Нечетко-логическая модель калькулятора биогазового комплекса на основе технологий National Instruments в среде графического программирования LabVIEW

В настоящее время существует множество подходов к расчету биореакторов и моделированию образования биогаза. Они базируются на математическом моделировании физико-химических и инженерно-физических процессов, происходящих в элементах биогазовой установки. Положительным моментов в них являются качественная точность и полнота представления объекта исследования, основанные на использовании фундаментальных научных положений. Однако прямое использование их на практике является довольно затруднительным ввиду сложности, содержащей элементы нечеткости и неопределенности. Получаемые модели являются также многопараметрическими, что не способствует их гибкости и практичности в использовании. Кроме того, конкретные результаты и рекомендации достаточно сильно привязаны к той или иной технологии получения биогаза, что ограничивает их универсальность. Однако при всей сложности вопроса моделирования функционирования системы выработки биогазового топлива, существует программное обеспечение, позволяющее управлять параметрами биогазового комплекса, а также осуществляющее процессы контроля и измерения характеристик биогазовых комплексов.

В частности, существуют решения фирм BOGIS, P&IP, BTS и ряда других производителей. Они позволяют осуществить полномасштабное управление работой биогазовых комплексов с обеспечением интеграции различных программных сервисов. Однако они являются достаточно сложными в эксплуатации и дорогостоящими в приобретении. Ввиду этих соображений задача разработки приложения, обладающего возможностями моделирования биотехнологических процессов при выработке биогазового топлива, является актуальной. В настоящей работе будет осуществляться разработка калькулятора по расчету суммарного выхода биогазового топлива в зависимости от вида исходного сырья и его характеристик. Этот подход, при внешней простоте, обладает качественным преимуществом. Оно заключается в возможности оценки перспектив внедрения биогазового комплекса в зависимости от вида конкретных исходных ресурсов.

Данная оценка является если не определяющей, то по крайней мере одной из ключевых. В основе математической модели расчета выхода биогаза лежит формула смеси:(1)где — суммарный объем биогаза, м3; - массы компонентов исходного сырья i-го типа, кг; - выход биогаза на единицу веса исходного сырья i-го типа, м3/кг.Таким образом, из (1) видно, что при расчете образования биогаза она учитывает вклад каждого из видов компонент используемого исходного сырья. Предположение линейности и пропорциональности вклада массоотдачи компонент в газообразование можно считать качественно верным, поскольку это отвечает феноменологическим представлениям о термодинамических процессах в многокомпонентных системах. Разрабатываемая программа должна отвечать следующим требованиям:

обладать интуитивно понятным графическим интерфейсом;

обладать возможностью поддержки данных о физико-химических свойствах сырья;

позволять формировать состав исходного сырья с учетом его компонентов;

выдавать результат в понятной и простой форме. Пример данных о выходе компонентов сырья приведен в таблице 2. Таблица 2. Выход биогаза из различных видов исходного сырья.

Тип сырья Выход газа м3 на тонну сырья Навоз коровий38−52Навоз свиной52−88Помет птичий47−94Отходы бойни250−500Жир1300.

Барда послеспиртовая50−100Зерно400−500Силос200−400Трава300−500Свекольный жом30−40Глицерин технический400−600Дробина пивная40−60Приложение также должно обладать гибкой архитектурой для решения поставленных задач. Поэтому было принято решение построить клиент-серверную модель взаимодействия интерфейса на LabView и логики калькулятора в виде компонента сборки на языке C#3.2Выбор архитектуры приложения.

Архитектура «клиент-сервер» определяет общие принципы организации взаимодействия в сети, где имеются серверы, узлы-поставщики некоторых специфичных функций (сервисов) и клиенты, потребители этих функций. Практические реализации такой архитектуры называются клиент-серверными технологиями. Каждая технология определяет собственные или использует имеющиеся правила взаимодействия между клиентом и сервером, которые называются протоколом обмена (протоколом взаимодействия).Важнейшей особенностью вычислительной модели клиент-сервер является распределение прикладных задач между клиентами и серверами. Иллюстрация общего случая приведена на рисунке 11 [10]. Рисунок 11. Клиент-серверная модель.

Как на клиенте, так и на сервере базовым программным обеспечением является, разумеется, операционная система. Аппаратные платформы и операционные системы клиентов и серверов могут отличаться. В самом деле, в едином окружении могут использоваться разные типы клиентских и серверных платформ и операционных систем. Однако эти различия не имеют значения, если сервер и клиент используют одни и те же коммуникационные протоколы и поддерживают одинаковые приложения.

