Развитие энергетики буквально за столетие шагнуло так далеко, что мы подчас и не задумываемся, как функционируют энергосистемы и какие научные исследования обеспечивают это ежедневное «обыкновенное чудо». О преимуществах интеллектуальных энергосистем, специфике их самодиагностики и перспективах развития рассказывает победитель конкурса «Начало большой науки – 2017», доцент кафедры автоматизированного электропривода энергетического факультета Политехнического института ЮУрГУ Олеся Геннадьевна Брылина.
– С чего всё начиналось? Почему вы поступили на энергофак? Всё же для девушки такой выбор нетипичен.
– Отчасти всё произошло случайно. Это был 1999 год. Я выбирала между несколькими направлениями подготовки. Можно сказать, что решающее влияние на мой выбор оказал преподаватель дисциплины «Информатика и микропроцессорные системы управления электроприводом» Рустам Зайнагеддинович Хусаинов. В те годы он работал в приемной комиссии и сумел убедить меня, что учиться на энергетическом увлекательно, хотя и очень трудно. Но в этом для меня был свой интерес! Сложности только раззадоривают – поэтому я и выбрала энергофак.
Как большинство абитуриентов, я сдавала вступительные экзамены по физике, математике и русскому языку. По техническим дисциплинам получила хорошие баллы, а вот знания русского языка оказались слабей. Недаром, видимо, четверка в школьном аттестате по русскому языку стоит. Но, поскольку по окончании школы № 23, работающей по экспериментальной модели лингво-гуманитарного лицея, у меня была серебряная медаль, я воспользовалась шансом поступить по результатам собеседования. После убедительных слов Рустама Зайнагеддиновича на другие специальности уже и не смотрела. Так я приняла судьбоносное для себя решение учиться на кафедре автоматизированного электропривода и быть инженером.
В те времена ЕГЭ еще не было, подать документы по собеседованию можно было лишь на одну специальность. О своем успешном поступлении узнала только в августе. Далее в моей жизни появились замечательные преподаватели. Рафаиз Хазеевич Гафиятулин открыл мне двери кафедры, предложив практику в лабораториях. Геннадий Иванович Драчев и Сергей Михайлович Бутаков дали возможность вместо типовых курсовых работ заниматься научной деятельностью по смежным тематикам. Морис Владимирович Гельман стал наставником при разработке лабораторного комплекса по электронике и преобразовательной технике... В этот список следует внести всех преподавателей нашей кафедры. Они и сегодня щедро делятся мудростью жизни. Спасибо им и низкий поклон!
Очень многим я обязана своему научному руководителю, Учителю с большой буквы Леониду Игнатьевичу Цытовичу. Он в свое время предложил мне поступать в аспирантуру и посвятить жизнь науке, был руководителем моей успешно защищенной кандидатской диссертации и докторской, которую пишу сейчас. К глубокому сожалению, в конце 2016 года Леонида Игнатьевича не стало. Мы с коллегами развиваем его идеи и продолжаем начатое им научное направление, стремясь тем самым отдать дань уважения памяти Учителя. Он действительно великий человек!
– Мечтали ли вы посвятить жизнь преподаванию в университете?
– В детстве у меня действительно были мысли стать учителем начальных классов, но едва ли тогда я думала об этом серьезно. В итоге жизнь сама подвела к тому, что я преподаю любимые предметы в высшей школе. И мне это очень нравится. К примеру, одна из любимых дисциплин – теория решения изобретательских задач. Многим кажется, что инженерные, технические дисциплины – это сложно и скучно. Это не так. Для меня это мир бесконечного научного поиска нестандартных инженерных решений!
– Возможно, у вас было романтическое представление о профессии энергетика? Ассоциации с великими стройками ХХ века, на которые в числе первых всегда приезжали энергетики? Или вы продолжатель династии?
– Отчасти да, потому что мой папа по одной из профессий электрик. Можно сказать, что я продолжаю его путь. Что интересно, я себя раньше всегда считала гуманитарием. Моя учительница по русскому языку и литературе очень сильно удивилась, узнав, что я оказалась в техническом вузе и на технической специальности. Под ее руководством я в свое время подготовила научную работу о жизни и творчестве Ивана Шмелева и даже заняла с ней одно из призовых мест на областном конкурсе. К тому же всю начальную и среднюю школу занималась в театральной студии. Мне посчастливилось стоять на сцене Кукольного театра, несколько раз мелькнуть на телевидении, а Дворец творчества детей и молодежи вообще был родным… Поэтому в юности я предполагала, что в будущем непременно окажусь где-то на сцене. Получилось так, что моя сцена теперь у доски!
– Как вы в своё время выбрали тему научного исследования, которое повлияло на всю вашу жизнь?
– Всё началось в 2004 году, с дипломного выпускного проекта. Изначально, когда Леонид Игнатьевич Цытович рассказывал нам про высоконадежные энергоэффективные системы управления группой параллельно работающих электроприводов, я, признаюсь честно, мало что понимала (улыбается).
