novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.468-474novtexmech-1045Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESМетодология автоматизированного контроля и управления режимами работы насосного комплекса в условиях возникновения кавитацииMethodology of Automated Monitoring and Control of Pump Complex Operation Modes in Conditions of Cavitation OccurrenceЛютовА. Г.LutovA. G.

д-р техн. наук, проф.

Ufa, 450000

lutov1@mail.ruНовоженинМ. Б.NovozheninM. B.

ст. преподаватель

Senior Lecturer

Ufa, 450000

novozhenin.maxim@yandex.ruУфимский государственный авиационный технический университетРоссияUfa State Aviation Technical UniversityRussian Federation202102092021229468474Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1045

Представлены результаты решения проблемы повышения эффективности работы автоматизированного насосного комплекса для перекачивания жидкостей в условиях нестационарных гидравлических процессов, таких как кавитация. Трудность определения условий возникновения кавитации связана с большим числом параметров, взаимокорреляцию которых сложно определить. Показано, что используемые на практике в указанных условиях способы контроля и управления насосными комплексами на основе центробежных насосов и прилегающих к ним трубопроводов обладают существенными недостатками или решают проблему лишь частично. Представлена математическая модель работы насосного комплекса для оперативного контроля параметров кавитационных режимов на основе подобия режимов работы центробежного насоса и перемещения поршня по трубопроводу, что позволяет упростить процедуру определения наличия кавитации. Предложен критерий определения эффективности режима работы насосного комплекса на основе интегральной оценки разницы экспериментальных и модельных данных. Сформирована методология управления режимами работы насосного комплекса в условиях возникновения кавитации. Ввиду сложности прямого расчета объема кавитации предложена нейросетевая модель, обучаемая на основе экспериментальных данных. Разработаны структура, алгоритмы и программное обеспечение автоматизированной системы контроля и управления с использованием нейросетевых моделей и прецедентного подхода для оперативного определения условий возникновения кавитации и коррекции режимов работы насосного комплекса. Решения, основанные на рассуждении по прецедентам, предлагаются оператору в виде пары " управляющее воздействие – ожидаемый результат" . Практическая реализация автоматизированной системы контроля и управления режимами работы насосного комплекса выполнена в пакете AppDesigner математического пакета MATLAB. Использование разработанной автоматизированной системы контроля и управления обеспечивает повышение (восстановление) производительности насосного комплекса в условиях возникновения кавитации, предотвращает разрушение его элементов, увеличивает срок службы, снижает эксплуатационные издержки и затраты на ремонт оборудования.

The results of solving the problem of increasing the efficiency of an automated pumping complex for pumping liquids in conditions of non-stationary hydraulic processes, such as cavitation, are presented. The difficulty of determining the conditions for the occurrence of cavitation is associated with a large number of parameters, the mutual correlation of which is difficult to determine. It is shown that the methods used in practice in these conditions for monitoring and controlling pumping complexes based on centrifugal pumps and adjacent pipelines have significant disadvantages or solve the problem only partially. A mathematical model of the pump complex operation for operational control of the parameters of cavitation modes based on the similarity of the modes of operation of the centrifugal pump and the movement of the piston through the pipeline is presented, which simplifies the procedure for determining the presence of cavitation. A criterion for determining the efficiency of the pump complex operation mode is proposed based on an integral assessment of the difference between experimental and model data. A methodology for controlling the modes of operation of the pumping complex in the conditions of cavitation is formed. Due to the complexity of the direct calculation of the cavitation volume, a neural network model was proposed, trained based on experimental data. The structure, algorithms and software of the automated control and control system are developed using neural network models and a case-based approach to quickly determine the conditions for the occurrence of cavitation and correct the operating modes of the pumping complex. Decisions based on case — based reasoning are offered to the operator in the form of a "control effect-expected result" pair. The practical implementation of the automated system for monitoring and controlling the operating modes of the pumping complex is carried out in the AppDesigner package of the Matlab mathematical package. The use of the developed automated monitoring and control system provides an increase (restoration) of the pump complex performance in the conditions of cavitation, prevents the destruction of its elements, increases the service life, reduces operating costs and equipment repair costs.

