Материал: Разработка программных средств для актуализации структур баз данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем
В силу локальности ТПС в качестве территориальных уровней управления здесь рассматриваются:
а) ТПС в целом;
б) подсистемы ТПС - источники теплоты, тепловые сети, системы, теплопотребления;
в) отдельные сооружения, установки, оборудование, насосные станции, котлоагрегаты, подогреватели, насосы, задвижки и т.п. Многообразие разнородных потребителей тепловой энергии, необходимость учета большого числа влияющих факторов делают необходимым основываться на рациональном сочетании в ТПС нескольких ступеней (уровней) управления:
. Центральное - на источниках теплоты;
. Районное - на контрольно распределительных пунктах;
. Групповое - на центральных тепловых пунктах;
. Местное - на индивидуальных тепловых пунктах;
. Пофасадное - на индивидуальных тепловых пунктах;
. Индивидуальное - на отопительном приборе.
Каждой ступени управления соответствует свой объект
управления, в качестве которого может выступать: система в целом, источник
теплоты, тепловые сети или абонентские установки. В каждой конкретной
теплоснабжающей системе в зависимости от ее особенностей могут присутствовать
какая-либо часть из них. Практическая реализация многоступенчатого
регулирования позволяет обеспечить выполнение основных целей теплоснабжающей
системы.
1.2.2.3 Диспетчерское управление
Диспетчерское управление - это организация централизованного,
круглосуточного и непрерывного управления технологическими режимами работы и
эксплуатационным состоянием энергетической системы, осуществляемого для
обеспечения бесперебойного и надёжного энергоснабжения. Основными задачами
оперативно - диспетчерского управления являются: разработка и ведение режимов
работы энергосистем, обеспечивающих заданные условия энергоснабжения
потребителей; планирование и подготовка ремонтных работ; обеспечение
устойчивости энергосистем; предотвращение и ликвидация технологических
нарушений при производстве, преобразовании, передаче и распределении тепловой
энергии.
1.2.2.4 Исследовательские и обучающие цели применения
Научно-методические исследования по вопросам автоматизации ТСС развиваются в трех относительно самостоятельных направлениях [10].
Первое направление связано с принципами построения теплоснабжающих систем и с их адаптацией к требованиям, предъявляемым автоматизированными системами управления режимами. Эффективность функционирования ТСС, как известно, во многом определяется схемой и параметрами тепловых сетей и системой распределения сетевой воды, включающей размещение и схему контрольно-распределительных пунктов [4]. Первые работы по рациональному построению тепловых сетей были выполнены в рамках разработки схемы теплофикации г. Москвы. В ней предлагалось сооружение кольцевой схемы тепловых сетей, что обеспечивало двусторонние снабжение потребителей, тепловой энергией. Однако реальное развитие ТСС пошло по другому пути, по пути сооружения разветвленных (без колец) схем тепловых сетей. Исследования по резервированию и надежности функционирования тепловых сетей были продолжены на новом этапе в Институте систем энергетики имени Л. А. Мелентьева (ИСЭМ) [7-9, 11]. В этих работах были предложены основные принципы резервирования тепловых сетей с учетом возможной совместной работы источников, гидравлических режимов и надежности теплоснабжения потребителей. Рассматривалось нагруженное и ненагруженное резервирование. Был сделан вывод, о том, что обеспечение надежности теплоснабжения потребителей невозможно без сооружения автоматизированных узлов распределения теплоносителя и дистанционного управления ими. Научно-методические разработки, выполненные в ИСЭМ, получили практическое применение при решении вопросов теплоснабжения гг. Новосибирска, Киева, Омска, Тюмени, Салавата, Ишимбая, Стерлитамака и других. Вопросы построения тепловых сетей с учетом размещения и особенностей схем автоматизированных узлов управления (КРП, ЦТП) рассматриваются в монографии Громова И.К. [1]. Фактически в ней сформулированы принципы построения ТСС, определены мощности и схемы контрольно-распределительных пунктов.
Эти же вопросы разрабатывались во Всероссийском научно-исследовательском теплотехническом институте имени Ф.Э. Дзержинского (ВТИ), Московском инженерно-строительном институте имени В. В. Куйбышева (МИСИ) и других организациях. Выполненные исследования в данном направлении позволили сформулировать основные принципы иерархического построения теплоснабжающих систем.
Второе направление исследований связано с разработкой структуры систем управления режимами работы ТСС. Они включают уровни управления технологическим процессом, их функциональное назначение, структуру диспетчерского управления и ее связь с теплоснабжающей системой. Эти работы ведутся в Научно-исследовательском институте гидромеханизации санитарно-технических и специальных строительных работ (ВНИИГС), Научно-исследовательском проектном институте энергетической промышленности (ВНИПИ Энергопром), Сибтехэнерго [12, 13]. Каждой из этих организаций предложена своя структура системы управления. Наиболее сложная и идеализированная схема управления функционированием ТСС предложена ВНИПИ Энергопромом. Работы ВНИИГС и Сибтехэнерго в большей мере соответствуют сложившейся организационной структуре управления теплоснабжением городов страны.
