Испытательный стенд для паровой турбины на базе Linux

Несмотря на то, что математические модели и невероятный рост производительности компьютеров позволяют имитировать и рассчитывать практически все сейчас, есть некоторые области, где реальные эксперименты все еще очень важны и не могут быть заменены компьютерными моделями.

Одним из таких направлений является проектирование паровых турбин низкого давления (LPMT). LPMT являются важной частью любой электростанции, работающей на паровом или парогазовом цикле, и вырабатывают до 20% энергии электростанции. В отличие от турбин высокого и среднего давления, где пар обладает хорошо известными свойствами, LPMT работает с неструктурированным, несимметричным влажным паром. Для этого вида потока еще не существует полностью доказанных математических моделей. Реальные эксперименты имеют решающее значение для проектирования пути потока турбины и улучшения компьютерных моделей турбины.

Таких испытательных стендов в мире всего несколько. Один из них является частью Центрального института котлов и турбин в Санкт-Петербурге, Россия, где я работал последние семь лет. Представьте себе зал высотой 18 метров и площадью 700 квадратных метров, заполненный трубами, проводами и измерительным оборудованием. В центре циклопическая конструкция (см. Рис. 1), представляющая собой корпус турбины модели с двумя огромными выхлопными трубами. Во время испытаний он потребляет 40 тонн пара в час, используя живой пар при давлении 30 бар и температуре 400 ° C на входе в стенд, около 4 бар и 200 ° C на входе модели турбины и глубоком вакууме, всего 30 мбар на выходе.

Несмотря на то, что математические модели и невероятный рост производительности компьютеров позволяют имитировать и рассчитывать практически все сейчас, есть некоторые области, где реальные эксперименты все еще очень важны и не могут быть заменены компьютерными моделями

Рисунок 1. Тестируемая турбина находится в центре, окружена паровыми трубами и испытательным оборудованием.

Структура компьютерного и измерительного оборудования

Во время нашего совместного проекта Tanja с Alstom Power информационная инфраструктура испытательного стенда была обновлена. Теперь он состоит из трех основных частей: 1) высокоточной научной измерительной системы, называемой системой сбора данных для измерения пути потока, или DAS-Flow; 2) технологическая измерительная система, называемая системой сбора данных для оперативного персонала или DASOP; и 3) рабочие места для исследователей и инженеров.

Изначально система DAS-Flow поставлялась в основном нашими клиентами. Он позволяет измерять более 200 давлений и 50 температур на пути потока. Отдельная часть этой системы позволяет нам исследовать распределение давлений внутри турбины с помощью 12 подвижных зондов. Каждый датчик может перемещаться в двух направлениях, оси и угла, шаговыми двигателями через систему дистанционного управления. Все измерения давления основаны на датчиках давления серии PSI-9000 от PSI, Inc. Эти датчики обеспечивают очень высокую точность измерения: ниже 0,01% для нескольких эталонных давлений и ниже 0,1% для остальных. Система выполняет измерения только время от времени в стабильных условиях. Он не предназначен для динамических измерений давления.

Система DASOP была разработана нами для обеспечения оперативного управления всем стендом во время теста. Он работает в режиме реального времени, собирая данные с более чем 150 датчиков давления, температуры, скорости вращения и вибрации. Эти данные представлены для оперативного персонала на двух мониторах и последовательном терминале в диспетчерской (см. Рисунок 2) и включают информацию о текущем состоянии водной, масляной и паровой систем стенда. DASOP также обеспечивает контроль безопасности, с некоторыми уровнями предупреждения и аварийной ситуации.

DASOP также обеспечивает контроль безопасности, с некоторыми уровнями предупреждения и аварийной ситуации

Рисунок 2. DASOP показывает информацию о работе и безопасности в режиме реального времени.

Все компьютеры, которые мы используем, за исключением одной рабочей станции IBM RISC, являются обычными ПК, от 386 до Pentium 4 и Athlons.

