1491

Введение

Проект «Конструктор электроэнергетических систем» действует на кафедре АЭС УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург) с 2013 г. Основная задача проекта – внедрение и освоением студентами конструирования и высокотехнологичного серийного производства моделей силового и вторичного оборудования электроэнергетических систем. Тем самым решаются в первую очередь образо-

вательные задачи, связанные с обеспечением качества подготовки студентов технических специальностей для нужд электроэнергетической отрасли России [1].

На базе кафедры АЭС УралЭНИН УрФУ успешно реализована производст- венно-техническая лаборатория, где в рамках проекта «Конструктор электроэнергетических систем» ведется работа над CAD-конструированием, 3D-печа-

тью и сборкой трехмерных моделейпрототипов оборудования электроэнергетических систем. Очень важно отметить, что весь объем работы выполняется силами студентов электротехнического направления.

В последнее время ведется активная работа над освоением одной из современных технологий – лазерного трехмерного сканирования объектов электротехнической отрасли. В отношении проекта «Конструктор электротехнических систем» применение лазерного сканирования необходимо для осуществления обратного инжиниринга, который, в свою очередь, необходим для восстановления размеров образцов оборудования на основании скан-файла, что значительно ускоряет процесс сбора исходных данных, воспроизводства технической конструкторской документации, и для создания масштабной модели элемента конструктора [2].

Цели и задачи

В ходе освоения перспективного направления сканирования была поставлена задача выполнить обратный инжиниринг бака понижающего трансформатора 110/20 кВ 40 МВА «СВЭЛ», расположенного на подстанции 220/110 кВ «Рябина» с полной детализацией внешнего вида и дальнейшим восстановлением чертежей для создания трехмерной модели трансформатора и для его дальнейшего промышленного воспроизводства.

Методом решения проблемы восстановления геометрических данных об энергообъекте и его оборудовании является лазерное сканирование подстанции и ее отдельно стоящего оборудования, имеющего простую или сложную геометрию, независимо от того, находится объект в работе (под напряжением) или

нет. Лазерное сканирование позволяет обеспечить полное воспроизводство топографических и геометрических данных об энергообъекте, как в целом об электростанции или подстанции, так и об отдельно взятом элементе энергообъекта. На основе 3D-сканирования становится возможным выполнение обратного инжиниринга – воссоздание утраченных или создание актуальных планов и чертежей, необходимых для проведения работ по техническому перевооружению или реконструкции энергообъекта, а также технологических карт энергообъекта, что особенно важно в отношении объектов, находящихся под напряжением. Таким образом, по итогам выполнения обратного инжиниринга становится возможным проведение контроля качества выполненных строитель- но-монтажных работ, анализ механических деформаций, повреждений и износа поверхностей оборудования. Важным элементом процесса оперативного сканирования или дальнейшей обработки данных по итогам сканирования является возможность проведения измерений геометрических параметров оборудования, находящегося в работе, в том числе под напряжением.

Технологический процесс

Цветное лазерное сканирование объектов электроэнергетических систем выполняется за промежуток времени от нескольких минут до трех дней в зависимости от площади и сложности объекта. Как правило, для сканирования простого элемента (трансформатора тока или трансформатора напряжения) необходимо время в объеме до 30 мин. Для сканирования силового трансформатора – 1,5 ч, для сканирования подстанции с ОРУ 220 и 110 кВ необходимо время до 20 ч (2–3 рабочих дня). Для сканиро-

224

ты сканирования трансформатора были выгружены с помощью программного обеспечения в сервис Scene WebShare и находятся в открытом доступе для любого пользователя по ссылке [3]. Данный сервер позволяет просматривать отснятый объект, выполненный в виде панорамного снимка: на рис. 3 приведен внешний интерфейс для просмотра и обработки таких файлов.

Каждой реперной точке соответствует свой панорамный снимок. Таким образом, на четыре реперные точки, к которым был привязан сканер во время сканирования, имеется четыре панорамных скан-снимка, или четыре облака точек, которые в дальнейшем объединяются в одно общее облако точек, образуя, таким образом, единый трехмерный сканируемый объект.

На рис. 4 приведен вид сверху трансформатора, установленного на под-

станции. Красным цветом обозначены реперные точки (метки), синим цветом обозначена зона сканирования, которая образует облако точек, поступающее далее в CAD-обработку. Для решения поставленной задачи – выполнения обратного инжиниринга и моделирования бака обследуемого силового трансформатора – основной интерес представляют чертежи и конструкторская документация на их основе. Исходной информацией для этого является скан-файл (облако точек). Как было отмечено ранее, перед исполнителями поставлена задача получения высокоточных объемных чертежей бака трансформатора, представленного на рис. 5. Чертежи должны иметь полную детализацию и точность, не превышающую предел промышленных допусков и посадок, составляющих, как правило, в энергетическом машиностроении 0,1–0,5 мм.

