Современные лабораторные стенды: как российские вузы применяют отечественные среду Engee и КПМ РИТМ для моделирования / forpes.ru

Главная
Современные лабораторные стенды: как российские вузы применяют отечественные среду Engee и КПМ РИТМ для моделирования

Современные лабораторные стенды: как российские вузы применяют отечественные среду Engee и КПМ РИТМ для моделирования +2

06.10.2025 08:20

MaksimSidorov 0 105 Источник

ВВЕДЕНИЕ

Современное инженерное образование требует практической подготовки студентов к работе с реальными техническими системами и технологии моделирования позволяют сделать образовательный процесс заметно эффективнее.

В этой статье на двух примерах покажем, как российские вузы используют отечественные решения для моделирования комплексных технических систем в образовательном процессе.

Но сначала разберемся с основными понятиями.

Полунатурное моделирование (HIL, или Hardware-in-the-Loop) – это метод испытаний, при котором отдельные составляющие тестируемой системы заменены их моделями, а остальная часть системы представлена ее реальными компонентами. При этом обмен данными между моделями и реальными компонентами происходит по тем же интерфейсам, что и в исходной системе.

В чем преимущество такого подхода? Отметим ключевые особенности:

безопасность – различные режимы и сценарии работы тестируются без риска повредить дорогостоящее оборудование или нанести ущерб людям;
междисциплинарность – современные технические системы комплексны и над их разработкой могут работать команды с разной специализацией, тестируя свои модули независимо — нужно лишь согласовать интерфейсы;
стоимость – не нужно закупать и обслуживать весь комплект реального оборудования.

Полунатурное моделирование проводится в режиме жесткого реального времени — это значит, что каждый шаг расчёта модели начинается в строго определенный момент времени и гарантированно завершается до начала следующего шага. При этом все компоненты модели выполняются с заданной частотой дискретизации, учитывают задержки и особенности работы реальных интерфейсов и оборудования, а также строго синхронизированы по времени выполнения.

Еще одним методом моделирования является быстрое прототипирование. Оно позволяет в короткий срок оценивать работу систем управления в процессе их проектирования, используя машины реального времени.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ РЕШЕНИЯ

Выделим 3 ключевых компонента, необходимых для реализации полунатурного испытания:

программная среда для разработки модели;
машина реального времени для запуска модели в режиме жесткого реального времени;
блок управления.

На российском рынке уже есть продукты, закрывающие потребность в этих компонентах: платформа Engee, а также комплекс полунатурного моделирования РИТМ. В качестве прототипа блока управления может использоваться КПМ РИТМ, отладочная плата или одноплатный компьютер – например, Repka Pi.

Вкратце расскажем о них.

Engee – это российская среда для разработки сложных технических систем. Она предоставляет готовое окружение для анализа данных, а также инженерных расчетов. Помимо этого, Engee является средой визуального моделирования и позволяет с помощью привычных блок-схем строить модели алгоритмов управления и сложных физических систем. Затем их можно использовать для проведения полунатурного тестирования или генерации кода для интеграции на встраиваемых платформах.

КПМ РИТМ – это промышленный компьютер, в котором подобраны и разработаны программные и аппаратные компоненты для гарантированной работы моделей в режиме жесткого реального времени. Комплекс также содержит интерфейсы для связи с внешним миром.

Repka Pi – это одноплатный компьютер под управлением ОС Linux. На нем будет выполняться код, сгенерированный в Engee из модели системы управления.

ОПИСАНИЕ ПРОЕКТОВ

Наконец, перейдем к главному – расскажем об опыте российских вузов по применению современных подходов к моделированию на базе Engee и КПМ РИТМ.

Приамурский государственный университет им. Шолом-Алейхема и система управления камерами флотации

В Приамурским государственным университетом им. Шолом-Алейхема мы подготовили проект по моделированию системы управления процессом флотации руды. Впоследствии он послужит основой для проведения лабораторных работ по данной теме.

Немного слов о самой технологии. Процесс флотации широко используется в горноперерабатывающей промышленности и представляет собой физико-химический метод обогащения полезных ископаемых посредством разделения твёрдых частиц, основанный на различии в их смачиваемости.

Схематическое изображение процесса флотации

Флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединенных камер, между которыми перемещается смесь жидкости и твердых частиц (пульпы). В каждой камере происходит интенсивное перемешивание, насыщение смеси воздухом и образование пены, на пузырьках которой всплывают частицы руды и отделяются от пустой породы. По мере перемещения смеси из одной камеры в другую постепенно увеличивается концентрация извлекаемого вещества.

Ключевая задача – поддержание стабильности технологического цикла: любые колебания уровня смеси в камерах снижают качество обогащения и ведут к потерям сырья.

