В последние годы в России доступны и широко применяются самые современные приборы и устройства автоматики. Кибернетика, которая в 70-е годы у обычных людей ассоциировалась с космическими ракетами или с фантастическими роботами, сейчас на каждом шагу. Схемотехника самого дешёвого мобильного телефона – просто фантастика по сравнению со сложнейшими комплексами 70-80-х годов. Впрочем, следует признать, что и дорогие приборы устроены не намного сложнее.
Вся современная техника: космические корабли и навигационные системы самолётов, роботы, прокатные станы и электрооборудование построены на системах автоматического управления. Чем точнее эти системы работают, тем качественнее продукт, тем меньше расходов энергии, материалов и отходов. Оптимизацию такой работы в науке описывает «Теория автоматического управления» (ТАУ), которую учёные считают главной наукой 20 и 21 веков. Она очень сложная, но практика во много раз сложнее.
Ещё 30 лет назад электротехника разрабатывалась очень долго и сложно, и требовала постоянного и обслуживания квалифицированными специалистами . Современные приборы автоматического управления сравнительно дёшевы, доступны и работают практически сразу после включения. Инженерам-наладчикам, как правило, не приходится тратить много времени на установку. Их задача - всё правильно подключить, следуя инструкциям, а дальше чудесная техника работает сама, даже «заводские настройки» не приходится менять.
Несмотря на то, что почти каждый инженер в вузе изучал ТАУ, на практике она применяется разве что в ракетно-космической области и роботостроении. Да и там о ней, судя по возникающим авариям ракетоносителей, вспоминают не всегда, что уж говорить, например, о регуляторах тепловой энергии в котельных. О том, что та самая «Теория автоматического управления» исследует и учит оптимизации рабочего процесса, т.е. снижению затрат даже «внутри» инструкций, на практике вспоминают очень редко. Однако в Южно-Уральском государственном университете знают, как решить эти проблемы.
Несколько лет назад молодой учёный ЮУрГУ с аэрокосмического факультета представил на Учёном совете вуза свои исследования работы автоматических регуляторов котлов. Коллег поразили не только разработки аспиранта, но и инструкции известных западных фирм, которые он «совершенствовал». Тема заинтересовала профессора кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета Владимира Кодкина, и он решил проверить работу этих регуляторов на соответствие «Теории автоматического управления». Результаты ошеломили.
Стенд для исследований регуляторов отопительных агрегатов
Рассмотрев устройство трёх регуляторов самых известных фирм: Viessmann (Германия), ESBE (Швеция), Danfoss (Дания), ученый обнаружил, что все приборы были настроены по заводским инструкциям, но работали по-разному. Изменив в настройках всего нескольких параметров, удалось снизить потребление газа (или электроэнергии) на 3 – 5 %. А если, в соответствии с ТАУ, внести некоторые изменения в самом устройстве регуляторов, то уровень потребления энергии снизится и на 10%. При этом всё будет происходить оптимизированно, а значит оборудование проработает дольше и без аварий.
В данный момент работу в этой области продолжает малое инновационное предприятие ООО «Костес», созданное при университете. Достигнута договорённость о сотрудничестве с компанией ОАО «НПФ Восток-Запад» (Челябинск), внедряющей новое энергооборудование в Уральском регионе. На кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ЮУрГУ проводится «тонкая настройка» регуляторов не по инструкциям, а по той самой научной теории, которая обеспечит котельным компании наилучший режим энергопотребления.
Учёные уверены, что оптимизация – это единственный алгоритм, который дает наилучший результат. Для каждого конкретного объекта решение должно быть единственным, и не может быть универсальным. Чтобы его найти, нужно не просто разбираться в инструкциях и общих документах, но глубоко вникнуть в специфику работы того или иного объекта, механизма. Сегодня оптимизации никто не добивается, хотя она может принести существенную выгоду.
Электрические сигналы, формируемые регулятором
Важнейшей проблемой экономики и экологии России остаётся электро- и энергопотребление, которое в разы выше, чем в Европе, США и Японии. Одна из причин - большая доля так называемых нерегулируемых электроприводов. Хотя средства регулирования стали доступными для промышленных предприятий с начала 90-х годов, не все спешили их применять. А те, кто применял, далеко не всегда добивались улучшений, т.к. не знали, что с помощью руководств и инструкций по эксплуатации невозможно справиться со всеми возникающими проблемами.
Например, огромное количество механизмов, работая без регулирующих устройств, испытывают кратковременные перегрузки (хотя раньше тепловые защиты приводов этих перегрузок не чувствовали). После установки на них преобразователей частоты, электроприводы отключаются и производство останавливается: при перегрузках на 10% - через минуту, на 50% - через 20 секунд, а на 100% - через 10 секунд. Кто виноват? Конечно, электроника! Подобная проблема возникла на мощном экструдере химического предприятия в Башкирии. Электропривод итальянского производства мощностью 5 МВт при номинальной загрузке неожиданно останавливался. Инженеры не нашли никаких причин и предложили увеличить нагрузку вспомогательного привода, что привело к перерасходу общей мощности агрегата.
Этот вопрос рассмотрел дипломник кафедры ЭПА вместе с профессором Владимиром Кодкиным. По зарегистрированным диаграммам тока они выяснили, что схема токоограничения привода увеличивала уровень пульсации статорных токов, и защита, воспринимая эти пульсации как действующий ток, отключала привод. Электроника оказалась не причём, и работу огромного химического комплекса могли обеспечить только её корректные настройки.
Другой пример. Копейский машиностроительный завод установил на новый вагон преобразователь частоты зарубежной фирмы: вагон при весе 15 тонн должен был возить те же 15 тонн груза. Несмотря на то, что всё было настроено по инструкциям, двигатели вагона испытывали значительную перегрузку. Чтобы заставить вагон двигаться, следовало внести существенные ограничения: исключить третью (максимальную) скорость, снизить грузоподъёмность с 15 до 7 тонн, или ездить порожняком на больших углах возвышения. Владимир Кодкин вместе с доцентом кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии» Александром Аникиным изучили все возможные варианты и нашли новый способ управления электроприводом, который позволил увеличить предельную грузоподъёмность в 2 раза. Для сравнения, аналогичный 15-тонный вагон американской компании возит 7 тонн, а его стоимость сравнима со стоимостью лучшего американского танка. Способ учёных ЮУрГУ существенно отличался от стандартных инструкций и был запатентован.
В течение нескольких лет с кафедрой ЭПА сотрудничает российское представительство одной из ведущих компаний производителей электроники Schneider Electric (Франция). Она предоставляет учёным свои преобразователи, в том числе новейшие, и принимает к сведению результаты испытаний и технологии, которых нет ни в каких инструкциях и учебниках. Эта информация представляет несомненный интерес.
Преобразователи частоты ATV-71 и ATV-32 компании Schneider Electric
Сегодня распространена тенденция – внедрять всё «под ключ»: станок, цех, завод, отрасль. На рынке большое количество предложений европейских фирм по комплектам готового электропривода. В этом случае можно обойтись инструкциями и не вспоминать про науку. Изделия будут работать при универсальных алгоритмах, однако, они никогда не достигнут наилучших результатов. Иногда технология «под ключ» очень напоминают популярный в начале 90-х годов анекдот про «новых русских», которые каждую неделю покупали себе новый «мерседес», потому что «пепельница быстро заполнялась». Очевидно, инструкция к автомобилю не рассказывала, как её очищать. И это не единственный пример превращения анекдота из прошлого в современную технологию. Но это уже другая история и другая наука.