Реферат
Проектирование системы электроснабжения группы цехов металлургического завода с использованием САПР
Постановка проблемы.
В настоящее время автоматизация проектирования является одним из основных способов повышения производительности труда инженеров-проектировщиков и конструкторов. Для каждой организации, рассчитывающей сохранить и укрепить свои позиции на рынке, исключительно важным стало максимальное сокращение времени разработки, а эта цель недостижима без автоматизации процесса проектирования.
Выполнить проект современной высокоэффективной системы электроснабжения (СЭС) с учетом требований Государственных стандартов и строительных норм в приемлемые сроки можно только за счет внедрения систем автоматизированного проектирования электроснабжения (САПР) [1]. Сравнение вариантов технических решений при переменных параметрах требует многократного повторения алгоритма расчетов в процессе проектирования объекта. Для систем электроснабжения крупных предприятий оптимизация процесса выбора также достигается с помощью математического моделирования объектов и процессов средствами САПР.
В данное время в области автоматизации проектирования электроснабжения не получили надлежащего развития научно обоснованный анализ и декомпозиция процесса проектирования и разработки инженерного подхода к программированию проектных процедур. Это является причиной разнотипного подхода проектных организаций к созданию САПР систем электроснабжения (СЭС), что усложняет взаимный обмен прикладными программами и пакетами программ. Следствием такого положения является значительная дороговизна САПР СЭС при их внедрении и сопровождении в проектную практику.
Основные цели автоматизации проектирования СЭС – следующие [2]:
- повышение качества и технико-экономического уровня проектируемых систем, в том числе при их сооружении, эксплуатации и использовании;
- повышение производительности работы инженеров-проектировщиков;
- сокращение сроков, уменьшение стоимости и трудоемкости проектирования.
Известные типы САПР показывают, что разработка и применение наиболее сложных систем не всегда целесообразны, ввиду длительности разработки, высоких требований к информационным ресурсам и высокой стоимости как самих САПР так и необходимых для её работы приложений.
Существует множество небольших программ, которые выполняют электротехнические расчеты, но, как правило, они ограничиваются выполнением лишь нескольких операций.
Исходя из этого, актуальна разработка собственной САПР с помощью объектно-ориентированного языка программирования высокого уровня.
Наиболее известными подобными разработками в области автоматического проектирования электротехнического оборудования низковольтных электрических сетей можно назвать CAD-систему My Ecodial и САПР CadEL [2].
Они имеют значительные отличия от известных систем автоматизированного проектирования, которые представляют собой компьютеризированные средства прорисовок схем и чертежей.
В CadEL реализуется проектирование щитов низковольтных комплектных устройств, основанное на применении библиотеки комплектующих АВВ и Shneider Electric.
Необходимо отметить, что CadEL строится по модульному принципу. На наш взгляд целесообразно его дополнение расчетно-проектным модулем с возможностью получения отчетов и дальнейшего использования при формировании проекта.
Одним из развивающихся в этом направлении являетсяразвивается электротехническое программное обеспечение – среда CAD-системы My Ecodial L компании Schneider Electric.
My Ecodial L оказывает помощь в расчете сложных электрических установок для зданий промышленных предприятий и организаций сферы услуг с использованием оборудования фирмы-разработчика. На усмотрение пользователя остается каскадное включение, координация пускателей электродвигателей, визуализация кривых срабатывания автоматических выключателей.
Несмотря на указанные достоинства, практическое использование My Ecodial L показывает, что расчетно-графическое представление в ней крупного или среднего объекта, содержащего значительное количество электроприемников, становится трудно читаемым. Кроме того, расчетные методики здесь упрощены, в частности, нагрузка группы электроприемников определяется простым суммированием, отсутствуют проверки по токам короткого замыкания и коэффициентам чувствительности, база электрооборудования сильно ограничена и не пополняема очевидным образом.
Вследствие этого, на наш взгляд, использование разрабатываемой САПР, ориентированной на расчетный функционал с возможностью широкого выбора оборудования и наглядной структурой пошагового проектирования, может с успехом дополнять существующие CAD-системы.
Объект исследования — система электроснабжения цеха промышленного предприятия, для которого предусмотрена радиальная схема электроснабжения на напряжении 0,4 кВ, выполненная с помощью распределительных пунктов.
Цель работы данной САПР — расчет системы электроснабжения, который заключается в возможности определения длительной нагрузки 3-х фазных потребителей (уровень цех, распредпункт) [4, 5], в объединении потребителей группы, в подключении каждой группы к собственному распределительному пункту, в выборе автоматических выключателей и кабелей питания для всех потребителей, в сохранении полученных расчетов в базе данных, в создании отчетов о работе, их сохранении или печати.
Для выполнения указанных расчетов необходимы следующие исходные данные потребителей: тип, номинальная мощность, коэффициент мощности, коэффициент использования, КПД, кратность пускового тока.
