Концепция применения макета ремонтно-механического цеха на базе технологий «умный дом» для отработки и демонстрации энергоэффективных режимов управления параметрами микроклимата и освещения в учебных заведениях

В статье предложена идея создания и непосредственного использования в учебном процессе учебно-методического макета ремонтно-механического цеха (РМЦ) предприятия для демонстрации основных принципов построения инженерных систем. Концепцией предполагается, реализация и отладка алгоритма автоматического управления инженерным оборудованием как для достижения заданных параметров микроклимата и освещенности помещений, так и для достижения режимов работы оптимальных с позиции энергоэффективности. Широкий спектр возможностей по автоматическому программному управлению параметрами модели соответствующих инженерных систем, позволит студентам отработать на практике решение основных задач характерных для автоматического управления технологическими процессами, а также получить наглядную демонстрацию эффекта от принимаемых решений. В данной статье предложены основные положения и принципиальная схема указанной выше концепции.

Ключевые слова:моделирование, учебный макет ремонтно-механического цеха, энергоэффективность, автоматическое управление.

Введение. При современных темпах развития микропроцессорной техники и микроэлектроники, технические решения в области автоматизации, исполнение которых ещё десять лет назад требовало профессиональной программно-аппаратной базы и высокой квалификации в области работы с оборудованием, с каждым годом становятся всё доступней. Однако, кажущаяся на первый взгляд доступность указанных решений ни коем образом не отменяет необходимости получения структурированных знаний по данной тематике. Увеличение предоставляемых возможностей лишь подтверждает необходимость предоставления условий для практических занятий студентов в соответствии с текущими возможностями программно-аппаратных средств. Применение учебных макетов позволяет не только улучшить усвоение материала студентами, но так же достичь большего уровня понимания протекающих процессов и повысить уровень заинтересованности обучающихся. В настоящее время существует определенный дефицит на рынке программно-технических решений в области доступного обучения студентов основам теории автоматического управления и сопутствующих дисциплин. Исходя из этого коллективом кафедры электротехники и электропривода МГСУ было принято решение о целесообразности разработки специализированного учебного макета. Наглядность процессов, имитируемых в макете РМЦ, даст студентам возможность практического закрепления полученных в рамках теоретической подготовки навыков по разработке и оптимизации систем автоматического управления.

Особенности применения макета ремонтно-механического цеха в учебном процессе. В настоящий момент существует достаточно большое количество макетов, использующихся при обучении. Недостатком большинства из них можно назвать узкую специализацию программного обеспечения, используемого производителем оборудования, установленного на учебном стенде, а также ограниченную и порой достаточно жёстко, номенклатуру совместимого оборудования. Это обстоятельство значительно сужает круг задач, которые могут быть решены с использованием стенда. Разрабатываемая модель должна занять срединное положение между обобщенными учебными макетами и узкоспециализированными стендами, что позволит получить достаточный ассортимент функциональных возможностей, как в изначальном варианте, так и при дальнейшей модификации макета.

Для определения актуальности решаемой задачи по разработке специализированного стенда рассмотрим некоторые особенности характерные для традиционных решений в данной области. Конструкция традиционных учебных макетов зачастую не в полной мере отражает физический образ объекта управления. По большей части это обусловлено широким диапазоном задач, которые могут быть рассмотрены с использованием стенда [1]. Однако указанный подход имеет значительный недостаток. При отработке в процессе учебной деятельности задач с высокой степенью абстракции, за счёт увеличения теоретической составляющей в процессе проведения лабораторно-практических работ теряется наглядная взаимосвязь протекания изучаемых процессов. В некоторых случая в восприятии студента может формироваться связь между принимаемыми решениями и изменением условных параметрических кривых или числовых значений параметров, вместо отображения непосредственного физического результата воздействия на объект или систему, что не слишком благоприятно сказывается на восприятии учебного материала обучающимися.

Наиболее остро встаёт этот вопрос в тот момент, когда заходит речь об управлении освещением [2], в том числе интеллектуальным [3]. А так же при разработке энергоэффективных решений по отоплению и освещению помещений [4], в частности в учебных заведениях. Применение предлагаемого макета имеет следующие преимущества:

1.                Достаточно высокая степень соответствия физических и геометрических параметров модели реальному объекту управления, в том числе технологическим процессам характерным для ремонтно-механического цеха.
2.                Возможность конфигурирования и модификации как аппаратно-конструктивной части макета, так и внесение в программный код принципиальных изменений, позволяющих получить ещё более высокую степень достоверности при постановке и решении задач оптимизации.
3.                При отсутствии необходимости создания модели высокой точности, работа с макетом может происходить в его базовой конфигурации.

