типов диаграмм:

• диаграммы классов ( Class diagram );
• диаграммы сценариев ( Use Case diagram );
• последовательные диаграммы ( Sequence diagram );
• диаграммы сотрудничества ( Collaboration diagram );
• диаграммы деятельности ( Activity diagram );
• диаграммы состояний ( State diagram ).

Каждый тип диаграмм отражает определенный аспект или представление основной модели системы.

Диаграммы классов представляют собой вид статической структуры модели проектируемой системы. Модель описывает важнейшие абстракции системы (компоненты) и их связи. Диаграммы классов применяются для проектирования иерархической структуры объектов системы. Кроме атрибутивной и поведенческой структуры классов, диаграммы классов позволяют выделить связи и зависимости между классами и объектами системы.

Диаграммы сценариев применяются для анализа проблемной области и разработки функциональной структуры системы. Диаграммы сценариев представляют собой граф из агентов (actors), сценариев применений системы – use case и их отношения.

Диаграммы состояний описывают, какие состояния может иметь объект в течении своего жизненного цикла, поведение в этих состояниях и то, какие события вызывают смену состояний.

Последовательные диаграммы описывают взаимодействие объектов друг с другом. Основное внимание в этих диаграммах обращено на время. Они показывают последовательность, в которой посылаются и принимаются сообщения взаимодействующими объектами с целью выполнения какой-нибудь функции.

Диаграммы сотрудничества также описывают, как объекты взаимодействуют, но ориентированы на пространство. В этих диаграммах только указывается между какими объектами имеется связь. Диаграммы свободны от информации каким образом и в какие периоды времени взаимодействуют объекты.

Диаграммы деятельности используются для отображения совокупности действий, которые осуществляют объекты в процессе взаимодействия между собой, то есть они ориентированы на отображение работы. На диаграммах деятельности отображаются эти действия и их порядок выполнения.

Особенностью модели системы реального времени является необходимость спецификации времени выполнения операций, спецификации асинхронного выполнения событий, взаимодействия компонент, параллельного выполнения процессов и этапов синхронизации. Для этих целей хорошо подходят последовательные диаграммы и активные классы, реализующие параллельное выполнение действий активными объектами.

Разрабатываемая инструментальная среда состоит из следующих структурных компонент:

• графический интерфейс разработчика,
• средства просмотра проекта,
• средства управления проектом,
• репозиторий,
• средства сбора статистики и генерации документации,
• генератор кода,
• анализатор кода для восстановления модели

и позволяет построить объектно-ориентированную модель информационной системы, а после генерации кода получить заготовки текстов программ. В дальнейшем программистами дополняются тексты программ, превращая систему в программный продукт.

В 1999 году проводились работы по развитию разработанной ранее системы распределенного имитационного моделирования, работающей на локальной сети компьютеров под управлением операционной системы реального времени QNX.

Начата работа по переносу распределенной системы моделирования в другие операционные среды (Windows NT, Java) и на другие вычислительные платформы (параллельная машина RM600, установленная в конце 1999 года в ИВМ и МГ СО РАН).

Для этого в распределенной системе моделирования был реализован алгоритм распределенной имитации с виртуальным временем, обеспечивающий децентрализованную схему синхронизации модельных процессов и облегчающий переход на параллельную реализацию.

Была проведена декомпозиция системы с выделением ядра, зависящего от операционной системы, и переносимой в другие операционные среды оболочкой.

Кроме разработки переносимой системы моделирования проводилась разработка конкретных математических и имитационных моделей производственных процессов.

Одной из таких моделей является прототипная модель процесса обслуживания железнодорожных составов на некоторой станции. Целью моделирования является поддержка принятия решений по увеличению надежности и эффективности управления приоритетного обслуживания составов. Другой моделью является математическая модель первичного водо-парового тракта котла энергоблока.

Okol'nishnikov V.V., Rudometov S.W. Distributed simulation system integrated into control system. // Proc. of 13h European Simulation Multiconference. -Warsaw, Poland.– June 1999.– 3 p.

Окольнишников В.В. Визуально-интерактивная система моделирования производственных процессов. // Материалы региональной научно-практической конференции "Транссиб 99".– Новосибирск.– 1999.– 3 с.

Пищик Б.Н Инструментальная среда разработки систем реального времени на основе языка UML // Тезисы региональной научно-практической конференции "Транссиб-99".– 1999.– ISBN 5-93461-001-5.– Новосибирск.– С. 133.

Пищик Б.Н, Вельтмандер П.В. Проблемы безопасности распределенных информационных систем // Материалы региональной научно-практической конференции "Транссиб-99".– ISBN 5-93461-006-6.– 1999.– Новосибирск.– С. 262-263

Валиулин Р. В., Колодин И. А. Система архивирования истории работы энергоблока. // Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция МНСК-99 "Интеллектуальный потенциал Сибири" по направлению "Современные проблемы технических наук".– Новосибирск.– 18-19 мая 1999.– 2с.

Журавлев И. В. Человеко-машинный интерфейс в информационно-управляющих системах. // Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция МНСК-99 "Интеллектуальный потенциал Сибири" по направлению "Современные проблемы технических наук".– Новосибирск.– 18-19 мая 1999.– 2с.

Лукьянов К. В. Система непрерывного мониторинга АСУ ТП. // Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция МНСК-99 "Интеллектуальный потенциал Сибири" по направлению "Современные проблемы технических наук".– Новосибирск.– 18-19 мая 1999.– 2с.

Парталов М. Н., Шевцов А. С. Система коммерческого учета теплоэнергоносителей. // Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция МНСК-99 "Интеллектуальный потенциал Сибири" по направлению "Современные проблемы технических наук".– Новосибирск.– 18-19 мая 1999.– 2 с.

Парталов М. Н., Шевцов А. С. Система управления и конфигурирования АСУ ТП энергоблока. // Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция МНСК-99 "Интеллектуальный потенциал Сибири" по направлению "Современные проблемы технических наук".– Новосибирск.– 18-19 мая 1999.– 2 с.

Далее