В лабораторной работе студенты разрабатывают систему управления, регулирующую степень открытия клапанов каждой камеры, управляя перемещением смеси между ними.

Проверять такие наработки на настоящей флотационной установке было бы дорого, сложно и небезопасно: оборудование громоздкое, чувствительное к настройкам, а некоторые режимы могут привести к аварийным ситуациям, - здесь и полезен полунатурный стенд. Вместо реальной флотационной ячейки используется ее модель, собранная в Engee и запущенная на КПМ РИТМ в режиме реального времени. При этом контроллер и модель обмениваются данными через промышленный протокол Modbus TCP, как в настоящей системе.

Такой полунатурный стенд делает обучение безопасным, наглядным и экономичным, а студентам позволяет свободно экспериментировать с инженерными решениями без ущерба для оборудования.

Объект управления

Разберём подробнее модель объекта управления.Engee обладает обширной библиотекой блоков физического моделирования, позволяющей моделировать системы различной физической природы. В нашем случае объект управления — это модель флотационной установки с несколькими камерами, в которой воспроизводится динамика изотермической жидкости.

Система управления

Система управления представлена пятью ПИД-регуляторами – по одному для каждого клапана флотационной установки. Они поддерживают заданный уровень смеси в камерах, управляя открытием клапана в зависимости от отклонения от целевого значения.

Модель регуляторов уровня смеси в камерах

После настройки и отладки модель была преобразована в C-код с помощью встроенного генератора кода Engee, а затем загружена на одноплатный компьютер Repka Pi.

Передача сигналов

Для передачи сигналов между устройствами использовался промышленный протокол Modbus TCP. Библиотека Engee содержит все необходимые для этого блоки – достаточно настроить параметры соединения.

Тестирование и результаты

Тестирование системы управления флотационной установкой на полунатурном стенде позволяет оценить качество ее работы: отклонение уровня жидкости в камерах от заданных значений, время переходных процессов.

При дальнейшем усложнении системы управления в сценарии тестирования можно включить имитацию отказов компонентов флотационной установки – отключение датчиков уровня, нарушения работы интерфейсов и т.д. – и отлаживать алгоритмы их обработки и переходы в аварийные режимы работы.

Таким образом, полунатурный стенд превращает освоение технологических процессов в доступный и наглядный учебный материал, позволяя студентам закрепить знания о технологиях горнодобывающей отрасли и приобрести практические навыки работы с системами управления.

Афанасьев Александр Петрович, доцент кафедры технических дисциплин ПГУ:

Наш университет является участником программы «Приоритет 2030», в рамках которой мы активно развиваем сотрудничество с промышленными партнерами. Одним из ключевых партнеров выступает Кимкано-Сутарский горно-обогатительный комбинат.

Среда моделирования Engee в связке с КПМ РИТМ станет платформой для моделирования, экспериментов и обучения. Он интегрирует различные инженерные дисциплины и позволит студентам и сотрудникам совместно работать над реальными производственными задачами.

Использование комплекса не ограничится горно-обогатительной отраслью и охватит широкий спектр направлений подготовки специалистов в нашем вузе.

Наше сотрудничество с центром «Экспонента» пока не имеет долгой истории, но уже приносит первые результаты, что и подтверждает представленный проект.

В перспективе мы планируем широко внедрять инновационные подходы в образовательный процесс и технологические практики на основе решений, предлагаемых центром «Экспонента».

Дальневосточный государственный аграрный университет и система управления теплицей

Дальневосточный государственный аграрный университет готовит студентов к решению практических задач, с которыми агропредприятия сталкиваются каждый день. Одна из таких задач – управление микроклиматом теплицы.

Система управления должна поддерживать заданную температуру и влажность внутри теплицы, опираясь на показания датчиков и управляя исполнительными устройствами – вентиляцией, обогревом или увлажнением. От ее работы напрямую зависит качество выращиваемых культур. Поэтому необходимо проводить предварительную настройку и тестирование системы управления – и моделирование здесь становится безопасным и наглядным инструментом.

Объект управления

Объект управления представлен математической моделью теплицы, которая содержит дифференциальные уравнения изменения регулируемых физических параметров.

