ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

НГУЕН ВАН ШАНГ

УДК 684. 314. 621

МЕТОДИ І ЗАСОБИ

АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЕКТУВАННЯ

СУДНОВОГО ЕЛЕКТРОУСТАТКУВАННЯ

05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Рябенький Володимир Михайлович,

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова, завідувач кафедри

теоретичної електротехніки та електронних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Щерба Анатолій Андрійович,

Інститут електродинаміки НАН України, завідувач

відділу електроживлення технологічних систем;

доктор технічних наук, професор

Кривуля Геннадій Федорович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, завідувач кафедри автоматизації

проектування обчислювальної техніки.

Провідна установа – Національний технічний університет “ХПІ”

(кафедра автоматизованих систем управлiння)

Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 23 ” травня 2006 р.  о  .30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д  .052.02 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ _21__ ” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Безкоровайний В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значне скорочення терміну побудови сучасних суден висуває нові вимоги до терміну і якості підготовки конструкторської документації (КД) на нестандартне суднове електроустаткування. Насичення суден засобами автоматики, прагнення до підвищення ефективності використання суден висувають високі вимоги до масо-габаритних показників устаткування, що експлуатується. До такого устаткування належать в першу чергу електророзподільні пристрої й пуско-регулююча апаратура, які розробляються на останньому етапі проектування суден. Їх внутрішній вміст, компонування, масо-габаритні показники цілком визначаються мистецтвом конструктора, а швидкість розробки й виготовлення істотно впливають на термін виконання електромонтажу устаткування, його налагодження й здачі замовникові. Завдання проектування нестандартного електроустаткування, як і підготовки креслень, фактично не формалізовані й тому потребують великого обсягу часу, а низький рівень його уніфікації й стандартизації призводить до затягування термінів виготовлення й налагодження.

Незважаючи на інтенсивне впровадження комп’ютерної техніки для рішення завдань проектування й конструювання електротехнічних виробів, а також суден і суднових механізмів, більшість задач цього характеру вирішується вручну на основі досвіду конструкторів, їхньої інтуїції. Тому на підготовку КД витрачається багато робочого часу, що підвищує вартість проектів і знижує їхню якість. Отже, завдання автоматизації проектних робіт, уніфікації нестандартного устаткування є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація містить результати досліджень відповідно до державної програми “Програма розвитку океанської економіки й будівництва суден В’єтнаму”, у рамках науково-дослідної роботи “Створення систем автоматизованого проектування сучасних суден В’єтнаму”, що передбачає проектування й будівництво значної групи суден різного призначення (суховантажів, контейнеровозів, швидкохідних катерів і т. ін.) Дисертаційна робота є складовою частиною вищевказаних програм і відповідає напрямкам досліджень державної компанії “HІТАКО” В’єтнаму, в яких автор брав участь як виконавець. Тема дисертації рекомендована компанією в листі про напрямок дослідження здобувача.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методів формалізації й алгоритмізації конструкторських робіт і розробка алгоритмів автоматизації проектування нестандартного електротехнічного устаткування.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:–

аналіз та уточнення методів розрахунку струмів короткого замикання (КЗ) в суднових електростанціях, пошук критичних значень струмів КЗ й шляхів їх зниження з метою мінімізації вартісних показників покупних виробів;–

розробка математичних моделей і моделювання аварійних та динамічних режимів у суднових електростанціях з метою виявлення й усунення критичних значень струмів КЗ, а також визначення струмо-часових характеристик вмикання потужних навантажень;–

розробка алгоритмів і діалогових програмних засобів для автоматизації розрахунку струмів КЗ й вибору класів автоматичних вимикачів;–

розробка методології оцінки впливу динамічних режимів СЕЕС на роботу систем автоматики й заходів щодо їхнього зниження;–

структуризація та формалізація технічної документації й технічних завдань (ТЗ) для автоматизації обробки на ЕОМ;–

розробка алгоритмів підготовки електротехнічних креслень для типових виробів. Розробка алгоритмів підготовки КД й програм для автоматичного проектування й конструювання електротехнічних виробів;–

розробка алгоритмів оптимізації розміщення устаткування в секціях електророзподільних пристроїв за мінімумом втрат електроенергії;–

розробка методології розміщення електророзподільних пристроїв (ЕРП) в машинному відділенні судна з метою мінімізації вартісних показників установленого електроустаткування.

Об’єктом дослідження є суднові електростанції й нестандартне електротехнічне устаткування, включаючи головні розподільні щити суднових електроенергетичних систем 380 В, 50 Гц, потужністю не більше 2000 кВт – відповідно до умов В’єтнаму.

Предмет дослідження – способи автоматизації проектування й розробки КД нестандартного суднового електротехнічного устаткування з мінімальними техніко-економічними й масо-габаритними показниками.

