Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления

Прокладка силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ осуществляется в грунт или кабельные каналы, во время прокладки возникает необходимость в соединении двух строительных длин кабелей. Соединение совершается при помощи соединительной муфты. Конструкция муфты аналогична конструкции кабеля, но радиально имеет большие размеры по следующим причинам: болтовое соединение жил и большие толщины изоляции. При протекании номинального тока через жилу выделятся тепло согласно закону Джоуля-Ленца. Поскольку муфта имеет большее тепловое сопротивление, чем у кабеля, то распределение температурных полей в ней будет отличным. В данной статье с учетом сделанных допущений и граничных условий разработана трехмерная математическая модель процессов теплопереноса в кабельной линии в условиях проложения кабеля с соединительной муфтой, в земле или в воздушной среде. Численная реализация поставленной математической модели осуществлялась с помощью метода конечных элементов в одном из программных пакетов ANSYS в среде Fluent. Произведен анализ работы кабельной линии и муфты кабеля марки ПвП 1×400 на постоянное напряжение 10 кВ. В результате численного решения были определены поля температур и скоростей в муфтовом соединении, силовом кабеле и окружающей среде. В результате анализа полученных результатов распределения температурных полей были определены оптимально допустимые токовые нагрузки. Выполнено сравнение пропускной способности кабельной линии с муфтовым соединением в условиях воздушного искусственного охлаждения и в случаях, когда окружающая среда - грунт.

Программные продукты, разрабатываемые в настоящее время, представляют собой сложные и высоконагруженные системы, затрагивающие различные предметные области. Для создания сложного программного обеспечения применяются различные методы, выбор которых зависит от конечных целей, а также заданного набора ресурсов. На ранних стадиях разработки программного обеспечения, в частности, при формировании концепции приложения, часто возникают проблемы, связанные со сложностью восприятия экспертами языков, используемых для моделирования предметной области, что тормозит процесс разработки. В работе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой модуля тренажера виртуальной реальности для сборки деталей. Тренажер виртуальной реальности представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из очков виртуальной реальности, устройства Kinect, предназначенного для отслеживания движений пользователя в пространстве, и программы, содержащей различные сборки деталей, которые и предлагается собрать пользователю. Рассматриваемый модуль предназначен для конвертирования деталей из одного формата в другой. Рассматриваются два подхода к разработке: с использованием предметно-ориентированного подхода и с использованием методов объектно-ориентированного программирования. Представлены реализация модуля в среде программирования Visual Studio и алгоритм разработки на основе предметно-ориентированного языка. Также в работе представлена архитектура модуля, разработанная на основе объектно-ориентированного подхода. Выполнено сравнение рассмотренных подходов. Подход на основе DSL позволит легко добавить новые форматы представления деталей в модуль конвертации за счет небольшого изменения DSL. При использовании ООП потребуется переписывать алгоритмы, позволяющие выполнить преобразования из одного формата в другой.

Одной из «учебно-ёмких» задач дискретной математики является задача синтеза конечного автомата, например автомата-распознавателя. В ней аккумулируются практически все темы: теория множеств, элементы общей алгебры, комбинаторика, теория графов, кодирование. Эта задача может использоваться в качестве комплексной при оценке знаний, умений и владений. Она хороша ещё и тем, что легко сформировать достаточное количество вариантов, что позволяет предложить каждому студенту свой вариант. Варианты хорошо масштабируются, причём уменьшение длины распознаваемой последовательности создаёт условия для решения задачи в рамках 15-минутной контрольной работы, а при увеличении - сложность достаточна для курсовой работы. Кроме того, результаты решения могут быть использованы в дисциплине «Схемотехника», изучаемой в том же семестре. Описывается методика синтеза и моделирования синхронного автомата-распознавателя заданной последовательности с повторяющимися символами для курсовой работы по дисциплине «Схемотехника» на основе схем-шаблонов, как продолжения лабораторного занятия. Показывается, что в шаблоне блок формирования кода клавиши может быть реализован на базе кодера, а логика переходов и выходов - на основе дешифраторов. Выполняется моделирование в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 фирмы National Instruments Electronics Workbench Group. Делается вывод о целесообразности использования предложенного подхода для простой последовательности в лабораторных работах и усложнённых версий синхронного автомата во время курсовой работы студентов. Предлагаемая методика может обеспечить масштабирование заданий и времени их выполнения (контроля), что вносит существенный вклад в дело повышения качества подготовки отечественных специалистов в области электронной компонентной базы.

Одним из важных измерений являются измерения температуры. В настоящее время существует достаточное количество автоматизированных систем контроля температуры. Многие из существующих систем предназначены для применения в узкой предметной области, не имеют инструментов гибкой настройки, не предполагают интеграции с информационной системой для хранения данных о произведенных измерениях и условиях работы. К тому же большая часть таких систем разрабатывается за рубежом, что накладывает серьезные ограничения в части информационной и технологической безопасности на их использование в отдельных областях. Цель работы - создание автоматизированной системы для сбора и хранения данных от датчика контроля температуры объекта. Реализация сбора данных была выполнена в соответствии со стандартом CAN 2.0. По протоколу информационно-логического обмена по интерфейсу USART был осуществлен обмен данными между датчиком контроля температуры объекта и автоматизированной системы со скоростью 250 кбит/с. Автоматизированная система для сбора и хранения данных разработана в среде визуального программирования Embarcadero RAD Studio XE7. Работа со стандартом CAN 2.0 осуществляется с помощью библиотеки USBCAN2.dll. В ходе работы проанализированы автоматизированные системы контроля температуры объектов и выделены их достоинства и недостатки. В статье подробно описаны технические аспекты реализации системы сбора и передачи данных датчика контроля нагрева объекта по интерфейсу CAN 2.0, а также хранения данных в информационной системе. Предложенные технические решения для сбора и хранения данных позволяют разрабатывать автоматизированные системы контроля температуры объекта и получать информацию о текущем состоянии объекта.