К экзамену всё выучила и благополучно сдала, но на самом экзамене по воле случая призналась, что суть предмета от меня ускользает. Леонид Игнатьевич удивился, что можно так хорошо отвечать на экзамене, не до конца понимая выученное. В итоге желание всё же докопаться до сути привело к тому, что я написала по этой теме кандидатскую диссертацию и сейчас работаю над докторской.
Технические дисциплины действительно очень сложны, и многие вещи начинаешь по-настоящему понимать лишь после долгого их изучения. Можно сказать, что сейчас на многие аспекты своего исследования смотрю иначе, но многое еще предстоит осмыслить. Думаю, что я еще в самом начале бесконечного пути познания.
– Какова тема вашего исследования?
– Еще вместе с Леонидом Игнатьевичем Цытовичем мы начинали работать над спецификой управления группой параллельно работающих электроприводов на базе многозонных интегрирующих регуляторов.
Многозонные регуляторы – это относительно новый класс, разработка Леонида Игнатьевича. Их актуальность и эффективность доказывают многочисленные акты внедрения. Многие коллеги-энергетики удивляются, как такая простая на первый взгляд система дает столь впечатляющие результаты.
Цель проекта, над которым работаю сейчас, – создание системы высоконадежных ресурсо- и энергосберегающих электроприводов, состоящих из группы параллельно работающих каналов с интегрирующей многозонной системой управления. Вопросы, решаемые в проекте, относятся к приоритетному направлению развития ЮУрГУ по ПНР-1 «Энергосбережение в социальной сфере». По итогам проекта планируется создание интеллектуальной в плане саморезервирования и самодиагностирования надежной, ресурсо- и энергосберегающей системы управления электроприводом, с параллельными каналами регулирования, в частности, системы водоснабжения. Проект позволит решить, как минимум, две задачи: снизить затраты на потребляемую электроэнергию и повысить надежность всего технологического оборудования.
– В чём преимущества этой системы электроприводов?
– Главные ее достоинства – надежность и интеллектуальность. Это означает, что при корректной настройке она может самостоятельно оптимизировать собственную работу и одновременно устранять несколько проблем. И всё это без дополнительных аппаратных затрат и без дополнительного обслуживающего персонала. Это экономит и финансовые, и человеческие ресурсы.
– Как это работает на производстве?
– Системы управления группой параллельно работающих электроприводов на базе многозонных интегрирующих регуляторов могут быть востребованы как на объектах ЖКХ, так и на различных промышленных предприятиях. В качестве примера можно назвать электроприводы водяных насосов на городских насосных станциях и в жилых комплексах, а также электропривод систем воздухообмена и дымоудаления, системы оборотного цикла, термонагревательные установки и другие промышленные системы с резервными каналами регулирования.
Пожалуй, один из самых ярких примеров – это использование данной разработки в системе водоснабжения. Как правило, в системе есть насос, есть линия, обеспечивающая подачу воды, и еще один канал, который в случае, если давление пониженное, поможет его повысить (поддержать) или выполняет функции резервного. Резервный канал может относиться к системе водоснабжения другого жилого здания, промышленного предприятия, автономных объектов.
Часто минус подобных систем заключается в том, что для гарантии надежной работы рекомендуется непрерывно производить процесс диагностирования, то есть подавать некий «тестовый сигнал» и по реакции на него системы судить об ее исправности. В этом случае сама система диагностирования должна обладать высокой разрешающей способностью, исключающей влияние тестового сигнала на качество регулирования и ход технологического процесса. При таких условиях система диагностирования часто представляет собой довольно сложный локальный вычислительный комплекс, который по уровню интеграции электронных компонентов, как правило, минимум на порядок превосходит аналогичный показатель контролируемой им системы управления. В итоге достоверность результатов диагностирования вполне обоснованно подвергается сомнению, так как они в равной мере могут как отображать действительное состояние системы управления, так и явиться причиной внутренних скрытых отказов непосредственно в системе диагностирования. Система-«доктор» обнаруживает неисправность, но не может гарантировать собственную надежную работу.
Кто же «вылечит доктора»? Преимущество системы, предложенной Леонидом Игнатьевичем Цытовичем, в том, что она не требует введения дополнительного тестового сигнала, способного негативно повлиять на работу (технологический процесс), и при этом непрерывно диагностирует сама себя и всю систему управления, а главное, обеспечивает непрерывность функционирования всей системы при отказе ее отдельных узлов.
– Как именно это происходит?
– По конструктивному исполнению рассматриваемая система предельно проста, при этом обладает помехоустойчивостью и рядом других технических возможностей, что актуально для промышленных предприятий и автономных объектов. Главное – это то, что система, благодаря замкнутой структуре и наличию параллельных каналов, способна самостоятельно определять, в каком узле и каком канале произошла неисправность. Найдя отказ, система автоматически переключается на резервный канал. Так достигается надежность и качество процесса производства, и при этом возможна значительная экономия ресурсов. Простой оборудования на крупных предприятиях, даже если он исчисляется минутами, грозит серьезными потерями времени и средств, а незначительные поломки способны повлечь за собой серьезные последствия. К примеру, если вышел из строя какой-нибудь вентилятор системы охлаждения или очистки, который, на первый взгляд, даже не участвует в технологическом процессе, то это может привести к перегреву механизма и/или задымлению, из-за которого отключится оборудование, напрямую связанное с обеспечением технологии производства, и так далее – запускается «цепная реакция». А система, предложенная Леонидом Игнатьевичем Цытовичем, позволяет этого избежать!
