Статья: Разработка структуры киберфизической системы управления процессом зонного индукционного нагрева стальной заготовки (2024)

Рассмотрены проблемы энергетической эффективности гальванического участка промышленного предприятия с мелкосерийным характером производства. Проведен анализ потребляемых гальваническим участком энергоресурсов. Определены коэффициенты загрузки гальванических ванн в целом по участку и для каждой операции нанесения металлопокрытий в отдельности. Выявлена связанная с неравномерностью загрузки оборудования причина низкой энергоэффективности теплоснабжения участка, обусловленная невозможностью регулирования потребления тепловой энергии при централизованном пароснабжении. Составлен энергетический баланс теплообеспечения технологического процесса гальванического нанесений металлопокрытий для двух режимов работы технологического оборудования: вывода на режим и поддержании режима. Определены необходимые энергозатраты для нагрева гальванических ванн до номинальных температур, регламентируемых технологией процесса нанесения металлопокрытий, и энергозатраты, необходимые для стабилизации температурного режима процесса электролиза с учетом номенклатуры обрабатываемых деталей, продолжительности рабочего цикла, требуемой толщины и физических характеристик гальванического покрытия. Рассмотрены варианты децентрализованного теплоснабжения гальванических ванн с учетом технологических температур, коэффициентов загрузки и последовательности проведения операций нанесения металлопокрытий. Определен рациональный способ организации неравномерной загрузки гальванических ванн и технологического энергопотребления при децентрализованном теплоснабжении производственного участка. Установлен допустимый уровень снижения КПД промышленных серийных теплоисточников при повышенной неравномерности загрузки технологического оборудования. Предложен способ утилизации невостребованного технологического тепла в системе горячего водоснабжения с целью стабилизации КПД источников теплоснабжения на уровне, близком к номинальному Определен экономический эффект от утилизации невостребованного технологического тепла на нужды горячего водоснабжения и отопления гальванического участка.

В связи с тем, что региональные энергосистемы являются сложными динамическими системами, функционирующими в условиях постоянных изменений внешней среды, возникает необходимость выработки сложных управленческих решений и проведения системного анализа эффективности, что невозможно без совершенствования математических моделей динамики капитальных, трудовых и топливных ресурсов, оказывающих наибольшее влияние на выпуск энергии энергосистемой.

В работе проведен анализ существующих методов математического описания динамики основных ресурсов и их недостатков. Рассмотрены ковариационно-стационарные модели временных рядов в форме разностных уравнений с детерминированным полиномиальным трендом. Приведены результаты математического моделирования динамики капитальных, трудовых и топливных ресурсов на основе статистических данных деятельности энергосистемы Самарской области, публикуемых в ежегодной отчетности региональных министерств и энергетических компаний, и проведен их анализ.
На основе сравнительного анализа математических моделей были выбраны наиболее эффективные модели динамики капитальных, трудовых и топливных ресурсов, обладающие наилучшими прогнозными качествами.

Также в работе описана одноконтурная имитационная модель системы управления энергосистемой на основе формирования инвестиций на обновление капитальных ресурсов, а также система поддержки принятия решений (СППР), позволяющая формировать математически обоснованные управленческие решения.

Рассмотрены вопросы, связанные с моделированием тепловых и гидродинамических процессов в системе «провод – ледяная оболочка – воздух», протекающих при плавлении гололеда на проводах. Проблема нарастания ледяной оболочки на поверхности проводов линии электропередач известна давно, и ее решению посвящено много работ в области контроля нарастания гололеда, технических средств борьбы с этим явлением. В последнее время появляются работы, посвященные системам плавки, функционирующим без отключения линий от потребителей, что повышает надежность и бесперебойность энергоснабжения, снижает экономические потери от недоотпуска продукции при перерывах электроснабжения. Процесс плавки гололеда может протекать в условиях нагрева проводников током большой величины до установившейся положительной температуры, при которой разрушается ледяная оболочка. При этом переключение в режим плавки осуществляется на короткий промежуток времени. Альтернативой такому способу является совмещение электроснабжения потребителей и плавки гололеда. В этом случае мощности тепловыделения в проводах меньше, время плавки увеличено, но не требуется отключение потребителей. Проблема сохранения линии в рабочем режиме передачи электрической энергии потребителям решается дополнительной загрузкой линии реактивными токами с помощью подключения определенной индуктивной нагрузки. Увеличение токов и мощности, поступающих от питающего трансформатора в линию, должно быть технически реализуемо, чтобы не перегрузить источник и не вызвать его отключение. В связи с ограничениями мощности требуется проведение точных расчетов тепловых процессов для определения приемлемых режимов расплавления ледяного слоя. Рассмотрено комплексное моделирование термогидродинамических процессов в системе «провод – ледяная оболочка – воздух» и несколько способов определения коэффициентов конвективного теплообмена на границах проводника при различных скоростях ветра.

