Помощь студентам в учебе
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АНОМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ, ПРОГРАММНЫХ И АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДАННЫХ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 10
1.1 Датчики 10
1.1.1 Датчики ПолиТЭР-IIoT 11
1.1.2 Датчик температуры NBWS100H 16
1.1.3 Датчик температуры Rosemount 3144P 17
1.2 Контроллеры 19
1.2.2 ECL Comfort 310 22
1.2.3 TAC Xenta 24
1.3 SCADA-системы 27
1.4 Среды моделирования тепловых процессов 33
1.4.1 Система визуального моделирования VisSim 34
1.4.2 Графическая среда моделирования Xcos 35
1.4.3 Система моделирования динамических систем Simulink 37
1.5 Языки программирования 39
1.5.1 Python 40
1.5.2 Язык программирования R 41
1.6 Задача обнаружения аномалий 45
Выводы по разделу 1 50
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
АВТОМАТИЗАЦИИ ОБНАРУЖЕНИЯ АНОМАЛИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАННЫХ 51
2.1 Схема структуры разрабатываемой системы 51
2.2 Функциональная схема работы разрабатываемого комплекса 53
Выводы по разделу 2 56
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
ЗДАНИЯ 57
3.1 Описание математической модели объекта управления в виде системы
теплоснабжения отапливаемого здания (сооружения) 57
3.2 Особенности работы регуляторов, применяемых в системах теплоснабжения
60
3.3 Функциональная и структурная схемы системы управления отоплением
здания с автоматизированным ИТП 69
3.4 Реализация имитационной модели системы управления отоплением здания с
автоматизированным ИТП в Simulink 76
Выводы по разделу 3 83
4 ИНТЕГРАЦИЯ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
ЗДАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ ДИСПЕТЧЕРСКОГО КОНТРОЛЯ 85
4.1 Интеграция разработанной имитационной модели системы теплоснабжения
здания в автоматизированную систему диспетчерского контроля 87
4.1.1 Разработка программного модуля и алгоритма работы извлечения
значений параметров из базы данных АСДУ «ПолиТЭР» в MATLAB 87
4.1.2 Разработка программного модуля и алгоритма работы загрузки
результатов расчета имитационной модели процессов системы теплоснабжения в базу данных АСДУ «ПолиТЭР» 95
4.2 Интеграция модуля поиска аномалий и восстановления данных в АСДУ «ПолиТЭР» 99
4.2.1 Структура программного комплекса модуля поиска аномальных
значений и восстановления данных 99
4.2.2 Разработка программного модуля взаимодействия программного
комплекса поиска аномалий с АСДУ «ПолиТЭР» 102
Выводы по разделу 4 109
5 ПРОВЕДЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОБНАРУЖЕНИЮ АНОМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЮ ДАННЫХ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И
НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ 110
5.1 Идентификация динамических параметров объекта управления в виде
системы отопления здания 110
5.2 Имитационное моделирование системы теплоснабжения здания с
автоматизированным ИТП 113
5.3 Проведение процедуры поиска аномалий и восстановления данных при
помощи программного модуля очистки данных Python 116
Выводы по разделу 5 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схемы и чертежи 130
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ, ПРОГРАММНЫХ И АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДАННЫХ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 10
1.1 Датчики 10
1.1.1 Датчики ПолиТЭР-IIoT 11
1.1.2 Датчик температуры NBWS100H 16
1.1.3 Датчик температуры Rosemount 3144P 17
1.2 Контроллеры 19
1.2.2 ECL Comfort 310 22
1.2.3 TAC Xenta 24
1.3 SCADA-системы 27
1.4 Среды моделирования тепловых процессов 33
1.4.1 Система визуального моделирования VisSim 34
1.4.2 Графическая среда моделирования Xcos 35
1.4.3 Система моделирования динамических систем Simulink 37
1.5 Языки программирования 39
1.5.1 Python 40
1.5.2 Язык программирования R 41
1.6 Задача обнаружения аномалий 45
Выводы по разделу 1 50
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
АВТОМАТИЗАЦИИ ОБНАРУЖЕНИЯ АНОМАЛИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАННЫХ 51
2.1 Схема структуры разрабатываемой системы 51
2.2 Функциональная схема работы разрабатываемого комплекса 53
Выводы по разделу 2 56
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
ЗДАНИЯ 57
3.1 Описание математической модели объекта управления в виде системы
теплоснабжения отапливаемого здания (сооружения) 57
3.2 Особенности работы регуляторов, применяемых в системах теплоснабжения
60
3.3 Функциональная и структурная схемы системы управления отоплением
здания с автоматизированным ИТП 69
3.4 Реализация имитационной модели системы управления отоплением здания с
автоматизированным ИТП в Simulink 76
Выводы по разделу 3 83
4 ИНТЕГРАЦИЯ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
ЗДАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ ДИСПЕТЧЕРСКОГО КОНТРОЛЯ 85