Третье направление исследований связано с разработкой методического, алгоритмического и программного обеспечения задач управления функционированием ТСС. Наиболее комплексное решение задач управления режимами с практической реализацией в теплоснабжающей системе одного из районов г. Санкт-Петербурга предложено ВНИИГС. Однако эти работы не охватывают всего многообразия систем, работающих в нашей стране, и применимы для небольших систем от котельных. Они ориентированы на решение задач управления по принципу "черного ящика" и в полной мере не могут быть адаптированы для других и, в первую очередь, крупных ТСС.
Из числа системных задач в настоящее время решена задача анализа режимов работы ТСС. Развитием методов решения этой задачи в разное время занимались и продолжают заниматься ИСЭМ, ВТИ, Карагандинский политехнический институт, ВНИПИ Энергопром. Разработанные для анализа режимов функционирования ТСС программные комплексы успешно используются в эксплуатационных, наладочных и проектных организациях.
Для идентификации параметров ТСС в ИСЭМ разработан метод "математического расходомера" [14]. Он предназначен для определения установившихся расходов теплоносителя, коэффициентов гидравлического сопротивления на множестве участков и у потребителей в многоконтурных теплоснабжающих системах без массового применения расходомеров. Кроме того, на основе этого метода можно в рамках автоматизированной обработки данных измерений на ЭВМ расчетным путем устанавливать факты аварийных ситуаций и локализовать места аварий. В качестве основного источника информации для работы метода служат данные многократной манометрической съемки в узлах сети и показатели расходомеров, фиксирующие только отдельные расходы в системе. Эти работы в ИСЭМ получили дальнейшее развитие [15], что позволило расширить области применения этого метода и перейти к более сложной задаче идентификации режимов функционирования ТСС.
Заканчивая краткий анализ основных направлений исследования в области АСУ теплоснабжением можно сделать следующие выводы:
. Выполненные работы носят в большей мере постановочный характер, что обусловлено невостребованностью научно-методических разработок и неготовностью систем к комплексной автоматизации.
. Большая часть методических исследований посвящена оптимизации режимам работы источников теплоты, микроклимату в помещениях, теплообменным процессам в зданиях, прогнозированию тепловых нагрузок.
3. Недостаточно разработанными являются вопросы управления и оптимизации
режимов функционирования сетевой части ТСС. Весьма ограничено в
научно-методической литературе рассматриваются вопросы оперативного управления
теплоснабжением потребителей. Отсутствует иерархия задач по уровням управления
и их взаимоувязка.
1.3 Информационно вычислительный комплекс "Ангара" для компьютерного моделирования ТПС
Информационно-вычислительная среда "АНГАРА" (рис.3) (в дальнейшем ИВС), разработанна в лаборатории трубопроводных и гидравлических систем Института систем энергетики им. Л.А Мелентьева, позволяет решать, как информационные, так и расчетно-аналитические прикладные задачи в рамках единого интерфейса пользователя.
Основным отличием данной ИВС от многочисленных графических редакторов и геоинформационных систем является то, что создаваемые графические схемы являются активными. Манипулируя с конфигурацией и параметрами элементов схем, пользователь, фактически, манипулирует с уравнениями, которым должна удовлетворять реальная система, что, однако, остается для него незаметным.
Основное назначение ИВС "АНГАРА" состоит в том, чтобы освободить пользователя от необходимости знания программирования, методов расчета и математического моделирования, - позволяя решать содержательные инженерные задачи непосредственно на расчетных схемах, оперируя привычными понятиями и объектами. Таким образом, ИВС обеспечивает возможность создания и работы с компьютерной графической моделью реальной трубопроводной системы.
Принципиальной особенностью ИВС является ее открытость по данным, их
совместимость с основными, стандартными форматами, а также возможность
настройки и развития возможностей ИВС, в том числе силами самих пользователей.
Рисунок 3 Вид основного интерфейса при работе со схемой.
1.3.1 Назначение ИВС "Ангара"
Информационно-вычислительная среда предназначена для автоматизации
процессов создания, поддержки и использования информационных моделей
трубопроводных систем произвольного типа и сложности при решении разнообразных
прикладных задач их исследования, проектировании и эксплуатации.
1.3.2 Функции ИВС "Ангара"
ИВС обеспечивает возможности работы с:
1) графическими изображениями схем ТПС;
2) данными по элементам схем ТПС;
) планом местности;
) расчетно-аналитическими задачами.
ИВС предоставляет удобный пользовательский интерфейс и разнообразные
средства отображения, редактирования и вывода на печать схем, плана и данных, а
также подключения и выполнения внешних расчетных задач.
