«Вместо испытаний на полигоне — наше устройство». Ученые УрФУ загоняют турбины и локомотивы в цифру
Михаил еще недавно сам был студентом — университет окончил в 2014 году. Успел поучиться не только в УрФУ: до защиты диплома стажировался в Финляндии, а в 2016-м получил президентскую стипендию и продолжил научную работу в Португалии. Тема, которую разрабатывает Мудров, в точности как из «заветов Путина», — цифровизация промышленности. «Работаем с коллегами над тем, чтобы перенести дорогостоящие и опасные испытания разных устройств — от вентиляторов до локомотивов — из лабораторий и с полигонов в виртуальную среду», — поясняет Михаил. В чем уральские ученые опережают зарубежных коллег, он рассказал 66.RU.
«Я бы мог остаться за рубежом или уехать туда сейчас. Но меня это не прельщает. Максимум, чего смогу там достичь, — работать инженером. В России же могу заниматься наукой, развивать ее», — говорит Михаил.
«Прикладные задачи подтянули фундаментальную науку»
— Чаще наука тянет за собой развитие прикладных технологий. В нашем случае вышло наоборот. По контракту с одним агрохолдингом мы ремонтируем электрооборудование — от «мозгов», то есть контроллеров, до силовой части преобразователей.
Преобразователь — сложный электротехнический прибор, который способен изменять напряжение. Скажем, на входе постоянное напряжение, а для работы объекта нужно переменное — преобразователь трансформирует один вид в другой.
Преобразователи как раз и страдают чаще всего — взрываются из-за скачков напряжения или короткого замыкания. Например, мышь забралась в установку — готово: короткое замыкание, аппарат вышел из строя. Иногда в неисправности преобразователя виноват контроллер — мы должны это выяснить и восстановить работу.
Но отремонтировать агрегат — полдела. Надо еще убедиться, что он работает. И вот тут начинаются сложности. Испытания проходят в два этапа. На первом проверяем контроллер, без подключения к силовой части. На втором испытываем преобразователь — с реальными токами и нагрузкой.
Преобразователи поступают на кафедру в таком виде — с развороченными обугленными внутренностями. «Те устройства, которые не проходят испытания, становятся тренажерами — студенты с ними экспериментируют. В итоге мы научились собирать аналоги самых современных преобразователей. Импортозамещение в действии», — шутит Михаил.
«Реальные условия воспроизводим в виртуальности»
Чтобы испытать преобразователь, нужны условия, аналогичные тем, в которых тот работает: такое же управление, такая же силовая установка, такие же токи. Проще, конечно, испытывать на реальном объекте. Но если до этих объектов ехать 500 км — не наездишься.
Второй вариант — поставить отремонтированный блок на похожую по параметрам силовую установку. Чаще всего так и проводятся испытания. Однако это небезопасно. Силовая установка — электромеханический агрегат: запускается преобразователь, двигатель раскручивается. На него идет нагрузка со второго двигателя, он так и называется: нагрузочный агрегат. Токи в испытуемой системе должны соответствовать токам реального объекта. Нельзя раскрутить маленький моторчик, чтобы проверить преобразователь для промышленного вентилятора — а такие мы и ремонтируем. Если при испытаниях что-то пойдет не так, последствия могут быть разрушительными.
Мы нашли третий вариант — применили научные разработки кафедры. Со студентами и аспирантами работаем над симуляторами реального времени. Назначение этих устройств — создавать в виртуальной среде управляемые электронные нагрузки с теми же параметрами, что на конкретных объектах. Использовать электромеханические установки уже не нужно — испытание проходит виртуально.
В белой коробочке сбоку от монитора прячутся платы и микросхемы — так выглядит симулятор, который проверяет контроллеры и преобразователи. Но без кода — программы, которую пишут ученые УрФУ, — эти платы и микросхемы останутся просто набором деталей.
На первом этапе испытаний проверяется «мозг» преобразователя — контроллер. Для этого используем программно-аппаратные симуляторы. Это нельзя назвать нашим открытием — такие симуляторы изобрели давно, но обычно программная часть пишется под конкретный контроллер. Мы же создали программный код, который можно использовать в разных контроллерах. Это делает наш симулятор универсальным прибором, а то, что мы придумали, — ноу-хау.
«На схеме это выглядит так: с контроллера выходят реальные физические сигналы — частота, напряжение и так далее. Эти сигналы оцифровываются и «раскручивают» двигатель — но виртуально, в реале никаких силовых подключать не надо. Дальше цифровой сигнал опять преобразуется в аналоговый и снова заводится в контроллер. В итоге мы обманываем контроллер: тот думает, будто работает с настоящим приводом, а на самом деле — с моделью. За одну секунду получаем 1 млн вариантов нагрузок. Если какие-либо параметры превышены, значит, устройство не прошло испытание», — поясняет Михаил.
Кстати, на этом же симуляторе проверяем студентов. Те пишут программы для контроллера, но вдруг ошибка в коде? Если запустить систему в реале, что-то может сгореть — тот же преобразователь или силовая часть. С симулятором — минимум издержек.
«Обогнали зарубежных коллег на полкорпуса»
Чтобы проверить силовые агрегаты на втором этапе испытаний и при этом не разнести лабораторию, кафедра разработала еще одну схему. Я уже говорил, что и сегодня для подобных испытаний чаще используют установки с электромеханической частью. Мы же заменили ее на электрическую — с помощью реакторов. Тут главное — воспроизвести токи с заданными параметрами, как на реальном объекте. В этой системе можно имитировать аварийные режимы, запустить туда условную мышь — в виде цифрового сигнала — и проверить, как каждая часть установки справляется с нагрузкой. Фишка в том, что энергию гоняем внутри системы — энергопотери минимальны. И это намного безопаснее, чем традиционные методы испытаний.
Наш симулятор очень ждут! Недавно ездили на конференцию в Ригу. Встретили там коллегу, бывшего соотечественника. Тот живет в Германии и работает в компании, которая производит профессиональный инструмент — дрели, перфораторы, шуруповерты и т. п. Коллега разрабатывает преобразователи и системы управления для инструментов, а испытывают там по старинке — с помощью электромеханической установки. Узнал о нашем устройстве — заинтересовался. Говорит, ему важно обезопасить стенд, чтобы не покалечить людей в лаборатории.
А взять электропривод, скажем, для локомотива. Чтобы такой испытать, требуется отдельный полигон и электромеханическая установка размером с дом в пару-тройку этажей. Наше изобретение поможет уменьшить «дом» до размеров комнаты.
Электроприводы сегодня стоят в любом устройстве — от сотового телефона до ракеты, так что сомнений в востребованности симулятора нет. К тому же не так много зарубежных наработок по этой теме — интересоваться проблемой там начали недавно. Да и подход наш в корне другой: мы создаем универсальный симулятор, а там больше сосредоточены на воссоздании конкретных условий. Так что мы пока впереди.
______________________
Проект «Человек наук» посвящен уральским ученым, которые меняют мир к лучшему. Их имена неизвестны широкой публике, но именно они развивают российскую науку. В каждой публикации журналисты 66.RU опускают свои дилетантские вопросы и оставляют ответы ученого в виде монолога.