Методи дослідження. Використання методів системного аналізу й методів декомпозиції для формалізації й алгоритмізації ТЗ на проектування нестандартного електротехнічного устаткування. Моделювання в Matlab – Simulink аварійних режимів суднової електростанції й пошук критичних значень струмів КЗ. Матричні методи розв’язання систем диференціальних рівнянь. Розвиток внутрішніх програмних засобів у середовищі базових програмних продуктів підготовки КД на базі AutoLisp, Excel, Basic, створення гнучкої системи взаємодії між різними програмними продуктами через Visual Basic for Application (VBA), що відкриває нові дуже перспективні напрямки розв’язання завдань автоматизації конструкторської підготовки виробництва.

Наукові результати і їхня новизна. У результаті проведених досліджень були отримані наступні наукові результати:

1. Вперше розроблена методологія точного розрахунку струмів КЗ у СЕЕС з контролем критичних значень, на основі якої створені діалогові програмні засоби розрахунку струмів КЗ і видачі рекомендацій з їхнього раціонального зниження.

2. Модифікована модель СЕЕС, що дозволяє не тільки розраховувати величини струмів КЗ у різних точках СЕЕС, оцінювати заходи для їхнього зниження, але й визначати характер протікання перехідних процесів, що відкриває можливість на стадії проектування вибирати типи електромагнітних розщіплювачів комутаційної апаратури.

3. Вперше досліджені фізичні процеси впливу динамічних режимів СЕЕС на системи керування й автоматики. Вивчено природу генерування наведених завад в інформаційних кабелях у кабельних трасах від силових кабелів, що комутують, і розроблені рекомендації конструктивного характеру щодо їх усунення.

4. Вперше поставлена задача оптимізації розміщення устаткування в ЕРП та розроблений алгоритм її розв’язання, що дозволило зменшити на 10–20% теплові втрати на шинах головних розподільних щитів (ГРЩ) та покращити температурний режим обладнання;

5. Модифіковані оптимізаційні задачі з розміщення ЕРП і конфігурації мережі в машинному відділенні судна, а створені відповідні програми дозволяють на 10–15% зменшити загальні габарити електроустаткування і втрати електроенергії в судовій мережі.

Практична цінність отриманих результатів. На основі виконаних теоретичних досліджень розроблені програмні засоби, що дозволяють швидко і якісно підготовляти комплекти КД (аж до робочих креслень) для нестандартного суднового електроустаткування, вибирати з високою точністю й мінімальною вартістю необхідні комплектуючі, у лічені години підготовляти комерційні пропозиції для участі в конкурсі на постачання електроустаткування. Розроблена методологія й алгоритми підготовки КД можуть бути застосовані для задач архітектури, будівництва, у виробництві меблів та інших галузях з розвиненою системою підготовки КД.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача такий: сформульовані і формалізовані основні напрями і задачі автоматизації підготовки креслень електротехнічного обладнання та розробки відповідних баз даних [1]; розроблений алгоритм і універсальні програми для розрахунку струмів короткого замикання (КЗ) в СЕЕС з контролем критичних значень струмів КЗ [2]; на основі розробленої моделі СЕЕС в Мatlab створена методологія визначення струмо-часових залежностей струмів короткого замикання і пускових струмів для вибору відповідних параметрів комутаційної апаратури [3]; формалізовані структури електророзподільчих пристроїв та їх базові схеми; розроблені алгоритми та програми, що дозволяють в середовищі ACAD створювати принципові електричні схеми та супроводжуючі документи на основі переліку комплектації, що задається EXCEL-таблицями [4]; виконаний короткий аналіз САПР суднового електрообладнання; розроблена методологія структуризації технічного завдання та сформульовані задачі, які необхідно розв’язати розробнику САПР для автоматизації проектування суднового електрообладнання [5]; розроблена методологія підготовки креслень та конструкторської документації; виконано детальне обґрунтування вимог до креслень суднових ЕПР [6];

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення й результати дисертації доповідалися й одержали позитивну оцінку на: V, VI та VII науково-практичних міжнародних конференціях "Інформаційні технології в освіті та керуванні" (м. Нова Каховка, 2003–2005 р.р.); I та II "Міжнародних науково-технічних конференціях студентів, аспірантів і молодих наукових робітників" Інституту автоматики і електротехніки (ІАЕ) Національного університету кораблебудування (НУК), (м. Миколаїв, 2004–2005 р.р.); розширеному науково-технічному семінарі кафедри "Теоретичної електротехніки й електронних систем" (ТЕЕС) ІАЕ НУК, (м. Миколаїв, 2005 р.); розширеному науково-технічному семінарі кафедри "Автоматизації проектування обчислювальної техніки" (АПОТ) ХНУРЕ, (м. Харків, 2005 р.).

Публікації. Основні результати виконаної роботи відображені в 6-ти наукових працях, опублікованих у фахових виданнях, що входять до переліків, затверджених ВАК України [1–6], та в 2 матеріалах конференцій [7,8].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та трьох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 203 сторінки, з них 167 сторінок основного матеріалу, 70 рисунків, 15 таблиць, список використаних джерел зі 145 найменувань на 12 сторінках та 3 додатки на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається стан наукового завдання, обґрунтована актуальність теми, теоретичне й практичне значення дисертації, сформульовані мета й основні завдання досліджень, показана наукова новизна роботи.

