Энергия – бұл өмір…

Біздің өмір сүру формамыз «Электр» сияқты энергия түрінсіз өмір сүре алмайды. Өйткені, бұл біздің өміріміздің барлық аспектілерінде бұрыннан қолданып келе жатқан электр энергиясы. Біз электр энергиясын механикалық және жылулық, акустикалық және химиялық, магниттік және оптикалық энергияға айналдырамыз. Біздің жұмыс жүйеміз, денсаулық сақтау жүйесі, қорғаныс жүйесі, ғылыми жүйе, байланыс жүйесі, көлік жүйесі, ойын-сауық жүйесі және тағы басқалар электр энергиясын пайдалануға негізделген.

Бірақ электр энергиясы өздігінен пайда болмайды. Оны өндіру керек, бұл әртүрлі типтегі генерациялайтын электр станциялары қызмет етеді. Адамзат энергияның әртүрлі түрлерін электр энергиясына айналдырудың көптеген жолдарын ойлап тапты – су электр станциялары (су ағыны), жылу электр станциялары (отын жағу), атом электр станциялары (ядролық бөліну/бу), күн электр станциялары (оптикалық диапазон), жел электр станциялары (ауа ағыны) ...

Қандай электр станциясы болса да, оны салу керек және басқарушы персонал қондырғыларды дұрыс басқаруға үйрету керек.

Дәл электр станцияларының персоналынан соңғы жылдары сапа мен сандық жоғалтулар байқалды. Алдыңғы буын кадрлары бірте-бірте қысқартылып, зейнеткерлікке шығып, жаңа кадрлар дер кезінде және лайықты орынға тұруға асықпайды. Өнеркәсіптік электр стансаларында көптеген жауапты деңгейдегі мамандар тапшы.

Сонымен қатар, білім беру мекемелерінде проблема жоқ – олардың қолжетімділігі, сапасы және болашақ мамандар үшін салаларының алуан түрлілігі туралы сұрақтар жоқ, өйткені мұның бәрі осы жерде және қазір қол жетімді екендігі даусыз.

Мәселе жаңа ұрпақтың қабылдау әдістерінде жасырылған ба – бәлкім... Өйткені, қазіргі жоғары технология мен цифрландыру заманында адамдар тәжірибе мен білімді негізінен компьютер, 3D графика, нақты уақыт режиміндегі интерактивтілік, барлығын бірден көру/есту арқылы алуға дағдыланған.

Заманауи міндеттер заманауи шешімдерді қажет ететіндіктен, КНЭП институты 2024 жылдың соңында «Power Plant Simulator» электр станцияларының компьютерлік бағдарлама-симуляторын жасады.

Бұл бағдарлама келесі мәселелерді шешеді:

- Жаңа ұрпаққа энергетика саласын танымал ету.

- Сандық үлгі ретінде кез келген электр станциясын рекреациялау.

- Жұмысшылар мен басқарушы персоналға арналған энергетикалық нысандарды таныстыру.

- Инженерлер мен операторларды станцияда жұмыс істеу негіздеріне оқыту.

- Қалыпты және авариялық жабдық режимдерін сынау.

- Нақты уақытта өнеркәсіптік визуализация және жобалау.

СИМУЛЯТОР БАҒДАРЛАМАСЫН ҚҰРУ

Егер сіз конструкторлар, бағдарламашылар, дизайнерлер және инженерлер тобын алып, олардың әрқайсысына оқытудың осы кезеңінде не істей алатынын жасау туралы тапсырма берсеңіз, не болады?... Мүмкін, бағдарламашы бағдарлама кодын жазады, инженер электр станциясы мен агрегаттарының схемасын жасайды, дизайнер болашақ кешеннің үлгісін жасайды, ал конструктор әр құрылғы үшін құрастыру формасын жасайды Содан кейін олардың әрқайсысы сынақ немесе басқа сыйақы алады, содан кейін барлығы осы циклдің келесі қайталануына дейін таралады.

Бірақ жоғарыда сипатталған барлық адамдарды біріктіріп, заманауи мәселелерді шешуге қажетті өнімді ойлап табу міндетін қойсақ ше? Мүмкін олар бір-бірімен келісімге келіп, бірге жаңа нәрсе жасайды.

Осылайша, сандық «электр станциясын модельдеу блогын» құру туралы ортақ идея біріктірілген команда құрылды.

Модельдеу блогы Visual Studio 2019 және одан кейінгі Visual Studio 2022 нұсқаларында бейімделген, C+ бағдарламалау тілінде жазылған бағдарлама модулі болып табылады.