4.1 Интеграция разработанной имитационной модели системы теплоснабжения
здания в автоматизированную систему диспетчерского контроля 87
4.1.1 Разработка программного модуля и алгоритма работы извлечения
значений параметров из базы данных АСДУ «ПолиТЭР» в MATLAB 87
4.1.2 Разработка программного модуля и алгоритма работы загрузки
результатов расчета имитационной модели процессов системы теплоснабжения в базу данных АСДУ «ПолиТЭР» 95
4.2 Интеграция модуля поиска аномалий и восстановления данных в АСДУ «ПолиТЭР» 99
4.2.1 Структура программного комплекса модуля поиска аномальных
значений и восстановления данных 99
4.2.2 Разработка программного модуля взаимодействия программного
комплекса поиска аномалий с АСДУ «ПолиТЭР» 102
Выводы по разделу 4 109
5 ПРОВЕДЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОБНАРУЖЕНИЮ АНОМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЮ ДАННЫХ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И
НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ 110
5.1 Идентификация динамических параметров объекта управления в виде
системы отопления здания 110
5.2 Имитационное моделирование системы теплоснабжения здания с
автоматизированным ИТП 113
5.3 Проведение процедуры поиска аномалий и восстановления данных при
помощи программного модуля очистки данных Python 116
Выводы по разделу 5 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схемы и чертежи 130
На сегодняшний день задача обеспечения объектов тепловой энергией является одной из важнейших задач в энергетике. Поддержание комфортного температурного режима на объекте в любое время года необходимо для комфортного пребывания на нем людей и повышения работоспособности персонала. Для осуществления доставки тепловой энергии к потребителям применяются системы теплоснабжения.
Система теплоснабжения - это совокупность гидравлически связанных трубопроводов, установок и устройств для производства, передачи, распределения и использования тепловой энергии [1]. В данных системах за счет износа оборудования, некорректных расчетов тепловых нагрузок и по ряду других причин возникает проблема потерь тепловой энергии.
В связи с этим возникает задача контроля и повышения эффективности использования энергетических ресурсов. Для реализации данных задач на обеспечиваемом тепловой энергией объекте устанавливают индивидуальный тепловой пункт (ИТП).
ИТП - это комплекс устройств автоматики, который предназначен для организации теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения, вентиляции потребителям от тепловой сети [2]. Основными элементами ИТП являются устройства, предназначенные для мониторинга и управления параметрами теплового режима здания. Данные элементы обычно включают датчики, насосы, клапаны, запорная арматура, коммутационные устройства, а также щиты управления, в которых обычно располагают счетчики тепловой энергии и управляющие контроллеры.
Как правило, установка ИТП предполагает сбор показаний с датчиков, а также информации о техническом состоянии оборудования, установленного в тепловой сети. Для мониторинга данных параметров в режиме реального времени применяют диспетчеризацию тепловых пунктов.
Диспетчеризация заключается в организации оперативного контроля за параметрами автоматизируемой системы с применением специальных средств передачи и обработки информации [3].
Система диспетчеризации - это набор аппаратных и программных средств для централизованного контроля за технологическими процессами, измеряемыми параметрами, автоматизированными системами [4]. Информация обо всем оборудовании и значениях измеряемых параметров выводится на экран компьютера автоматизированного рабочего места оператора-диспетчера в режиме реального времени.
В современных реалиях в системах диспетчеризации одной из главных проблем является определение аномальных значений и пропусков данных в измеряемых параметрах. При сборе показаний об измеряемых параметрах некоторые устройства (например, датчики) могут выходить из строя, или связь с ними может прерываться на определенное время. При этом в хранилище данных (базе данных) на пункте управления будут присутствовать отсутствующие значения на момент времени измерения.
Появление некорректных данных также может быть связано с множеством факторов: износ оборудования, неправильная его установка и эксплуатация (человеческий фактор), программные ошибки, выход условий эксплуатации устройств из рассчитанного диапазона.
Считывание некорректных данных может привести к снижению энергетической эффективности теплоснабжения помещений, а также к формированию ошибочных управляющих воздействий в устройствах автоматики, что приводит к повышенному расходу электроэнергии [53].
В связи с вышеупомянутыми фактами задача очистки данных и поиска аномалий должна включать как идентификацию выбросов и неверного считывания данных во временном ряду измеряемого параметра, так и восстановления пропущенных значений...