У першому розділі виконано аналіз існуючих САПР, орієнтованих на проектування систем електротехнічного спрямування. Показано, що існуючі системи практично мало відображають властивості й особливості суднової електроенергетики, що і призводить до необхідності створення спеціалізованої САПР, але яка б використовувала всі основні досягнення науки та інженерії цього напряму. Показано, що СЕЕС є також складною системою (рис.1), і її вивчення і проектування повинні виконуватись на основі системного підходу.

Рис. 1. Схема силової частини СЕЕС

На основі порівняння систем САПР і СЕЕС (рис. 2) сформульовані основні підсистеми САПР для проектування суднового електрообладнання, що забезпечує вимоги цільової функції. Цільовою функцією СЕЕС є забезпечення споживачів електроенергією із заданими енергетичними показниками (коефіцієнт корисної дії, Pi, Qi, Si, Ui, Ii, fi, CosФi, величини активної, реактивної та повної потужностей і т. ін.), якісними показниками електроенергії (коливання напруги, частоти, коефіцієнт гармонік, коефіцієнт несиметрії – в межах, встановлених стандартами) та надійністю (потужність резерву, час підключення резерву, потужність аварійної електростанції, інтенсивність відмовлень та ін.).

Рис. 2. Схема керування й автоматики

У розділі виконано порівняльний аналіз методів розрахунку аварійних режимів і встановлено, що вони не відповідають сучасним вимогам точності і гнучкості в корекції допустимих значень струмів КЗ. Сформульовані необхідні вимоги та умови їх виконання.

Другий розділ присвячений розробці підсистеми розрахунку струмів в СЕЕС, що мають місце в аварійних режимах та режимах комутації потужних споживачів, а також вибору шинопроводів ГРЩ і комутаційної апаратури.

На основі аналізу ряду СЕЕС малої та середньої потужності для суден загального призначення встановлено, що вони мають близьку архітектуру. Це дозволило розробити узагальнену схему заміщення СЕЕС і на її основі розробити єдину розрахункову схему для обчислення струмів КЗ. На основі розрахункової схеми був створений алгоритм розрахунку струмів КЗ для широкого ряду СЕЕС. На рис. 3 наведена укрупнена структурна схема, що пояснює послідовність роботи з алгоритмом. Оскільки розроблений алгоритм значно підвищує швидкість виконання розрахунків після вводу основних даних, його використання дозволило значно збільшити кількість контрольованих точок схеми СЕЕС і підвищити точність вибору комутаційної апаратури. Оскільки вартість комутаційної апаратури суттєво залежить від ударних струмів КЗ, на які вона розрахована (рис. ), то в алгоритмі передбачено порівняння розрахованих значень струмів зі струмами, на які розраховується комутаційна апаратура (критичні значення), і повідомлення проектанта про необхідність вжиття заходів щодо їх зниження.

Рис. 3. Алгоритми розрахунку аварійних режимів СЕЕС

Рис. 4. Співвідношення вартостей комутаційної апаратури і струмів КЗ

На основі пакету MATLAB–Simulink – розроблена підсистема моделювання, що містить в собі математичну модель узагальненої схеми СЕЕС. Вона дозволяє не тільки виконувати перевірку розрахункових значень струмів КЗ, перевіряти заходи щодо їх зниження до величин, менших за критичні значення, а й визначати характер струмо-часових характеристик комутаційної апаратури при пуску потужних навантажувачів.

Останнє дозволяє на стадії проектування орієнтуватись проектанту на електромагнітні розщіплювачі низької вартості, а не на дорогі електронні. Ще одна важлива задача розв’язується шляхом моделювання – це визначення поведінки захисної апаратури при КЗ в СЕЕС з неповною кількістю працюючих генераторів і асинхронних навантажень, коли струми КЗ можуть не відключатись комутаційною апаратурою. Моделювання таких режимів відкриває можливість на стадії проектування видати рекомендації щодо вибору уставок параметрів розщіплювачів, в той час, як це робиться на стадії натурних випробовувань. Це дозволяє зменшити витрати і час на налагодження СЕЕС.

У розділі проведені дослідження і розроблена підсистема, що призначена для виявлення і усунення завад в кабелях систем автоматики, що наводяться у кабельних трасах від силових кабелів в аварійних режимах. Досліджені фізичні явища, що супроводжують появу завад в екранованих інформаційних кабелях, та розроблені рекомендації, що дозволяють усунути можливості появи таких проблем як на стадії проектування, так і на стадії виконання електромонтажних робіт. До цього часу такі проблеми розв’язувались лише на стадії натурних випробовувань функціонування СЕЕС.

Третій розділ присвячений розробці методології автоматизації підготовки креслень електричних схем суднових ЕПР а також їх конструкцій.

Для розв’язання поставленої задачі спочатку була сформульована і розв’язана задача формалізації та структуризації ТЗ, що отримує виконавець у вигляді текстового документу. Це дало можливість формалізувати креслення електричних схем і привести їх до типових підсхем з урахуванням необхідної надмірності введеної інформації, що необхідна для перевірки і усунення помилок при підготовці КД. Такий підхід забезпечує на різних етапах розробки і використання документації взаємну перевірку даних, що використовуються, і можливість автоматично їх виправляти. Та визначитися з обмеженою кількістю модулів блоків та примітивів, що можуть бути створені в ACAD, та зберігати в його бібліотеці.