Согласно этим данным, САПР выполняет: синтез структуры проектируемой системы в соответствии с результатами расчетов нагрузок и справочной информацией, которая сохраняется в базе данных; проверку защитных аппаратов по расчетным и пусковыми токам; выбор автоматических выключателей и кабелей; проверку выбранных проводов по нагреву длительно допустимым током и по механической стойкости; проверку выбранных автоматических выключателей номинальным и пиковым токами; подготовку отчетов по результатам расчетов нагрузок и выбору оборудования.
Результаты исследований.
Предлагается следующая схема работы приложения САПР при добавлении отдельных электроприемников к элементам питающей или групповой сети (рис. 1).
Например, из списка отдельных электроприемников организуется их подключение к РП, к ШРА или к ШМА. В процессе подключения электроприемников к РП требуется проверка допустимого тока и количества присоединений.
Формирование объектной модели САПР.
Архитектура рассматриваемого этапа разработки САПР представлена на рис. 2. Программа состоит из четырех уровней. Это уровень сохранения данных, уровень доступа к данным, уровень бизнес логики и уровень представления данных пользователю.
1 Уровень сохранения данных
Для сохранения данных была выбрана база данных MS SQL, а для доступа к данным — MS SQL Server 2005. Для работы с базой данных использовалась утилита «SQL Server Management Studio Express» [6].
2 Уровень бизнес-логики
На этом уровне собраны объекты, которые соединяют уровень доступа к базе данных и уровень представления данных. Здесь также собраны все условия выбора оборудования и расчетные формулы. Каждый объект состоит из двух классов BO (Business Object) и DA (Data Access). BO наследуется от DA, поэтому ему доступны все методы базового класса.
BO является местом временного хранения данных, размещая в себе как соответствующие поля из базы данных, так и расчетные поля на основе соответствующих формул. Расчетные поля позволяют уменьшить объем данных в базе.
3 Уровень доступа к данным
Этот уровень сохраняется в классах DA для работы с БД и обращения к ним осуществляется через их наследников - классы BO.
4. Уровень представления данных
Этот уровень представляет информацию, полученную от уровня бизнес-логики и осуществляет взаимодействие с пользователем с помощью форм, таблиц и диалоговых окон.
Работа программы начинается с главной формы (рис. 3), которая состоит из главного меню, выпадающего списка потребителей (для фильтрации), 4-х главных вкладок и строки состояния, в которой отображается общее количество потребителей.
Главное меню состоит из следующих пунктов:
-
Сеанс.
1.1 Новый сеанс — удаляет все введенные пользователем и расчетные данные. 1.2 Сохранить сеанс — позволяет сохранить сеанс в базе данных и получить возможность начать новый сеанс без потери информации. 1.3 Скачать сеанс — позволяет загрузить сеанс из базы данных. 1.4 Выход — завершает работу программы.
-
Потребители.
2.1 Добавить — вызывает форму добавления потребителя. 2.2 Редактировать — вызывает форму редактирования потребителя (рис. 6). 2.3 Удалить — позволяет удалить потребителя. 2.4 Изменить автомат — позволяет выбрать другой автоматический выключатель для потребителя. 2.5 Изменить провод — позволяет выбрать другой провод для потребителя.
-
Группы.
3.1 Создание групп — вызывает форму создания групп потребителей, питаемых от одного РП.
-
Отчеты.
4.1 Нагрузка цеха — вызывает форму для формирования отчета «Нагрузка по цеху». 4.2 Нагрузка по группам — вызывает форму для формирования отчета «Нагрузка по группам». В этом отчете идет расчет нагрузок отдельно для каждого РП. 4.3 Отчет по проводам - вызывает форму для формирования отчета «Расчет сечений участков цеховой сети». В этом отчете отображаются все выбранные кабели, которыми присоединены потребители к РП. 4.4 Отчет по автоматическим выключателям - вызывает форму для формирования отчета «Выбор автоматических выключателей для потребителей цеховой сети»
Рис. 3 — Главная форма программы ( 1 — главное меню; 2 — список групп, на которые пользователь разбил потребителей для выбора РП. В зависимости от выбранной группы формируется список потребителей в элементе 4; 3 — контейнер вкладок - «Потребители», «Автоматы», «Провода», «РП»; 4 — таблица данных. В этой таблице отображаются потребители в зависимости от выбранной группы; 5 — отображает общее количество потребителей)
Рассмотрим характерный вид одной из рабочих форм САПР — форму Распределение по группам (рис. 4) [7], которая позволяет разбивать потребителей на группы для питания от одного РП. На форме есть два списка потребителей в верхней части. У пользователя есть возможность перетаскивать потребителей слева направо и наоборот соответствующими кнопками. Для выбранной группы автоматически рассчитывается расчетный ток, расчетная мощность и отображается количество РП всех исполнений, которые удовлетворяют условиям выбора для этой группы. Потребителей из временной группы можно сохранить в новую группу, нажал кнопку «Сохранить». При этом программа спросит имя новой группы и предложит выбрать РП для новой группы. Сохраненные групп отображаются в нижней части формы.
Результаты расчетов САПР представляются в виде отчетов. На форме есть возможность просматривать отчет страница за страницей, отправлять отчет на печать, сохранять отчеты в файлы форматов PDF и EXCEL, также есть возможность производить поиск текста в отчете.