1.3.3 Организация БД
При разработке ИВС закладывались следующие основные принципы:
) моделируемая ТПС может состоять из множества расчетных схем различных типов (схемы сетей, насосных станций, источников и т.д.);
) схема определенного типа собирается из своего набора условных обозначений типов элементов;
) каждый тип элемента может быть задан в одном из двух форматов - узел (источник, потребитель, точка разветвления и т.п.) или связь (трубопроводный участок, задвижка, насосный агрегат и др.);
) реальный элемент ТПС (например, источник) может быть представлен как элементом какой-либо схемы, так и собственной расчетной схемой;
) каждый элемент может находиться в одном из нескольких состояний (включен, выключен и т.д.), что предполагает необходимость поддержки для него нескольких условных обозначений.
) все элементы определенного типа имеют одинаковый состав числовых и символьных параметров;
) информационная модель ТПС должна содержать не только данные по элементам ТПС, но и информацию о взаимосвязи:) графического изображения каждого элемента со своими данными;) элементов схемы между собой;) разных схем между собой;) каждой схемы со своим планом.) каждой схемы со своим набором задач) задач между собой
ИВС обеспечивает автоматическое соблюдение всех этих требований. Так, взаимосвязь графики и данных, топологические отношения между элементами сети, отношения в иерархии, и принадлежности определенному фоновому рисунку автоматически формируются уже при создании и рисовании схем и плана.
Каждая схема может содержать произвольное число элементов и графических данных (элементов плана), а число уровней вложенности расчетных схем не ограничено.
Соответствие графических изображений схем и данных их элементам обеспечивается тем, что каждому типу элементов соответствует отдельная таблица базы данных (БД) с определенным набором столбцов (полей), соответствующих параметрам элемента, и строк (записей), - по числу элементов этого типа.
За настройку ИВС на
конкретный тип ТПС и автоматическую поддержку указанных взаимосвязей отвечает
ядро реляционной БД, состоящее из "системных" таблиц, рис. 4.
Рисунок 4 Схема ядра БД
Результатом настройки ИВС на конкретный тип ТПС является состав и структура "пользовательских" таблиц, соответствующих определенным типам элементов со своим набором параметров. Состав этих параметров (полей пользовательских таблиц) определяется составом исходных данных и результатов расчетных задач. Таким образом, структура пользовательских таблиц ставится в соответствие прикладным программно-вычислительным комплексам.
Совокупность системной и пользовательской информации о схемах, параметрах и плане конкретной ТПС, которая формируется с помощью ИВС, - составляет проект, которому в стандартном случае соответствует единый файл с БД в формате MS Access.
Выводы по проведённому анализу:
ТПС разных типов могут отличаться по назначению, используемому оборудованию, принципам и задачам управления.
Для каждого из типов ТПС разрабатывается соответствующее программное обеспечение для проектирования, расчёта, оптимизации режимов и др. Так же постоянно появляются новые технические средства контроля и управления режимами ТПС, что открывает новые возможности.
Всё это приводит к необходимости
постоянной модификации БД, появлению новых таблиц, атрибутов, связей.
1.4 Постановка вопросов
Для повышения эффективности применения методов математического моделирования требуется разработка соответствующих программных средств. Одной из задач, возникающих при разработке и использовании программ, является автоматизация процессов актуализации БД.
Для успешной реализации данной задачи необходимо выполнить следующие этапы:
1. Анализ предметной области:
· Краткая характеристика ТПС энергетики;
· ТПС как объект моделирования (задачи моделирования, области применения методов моделирования);
· Информационно вычислительный комплекс "Ангара" для компьютерного моделирования ТПС
2. Анализ возможностей современных информационных технологий;
3. Реализация программного средства для актуализации структур баз
данных при расчётах и оптимизации трубопроводных систем.
1.4.1 Требования к программному средству
1. Работа в операционной системе Windows 2000, Windows XP, Windows Vista
. Использование в качестве "шаблона" БД MS Access 2003.
. Обновление БД MS Access (2003,2007); MS SQL Server 2000/2005.
4. Обновляемые объекты: таблицы, поля таблиц, связи, данные.
. Выбор режимов, функций должен осуществлять пользователь (оператор). В случаях выбора вариантов программа должна запрашивать команду пользователя, предлагая при этом предпочтительный вариант действий.
. Программное средство должно контролировать входные данные (команды пользователя, обрабатываемые и импортируемые файлы) на допустимость, корректность, непротиворечивость, обо всех обнаруженных несоответствиях выдавать соответствующие сообщения.
. Во время исполнения программы на экране должны отображаться информационные сообщения о выполняемых операциях и обрабатываемых данных.
. Управление программным средством должно осуществляться манипулятором типа "мышь" и/или с клавиатуры.
. Возможность интеграции (совместимость) программного средства с
другими программными средствами, применяемыми в информационных технологиях.