Модельдеу блогы блоктардың қуат блоктары мен пайдаланушының басқаруы арасындағы өзара әрекеттесу үшін орталық компьютер ретінде әрекет етеді.

Модельдеу блогының негізгі жеңілдетілген диаграммасын қарасаңыз, деректерді енгізудің үш бастапқы жолын анықтауға болады: I1, I2, I3, екі басқару сызығы: A1, A2, уақыт коэффициентінің бір кірісі:Т, және бір ортақ шығу Ores есептелген соңғы деректер.

Құрылымдық деректерді енгізуI1- бұл объектілердің, қондырғылардың, электр станцияларының және басқа бөліктердің үлгілері сияқты ақпаратты жүктеуге арналған арна. Жүктелген нысандар үшін кіріс деректер пішімі меншікті, құжатталмаған FBX пішімі болып табылады.

Кинематикалық мәліметтерді енгізу I2- бұл механикалық қосылыстар, тірек нүктелері, топсалар мен қалақтардың иілу бұрыштары және әртүрлі жүйелердің белгілі бірліктерінің қозғалыс шектері туралы ақпаратты жүктеуге арналған арна.

Жұмыс сұйықтығының деректерін енгізу I3– бұл сұйықтықтар, газдар, қатты бөлшектер сияқты қондырғылардың жұмыс сұйықтығы туралы ақпаратты жүктеуге арналған арна. Бұл деректер желісі сонымен қатар температура, қысым, тұтқырлық, турбуленттілік, кеңею шектері және фазалық ауысулар туралы ақпаратты жүктейді.

Уақыт факторы туралы ақпаратты енгізу арнасы Т- бұл арнадағыдай көрсетілген әртүрлі циклдар үшін уақыт көбейткіштері мен аралықтарды орнату I2, және арнада I3. Арнадағы сандық мәндерді өңдеу Т, қажетті қондырғыларды пайдаланудың жалпы процесін жылдамдату немесе баяулату, циклдік операциялар ауқымын шектеу және пайдаланушы талап ететін есептеулердің жылдамдық режимін таңдау мүмкіндігі бар.

Деректерді енгізуді басқарудың үздіксіз және дискретті арналары А1 және А2– бұл бағдарламаның пайдаланушысы (операторы) арасындағы өзара әрекеттесу әдістері және цифрлық станцияны, электр станцияларын, блоктарды, басқару пульттерін модельдеудің жұмыс режимдері. Басқару арналары деректерді үздіксіз енгізуге бөлінеді А1(сигнал үздіксіз өзгермелі нүкте мәні), ол реттегіштер мен аналогтық енгізу құрылғыларын имитациялауға және дискретті деректерді енгізуге мүмкіндік береді. А2, (сигнал бүтін дискретті мән), ол түймелерді, ауыстырып қосқыштарды, қосқыштарды және қадамдық енгізу құрылғыларын имитациялауға мүмкіндік береді.

Модельдеу блогының есептеулерінің соңғы нәтижесі модельденетін жүйелердің әртүрлі түйіндері үшін координаталық ағындардың (қозғалыстардың, айналулардың, масштабтың өзгеруінің, деформациялардың) массиві, сондай-ақ бірліктердің кіріс формулаларынан алынған сандық мәндер болып табылады.

Есептеу нәтижелерін шығару шығыс арна арқылы жүзеге асырылады. Ores, ол компиляция модулінің шығыс кезеңіне (біздің жағдайда бұл Visual Studio) немесе кескінді генерациялау түйініне (Render) қосылған.

ЭЛЕКТР СТАНЦИЯСЫНЫҢ ЦИФРЛЫҚ МОДЕЛІН ҚҰРУ

Ұзақ уақыт бойы «имитациялық блок» идеясы және оның бағдарламалық жасақтамасының прототипі цифрландырылған электр станцияларының сынақ нұсқаларын пайдалана отырып, сынақ стендінде (серверінде) жұмыс істеді.

Электр стансасының бірінші жобасы ретінде агрегат пен электр станциясын толық механикаландырумен су электр станциясының цифрлық моделін қайта құру туралы шешім қабылданды.

Ғылыми топ бірден жарты ғасырлық тұрақты жұмысы арқылы өзін дәлелдеген PL2 сериялы КСРО гидравликалық турбиналарды таңдады. Қажетті диаграммалар мен ақпараттық материалдар Ленинград металлургиялық зауытының 1975 жылғы «Гидравликатурбиналар» каталогынан алынды. КПСС XXII съезі және С. М. Киров атындағы Харьков турбина зауыты.

Қосымша құрылымдық ақпарат 1970 жылғы «КСРО-дағы гидротурбиналық құрылыс» каталогынан алынды.

