Software Design for Energy-Efficient Mechatronic Devices with Intelligent Control Systems

Ivanov Maksim Anatolyevich PhD in Technical Science head of the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 323 ivanovma@tpu.ru Savelyev Aleksei Olegovich PhD in Technical Science assistant at the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 205 sava@tpu.ru

Saklakov Vasiliy Mihaylovich post-graduate student of the Department of Software Engineering at National Research Tomsk Polytechnic University 634034, Russia, Tomsk Region, Tomsk, str. Sovetskaya, 84/3, of. 201 romanov_ky@mail.ru

Введение

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

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

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

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

· Интеллектуальных приводов роботов и манипуляторов.

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

Основная часть

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

Рисунок 1 – Схема работы программного обеспечения комплексом мехатронных устройств

Программное обеспечение блока управления

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

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

· Журнал событий.

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

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

Функции управляющей программы ПО БУ реализуются следующими процедурами программы:

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

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

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

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

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

6. Контроль состояния и управление КМУ.

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

Сервисное программое обеспечение

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

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

2. Модуль визуализации. Предназначен для:

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

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

· визуализации журнала событий.

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

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

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

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

· список подключенных устройств;

· информация о координатах устройств;

· уровень доступа пользователя к текущему устройству;

· уровень заряда МСЭ;

· уровень заряда МСЭ за определенный промежуток времени.

Рисунок 2 – Экран дерева устройств

Концептуальная и логическая модели базы данных СПО

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

Были выделены следующие основные сущности (информационные объекты):

Устройство – сущность, описывающая основные характеристики наблюдаемого устройства.

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

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

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

Рисунок 3 – Концептуальная схема данных СПО

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

Рисунок 4 – Логическая схема данных СПО

Таблица 1 – Характеристика атрибутов сущностей базы данных СПО

Разработанная система позволит пользователю:

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

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

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

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

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

Вывод

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

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