СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТЛАДКИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТЛАДКИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

Журавлев Сергей Сергеевич

канд. техн. наук, науч. сотр., Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий» (ФИЦ ИВТ),

РФ, г. Новосибирск

Никитенко Михаил Сергеевич

канд. техн. наук, науч. сотр., Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН),

РФ, г. Кемерово

Новохацкий Аркадий Петрович

бакалавр, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (НГУ),

РФ, г. Новосибирск

Шакиров Станислав Рудольфович

канд. физ.-мат. наук, И. о. директора, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук (КТИ НП СО РАН),

РФ, г. Новосибирск

CREATION OF A VIRTUAL MODEL OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR DEBUGGING CONTROL ALGORITHMS

Sergey Zhuravlev

candidate of technical sciences, scientific fellow, Federal Research Center for Information and Computational Technologies (FRC ICT),

Russia, Novosibirsk

Mikhail Nikitenko

candidate of technical sciences, scientific fellow, Federal State Budget Scientific Centre «The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences» (FRC CCC SB RAS),

Russia, Kemerovo

Novokhatskiy Arkadiy

bachelor, Novosibirsk State University (NSU),

Russia, Novosibirsk

Stanislav Shakirov

cand. of physical and mathematical sciences, acting Director, Technological Design Institute of Scientifi c Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (TDI SIE SB RAS),

Russia, Novosibirsk

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области в рамках научного проекта №20-48-420017.

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты реализации трехмерной анимации алгоритмов управления технологического оборудования – модели многофункциональной механизированной шагающей крепи. Целью работы являлось повышение качества отладки и снижение времени тестирования алгоритмов управления технологическим оборудованием путем создания цифрового (математического) аналога оборудования и его переноса в трехмерную графическую среду. В работе применены методы CAD-проектирования, имитационного моделирования, теории графов и теории алгоритмов.

ABSTRACT

The article presents the results of the implementation of three-dimensional animation of control algorithms for technological equipment - a model of a multifunctional powered walking support. The aim of the work was to improve the quality of debugging and reduce the time for testing process equipment control algorithms by creating a digital (mathematical) analogue of equipment and transferring it to a three-dimensional graphic environment. The methods of CAD-design, simulation modeling, graph theory and algorithm theory are applied in the work.

Ключевые слова: механизированная крепь, шагающая крепь, имитационная модель, алгоритмы управления, тестирование алгоритмов.

Keywords: powered roof support, walking support, simulation model, control algorithm, algorithm test.

Несмотря на глобальную политику декарбонизации, уголь по-прежнему занимает существенное место в топливно-энергетической системе многих стран и в ближайшее время доля угля в качестве ресурса для производства электроэнергии будет расти [1].

В России доля угольной энергетики в энергобалансе составляет 12–13% [2]. Несмотря на некоторое падение угольной генерации в энергобалансе России (14% в 2017 г. [3]), уголь будет играть существенную роль в энергетическом будущем страны.

По данным [4], на сегодняшний день около 30% запасов угледобывающих предприятий России являются сложными для отработки, находятся в трудных геологических условиях залегания. При этом существует проблема отсутствия соответствующего оборудования, способного работать в неблагоприятных горно-геологических условиях. Это послужило толчком для разработки и создания сложного высокотехнологичного оборудования для отработки труднодоступных пластов глубокого залегания. Одним из видов такого оборудования является механизированная шагающая крепь [5], выполненная на базе многофункциональной технико-технологической платформы [6] (далее по тексту – ММШК). Крепь предназначена для механизации процессов крепления кровлии при самостоятельном передвижениии в забое для обеспечения проходческих работ. А также открывает новые перспективы технологии подземной отработки мощных угольных пластов подэтажными штреками с сокращением потерь угля и расходов на оборудование очистных забоев. ММШК состоит из двух секций со стойками, с помощью которых опирается на почву горной выработки. Каждая секция имеет продольные опорные балки и поперечные балки, которые жестко связаны друг с другом.

Целью данной работы являлась 3D визуализация разработанных ранее алгоритмов управления имитационной модели ММШК для возможности проведения численных экспериментов и создания тренажера для эксплуатирующего персонала.