PL2 сериялы гидравликалық турбина екі қалақшалы айналмалы гидравликалық турбина болып табылады. Бұл қондырғылар Серебрянская ГЭС, Қапшағай ГЭС, Чебоксары ГЭС, Үш-Қорған ГЭС...

Сандық модельдеу үшін дәл осы Қапшағай ГЭС таңдалды, себебі географиялық орналасу орны салыстырмалы талдаулар үшін ең жақын орналасқан.

Барлық цифрлық объектілерді графикалық модельдеу инженерлермен халықаралық ашық бастапқы кодты Тон Розендаль – «Блендер» бағдарламасында орындалады. Турбина конструкцияларының диаграммалары 1970 жылғы КСРО Гидротурбина құрылысы анықтамалықтарынан дәл қайта жасалды.

Спиральды камераның құрылымдық және физикалық үлгісі «Блендер» бағдарламасында да жасалған. Спиральді камераның конструкциясы көлденең қимасы трапеция тәрізді, жоспар бойынша 300 градус қамту бұрышымен, тегіс арматураланған төбесі бар.

Спиральды камераның ішіндегі екі сақиналы бағыттаушы қалақшаның, олардың жетек тетіктері бар бағыттаушы қалақтардың, сонымен қатар үш фазалы ток генераторының моделі 1970 жылғы жоғарыда аталған анықтамалықтардың сызбалары мен схемаларына ұқсас «Блендер» бағдарламасында жасалған және гидравликалық турбиналық жетекке қосылған. Бағыттаушы қалақша реттегіші MNU-16-2/40 май қысымы қондырғысымен қоректенеді, ол да жалпы жүйеде модельденеді және имитацияланады.

Су электр станциясының цифрлық физикалық моделі 2024 жылдың мамыр айының соңында аяқталды және бір уақытта симуляциялық қондырғымен сәтті байланыста болды. Прототиптің алғашқы сынақтары сенімді функционалдылықты және есептелген көрсеткіштердегі ең аз сәйкессіздіктерді көрсетті. Жалғыз мәселе модельдеу блогының соңғы деректеріне негізделген кескінді құрудың төмен өнімділігі болып қалды.

Енді симуляциялық блоктың жұмыс прототипіне ие бола отырып, қарапайым тұрмыстық дербес компьютерлерде соңғы кескінді қалыптастыру мәселесі туындады. Басқаша айтқанда, қазіргі заманғы видеокарталардың аппараттық мүмкіндіктеріне негізделген нақты уақыт режимінде компьютерлік графиканы генерациялау үшін дайын оңтайландырылған жүйелердің пайдасына таңдау жасау қажет болды. Мұндай жүйелер әдетте графикалық қозғалтқыштар деп аталады.

КНЭП ғылыми бөлімінің бағдарламашылар тобы таңдау үшін заманауи графикалық қозғалтқыштардың келесі нұсқаларын талдады:

- Unigine Engine 2

- Unity Engine 6

- Unreal Engine 5

- Godot Engine

- Nau Engine

Unigine Engine 2 – бұл графикалық қозғалтқышты 2002 жылы Александр Запрягаев жасаған (РФ, Томск), басынан бастап пайдалану жоспарланған болатын, өйткені отандық жасаушы басқа елдерден тәуелсіз жоба жасайды және оны толығымен дайын ұлттық шешім ретінде алға тартады деп болжанған, бірақ Ресей Федерациясына санкциялардың басталуымен, Ресейде іздестіру және таңдау кезінде бұл графикалық қозғалтқыштың өзіндік себебін алға қойған жоқ Люксембургтегі штаб-пәтерінен алынған мәліметтерге сәйкес Unigine әзірлемелері Батыс нарығына айналды. Unigine графикалық қозғалтқышын Unity ретінде пайдалану саясатының тең шарттарын, сондай-ақ Unigine Engine 2 ортасында объектілермен жұмыс істеу кезіндегі бірқатар техникалық қиындықтарды ескере отырып, бұл опциядан бас тарту туралы шешім қабылданды.

Unity Engine 6– бұл графикалық қозғалтқыш бастапқыда жалпы ортада ең ыңғайлы және «ең танымал» қозғалтқыш болып саналды, өйткені оның тамаша өнімділігі, жақсы оңтайландыруы, қосымша мүмкіндіктердің кең ауқымы және әзірлеушілер үшін ыңғайлы құралдар жинағы болды. Бірақ соңғы бірнеше жылда Unity Technologies өзінің оң беделін толығымен жоғалтты: баға саясатын кез келген әзірлеуші ​​үшін өте қолайсыз жағдайға өзгерту, оның клиенттері мен әзірлеушілеріне деген жеккөрінішті көзқарас (Unity-ті пайдаланатын және Unity Technologies-ті қаржыландыру) көптеген студияларға қатысты қорлау әрекеттері фактілері бар). Бірліктің тұрақсыз өмір сүру фактілерін және қаржылық қолайсыз жағдайларды талдай отырып, айқын шешім қабылданды - Unity Engine 6 қолданбау.