Методологія автоматичної підготовки креслень електричних схем будується на основі використання AutoLisp – мови програмування, вбудованої в ACAD, а також VBA (Visual Basic for Application), що дає можливість на його основі будувати програми взаємодії між програмами різного призначення. В задачах автоматизації підготовки креслень VBA використовується для реалізації доступу до даних, що зберігаються в форматі MS Excel, тобто частина програми, що написана в VBA, буде відкривати зазначений файл з розширенням xls, вибирати з нього необхідні дані і записувати їх у файл, поданий у текстовому форматі.

Програма, що написана на Lisp, після цього буде мати вільний доступ до цих даних, буде заносити їх у списки для кожного типу даних, створювати власний список, у результаті створюється вільний простір для маніпуляції цими даними. Загальна схема реалізації взаємодії наведена на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема організації двонаправленого зв’язку для передачі даних

Для розв’язку цієї задачі, по-перше, необхідно внести зміни в програму рисування елемента. Ці зміни в першу чергу пов’язані з необхідністю контролю точки вставки деталей, а також з необхідністю їхньої послідовної нумерації. Програма виводу деталі на екран перед своїм завершенням повинна вносити кожну точку вставки в Тимчасову Базу Даних (ТБД). ТБД являє собою звичайний текстовий файл, що існує тільки протягом роботи AutoCAD. Для того, щоб цей файл з’являвся при старті графічного пакета, необхідно написати програму ініціалізації ТБД і вставити її в блок автоматичного завантаження. Програму-Деструктор для знищення ТБД найкраще вставити в команду виходу AutoCAD. Пошук в таблиці елемента організовується спеціальною програмою, що викликає користувач для введення параметрів. Дана програма повинна запропонувати вибір деталей, дані про які потрібно ввести. Після одержання координат обраної на екрані точки відбувається пошук елементів в ТБД і, у випадку збігу введених координат в таблиці, видається запит на введення параметрів. Таким чином, програма визначає деталь, з якою працює користувач. Далі необхідні дані про елемент відправляються в Основну Базу Даних (ОБД), що являє собою файл даних в будь-якому дозволеному форматі. Створений таким способом файл може бути завантажений у відповідну до його формату програму баз даних для перегляду або редагування.

Отримані результати є вихідними для подальшого проектування ЕРП, щитів керування, автоматики, пультів керування й іншого суднового електротехнічного устаткування.

Алгоритм програми побудови принципової схеми ЕРП. Конструктори ЕРП одержують найбільш загальні параметри електроустаткування у вигляді ТЗ на проектування. Конструктор виконує структуризацію ТЗ, в результаті чого формуються групи секцій головного розподільного щита й допоміжне щитове устаткування у вигляді таблиць MS Excel, у яких для кожного споживача наводиться його назва й потужність. Як допоміжна дається інформація про необхідність і характер використання комутаційних апаратур у системі суднової автоматики.

Ця таблиця заповнюється конструктором такою інформацією, як номінальні струми, які пропускають комутаційні апаратури, припустимі величини пускових струмів, а іноді й типи струмо-часових характеристик автоматичних вимикачів. Задаються також допоміжні елементи – додаткові групи контактів для систем автоматики і їхні типи, котушки дистанційного включення-відключення й т. ін. Під час проектування ЕРП необхідно знати кількість, типи й перетини кабелів, які підключаються до ЕРП.

Приклад остаточної таблиці MS Excel для ЕРП з автоматичними вимикачами наведений у табл. 1.

Таблиця 1

Характеристики споживачів

№ | Найменування споживача | Потужність

P(kW) | Довжина кабелю (м) | ?U

(%) | Наявність допоміжних елементів | Iп/IН

UR | SR

1 | Споживач №1 | 19 | 15 | 5 | 0 | 1 | 8

2 | Споживач №2 | 15 | 21 | 4 | 1 | 1 | 7.5

3 | Споживач №3 | 38 | 14 | 6 | 0 | 0 | 6

4 | Споживач №4 | 12 | 10 | 4 | 1 | 0 | 8.5

5 | Споживач №5 | 10 | 14 | 6 | 1 | 1 | 6

6 | Споживач №6 | 9 | 4 | 3 | 0 | 1 | 7

У таблиці наведені: номер по порядку споживача; найменування споживача; номінальна потужність споживача; довжина кабелю; величина втрати напруги; кратність пускового струму; UR, SR – скорочені назви допоміжних елементів автоматичного вимикача відповідно до каталогів.

Ця таблиця заповнюється конструктором такою інформацією як число споживачів, потужності, довжина кабелю, максимальні втрати напруги, наявність допоміжних елементів. кратність пускового струму.

VBA-програма визначає відповідні графічні зображення елементів устаткування й автоматично виводить їх у поле креслення на одному або кількох аркушах.