В качестве инструментария для моделирования и визуализации были выбраны платформы Blender и Unity. Первым этапом работы являлась разработка и создание детальной 3D модели шагающей крепи в программе Blender на основе чертежей технологического оборудования. Результаты моделирования представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид шагающей крепи, где: а – основной вид сбоку на чертеже; б – модель шагающей крепи, созданная в Blender

Далее модель импортирована в Unity и на иерархически связанные группы объектов наложены определенные физические компоненты (Articulation Body), что позволило Unity определять модель как физический объект с заложенными в нее ограничениями (рис. 2).

Рисунок 2. Окно разработки модели шагающей крепи в Unity

Выстроена необходимая иерархия элементов модели для того, чтобы для связанных групп объектов модели включить и настроить физический компонент «Articulation Body» (что позволяет Unity определять связанные группы элементов модели как физические объекты). Также с помощью «Articulation Body» наложены определенные соединения и ограничения для управления физическими свойствами этих групп и контроля силы, скорости и вращающего момента элементов конструкции крепи. На рис. 2 слева в окне иерархии показано, как организована структура объектов модели, а справа представлены компоненты, наложенные на определенные объекты, в нашем случае:

• Articulation Body, который помогает получить реалистичное физическое поведение в контексте моделирования для промышленных приложений;
• PistonScript (программный код), который отвечает за отслеживание и обработку входных данных (нажатие клавиш), а также приложение внешних сил на связанные с ним элементы гидроцилиндра;
• внутренний компонент Piston, отвечающий за изменения состояний дискретного конечного автомата (ДКА) гидроцилиндра.

Далее для гидроцилиндра был разработан алгоритм его работы. Он был интегрирован в базовый алгоритм перемещения секций крепи. Разработка алгоритма работы гидроцилиндра включала:

• разработку ДКА работы гидроцилиндра;
• написание программного кода на языке C# с применением паттерна «Состояние» в качестве объектно-ориентированной реализации ДКА;
• создание имитации работы гидроцилиндра с помощью компонента Articulation Body;
• тестирование модели и расширение состояний ДКА. Добавление открытие/закрытие клапана подачи жидкости, сигналы о доступности/недоступности передвижения, т.е. создание различных сценариев работы.

Разработанный ДКА состоит из пяти состояний и трех функций перехода с возможностью смены состояния по нажатию клавиши. Схема работы конечного автомата представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема работы конечного автомата гидроцилиндра

В завершении работы проведено тестирование экспертным методом алгоритмов функционирования физически корректной модели шагающей крепи. Тестирование показало отсутствие ошибок функционирования модели. На основе разработанной модели могут быть начаты работы по проведению экспериментов и созданию виртуального тренажера ММШК.

Список литературы:

1. World Coal Association [электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.worldcoal.org/  (дата обращения: 27.02.022).
2. Программа развития угольной промышленности России на период до 2035 года. [электронный ресурс] - Режим доступа http://static.government.ru/media/files/OoKX6PriWgDz4CNNAxwIYZEE6zm6I52S.pdf (дата обращения: 27.02.022).
3. BP: BP статистический обзор мировой энергетики. [электронный ресурс] - Режим доступа: https://bp.com/ (дата обращения: 27.02.022).
4. Клишин В.И., Никитенко С.М. Эффективные технологии отработки мощных угольных пластов. Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды XI Всероссийской научно-практической конференции / Сиб. гос. индустр. ун-т; под общ. редакцией С.М.Кулакова, Л.П.Малышева. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2017. - С.256-259.
5. Клишин В.И., Малахов Ю.В. Разработка и обоснование параметров многофункциональной шагающей крепи. Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2019. № 5. С. 125-131.
6. Никитенко М.С., Кизилов С.А. Технико-технологические платформы для создания роботизированных комплексов по разработке мощных пластовых месторождений. Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2019. № 5. С. 257-263.
7. Разработка имитационной модели шагающей крепи с интеграцией алгоритмов управления для визуализации технологических процессов / М.С. Никитенко, С.С. Журавлев, Ю.В. Малахов [и др.] – DOI: 10.26730/1999-4125-2019-1-49-58 // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2019. – № 1. – С. 49-59.