Система теплоснабжения - это совокупность гидравлически связанных трубопроводов, установок и устройств для производства, передачи, распределения и использования тепловой энергии [1]. В данных системах за счет износа оборудования, некорректных расчетов тепловых нагрузок и по ряду других причин возникает проблема потерь тепловой энергии.
В связи с этим возникает задача контроля и повышения эффективности использования энергетических ресурсов. Для реализации данных задач на обеспечиваемом тепловой энергией объекте устанавливают индивидуальный тепловой пункт (ИТП).
ИТП - это комплекс устройств автоматики, который предназначен для организации теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения, вентиляции потребителям от тепловой сети [2]. Основными элементами ИТП являются устройства, предназначенные для мониторинга и управления параметрами теплового режима здания. Данные элементы обычно включают датчики, насосы, клапаны, запорная арматура, коммутационные устройства, а также щиты управления, в которых обычно располагают счетчики тепловой энергии и управляющие контроллеры.
Как правило, установка ИТП предполагает сбор показаний с датчиков, а также информации о техническом состоянии оборудования, установленного в тепловой сети. Для мониторинга данных параметров в режиме реального времени применяют диспетчеризацию тепловых пунктов.
Диспетчеризация заключается в организации оперативного контроля за параметрами автоматизируемой системы с применением специальных средств передачи и обработки информации [3].
Система диспетчеризации - это набор аппаратных и программных средств для централизованного контроля за технологическими процессами, измеряемыми параметрами, автоматизированными системами [4]. Информация обо всем оборудовании и значениях измеряемых параметров выводится на экран компьютера автоматизированного рабочего места оператора-диспетчера в режиме реального времени.
В современных реалиях в системах диспетчеризации одной из главных проблем является определение аномальных значений и пропусков данных в измеряемых параметрах. При сборе показаний об измеряемых параметрах некоторые устройства (например, датчики) могут выходить из строя, или связь с ними может прерываться на определенное время. При этом в хранилище данных (базе данных) на пункте управления будут присутствовать отсутствующие значения на момент времени измерения.
Появление некорректных данных также может быть связано с множеством факторов: износ оборудования, неправильная его установка и эксплуатация (человеческий фактор), программные ошибки, выход условий эксплуатации устройств из рассчитанного диапазона.
Считывание некорректных данных может привести к снижению энергетической эффективности теплоснабжения помещений, а также к формированию ошибочных управляющих воздействий в устройствах автоматики, что приводит к повышенному расходу электроэнергии [53].
В связи с вышеупомянутыми фактами задача очистки данных и поиска аномалий должна включать как идентификацию выбросов и неверного считывания данных во временном ряду измеряемого параметра, так и восстановления пропущенных значений...
Современные индивидуальные тепловые пункты управления теплоснабжением здания предполагают установку различных приборов сбора и учета информации для автоматизации работы системы, а также при необходимости контроля со стороны диспетчера. Однако в процессе работы данных систем возникает проблема некорректного считывания данных с измерительных устройств, которая может быть вызвана неполадками в их работе, перебоями со связью, неправильной эксплуатацией оборудования и по ряду других причин. В связи с этим возникает необходимости идентификации данных отклонений (аномалий) в ряду измеряемого параметра и восстановлению выявленных отклонений до нормальных значений.
В результате выполнения данной работы был разработан программный комплекс имитационного моделирования системы теплоснабжения здания с автоматизированным ИТП, а также поиска аномальных значений и восстановления данных. Была проведена интеграция разработанного программного комплекса в автоматизированную систему диспетчерского контроля ЮУрГУ «ПолиТЭР» при помощи специально разработанных программных модулей.
Для демонстрации работы комплекса были проведены экспериментальные исследования на основе данных индивидуального теплового пункта учебного корпуса 2 АТ ЮУрГУ. При помощи имитационного моделирования был проведен расчет основных параметров системы отопления данного здания, после чего при помощи рекуррентной нейронной сети был проведен анализ аномальных значений и восстановление данных для одного из параметров данной системы (температуры обратного трубопровода на выводе из отапливаемого здания).
В результате выполнения данной работы был разработан программный комплекс имитационного моделирования системы теплоснабжения здания с автоматизированным ИТП, а также поиска аномальных значений и восстановления данных. Была проведена интеграция разработанного программного комплекса в автоматизированную систему диспетчерского контроля ЮУрГУ «ПолиТЭР» при помощи специально разработанных программных модулей.
Для демонстрации работы комплекса были проведены экспериментальные исследования на основе данных индивидуального теплового пункта учебного корпуса 2 АТ ЮУрГУ. При помощи имитационного моделирования был проведен расчет основных параметров системы отопления данного здания, после чего при помощи рекуррентной нейронной сети был проведен анализ аномальных значений и восстановление данных для одного из параметров данной системы (температуры обратного трубопровода на выводе из отапливаемого здания).