Рис. 1. Концептуальная схема учебного макета РМЦ на базе технологии «умный дом», где: Т — датчики температуры; О — Датчики освещения; Л — Источники света; П — датчики присутствия; Н — устройства регулирования температуры (нагревающие элементы); А — системы вентиляции; В — датчики влажности

Отдельно стоит определить достоинства макета вытекающие из особенностей реализации программной части проекта. Как уже говорилось выше, возможно решение широкого спектра задач. К примеру, с помощью макета возможна не только отрока и непосредственное создание алгоритма управления в целом, но и углубленное изучение отдельных вопросов автоматизации. В качестве примера можно привести наглядное изучение законов и принципов теории автоматического управления. По причине достаточно высокой степени формализации знаний этого предмета, учащимся порой достаточно сложно воспринимать материал. При наличии наглядного пособия, демонстрирующего протекающие в системе процессы, можно обоснованно предположить, что степень заинтересованности студентов возрастёт, а кроме того понимание сути происходящих и рассчитываемых процессов улучшится, что позволит им в будущем с большим успехом применять полученные ими знания. Также важным звеном в системах автоматического управления являются протоколы связи между устройствами, обеспечивающие адекватную работу системы. программного обеспечения, используемое в проекте позволяет изучить значительную часть из используемых в настоящее время протоколов передачи данных весьма детальным образом.

Применение макета для организации научно-исследовательской работы в учебных заведениях. Возможности по модификации предлагаемого макета позволяют при необходимости перейти от непосредственно учебной деятельности к проведению научно-исследовательской работы. Усиление акцентов на определенных компонентах системы и дооснащение программно-аппаратной части необходимыми модулями позволят проводить исследование режимов работы инженерных систем в условиях имитации прохождения технических процессов характерных для РМЦ. В качестве демонстрации рассмотрим один из возможных путей модификации базовой схемы макета для проведения исследований в области имитации естественного освещения [5,6]. При дооснащении системы светодиодного освещения макета до функциональных возможностей предусмотренных концепцией системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов [7] возможно исследование параметров спектральной характеристики и мощности излучения в различных зонах РМЦ при различных условия внешней среды и режимах работу оборудования (рисунок 2). При этом для оптимизации технико-экономических параметров системы возможно удаление модулей, не участвующих в исследовании, так, например, в рассматриваемом случае, целесообразно убрать модули контроля влажности и управления вентиляцией.

Рис. 2. Схема модификации макета на примере исследования освещения в одной зоне, где: Т — датчики температуры; П — датчики присутствия; Н — устройства регулирования температуры (нагревающие элементы); UVL — ультрафиолетовые излучатели; СL — цветные излучатели; WL — белые излучатели; SE — спектрометр и люксметр

Заключение. Предполагаемая концепция учебного макета позволит внести существенный вклад в развитие профессиональной подготовки специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств. Модульная структура и возможность последующей модификации открывают как возможности для проведения лабораторно-практических занятий, так и для организации научно-исследовательской деятельности на кафедрах учебных заведений. Исходя из вышесказанного автором сделан вывод о целесообразности проведения дальнейших исследований в указанной области.

Литература:

1.                Ким В. Л. Автоматизированный комплекс для проведения лабораторных работ по электротехнике и электронике/ В. Л. Ким, Д. С. Чебуренко, Н. В. Нохрина // Вестник науки Сибири. 2011. № 1 (1). С.354–357.
2.                Дзюндзюк Б. В. Освещенность: лабораторный практикум/ Б. В. Дзюндзюк, Г. В. Копылов // SR. 2014. № 2. С.24–27.
3.                Прокопьев С. В. Применение светодиодных светильников с автоматическим управлением для организации совмещенного освещения в помещениях жилых и общественных зданий [Текст] / С. В. Прокопьев, Р. С. Ульянов, И. А. Шиколенко // Молодой ученый. — 2013. — № 7. — С. 69–71.
4.                Беккер Ю. Л. Перспективы применения систем управления микроклиматом и искусственным освещением в замкнутых изолированных помещениях. / Ю. Л. Беккер, Р. С. Ульянов // Научно-технический вестник Поволжья. — 2014. — № 5. — С. 312–314.
5.                БеккерЮ. Л. Выявление ключевых аспектов системы совмещенного освещения с позиции соответствия концепции квази-естественного освещения. / Ю. Л. Беккер, В. А. Завьялов, Р. С. Ульянов, И. А. Шиколенко // Естественные и технические науки. — 2015. — № 5. — С. 149–151.
6.                БеккерЮ. Л. Управление спектральной характеристикой излучения в системах искусственного освещения помещений с постоянным пребыванием людей в условиях отсутствия естественного освещения. / Ю. Л. Беккер, В. А. Завьялов, Р. С. Ульянов, И. А. Шиколенко // Научное обозрение. — 2015. — № 10. — С. 101–105.
7.                Ульянов Р. С. Концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов. / Р. С. Ульянов, В.А Завьялов // Молодой ученый. — 2013. — № 3. — С. 108–111