насосный комплекскавитацияконтроль и управлениеметоды и алгоритмыавтоматизированная системанейросетевая модельпрецедентный подходпрограммно-алгоритмический комплексpump complexcavitationcontrol and managementmethods and algorithmsautomated systemneural network modeluse case approachsoftware and algorithmic complexReferencesЛезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с.Leznov B. S. Energy saving and adjustable drive in pumping and blowing plants, Moscow, Energoatomizdat, 2006, 360 p. (in Russian).Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975. 336 c.Karelin V. Ya. Cavitation phenomena in centrifugal and axial pumps, Moscow, Mashinostroenie, 1975, 336 p. (in Russian).Тагирова К. Ф., Нугаев И. Ф. Концептуальные основы автоматизации управления установками электроцентробежных насосов нефтедобывающих скважин // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 2. С. 102—109. URL: https://doi.org/10.17587/mau.21.102-109.Tagirova K. F., Nugaev I. F. Conceptual bases of automation of control of installations of electric center-bearing pumps of oil-producing wells. Mehatronika, Avtomatizacija, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 2, pp. 102—109 (in Russian), available at: https://doi.org/10.17587/mau.21.102-109.Лютов А. Г., Новоженин М. Б., Хуснутдинов Д. З. Метод диагностики насосного комплекса на основе моделирования режимов работы в условиях возникновения кавитации // Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15, № 1. С. 160—164.Lutov A. G., Novozhenin M. B., Khusnutdinov D. Z. The method of diagnostics of a pumping complex on the basis of modeling of operating modes in the conditions of occurrence of cavitation, Neftegazovoe Delo, 2017, vol. 15, no. 1, pp. 160—164 (in Russian).Tang X., Zou M., Wang F., Li X., Shi X. Comprehensive numerical investigations of unsteady internal flows and cavitation characteristics in double-suction centrifugal pump // Mathematical Problems in Engineering. 2017. P. 1—13. URL: https://doi.org/10.1155/2017/5013826.Tang X., Zou M., Wang F., Li X., Shi X. Comprehensive numerical investigations of unsteady internal flows and cavitation characteristics in double-suction centrifugal pump, Mathematical Problems in Engineering, 2017, pp. 1—13, available at: https://doi.org/10.1155/2017/5013826.Nohmi M., Yamazaki S., Kagawa S., An B., Kang D. et al. Numerical analyses for cavitation surge in a pump with the square root shaped suction performance curve // 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery. 2016. P. 1—8.Nohmi M., Yamazaki S., Kagawa S., An B., Kang D. et al. Numerical analyses for cavitation surge in a pump with the square root shaped suction performance curve, 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, 2016, pp. 1—8.Hieninger T., Goppelt F., Schmidt-Vollus R. et al. Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimized control schemes // Energy Efficiency. 2021. P. 9—23. URL: https://doi.org/10.1007/s12053-021-09932-5.Hieninger T., Goppelt F., Schmidt-Vollus R. et al. Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimized control schemes, Energy Efficiency, 2021, pp. 9—23, available at: https://doi.org/10.1007/s12053-021-09932-5.Lu J, Yuan S, Parameswaran S, Yuan J, Ren X, Si Q. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump // Advances in Mechanical Engineering. 2017. Vol. 9, N. 4. P. 1—11. doi: 10.1177/1687814017696225.Lu J, Yuan S, Parameswaran S, Yuan J, Ren X, Si Q. Investigation on the vibration and flow instabilities induced by cavitation in a centrifugal pump, Advances in Mechanical Engineering, 2017, vol. 9, no. 4, pp. 1—11, doi:10.1177/1687814017696225.Goppelt F., Hieninger T., Schmidt-Vollus R. Modeling centrifugal pump systems from a system-theoretical point of view // 18th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME). 