Якщо кількість споживачів не більше 6 елементів, то наведені результати будуть на одному аркуші, в іншому випадку будуть створені додаткові шари (аркуші), які можна активувати за допомогою інструмента вибору шарів. Кожен шар буде містити 6 елементів.

UR, SR – скорочені назви допоміжних елементів автоматичного вимикача згідно з каталогами. Якщо UR=1/0, автоматичний вимикач із контакторами / без контактора. Якщо SR=1/0, автоматичний вимикач із дистанційними котушками / без дистанційних котушок.

Номер фідера QF й F на кресленнях має автоматичну нумерацію й проставлення умовних позначок на елементах схеми.

Деталі (котушка, контактор, автоматичний вимикач, номер фідера, рамка й т.п.) містяться у бібліотеці в AutoCAD.

За заданими параметрами споживачів (потужність, довжина кабелю, напруга, cosц) розраховується номінальний струм і вибираються з бази даних необхідні кабелі за їх перетином (Smm2).

Для створення креслення необхідно запустити AutoCad, а потім як виклик функції завантажити створений файл. Для перегляду креслень потрібно запустити AutoCad, далі у Visual LISP Editor відкрити згенеровані файли креслень. Після проробленого AutoLisp накреслити обране креслення у вікні AutoCad.

У вікнах QN розміщується необхідна інформація для вибору типу автоматичних вимикачів (Тип), вказівки струму силових контактів (In), номінальний струм споживачів і величина пускового струму (Ir: Im), які встановлюються при налагодженні устаткування. У вікнах FN розміщується необхідна інформація для вибору типу кабелю S (мм2) і L (м).

Рішення оптимізаційних задач під час виконання конструкторських розробок розподільних силових щитів. ЕРП на судні працюють в напружених кліматичних умовах. З метою забезпечення живучості вони повинні мати водозахищене виконання, тому при їх проектуванні необхідно розв’язувати задачі мінімізації виділення тепла. Ця задача розв’язується шляхом оптимізації тепловиділяючих елементів шин, з’єднуючих провідників, контактних з’єднань і т. ін. Розглянемо завдання оптимізації схеми на основі зазначеного критерію з обмеженнями на дефіцитні ресурси електричного ланцюга, у якості яких виступають сполучні проведення й шини з підвищеним вмістом міді.

Рис. 6. Результат програми побудови принципової схеми

Цільова функція моделі являє собою мінімум сумарних наведених витрат на теплові втрати для всього списку варіантів сполучних схем

;

– за обмежень на дефіцитні ресурси виду

; ;–

припустимо, що один з варіантів схеми з’єднань обов’язково увійде в план

, ;

– задамо позитивності витратам, виділеним на теплову енергію

; ; ,

де: – номер обмеження по дефіцитним ресурсам, віднесеним на віддачу теплової енергії ( ), – число струмоведучих з’єднань, – номер варіанта схеми з’єднань -го об’єкта (щита) ( ; ). – число варіантів схем з’єднань -го об’єкта, – коефіцієнти матриці витрат дефіцитних ресурсів віднесених на теплову енергію ( ), – кількість -го дефіцитного ресурсу, виділеного для побудови сполучної схеми ( ), – наведені витрати на втрати теплової енергії для -го варіанта з’єднання -го об’єкта.

Розглянута модель являє собою цілісне завдання лінійного програмування з булевими змінними. У ряді випадків розглянуті завдання доцільно об’єднати в одне багатокритеріальне завдання лінійного програмування. У нашому випадку це два критерії (і ), які можна представити вихідною табличною моделлю (табл. 2).

Таблиця 2

Таблична модель

Критерії

Альтернативи | С1 | С2

r1 | x11 | x12

r2 | x21 | x22

…... | …... | …...

rk | хk1 | хk2

На перетині -го рядка та -го стовпця записана оцінка альтернативи за критерієм Сj. Така форма подання моделі вибору називається критеріальною таблицею. Як альтернативи тут виступають варіанти сполучних схем. Рішенням даного завдання може бути об’єднання двох критеріїв за допомогою вагових коефіцієнтів важливості критеріїв. Ця процедура називається лінійною згорткою і має такий вигляд:

; ; ,

де – глобальний (узагальнений) критерій, – приватні критерії ( ), – вага (коефіцієнти можливості) критерію

Ідея такого об’єднання полягає в тому, що особа, яка приймає рішення, призначає числа, що становлять цінність для розглянутого критерію.

Рішення оптимізаційних завдань під час проектування суднових електричних мереж. Мережі розподілу, на відміну від схем головного струму, до ГРЩ є значно більше розгалуженими, використовують широкий спектр номенклатури електроустаткування й вимагають набагато більшої кількості розрахунків для визначення параметрів обраних елементів, вибору конфігурацій й елементів розподільних пристроїв. Тому мережі розподілу являють собою найбільш доцільний об’єкт автоматизації при проектуванні. В основі існуючих методів автоматизації лежать оптимізуючі алгоритми збору, передачі, аналізу й інтерпретації даних, електротехнічних розрахунків, формування структури розподільної мережі, вибору й розміщення електроустаткування. У цьому завданні пропонується автоматизований метод розв’язку задачі визначення кількості, типу й раціонального розміщення щитів у приміщеннях і їхнього насичення автоматичними вимикачами. Метод відрізняється від відомих і застосовується з урахуванням специфіки до вимог масо-габаритних характеристик всієї системи розподілу електроенергії.