Когда я пришел в проект Tanja в 1995 году, у меня было много практики построения систем сбора и оценки данных на основе российских клонов Digital PDP-11, работающих под управлением операционных систем RT-11 или RSX-11. В 1994 году я начал играть со своими первыми ПК и быстро понял, что DOS не подходит для наших задач из-за его однопользовательской и однопользовательской природы. За это время мой брат Майк принес мне мой первый дистрибутив Linux, насколько я помню, Slackware, основанный на версии ядра Linux где-то около 0,99. Я сразу понял, что могу решить почти все свои задачи, изучая источники подобных программ и используя их в качестве прототипов. Моя первая система сбора данных была закончена в 1994 году. Она была основана на ncurses, и она все еще работает для моего бывшего работодателя без какого-либо обслуживания со стороны меня.

В начале проекта Tanja у нас была только система DAS-Flow, поставляемая нашими клиентами. Это был зоопарк операционных систем. У нас были MS-DOS, Microsoft Windows 3.11 и NT, QNX и AIX. Положительной стороной было то, что все компьютеры были объединены в локальную сеть TCP / IP.

Думая о стратегии развития всей системы и помня о своем опыте, мы решили остаться на Linux в качестве основы для разработки нашей системы технологических измерений DASOP и для ядра нашей сети. Основными причинами были следующие:

  • Наличие широкого спектра готовых к использованию приложений и исходного кода приложений для изучения и создания шаблонов.

  • Отличная стабильность и надежность на дешевых ПК, что является одним из главных требований для наших приложений.

  • У нас очень ограниченный бюджет, поэтому нулевая стоимость Linux была важна.

  • Очень дружелюбное сообщество, доступное через эхо Fidonet и группы новостей Usenet.

Что у нас сейчас? Ядром нашей ИТ-структуры является шесть компьютеров под управлением Linux. За более чем шесть лет не было ни одного случая отказа, мы измеряли время простоя в годах, и было только две причины для перезагрузки: модернизация оборудования и длительные перебои в подаче электроэнергии, с которыми наш ИБП не справился.

Мы начали с Red Hat, и у нас все еще есть два компьютера с Red Hat 4.1 Vanderbilt и Red Hat 5.0 Hurricane. Затем мы переключились на русский локализованный RPM-дистрибутив под названием KSI и пришли в Debian в прошлом году. На данный момент наш основной сервер и моя машина разработки работают под Debian / Woody. Мы очень довольны Debian, и я думаю, что в этом году мы переключим все наши Linux-блоки на Debian.

Все компьютеры подключены к локальной сети, разделены на три сегмента (см. Рисунок 3). Первый сегмент включает в себя все компьютеры DAS-Flow; второе - компьютеры DASOP и офисные компьютеры; а третий смотрит на внешний мир по выделенной линии. Третий сегмент включает в себя только один компьютер, который выполняет роль нашего шлюза в Интернет, с брандмауэром на основе ipchains и почтового сервера.

Третий сегмент включает в себя только один компьютер, который выполняет роль нашего шлюза в Интернет, с брандмауэром на основе ipchains и почтового сервера

Рисунок 3. Структура локальной сети тестового стенда

В «середине» сети находится наш главный сервер. Он действует как файловый и принт-сервер для всех компьютеров, но это не его основная задача. Во время тестов мы собираем большое количество данных. Все эти данные, как необработанные измеренные значения, а затем как оцененные параметры, автоматически сохраняются в базе данных MySQL. Веб-сервер Apache обеспечивает мощный интерфейс к базе данных для всех пользователей - наших местных исследователей и наших клиентов за рубежом - через HTTPS.

Любой зарегистрированный пользователь должен иметь только браузер для доступа к базе данных, поиска данных и получения результатов в текстовом или графическом виде. Доступны форматы PNG, CGM и PDF. В качестве модуля Apache mod_php мы используем в основном PHP для создания управляемых данными страниц. Почти все графики создаются на лету с помощью программы gnuplot с помощью сценариев Perl CGI, которые выбирают параметры из базы данных, передают их в gnuplot и затем передают сгенерированное изображение в Apache. Мы написали более 50 различных сценариев CGI, чтобы предоставить пользователям все возможные виды графиков, где пользователь может выбирать все - какие параметры отображать, условия поиска, вид характеристик для построения, автоматическое или ручное масштабирование осей, вид сглаживания и аппроксимации и другие варианты.