Рис. 4. Внешний интерфейс программы просмотра и обработки скан-файлов SCENE WebShare (открыт с внешнего сервера). Вид сверху

Рис. 5. Исследуемый трансформатор 110/20 кВ 40 МВА на скан-снимке

Для получения конструкторской документации бака трансформатора выполнено точное моделирование. Восстановление чертежа объекта по его сканфайлу произведено в AutoCAD. В существующих условиях электроэнергетической отрасли восстановление чертежей имеет большое значение, так как ремонт и реновация оборудования, которое длительное время находится в эксплуатации, невозможны, а документация отсутствует, отсутствуют габаритные и сборочные чертежи. На рис. 6 представлен чертеж бака, выполненный на основе скан-файла по результатам сканирования. Чертежи отличаются высокой точностью и детализацией, тем самым удовлетворяют всем требованиям конструкторской документации, в том числе промышленного уровня.

а

б

в

г

Рис. 6. Чертеж бака понижающего трансформатора, выполненный на основе скан-файла: а – вид спереди; б – вид слева; в – вид сзади; г – вид справа

227

Метод точного конструирования для создания высококачественной модели бака трансформатора использует облако точек сканируемого объекта, подгруженное из сервиса Scene WebShare в AutoCAD. Моделирование в среде AutoCAD осуществляется поверх подгруженного облака точек с учетом калибровки облака точек, получаемого при сканировании. Важно, что точность измерений в отснятом скан-файле (облаке точке) составляет ±0,5–1 мм, что достаточно для точного конструирования бака исследуемого трансформатора. Линейные измерения в трех плоскостях имеют

погрешность, поэтому существует возможность проверки отклонений с помощью встроенного гироскопа облака точек. Результаты моделирования бака трансформатора по полученному сканфайлу приведены на рис. 7.

Из результатов, приведенных на рис. 7, видно, что полученная цифровая объемная модель силового понижающего трансформатора имеет высокое качество и полную детализацию, позволяющую выполнить конструкторскую документацию и развертки всех элементов бака на ее основе. Таким образом, сканирование трансформатора позволило

решить поставленную задачу по восстановлению геометрических размеров бака (обратному инжинирингу), скан-обору- дование позволяет решить серьезную проблему получения исходных данных и существенно сократить трудозатраты. Кроме того, такая модель обеспечивает наглядность проектируемого объекта, это позволяет использовать полученную модель как в качестве демонстрационного материала, так и для дальнейшего производства, а именно создания конструктора бака на основе САD-модели силового трансформатора и развития его стандартными методами производства или, например, для дальнейшей печати его на 3D-принтерах.

Заключение

Врамках проекта «Конструктор электроэнергетических систем», действующего на базе кафедры АЭС УралЭНИН УрФУ, функционирует лаборатория 3D-технологий, осуществляющая внедрение систем в электроэнергетическую отрасль. В настоящее время прорабатываются алгоритмы и методология обратного инжиниринга оборудования, выполнен обратный инжиниринг бака масляного силового понижающего трансформатора 110/20 кВ, выполнено восстановление чертежей и создана его САD-модель.

Врамках задачи обратного инжиниринга было выполнено лазерное трехмерное сканирование объекта, и на основе его скан-файла (облака точек) получены цифровая экспресс-модель, используемая в строительстве, и высокоточная объемная модель бака трансформатора, отвечающая требованиям создания промышленного производства и энергетического машиностроения.

Технологии трехмерного цветного лазерного сканирования энергообъектов

позволяют эффективно решать актуальные инженерные задачи. Кроме упрощения и совершенствования процессов изысканий, проектирования, строительства, монтажа и эксплуатации энергообъектов, становится возможным обратный инжиниринг, сопряженный с контролем качества на всех этапах жизни и функционирования энергообъекта.

Список литературы

1. Electric power systems KIT / P. Bannykh, A. Trembach, A. Kazantsev, O. Vozisova, S. Eroshenko // 2nd International Conference on Advances in Energy and Environmental Science, ICAEES 2014. Guangzhou, 21–22 June 2014. Advanced Materials Research. 1008–1009. P. 1166– 1170.

2.Vozisova O., Egorov A., Trembach A. Electric power systems KIT // Siemens 3API DT 145kV Circuit-Breaker Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 698. – Р. 699–703.

3.SCENE WebShare. – URL: http:// demolaser.tech-2000.ru.

229

По утверждениям в работах [1–8] основными направлениями совершенствования электротехнологических установок (ЭТУ) являются: автоматизация; механизация технологического процесса; разработка новых конструкций установок; совершенствование источников питания и электрического режима. В дуговых электрических печах совершенствование электрического режима предполагает применение переменного синусоидального тока промышленной частоты, постоянного тока или тока сложной формы (ТСФ). Экспериментально подтверждено, что использование постоянного тока позволило решить проблему устойчивого горения дуги. Напряжение в разрядном промежутке и устойчивость горения дуги зависят от рода тока, его полярности и формы. Однако снижение удельного расхода элек-

троэнергии в дуговых плавильных печах малой, средней и большой емкости на постоянном токе не достигнуто: также не решен вопрос оптимизации электропотребления при работе на постоянном токе.

В работах [2, 3] доказано, что в электрическом разряде в газах или парах металла подвижность заряженных частиц является функцией и температуры, и частоты (т.е. электромагнитной составляющей). Регулирование спектра частот питающего напряжения и состава гармоник (формы) может быть реализовано с использованием управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров) или нелинейных индуктивностей (дросселей). Варианты схем источников питания газоразрядных ЭТУ с питанием ТСФ подробно рассмотрены в работах [2, 3]. Там же представлены осцилло-