Уравнение изменения температуры в теплице:

$\rho_a C_a V \frac{dT_{in}}{dt} = Q_{short} - Q_{conv,cond} - Q_{infil} - Q_{long} + Q_{heater} - Q_{ventilation}$

где:

$\rho_a$ — плотность воздуха внутри теплицы, $\text{кг}/\text{м}^3$

— удельная теплоёмкость воздуха, $\text{Дж}/(\text{кг}\cdot K)$

— объём теплицы, м

$T_{in}$ — температура внутри теплицы, $^\circ$ C

$Q_{short} = \alpha \tau C$ — тепло, полученное от коротковолнового излучения

$Q_{conv,cond} = US \left( T_{in} - T_{out} \right)$ — конвекционные и конденсационные тепловые потери

$Q_{infil} = \rho_a C_a \frac{V}{3600} \left( T_{in} - T_{out} \right)$ — тепловые потери от проникновения тепла через покрытие наружу

$Q_{long} = h_s (1 - \tau)(T_{in} - T_{sky})$ — длинноволновые тепловые потери

$Q_{heater} = N_h R$ — тепло, полученное от системы отопления

$Q_{ventilation} = C_a R_v (T_{in} - T_{out})$ — тепловые потери от системы вентиляции

Уравнение изменения влажности в теплице:

$\rho_a V \frac{dH_{in}}{dt} = E - Q_{infiltration} + Q_{hum} - Q_{dehum}$

где:

$\rho_a$ — плотность воздуха внутри, $\text{кг}/\text{м}^3$

— объём теплицы, м

$H_{in}$ — относительная влажность воздуха внутри

$E = C_e V w (p_{out} - p_{in})$ — пар, переносимый из почвы в воздух внутри помещения в результате испарения

$Q_{infiltration} = R_v (H_{in} - H_{out})$ — инфильтрационные потери

$Q_{hum}$ — увлажнение

$Q_{dehum}$ — осушение

Собранная в Engee модель выглядит следующим образом.

Модель включает в себя две подсистемы, описывающие уравнения изменения температуры и влажности.

Система управления

Для управления теплицей использовались регуляторы на основе нечеткой логики.

Регуляторов два – по одному для температуры и влажности. Чтобы их настроить, достаточно задать функции принадлежности и определить нечеткие правила:

Функции принадлежности регулятора температуры

Тестирование и результаты

Как и в предыдущем примере, объект управления – математическая модель теплицы – был запущен на КПМ РИТМ в режиме реального времени. КПМ РИТМ также использовался в качестве блока управления – это позволило провести быстрое прототипирование системы управление.

Результаты работы модели наглядно показывают, насколько точно и стабильно система поддерживает заданный микроклимат.

Изменение значения температуры внутри теплицы в процессе симуляции

Изменение значения влажности внутри теплицы в процессе симуляции

Созданный прототип можно затем перенести на встраиваемую платформу и интегрировать в блок управления, тем самым перенося учебные наработки в реальную систему и обеспечивая плавный переход от обучения к практике.

Воякин Сергей Николаевич, декан электроэнергетического факультета ДальГАУ:

С 2022 года наш университет является участником программы «Приоритет 2030» Дальний Восток, в рамках которой мы активно развиваем сотрудничество с индустриальными партнерами в сфере АПК. Поскольку Амурская область занимает лидирующую позицию в Дальневосточном федеральном округе по объемам аграрного производств, одним из приоритетных направлений нашей деятельности стала разработка совместных проектов с нашими индустриальными партнёрами, такими как Амурагрокомплекс, Таргетагро, Холдинг Амурагро, группа предприятий Янта и другие.

По запросу индустриальных партнеров, при поддержке Центра Инженерных Технологий и Моделирования «Экспонента», университет реализует образовательную программу по магистратуре Цифровые технологии в отрасли.

КПМ «РИТМ» совместно с Engee представляет собой эффективный инструмент для моделирования, обработки результатов экспериментов и обучения. Он интегрирует различные инженерные дисциплины в области агроинженерии и позволяет преподавателям и студентам совместно работать над реальными производственными задачами, например, управление микроклиматом теплицы.

Наше сотрудничество с центром «Экспонента» приносит результаты, что и подтверждает представленный проект. Уверены, что дальнейшая интеграция инновационных разработок в образовательный процесс станет залогом повышения уровня квалификации выпускников и успешного продвижения передовых практик агроинженерии.
В перспективе мы планируем и дальше внедрять инновационные подходы в образовательный процесс и технологические практики на основе решений, предлагаемых центром «Экспонента».

Заключение

Итак, хороший инженерный курс — это не только лекции и формулы, но и работа с инженерными задачами на уровне, близком к реальным условиям. Моделирование с помощью Engee и КПМ РИТМ даёт студентам возможность наглядно и безопасно осваивать новые навыки, а вузам — выстраивать образовательный процесс эффективно.

Мы показали лишь пару примеров из вузовской практики, но подходы и инструменты, о которых шла речь, универсальны. А значит, их можно применять для самых разных областей — от энергетики и транспорта до робототехники и агропромышленного комплекса, адаптируя учебные курсы к требованиям современной промышленности.

Современные лабораторные стенды: как российские вузы применяют отечественные среду Engee и КПМ РИТМ для моделирования +2

Комментарии (0)