Godot Engine – Хуан Линиецкий мен Ариэль Манзур жасаған аргентиналық графикалық қозғалтқыш. Қазіргі уақытта әртүрлі функциялармен әзірленуде және толықтырылуда. Бұл қозғалтқышты басқаруда тривиальды емес білімді қажет етеді, бірқатар жергілікті қиындықтарға ие және симуляциялық блокпен тұрақсыз жұмыс істейді. Бізде бұл қозғалтқыштың бағдарламалық құралдарымен жылдам жұмыс істей алатын бағдарламашылар жоқ болғандықтан, біз оны таңдай алмаймыз.

Nau Engine – дамудың бастапқы сатысында тұрған және толығымен Ресей Федерациясында әзірленіп жатқан отандық графикалық қозғалтқыш. Өте перспективалы нұсқа, әсіресе оның Dagor Engine-тен шыққанын ескерсек – WarThunder және Enlisted ойын жобаларында өзін дәлелдеген Gaijin студиясының ойын графикалық қозғалтқышы. Бірақ қазіргі уақытта бұл қозғалтқыштың жалпы пайдалануға дайын нұсқасы жоқ, сынақ нұсқасы терең әзірленуде және оны біздің симуляциялық блокпен бірге пайдалану мүмкіндігі жоқ.

Unreal Engine 5– 1996 жылы Тим Суини жасаған, Epic Games әзірлеген және қолдаған графикалық қозғалтқыш. Қазіргі уақытта ол барлық қол жетімді жаңа технологияларды және бағдарламалық және аппараттық қамтамасыз ету саласындағы ынтымақтастық саласындағы NVidia-мен серіктестікті біріктіретін ең технологиялық тұрғыдан жетілген графикалық қозғалтқыш болып табылады.

Әзірлеу құралдары мен қосымша бағдарламалық жүйелер бұл графикалық қозғалтқышты бағдарламамыз үшін ұтымды және дұрыс таңдау жасайды. Жақында 5-ші буын Unreal Engine графикалық қозғалтқышында ультра жылдам жаһандық жарықтандыру технологиясы «Lumen» және жетілдірілген геометриялық тесселляция технологиясы «Nanite» бар, ол сайып келгенде симуляцияланған көріністердің күрделілігіне кез келген шектеулерді жояды.

Unreal Engine 5-ті симуляциялық блокпен қолданатын алғашқы эксперименттер 2017 жылы шығарылған видеокарталардағы әсерлі жылдамдықты көрсетті, содан кейін графикалық қозғалтқышты таңдау мәселесі түпкілікті шешілді. Аяқталған су электр станциясының симуляторы Unreal Engine 5-пен сәтті қосылды және Visual Studio 2019 2024 жылдың жазының соңында құрастырылды.

Толтырылған пішін Электр станциясын модельдеу бағдарламасы 2024 жылдың күзінде КНЭП ғылыми бөлімінің қызметкерлері жұмыс доңғалақ қалақтарының бұрыштарын және ағымдағы жүктеме кестесіне сәйкес бағыттаушы қалақтардың бұрыштарын сәйкестендіру жүйесіне түзетулер енгізген кезде іске қосылды.

ҒЫЛЫМИ ЖОБАНЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ

2025 жылдың басындағы жағдай бойынша, электр станцияларын симуляциялау бағдарламасы (Power Plant Simulator ®) мынадай қасиеттерге ие:

- кез келген электр станциясының жұмысын цифрландыру және модельдеу мүмкіндігі.

- қажет болған жағдайда жаңа модульдермен және функциялармен толықтыру.

- операциялық персоналды оқыту, жаттығулар және білімдерін тексеру.

- авариялық жағдайлар мен ақаулар кезіндегі персоналдың іс-әрекеттерін тәжірибеден өткізу.

- БАҚ үшін брифингтер, танысу және БАҚ үшін презентация режимі.

- өнеркәсіптік визуализация, жаңа станцияларды жобалау және жобалау.

- кез келген қажетті объект пен жүйені фотореалистік көрсету.

- мамандардың жаңа буыны үшін энергетика саласын танымал ету.

- ел президентінің жолдауында айтылғандай, энергетика саласын цифрландыру және инновациялық даму.