Взаимодействие клиента и сервера обеспечивается коммуникационным программным обеспечением. Примерами такого программного обеспечения являются набор протоколов TCP/IP, UDP, протоколы OSI, а также различные фирменные архитектуры, вроде SNA. Мы рассмотрели двухуровневую (двухзвенную) архитектуру клиент-сервер. В последнее время также наблюдается тенденция ко все большему использованию модели распределенного приложения. Характерной чертой таких приложений является логическое разделение приложения на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате.

В этом случае двухзвенная архитектура клиент-сервер становится трехзвенной (рисунок 12). Рисунок 12. Трехзвенная модель.

Существуют и более сложные реализации архитектуры «клиент-сервер», например многозвенные информационные системы с использованием нескольких серверов приложений. Многосерверная архитектура сегодня представляется очень перспективной. Она позволяет заменить одну мощную центральную машину на несколько менее мощных и, следовательно, более дешевых, и еще больше распараллелить обработку данных. Архитектура такого типа способствует увеличению надежности системы. Это объясняется тем, что при выходе из строя одного из серверов все приложения, работающие с данными других серверов, могут продолжать работу, хотя реализация такой архитектуры достаточно сложна [10,11]. 3.3Выбор инструментов и технологий разработки программы.

При выборе клиент-серверной модели.

В основу построения языка C# положена концепция.NETFramework. .NET F ramework — ядро концепции .NET. Данная структура управляет программными приложениями и запускает их, содержит библиотеку классов .NET Framework (FCL), обеспечивает защиту и множество других возможностей.NET является патентованной программной технологией, разработанной компанией Microsoft. Ее предназначение состоит в разработке приложений различного назначения. Это могут быть как десктопные приложения, так и web-сайты и облачные сервисы. Одной из основных идей Microsoft .NET является мультиязыковая поддержка. Это позволяет организовать совместимость между компонентами и службами, реализованными на разных языках программирования.

Программная сборка или компонент (библиотека) в .NET имеет сведения о своей версии в виде метаданных. Это позволяет применять механизмы рефлексии и заблаговременно устранять возможные конфликты между сборками разных версий.. корпорации M icrosoft.

Существует большое число среды разработки .NET-приложений. К ним можно отнести Microsoft Visual Studio, являющущуюся фирменным решением. Также широко применяются сторонние среды Sharp Develop, Mono Develop, Eclipse, Borland Developer Studio и т. д. Существует возможность текстовой разработки программы с использованием компиляции в режиме командной строки. Встроенные языки программирования, поставляемые вместе с .NET Framework: C#, J#, VB.NET, Jscript.NET, C++/CLI, F#.Среда разработки .NET использует входной язык MicrosoftIntermediateLanguage (IL) для компиляции и создания промежуточного байт-кода на уровне своей виртуальной машины. Это решение позволяет достичь кроссплатформенности кода и независимости от архитекруры ЭВМ. Перед запуском сборки JIT-компилятор, встроенным в среду, позволяет преобразовать в среде исполнения CLR байт-код в машинные коды целевого процессора. Современные технологические решения, носящие инновационные характер, выгодно позиционируют .NET какпроизводительную среду выполнения. Так, ее продукты позволяет достигнуть уровня быстродействия, аналогичного традиционно используемым трансляторам, использующим технологию статической компиляции. Для случая последних и вопрос быстродействия зачастую зависит от качества того или иного компилятора. Как объектно-ориентированный язык, C# поддерживает понятия инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

В дополнение к основным описанным объектно-ориентированным принципам, язык C# упрощает разработку компонентов программного обеспечения благодаря нескольким инновационным конструкциям языка, в число которых входят следующие [11]: событийно-ориентированные методы-делегаты, обладающие возможностью инкапсуляции; для них характерна типизированная форма представления событий;

разные уровни инкапсуляции полей данных;

свойства, как инструменты управления доступом переменных-членов, описанных как закрытые или защищенные;

Использование рефлексии и метаданных о типах во время выполнения в декларативном стиле;

встроенные комментарии XML-документации;LINQ (Language-Integrated Query), предлагающий встроенные возможности запросов в различных источниках данных.

3.4Реализация калькулятора.

Вид приборной панели приложения калькулятора приведен на рисунке 13. Рисунок 13. Вид приборной панели приложения.

На рисунке 14 изображена диаграмма приложения Рисунок 14. Подсистема ввода-вывода данных.

В диаграмме можно выделить блок загрузки и отображения данных, а также блок ядра калькулятора, подсчитывающий расход газа. Часть, диаграммы, отвечающая вводу-выводу приведена на рисунке 15. Рисунок 15. Подсистема ввода-вывода данных.