Очистка сточных вод - одна из приоритетных задач рационального природопользования. Концентрации загрязняющих веществ и патогенных организмов в сточных водах значительно увеличились за последние десятилетия. В результате существующие методы очистки сточных вод не всегда могут обеспечить необходимую степень очистки. Поддержание постоянного значения объемной скорости подачи сточных вод, как правило, требует значительных финансовых затрат на строительство и содержание специальных резервуаров. В работе предложено дальнейшее развитие компартментальной математической модели процесса биологической очистки сточных вод для случая кусочно-постоянного в течение суток значения часового расхода сточных вод. Разработанная модель представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, которая учитывает динамику концентраций двух типов субстрата, микроорганизмов активного ила и кислорода. Для описания переключения процессов окисления с органики на аммоний и конкуренции за кислород использованы пороговые функции. Насыщение микроорганизмов активного ила субстратами и кислородом учтено с помощью функции Моно. Предложены оригинальные формулы для нахождения значений входных модельных концентраций. Для компьютерного моделирования на языке программирования Python был написан программный комплекс. Параметрическая идентификация проведена в два этапа. Сначала методом сканирования найдены значения параметров, обеспечивающие минимум критерию оптимальности, затем значения параметров были дополнительно уточнены. Результаты компьютерного моделирования, графики динамики модельных концентраций и их значения на выходе из компартментов показывают адекватность разработанной модели процессу биоочистки воды. Предложенные формулы и уравнения для нахождения соответственно входных и выходных значений модельных концентраций, разделение аэротенка на компартменты обеспечивают возможность нахождения значений модельных концентраций на выходе из компартментов аэротенка в любой момент времени, что необходимо для решения задач прогнозирования и оптимального управления.

Предложен метод управляемой коммутации для сетей 6-10 кВ в связи с неэффективностью и неэкономичностью традиционных способов снижения бросков тока в силовом трансформаторе. Подключение к питающей сети силового трансформатора может сопровождаться возникновением переходного процесса, при котором образуются броски токов, превышающие по величине в несколько раз номинальные токи трансформатора и в несколько сотен раз токи его холостого хода. Описаны причины возникновения переходных процессов, а также влияние бросков тока на оборудование и используемые способы их снижения. Приведен принцип управляемого включения и рассмотрены преимущества и особенности управляемой коммутации. Рассмотренный метод управляемой коммутации позволяет значительно уменьшить амплитуду бросков тока при включении силового трансформатора за счет последовательной пофазной коммутации фаз выключателя по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока через ноль. На базе модели электрической сети 6(10) кВ системы электроснабжения подобран алгоритм управляемого включения трансформатора, при котором броски тока не превышают номинального тока трансформатора. Модель разработана в программном комплексе MatLab/Simulink, который включает в себя трехфазный источник питания, две кабельные линии, вакуумный выключатель и реактивную нагрузку в виде силового трансформатора, носящую индуктивный характер. Данный алгоритм подобран для сетей низкого класса напряжения. Для таких сетей распространено использование режима с изолированной нейтралью, соответственно подобранный алгоритм имеет свои особенности. Рассмотрено влияние различных факторов на величину бросков тока, таких как напряжение сети, мощность нагрузки, длина и сечение кабельной линии, количество предпробоев в выключателе, а также наиболее важный фактор - остаточный магнитный поток.

Вычисление, или, как принято говорить, реализация логических функций со времени изобретения электромагнитного реле в середине ХIХ в. является одной из важнейших задач, решаемых цифровой аппаратурой. Эта своего рода макрореализация бинарной логики, включавшая как вариант и использование в ряде случаев даже электровакуумных ламп в ключевом режиме, была почти полностью замещена микрореализацией - после изобретения транзисторов в конце 40-х гг. ХХ в. Затем появились интегральные микросхемы (ИМС) малой степени интеграции, что позволило строить схемы на «жёсткой» логике. Однако уже в 60-е гг. ХХ в. появляются ИМС средней степени интеграции, например, мультиплексоры (MS), дешифраторы (DC), что обусловило появление понятия «универсальный логический модуль». Разработка ИМС оперативной памяти (ОЗУ), перепрограммируемой постоянной памяти (ППЗУ), программируемых логических матриц (ПЛМ) в 70-е гг. ХХ в. создало условия для появления больших интегральных схем БИС и «гибкой» логики, изменяемой пользователем не в заводских условиях. Поэтому создание в конце 80-х гг. ХХ в. программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) было логичным продолжением этого «гибкого» направления цифровой схемотехники. ПЛИС типа FPGA (field-programmable gate array) используют так называемый LUT (Look up Table) - генератор логических функций, выполненный в виде дерева передающих МОП транзисторов для реализации мультиплексора-селектора (постоянной памяти разрядностью один бит с n адресными входами), настраиваемого по входам данных на вычисление только одной логической функции для данной конфигурации. Авторами разработаны и исследованы новые логические элементы, улучшающие их характеристики. Предложены элементы, реализующие системы логических функций, элементы, обладающие отказо- и сбоеустойчивостью. В статье анализируются результаты моделирования и оптимизации этих элементов в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 firm National Instruments Electronics Workbench Group по энергопотреблению и задержке. Делается вывод о возможности их применения в ПЛИС.