2018. P. 1—8.Goppelt F., Hieninger T., Schmidt-Vollus R. Modeling centrifugal pump systems from a system-theoretical point of view, 18th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME), 2018, pp. 1—8.Liu H.-L., Liu D.-X., Wang Y., Wu X.-F., Wang J. Application of modified k-ω model to predicting cavitating flow in centrifugal pump // Water Science and Engineering. 2013. Vol. 6, N. 3. P. 331—339. doi:10.3882/j.issn.1674-2370.2013.03.009.Liu H.-L., Liu D.-X., Wang Y., Wu X.-F., Wang J. Application of modified k-ω model to predicting cavitating flow in centrifugal pump, Water Science and Engineering, 2013, vol. 6, no. 3, pp. 331—339, doi:10.3882/j.issn.1674-2370.2013.03.009.Сагдатуллин А. М. Разработка математической модели автоматизированного электромеханического комплекса насосной станции // Математическое моделирование. 2015. Т. 27, № 4. С. 3—15.Sagdatullin A. M. Development of a mathematical model of an automated electromechanical complex of a pumping station, Matematicheskoe Modelirovanie, 2015, vol. 27, no. 4, pp. 3—15 (in Russian).Сердюк А. А., Коренькова Т. В. Характеристики физической модели насосного комплекса с учетом кавитационных процессов // ЕЛЕКТРОМЕХАНIЧНI I ЕНЕРГОЗБЕРIГАЮЧI СИСТЕМИ. 2012. № 4(20). С. 57—62.Serdyuk A. A., Korenkova T. V. Characteristics of physical models of a pumping complex taking into account cavitation processes, ELEKTROMEHANIChNI I ENERGOZBERIGAJuChI SISTEMI, 2012, no. 4(20), pp. 57—62 (in Russian).Лютов А. Г., Новоженин М. Б. Моделирование и диагностика нестационарных режимов автоматизированных насосных комплексов // Вестник УГАТУ. 2018. Т.22, № 1. С. 113—120.Lutov A. G., Novozhenin M. B. Modeling and diagnostics of non-stationary modes of automated pumping systems, Vestnik UGATU, 2018, vol. 22, no. 1, pp. 113—120 (in Russian).Лютов А. Г., Новоженин М. Б. Автоматизированная система диагностики и управления режимами работы насосного комплекса при нестационарных процессах // Вестник УГАТУ. 2018. Т. 22, № 3. С. 114—123.Lutov A. G., Novozhenin M. B. Automated system for diagnostics and control of pump complex operating modes during non-stationary processes, Vestnik UGATU, 2018, vol. 22, no. 3, pp. 114—123 (in Russian).Лютов А. Г., Рябов Ю. В. Синтез технологического процесса для роботизированного комплекса на основе знаний // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017;18(10):660-664. URL: https://doi.org/10.17587/mau.18.660-664.Lutov A. G., Ryabov Yu. V. Synthesis of a technological process for a robotic complex based on knowledge, Mehatronika, Avtomatizacija, Upravlenie. 2017, vol. 18, no. 10, pp. 660—664 (in Russian), available at: https://doi.org/10.17587/mau.18.660-664.Южанин В. В., Барашкин Р. Л. Централизованная система автоматического регулирования магистрального нефтепровода с прогнозирующей моделью // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах. 2015. № 1. С. 150—154.Juzhanin V. V., Barashkin R. L. Centralized system for automatic regulation of the main oil pipeline with a predictive model, Vserossijskaja Nauchnaja Konferencija po Problemam Upravlenija v Tehnicheskih Sistemah, 2015, no. 1, pp. 150—154 (in Russian).Лютов А. Г., Новоженин М. Б., Новоженин И. Б. Программа контроля и управления насосным комплексом // Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2019664367 от 06.11.2019.Lutov A. G., Novozhenin M. B., Novozhenin I. B. The program of control and management of the pump complex, Computer Program no 2019664367, 2019.Новоженин М. Б., Лютов А. Г., Озеров М. Ю. Экспериментальное исследование режимов работы автоматизированного насосного комплекса при нестационарных процессах // Вестник ЮУрГУ. 2018. Т.18, № 1. С. 110—116.Novozhenin M. B., Lutov A. G., Ozerov M. J. Experimental study of the operation modes of the automated pumping complex for nonstationary processes, Vestnik JuUrGU, 2018, vol. 18, no. 1, pp. 110—116 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.