В данной части, приведенной на рисунке 15, загрузка данных осуществляется из файла конфигурации и файла данных. Файл конфигурации описывает модель зависимости выхода биогаза на единицу сырья от его типа. В файле исходных данных задается вид сырья и его количество в тоннах. По информации из файлов конфигурации и файла данных по формуле (1) выполняется вывод расчета количества биогаза в м3. Загруженные данные преобразуются в матричный формат, после чего они отображаются на компоненте графики. В то же время имена файлов передаются в ядро логики калькулятора. Вид ядра логики приведен на рисунке 16. Рисунок 16. Подсистема логики.

В модель логики входит компонент dll-сборки на языке C#, принимающий на вход имена файлов конфигурации и данных. В качестве результата выводится суммарных расход биогаза.

Ниже приведен код реализации компонента на C#using System;using System.Collections.Generic;using System. Linq;using System. Text;using System.Threading.Tasks;using System. IO;namespace BiogaseCalculator{ public class Model { public double Solve (string ConfigFileName, string InputFileName) { double res=0; //Параметрыконфигурационногофайла Dictionary<string, double> dict = new Dictionary<string, double>(); StreamReader config = new StreamReader (ConfigFileName); while (!config.EndOfStream) { string str = config. ReadLine (); string[] vals = str. Split (new char[] { 't' }); if (!dict.ContainsKey (vals[0])) dict. Add (vals[0], Convert. ToDouble (vals[1])); } //Параметрыфайладанных List<string> InputNames = new List<string>(); List<double> InputVals = new List<double>(); StreamReader input = new StreamReader (InputFileName);//Считывание файла данных while (!input.EndOfStream){ string str = input. ReadLine (); string[] vals = str. Split (new char[] { 't' }); InputNames. Add (vals[0]); InputVals. Add (Convert.ToDouble (vals[1])); } for (int i=0;i<InputNames.Count;i++)//Если тип топлива задан в конфигурационном файлеif (dict.ContainsKey (InputNames[i])) { double obj=dict.FirstOrDefault (x => x. Key == InputNames[i]).Value;res += InputVals[i] * obj; //Считаем выход биогаза по формуле (1)} input. Close (); config. Close (); return res;} }}Пример запуска программы приведен на рисунке 17. Рисунок 17. Результаты запуска программы.

Таким образом, на уровне приведенной подсистемы осуществляется подсчет выхода биогаза по известной таблице выхода газа на единицу продукта заданного типа и составу исходного сырья. Изменяя файлы данных и конфигурации, можно получать разные результаты расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы была разработано приложение-калькулятор, использующее технологию LabView в интеграции с языком C#. Данное приложение позволяет за счет выполняемых пользователем действий выполнить расчет количества биогазового топлива в зависимости от типа и состава сырья. В процессе разработки программы были получены следующие результаты:

1.Выполнено исследование предметной области решаемой задачи; 2. Проведен анализ возможностей среды LabView;3.Произведен выбор технологии построения калькулятора и осуществлен анализ состава ее инструментов;

4.Проведенный анализ вариантов реализации примера показал универсальность реализованного приложения. Корректность и верность работы программы подтверждена продемонстрированным расчетным примером.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Тихонравов В. С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве: науч. аналит. обзор. — М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. -.

52 сЧетошникова, Л. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Л. М. Четошникова. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. — 69 с. Ситдикова Р. Р., Еналиева Д. Р., Голубь К. А. Биогаз как альтернативный источник энергии // Сборники конференций НИЦ Социосфера. 2016.

№ 10. С. 118−121.Емельянова Е. А., Зырянов С. Б. Биогаз // «Молодежь и наука — 2016 (6), с. 50Барбара Эдер, Хайнц Шульц Биогазовые установки Практическое пособие.

Источник:

http://www.zorg-biogas.com/?lang=enТ. В. Щукина Биогаз — перспективы и возможности производства // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2012, № 1(2). c.

113−118Шаталов В.И., Свитличная Ю. И. Получение энергии и удобрений из биомассы // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2010. № 2. С.

77−80. Гюнтер Л. И., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991. 128 с. Биогаз: теория и практика/ В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер — М.: Колос, 1982 — 148 с.Э. Таненбаум. Архитектура компьютера.

5-е изд. — СПб.: 2007. —.

844 с. Пол Дейтел, Харви Дейтел. Как программировать на Visual C# 2012. СПб.: Питер 2014. — 858 с.