– Можно ли сказать, что, при разработке этой системы применяются цифровые технологии?
– На самом деле, научные исследования в большей степени предполагают изучение и разработку алгоритмов. Как именно претворить их в жизнь – в аналоговом или цифровом варианте, – зависит от пожеланий заказчика и уровня знаний у тех, кто будет автоматизировать систему на производстве. На мой взгляд, любая современная техническая система – это грамотная комбинация аналоговой и цифровой элементной базы с учетом их особенностей и достоинств.
Важен еще один момент. Диагностика в системе подразумевает индикацию и оперативную передачу информации обслуживающему персоналу. Если где-то произошла авария, персонал должен узнать об этом в кратчайшие сроки, чтобы отремонтировать этот узел, не дожидаясь, пока он «закричит» еще громче. Это тоже цифровые технологии. Можно предложить, например, запатентованное техническое решение – однопроводную линию передачи логических данных на базе многозонного регулятора. То есть область применения многозонных регуляторов довольно широка.
– Где уже реализован предложенный вариант системы?
– Энергоэффективная система управления группой параллельно работающих электроприводов на базе многозонных интегрирующих регуляторов успешно функционирует на Челябинском трубопрокатном заводе, ею также оснащен ряд систем управления электроприводами на Магнитогорском металлургическом комбинате.
Впервые в мировой практике предложенная система с самодиагностированием и автоматическим резервированием каналов регулирования была установлена на ОАО «ЧТПЗ» в системе управления электроприводами водяных насосов гран-бассейна шлакоплавильного цеха и в системе воздухообмена линии плазменной резки труб большого диаметра цеха № 6. Результирующий экономический эффект от внедренных систем управления составляет более миллиона рублей в год.
Разработанные и исследованные структуры систем управления являются универсальными для технологических установок других типов с параллельными каналами регулирования и могут быть использованы, например, в регуляторах освещения, температуры.
– В нынешнем году вы стали победителем конкурса «Начало большой науки», проводимого в ЮУрГУ в рамках реализации Проекта 5-100. Это значит, что на развитие вашего проекта будет выделено финансирование. Как планируете дальше совершенствовать систему? Что в ближайших планах?
– Идей много! К примеру, на предприятиях действуют пилотные образцы системы, а массового производства пока нет. Будем работать над этим вопросом. Кроме того, сегодня мы более подробно и точно исследуем поведение системы в условиях помех или при исчезновении напряжения питания, проводим ее спектральный анализ, изучаем «эстафетные» режимы работы. С целью повышения быстродействия системы пробуем разный диапазон и форму входного сигнала. На сегодняшний день теория многозонного управления группой параллельно работающих электроприводов пока не так популярна, она требует более детального изучения. Это сложный механизм, мы работаем над исследованием отдельных его узлов для оптимизации системы в целом.
– На какой стадии сейчас находится исследование?
– Наша работа разбита на несколько этапов. Во-первых, теоретическая часть: исследование структур, анализ характеристик при воздействии основных дестабилизирующих факторов, а также при катастрофических отказах активных компонентов схемы. Затем компьютерное моделирование, анализы, макетные образцы в рамках существующих стендов, в лаборатории «Центр компьютерных технологий и цифровых систем управления в промышленности», которая действует на базе нашей кафедры.
Планируем более детальное, глубокое моделирование на базе программного обеспечения MatLab+Simulink. Конечно, мечтаем и об экспериментальном образце с возможностью доступа в каждую точку. Для проверки эффективности работы системы мы устанавливаем на производстве отдельные элементы, платы. Конечно, во время технологических операций доступ к ним категорически запрещен. Посмотреть: что и как там отрабатывается, что-то подстроить, наладить в реальных производственных условиях, к сожалению, для нас крайне затруднительно. Поэтому многие вещи отчасти делаются или интуитивно, или с учетом предыдущих разработок.
Необходим действующий лабораторный образец, оснащенный оптимальным количеством точек доступа к разным узлам, он позволит детальнее изучить и оптимизировать подобную систему. Благодаря гранту такой образец у нас может появиться.
Кроме того, необходимо закупить ряд стендов – мы с коллегами уже продумали их оснащение. Также на повестке дня приобретение библиотек для программного обеспечения MatLab+Simulink. Это актуально для многих задач, решаемых в рамках не только нашей кафедры. В ЮУрГУ на суперкомпьютере есть программное обеспечение MatLab, но в нем нет библиотеки SimPowerSistems и ряда других библиотек, которые нам необходимы для электротехнических исследований. Этот вопрос решается не первый год, но, возможно, в рамках грантов удастся что-либо сделать. Планы по дальнейшему совершенствованию системы и в целом по развитию кафедры у нас большие. Осталось воплотить их в жизнь!