Представлен комплексный анализ эффективности технологий пиролиза метана при применении различных катализаторов с использованием DEA-метода. Исследование основано на обширном наборе экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях. Применение DEA-метода позволило выявить ключевые факторы, влияющие на производительность процесса пиролиза и отражающие затраты на реализацию процесса, основные технологические параметры и характеристики катализаторов. Особое внимание уделено влиянию компонентного состава катализаторов на эффективность процесса пиролиза метана. Высокоэффективные катализаторы показывают значительное увеличение скорости реакции и снижение энергетических затрат.
Применение DEA-метода позволило определить, что к набору факторов, являющихся наиболее значимыми для повышения эффективности, следует отнести носитель катализатора, температурные условия и состав активных компонентов. Анализ выявил, что стабильность катализатора и его способность поддерживать высокую активность на протяжении времени проведения реакции являются особенно важными для промышленного применения.

Анализ результатов позволил оценить относительную эффективность каждого катализатора и выявить оптимальные сочетания условий реакции. Установлено, что катализаторы с высоким содержанием никеля (более 80 %) на носителе Al₂O₃ демонстрируют наибольшую эффективность при температуре около 750 ℃, достигая высоких значений конверсии метана и выхода водорода. Катализаторы на основе SiO₂ показывают высокую начальную активность, но склонны к дезактивации или зауглероживанию со временем, что, в свою очередь, заметно снижает их эффективность в длительных процессах.

Полученные результаты обосновывают необходимость оптимального выбора состава катализатора и условий проведения реакции для повышения эффективности и экономической целесообразности процесса пиролиза метана. Исследование демонстрирует потенциал метода DEA как инструмента для комплексной оценки и оптимизации технологических процессов производства водорода и подчеркивает перспективность дальнейшего развития и внедрения технологии пиролиза метана в промышленном производстве водорода как одного из основных энергоносителей при переходе к низкоуглеродной энергетике.

Проблемы экологической безопасности и ресурсосбережения при переработке промышленных отходов на предприятиях нефтегазовой отрасли России становятся все более значимыми, особенно в условиях существующих тенденций, ориентированных на декарбонизацию и устойчивое развитие. Рост промышленных отходов не компенсируется соответствующим ростом объемов и качества переработки, поскольку перерабатывается только 10 % нефтесодержащих отходов, а остальная часть подвергается захоронению или сжиганию, что оказывает дополнительное вредное воздействие на окружающую среду. В статье предлагается новый подход к многофакторному анализу ресурсосбережения и экологической безопасности при комплексной переработке промышленных отходов нефтегазовых предприятий для достижения целей устойчивого развития. Разработанный авторами алгоритм, теоретической основой которого является метод анализа оболочки данных (DEA), определяет последовательность решения взаимосвязанных задач многофакторного сравнения объектов системы переработки отходов по разнородным критериям качества: ресурсной ценности, ресурсному потенциалу, ресурсосбережению и экологической безопасности. Эти задачи формулируются на основе модели суперэффективности метода DEA как задачи математического программирования. Представленный и апробированный подход к многофакторному анализу ресурсосбережения и экологической безопасности системы переработки отходов позволяет: 1) получать и анализировать относительные сравнительные оценки объектов хранения отходов и технологий переработки по разнородным критериям качества; 2) формировать локальные и общие стратегии принятия решений, обеспечивающие достижение целей устойчивого развития. Проведенный анализ позволяет считать перспективным множественное применение представленных результатов в различных нефтеносных регионах Российской Федерации, где рост образования промышленных отходов имеет тяжелые и необратимые экологические последствия.

Тенденция развития систем обеспечения и управления авиационной безопасностью объектов транспортного комплекса в последние годы приобрела характер перехода от классических схем нормативно-правового управления к автоматизированному, использующему некоторый набор оптимальных в смысле определенного критерия процедур. Можно выделить ряд причин снижения эффективности управления безопасностью: связанные со временем, с отработкой ситуативных событий, несистемным сбором и обработкой информации; с гипотетичностью и потенциальностью угроз безопасности; с интегральностью безопасности и интегральностью систем безопасности, неделимостью безопасности и уязвимостью объектов транспортной инфраструктуры; с проблемой прогноза развития негативных событий. Все это предполагает переход к информационному управлению безопасностью, которое основано на пространственно-ситуативном подходе. В работе обосновано появление пространства угроз, пространства защиты и пространства безопасности. Показаны возможности использования этих пространств для решения проблем формализации процедур управления безопасностью.

Описан предложенный метод автоматизированного построения виртуальных тренажеров для подсистемы подготовки персонала АСУ машиностроительными производствами. Его отличительной особенностью является работа с заказчиком на основе предоставления с производства функциональных видеороликов, а также формализация процесса проектирования и разработки в виде структур процесса создания программных и визуальных модулей с учетом специфики разработки тренажеров виртуальной реальности. Разработана онтологическая модель для построения виртуальных тренажеров для подготовки операторов металлорежущих станков в ППП АСУ машиностроительными производствами, в которой используются выявленные основные понятия и отношения между ними в предметной области работы операторов металлорежущих станков. Ее реализация осуществлена на основе инструментальной программной среды Protege. Предложены диаграммы: функциональная и контекстная IDEF0 функционирования виртуальных тренажеров для обучения работе на универсальных металлорежущих станках – фрезерном и токарном. Описана архитектура виртуального тренажера для использования в подсистеме подготовки персонала АСУ производствами, а также структурная схема формирования практико-ориентированных умений работе на металлорежущих станках с использованием виртуальных тренажеров.