За номенклатурою обраних ПЗА (пускозахисної апаратури) насамперед визначається мінімально необхідна кількість комутаційних апаратів , де й – кількість споживачів, що вимагають однобортного й двобортного електроживлення відповідно. Отримана кількість вимикачів збільшується пропорційно коефіцієнту запасу, що враховує можливе збільшення потреб у вимикачах на різних стадіях проектування, а також у період експлуатації при можливих у майбутньому модернізаціях об’єкта. У такий спосіб вибирається раціональна кількість резервних автоматичних вимикачів у схемі силової електроенергетичної мережі.

На наступному етапі для кожної зони установки електроустаткування визначаються її граничні габарити. Для великих суден показником, що лімітує, є площа встановленого устаткування. Для об'єктів малої водотоннажності обмеження накладаються й на обсяг елементів розподільної мережі. Для кожного місця установки можна описати максимальну область , що обмежує розміри електроустаткування:

,

де – відповідно гранична довжина, ширина й висота області .

Кожна область має свої координати. Її геометричний центр має координати , які визначають місцезнаходження кожного j-го споживача .

Першим критерієм структури розподільної мережі формованої САПР є обрана сумарна довжина кабелю, а умовою оптимальної структури є мінімізація цієї довжини. Для досягнення цієї умови необхідно прагнути до зменшення довжини кожної ділянки мережі від j-го споживача до його живильного i-го ЕРП. Сумарна довжина визначається таким способом:

.

Кожен резервний фідер забезпечується електроживленням за тієї ж умови, але з обмеженням, що враховує обов’язкове розміщення відповідного ЕРП на протилежному борті стосовно основного:

,

де – координати розміщення кожного ЕРП, що забезпечує основне й резервне живлення споживача.

Як видно з цієї умови, для виконання завжди необхідно, щоб координати по осі У основного й резервного електроустаткування були з протилежними знаками, що характеризує їхню приналежність до правого або лівого борту.

Аналіз масо-габаритних характеристик типових ЕРП, типів і кількості вбудованих у них ПЗА, струмових характеристик дозволяє зробити висновок, що підключення кожного споживача до клем автоматичного вимикача вимагає приблизно рівних для кожного типу вимикача витрат простору в ЕРП.

Для кількісної оцінки витрат введемо коефіцієнт заповнення, що характеризує відносні витрати простору для забезпечення електроживленням споживачів:

ф .

Наступною умовою оптимізації структури мережі є рівномірне відносне заповнення областей розміщення електроустаткування. Для оцінки повноти заповнення виділеного простору визначається відносний обсяг електроустаткування , тобто сумарний обсяг розміщених ЕРП, що наведений до максимальних обсягів кожної області

,

де – сумарний обсяг розміщених ЕРП; – максимальний обсяг області G.

Для тих областей, де > 1 , спостерігається нестача місця для установки електроустаткування, де < 1 – надлишок. На цьому етапі оптимізації відбувається вирівнювання заповнення виділених областей, тобто перерозподіл зв'язків споживача – ЕРП за принципом рівності всіх . Для цього зі схеми розподілу електроенергії виключаються кабельні зв’язки споживачів, що одержують живлення з областей з > 1.

У четвертому розділі описана САПР– ЕРП, що розроблена автором на основі викладених вище досліджень, зроблений опис його можливостей і послідовності використання, а також наведені приклади апробації розроблених засобів математичного та програмного забезпечення для розв’язання конкретних практичних задач.

У процесі САПР ЕРП можна виділити кілька основних етапів. Поділ основного процесу проектування на етапи, а отже на окремі, але взаємозв’язані програми супроводжується незручностями, пов’язаними з тим, що користувачеві необхідно знаходити потрібну програму на певному етапі. Щоб уникнути цих незручностей, була розроблена програма, що дозволяє зв’язати всі етапи основного процесу проектування й дати можливість швидкого вибору потрібної програми на потрібному етапі. Основні характеристики САПР-ЕРП відображені на рис. 7:

Рис. 7. Основні характеристики САПР–ЕРП

1– а) Розрахувати струми КЗ у відповідності до вимог сертифікації (Регістр, Det-Norske-Venitas, Lloid...). Розрахунки виконати у всіх точках, що задаються конструктором і порівнюються з найближчими критичними значеннями для відповідних типів автоматичних вимикачів. Результати передаються в підсистему моделювання 2 і підсистему 3.

– б) Для гілок електричних схем, струми КЗ в яких близькі до критичних, розробляються заходи по зниженню величин струму в КЗ (встановлюються допоміжні реактори, збільшується довжина кабелю, переноситься розташування автоматичних вимикачів). Після вжитих заходів всі дані передаються в підсистему 3.