Пример
Выполнить проектирование электроснабжения сварочного цеха (рис. 5): определить общую расчетную нагрузку согласно методике [5], разбить потребители на группы с выбором для них распределительных пунктов, выбрать сечения проводов для отдельных потребителей и аппараты защиты.
Для определенности задана открытая прокладка незащищенных изолированных проводов внутри помещения с минимальным сечением по условиям механической прочности для материала жил — 2,5 мм.
В результате расчета общей нагрузки цеха, в котором расположено 44 электроприемника (табл. 1), получено P = 220 кВт, Q = 195 квар. Потребители цеха разбиты на 10 групп (рис. 5, 6б)
Таблица 1 — Характеристика оборудования цеха
| № | Наименование оборудования |  , кВт |
 |
 |
 |
КПД, % |
| 1,4,41 | Сварочный преобразователь | 12 | 0,35 | 0,55 | 3 | - |
| 2,42 | Сварочный полуавтомат | 30 | 0,35 | 0,55 | 3 | - |
| 3,9,13,16,40 | Вентиляционная установка | 4 | 0,65 | 0,8 | 7,5 | 87,5 |
| 5-7 | Сварочные выпрямители | 8,8 | 0,35 | 0,55 | 3 | - |
| 8,10 | Станки импульсной наплавки | 15,1 | 0,25 | 0,65 | 7 | 88,5 |
| 11,12,14,15 | Сварочные агрегаты | 6,5 | 0,3 | 0,35 | 3 | - |
| 17,21,43,44 | Кондиционеры | 16 | 0,65 | 0,8 | 7 | 88,5 |
| 18-20 | Электропечи сопротивления | 48 | 0,55 | 0,95 | 1 | - |
| 22-26,28 | Слиткообдирочные станки | 4,5 | 0,35 | 0,65 | 7,5 | 87,5 |
| 27,34,36-38 | Сверлильные станки | 1,8 | 0,25 | 0,65 | 6,5 | 83 |
| 29,33 | Конвейеры ленточные | 4,5 | 0,6 | 0,7 | 7,5 | 87,5 |
| 30-32,35 | Обдирочно-шлифовальный станок | 5 | 0,35 | 0,65 | 7,5 | 87,5 |
| 39 | Сварочный стенд | 11,2 | 0,35 | 0,55 | 3 | - |
Отчеты о результатах работы САПР приведены на рис. 6 и 7.
а)
б)
Рис. 5 — Примеры окна отчетов:
а) выбор автоматических выключателей для потребителей цеха
б) выбор и проверка сечений участков цеховой сети
Выводы:
В данной статье рассмотрена программа САПР для проектирования системы электроснабжения цеха с использованием групп распределительных пунктов с возможностью многовариантного объединения потребителей по группам и подбором электрооборудования из базы данных (кабелей, распределительных шкафов, автоматических выключателей и др.).
Программа способна автоматически рассчитывать мощности, токи в электросетях (что заметно ускоряет подбор характеристик питающего оборудования и кабелей), осуществлять перерасчет параметров при изменении перечня или характеристик потребителей. Достигнуто сокращения времени проектирования по сравнению с ручным способом до 10 раз на один вариант расчета.
Также программу можно использовать для изучения современных технологий создания программных продуктов САD сред электротехнического направления.
Расширение САПР возможно путем введения однофазной нагрузки и ее приведения к трехфазной, предоставления возможности создания чертежей расположения потребителей в цехе, благодаря чему станет возможным рассчитывать токи КЗ, потери напряжения, проверять автоматические выключатели по коэффициенту чувствительности, автоматически выбирать расположение РП.
Список литературы
CADmaster #1 и #3 ’2002, #1 ‘2003.
Автоматизация проектирования систем электроснабжения / В.Н. Винославский, В.И. Тарадай, У. Бутц, Д. Хайнце, – К.: Выща шк., 1988. – 208 с.
Бершадский, И.А. Вопросы программной реализации алгоритмов системы автоматизированного проектирования электроснабжения участка / И.А. Бершадский, Сабер Ажили, Л.Д. Ильюшенкова // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк, 2006. - С.358-364.
Справочник по проектированию электроснабжения / под ред. Ю.Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990.
Руководящий технический материал. Указания по расчету электрических нагрузок: РТМ 36.18.32.4-92: Утв. ВНИПИ Тяжпромэлектропроект: Введен с 01.01.93 // Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок. — М.: ВНИПИ Тяжпромэлектропроект. 1992. № 6-7. — С. 4-27.
Петцольд Ч. Программирование для Microsoft Windows на С#. В 2-х томах. Том 2./ Пер. с англ. — М: Русская Редакция, 2002. – 624 с.
Лаутин М.В., Бершадский И.А. Развитие существующий САПР Электроснабжения цеха 0,4 кВ // Науково-технічна конференція студентів ДонНТУ. День науки 2008. Секція „Електротехнічні системи електроспоживання”. — С.72-73