Я должен особо отметить важную роль gnuplot в нашем проекте. На мой взгляд, это одна из величайших научных утилит для черчения с широким спектром возможностей и форматов вывода. Он все еще находится в активной разработке, и я всегда стараюсь использовать последние версии для разработки, которые достаточно стабильны даже для моей производственной среды. Я также использую хорошо спроектированные PHP-классы JpGraph для создания определенных графиков, особенно некоторых видов быстрых результатов поиска.

Другой важной частью программного обеспечения, которое мы разработали, является система сбора технологических данных DASOP (см. Рисунок 4). Он имеет модульную структуру и включает в себя модуль сбора данных, модуль оценки данных, модуль связи сокетов и прикладные модули.

Он имеет модульную структуру и включает в себя модуль сбора данных, модуль оценки данных, модуль связи сокетов и прикладные модули

Рисунок 4. Структура системы DASOP

Модуль сбора данных работает с программируемым контроллером данных (PDC), подключенным через интерфейс RS232 к ПК. Он получает около 150 значений от PDC каждую секунду и при необходимости выполняет некоторые манипуляции с цифровым вводом / выводом PDC. Все измеренные данные помещаются в сегмент совместно используемой памяти в виде двумерного массива, где каждый столбец представляет собой полный набор необработанных значений всех параметров. Количество столбцов фиксировано, поэтому у нас всегда есть фиксированное количество последних измеренных наборов данных в памяти.

Модуль оценки, который синхронизируется с модулями сбора данных посредством механизма семафоров, получает последний набор измерений из общей памяти, выполняет некоторые оперативные оценки и помещает оцененные данные в один и тот же столбец, увеличивая его длину.

Коммуникационный модуль сокета обеспечивает доступ к сегменту разделяемой памяти для модулей удаленного приложения. Есть несколько прикладных модулей. Некоторые из них могут быть запущены локально с прямым доступом к сегменту общей памяти с измеренными и оцененными данными; другой может сделать это удаленно через коммуникационный модуль. Прикладные модули включают в себя модули регистрации данных, модуль контроля безопасности и модули представления данных.

Модули представления данных обеспечивают различные виды графического представления данных в режиме реального времени. Некоторыми примерами являются параметры во времени, столбчатые диаграммы (где цвет столбца показывает состояние параметра - нормальный, предупреждающий или аварийный) и панели, похожие на реальные внешние устройства.

Некоторыми примерами являются параметры во времени, столбчатые диаграммы (где цвет столбца показывает состояние параметра - нормальный, предупреждающий или аварийный) и панели, похожие на реальные внешние устройства

Рисунок 5. Модули представления данных DASOP

Из-за наших требований к планированию нам не нужно работать в режиме реального времени. Софта в реальном времени нам достаточно, поэтому мы используем обычное ядро ​​Linux для нашего оборудования. Модули сбора, оценки и коммуникации данных написаны на простом C и работают на одном компьютере. Безопасность, логирование и некоторые из презентационных модулей также работают на этом ПК. Часть модулей представления работает на другом ПК, который работает как X-терминал для первого. Оба ПК со своими мониторами расположены в диспетчерской на испытательном стенде, чтобы предоставить всю информацию операционному персоналу. Некоторые презентационные модули работают на компьютерах исследователей, получая информацию через коммуникационный модуль.

Разработка презентационных модулей со временем менялась. Сначала это были программы на базе ncurses для текстовой консоли Linux. Позже я переключился на X, используя только стандартные библиотеки X11 и Xt. Следующим шагом была попытка Motif, которую мы купили у SuSE. GTK с открытым исходным кодом появился один или два года спустя, и я переключился на него. За последние два года почти все презентационные и другие модули были написаны на Tcl / Tk с широким использованием расширения BLT. Я нашел Tcl / Tk полезным для быстрой разработки графического интерфейса, последовательной и сокетной связи и представления данных.

Несколько лет разработки и использования программного обеспечения в реальной промышленной среде показали нам (и нашим клиентам), что решения с открытым исходным кодом эффективны с любой точки зрения - стоимости, времени, надежности или набора функций. Следующими нашими шагами будет замена остальной части проприетарного программного обеспечения в нашем проекте программным обеспечением с открытым исходным кодом.

Ресурсы

Что у нас сейчас?