2 – а) Перевіряються струми, близькі до критичного, й розробляються заходи для їх зниження нижче критичних. У випадку, якщо вжитих заходів по їх зниженню недостатню, вводиться коректування даних для підсистеми 3;

– б) Перевіряються пускові струми й визначаються залежності In(t) ( струмо-часові характеристики), а результати передаються в підсистему 3, також готуються рекомендації для бригади наладчиків (упорядників);

– в) Моделюються величини наведених імпульсних ЕРП і розробляються, у разі потреби, рекомендації електромонтажним бригадам по розміщенню інформаційних кабелів.

3 – а) Розраховуються перетини кабелів, що відходять від комутаційної апаратури. Результати передаються для використання в підсистему 4;

– б) Розраховуються номінальні струми комутаційної апаратури й вибирається відповідне устаткування;

– в) формується специфікація устаткування й відомості замовлення.

4) Розробляється схема розміщення устаткування й вирішуються завдання оптимізації розміщення виходячи з мінімальних витрат на кабель. Визначаються довжини кабелів, після чого виконується повторний огляд і 1–3.

5) Виконуються конструкторські роботи з проектування допоміжних ЕРП і секцій ГРЩ.

Розроблена програма для підготовки КД корпусів ЕРП. Загальна схема реалізації взаємодії блоків наведена на рис. 8.

Рис. 8. Блок-схема організації взаємодії програм

Розроблена програма за 2–5 хвилин готує робочі креслення, специфікацію до них і на замовлення відомість, тобто виконується робота, що може бути виконана конструктором за робочий день.

Нижче наведені деякі результати, отримані при виконанні програми за різними відібраними варіантами. Ці результати відображені на рис. 9.

У додатках наведені програми розрахунку струмів КЗ у відповідності до вимог міжнародного технічного стандарту, аналіз алгоритмів пошуку оптимуму, формули для отримання результатів, акти про впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуальної задачі – створенню САПР для автоматизації проектних робіт, що орієнтована на використання їх невеликими проектними групами. Як показує багаторічна практика проектування нестандартного електроустаткування й підготовки креслень, через низький рівень його уніфікації й стандартизації часто затягуються терміни виготовлення й налагодження. Тому завдання автоматизації проектування електророзподільних пристроїв та підготовки КД є актуальними.

Головні наукові й практичні результати роботи. У результаті проведених досліджень були отримані наступні результати:

1. Вперше розроблена методологія точного розрахунку струмів КЗ у СЕЕС із контролем критичних значень, на основі якої створені діалогові програмні засоби розрахунку струмів КЗ і видачі рекомендацій з їхнього раціонального зниження.

2. Модифікована модель СЕЕС, що дозволяє не тільки розраховувати величини струмів КЗ у різних точках СЕЕС та оцінювати заходи для їхнього зниження, але й визначати характер протікання перехідних процесів, що відкриває можливість на стадії проектування вибирати типи електромагнітних розщіплювачів комутаційної апаратури.

3. Вперше досліджені фізичні процеси впливу динамічних режимів СЕЕС на системи керування й автоматики. Вивчена природа генерування наведених завад в інформаційних кабелях у кабельних трасах від силових кабелів, що комутують, і розроблені рекомендації конструктивного характеру по їх усуненню.

4. Вперше поставлене задача оптимізації розміщення устаткування в ЕРП та розроблений алгоритм їх розв’язання, що дозволило зменшити на 10–20% теплові втрати на шинах ГРЩ та покращити температурний режим обладнання;

5. Модифікований алгоритм розв’язання оптимізаційних задач з розміщення ЕРП і конфігурації мережі в машинному відділенні судна, а створені відповідні програми дозволяють на 10–15% зменшити загальні габарити електроустаткування і втрати електроенергії в судовій мережі.

Достовірність наукових, практичних результатів і висновків дисертаційної роботи забезпечується коректною постановкою задачі, використанням для її розв'язку апарату імітаційного моделювання й програмування, порівнянням і близькістю результатів, отриманих за запропонованою методикою, з аналогічними даними існуючих технічних проектів електророзподільних пристроїв.

Рекомендації щодо використання результатів роботи. Найбільш ефективною областю застосування отриманих наукових результатів, розроблених апаратно-програмних засобів автоматизованого проектування ЕРП є електромонтажні підприємства суднобудівної галузі.

Рекомендації щодо подальшого розвитку проблеми. Подальший розвиток розглянутого в дисертації завдання видається доцільним проводити в напрямку застосування сучасних досягнень науки й комп’ютерних технологій в області САПР й експертних систем штучного інтелекту для вдосконалення розробленої прикладної системи, що дасть можливість врахувати й оптимізувати не тільки СЕЕС середньої потужності (до 2000 кВт), але й СЕЕС великої потужності зі складною електророзподільною системою в процесі підготовки робочих креслень нестандартних ЕРП та підготовки конструктивних параметрів нестандартного суднового електроустаткування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг. Алгоритмизация задач подготовки конструкторской документации в АutoCAD // Вестник ХГТУ. – Херсон, 2003. – №2(18). – С. 320–323.

2. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг, Головко А.В. Применение Visual Basic для расчёта токов короткого замыкания в СЭЭС // Вестник ХГТУ. – Херсон, 2004. – №1(19). – С. 423–429.

3. Рябенький В.М., Марков А.Е., Ушкаренко О.О., Нгуен Ван Шанг. Моделювання аварійних і динамічних режимів суднових електроенергетичних систем (СЕЕС) // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. – К.: ІЕД НАНУ, 2005. – Ч. I. – С. 126–128.

4. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг. Автоматизированное проектирование схем электрораспределительных устройств на судах // Вестник ХГТУ. – Херсон, 2005. – №1(21). – С. 287–294.

5. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг. Автоматизация подготовки конструкторской документации судового электрооборудования // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2005. – № 2(401). – С. 97–101.

6. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг, Головко А.В. Автоматизация подготовки чертёжей судовых электрораспределительных устройств // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2005. – № 3(402). – С. 86–93.

7. Нгуен Ван Шанг. Автоматизация проектных робот в электромонтажном производстве  Тезисы докладов на "Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников" (6–7 апреля 2004 г.). – Николаев: IАЕ НУК, 2004. – С. 87–91.

8. Нгуен Ван Шанг. Применение SolidWorks для автоматизации проектирования электрораспределительных устройств. Тезисы докладов на "Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников" (5–6 квітня 2005 р.). – Николаев: IАE НУК, 2005 – С. 174–178.

АНОТАЦІЯ

Нгуен Ван Шанг. Методи і засоби автоматизації проектування суднового електроустаткування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

Метою дисертаційної роботи є розробка методів формалізації й алгоритмізації конструкторських робіт і розробка алгоритмів автоматизації проектування суднового нестандартного електротехнічного устаткування.

У першому розділі наведені результати аналізу САПР в області електротехнічного виробництва деяких фірм.

Другий розділ присвячений аналізу методів і алгоритмів розв'язку задач розрахунку струмів КЗ під час проектування СЕЕС.

Третій розділ присвячений розробці методології автоматизації підготовки креслень електричних схем суднових ЕПР, а також їх конструкцій.

У четвертому розділі описана САПР-ЕРП, що розроблена автором на основі викладених вище досліджень, зроблено описання можливостей і послідовності використання, а також наведені приклади апробації розроблених засобів математичного та програмного забезпечення для розв'язання конкретних практичних задач.

Ключові слова: автоматизація підготовки конструкторської документації, суднові електророзподільні пристрої короткого замикання, алгоритм, математична модель, аварійний режим.

АННОТАЦИЯ

Нгуен Ван Шанг. Методы и средства автоматизации проектирования судового электрооборудования. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 – системы автоматизации проектных работ. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

Целью диссертационной работы является разработка методов формализации и алгоритмизации конструкторских работ, а также разработка алгоритмов автоматизации проектирования нестандартного электротехнического оборудования.

Диссертация посвящена повышению эффективности проектирования судового электрооборудования за счет разработки математического и программного обеспечения для автоматизации процессов проектирования на основе имитационного моделирования и многокритериального оценивания вариантов.

На стадии проектирования были проведены анализ задачи, исследование существующих средств и разработан собственный подход к решению задачи информатизации процесса проектирования ЭРУ, анализ методов и алгоритмов оптимизации размещения оборудования в секциях электрораспределительных устройств.

В первом разделе приведены результаты анализа САПР в области электротехнического производства в некоторых фирмах. Специальные программные продукты этих фирм ориентированы на оснащение и технологию, которые развиваются в них и являются дорогими и недостаточно гибкими при использовании оснащения других фирм.

Второй раздел посвящен разработке подсистемы расчета токов КЗ в СЭЭС с учетом контроля критических значений токов коммутационной аппаратуры. Разработаны также модели СЭЭС в Matlab–Simulink, позволяющие не только выполнять токи КЗ, но и разрабатывать средства по их снижению до величин ниже критических, определять токовременные характеристики коммутационной аппаратуры и оценивать влияния динамических режимов на работу систем автоматики. Проводится моделирование в Matlab–Simulink аварийных режимов судовой электростанции и поиск критических значений токов КЗ.

Третий раздел посвящен формулированию метода и алгоритма, которые решают задачи автоматизированной подготовки КД. На основе использования внутренних программных продуктов в среде современных САПР, таких как AutoLisp в AutoCAD, VBA и MS Excel, разработан алгоритм оптимизации размещения оборудования в секциях ГРЩ, который позволяет на 10–20% улучшить температурный режим в секциях ГРЩ, снизить потери мощности в шинопроводах секций. Разработанный алгоритм оптимизации размещения оборудования и конфигурации сети в машинном отделении судов позволяет на 10–30% снизить общие габариты электрооборудования и потери электроэнергии в судовой сети.

В четвертом разделе описываются возможности специализированного программного комплекса САПР–ЭРУ а также апробации разработанных средств математического и программного обеспечения на примерах решения конкретных задач. Подсистемы разработанной САПР дают возможность: автоматизировать процесс расчета