Программа «Энерго- и ресурсосберегающие технологии» национального проекта «Образование»

Повышение экономичности технологических процессов является насущной задачей, стоящей в настоящее время перед энергетикой, промышленностью и жилищно-коммунальным хозяйством. В условиях Российской Федерации энергетическая эффективность технологических процессов является весьма низкой по сравнению с ведущими индустриально-развитыми странами. Это обуславливает большие потери топливно-энергетических ресурсов, повышает себестоимость производимой продукции и оказываемых услуг, ухудшает экологические показатели.

Вследствие высокой важности повышения энергетической эффективности хозяйства Российской Федерации в целом в настоящее время как на федеральном, так и на региональном уровнях проводится активная политика энергосбережения. В стране принят Федеральный закон «Об энергосбережении». Существуют региональная и областная программы по энергосбережению. Многие предприятия, прежде всего энергоемкие, вынуждены реализовывать техническую, экономическую, организационную деятельность собственными стандартами предприятия, в которых определяются условия для реализации энергосберегающих программ. Так, например, программа по энергосбережению, проводимая ОАО «ММК», получила высокую оценку со стороны Правительства РФ, а ее участники являются лауреатами премии Правительства РФ в области науки и техники.

Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) активно участвует в разработке научного и технического обеспечения энергосберегающих технологий.

В 2007 г. Южно-Уральский государственный университет выиграл грант и приступил к выполнению приоритетного национального проекта «Образование» по программе «Энерго- и ресурсосберегающие технологии». Приборостроительный фа-

культет сыграл решающую роль в формировании данной программы. Непосредственно на факультете реализуется две подпрограммы:

• •    подпрограмма II «Кадровое и научное обеспечение развития и внедрения передовых технологий энергосбережения и управления энергопотреблением в металлургическом производстве» - научный руководитель доктор технических наук, профессор Казаринов Л.С. (кафедры «Автоматика и управление», «Электрические станции, сети и системы»);

• •    подпрограмма IV «Кадровое и научное обеспечения производства и внедрения интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве» - научный руководитель доктор технических наук, профессор Шестаков А.Л. (кафедры «Информационноизмерительная техника и технологии», «Цифровые радиотехнические системы», «Конструирование и производство радиоаппаратуры»).

Победа университета в конкурсе национального проекта «Образование» по тематике энерго- и ресурсосбережения является признанием научных заслуг университета и с ним приборостроительного факультета в данной области исследований.

Особо здесь следует отметить успехи, достигнутые кафедрой автоматики и управления (научный руководитель д.т.н., проф. Казаринов Л.С.) и кафедрой информационно-измерительной техники (научный руководитель д.т.н., проф. Шестаков А.Л.).

На кафедре автоматики и управления в УНИ ЮУрГУ создан научно-технический центр «Инженерные сети и системы». Одним из достижений данного Центра является создание автоматизированной системы диспетчеризации и регулирования теплоснабжения зданий. Особенностью системы является то, что в ней используются современные сетевые технологии полевого уровня, которые позволяют достаточно дешево подключить к однопроводной линии связи сотни датчиков параметров теплоснабжения. Для данной системы разработан специализированный сетевой контроллер, позволяющий осуществлять управление теплоснабжением в составе автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов зданий. Разработчиками контроллера являются доцент кафедры АиУ кандидат технических наук Шнайдер Д.А., инженер кафедры АиУ Шишкин М.В. Указанная автоматизированная система была установлена в Курчатовском районе города Челябинска в микрорайонах 13, 18 и 8 в рамках демонстрационного проекта по энергосбережению города Челябинска. В настоящее время автоматизированная система диспетчеризации внедряется на промплощадки ОАО «ММК», здесь установлено 25 подобных систем. Планируется установка в городе Копейске, микрорайоне Тополиная аллея города Челябинска и других местах.

Широко ведутся хоздоговорные работы с базовым металлургическим предприятием Южного Урала ОАО «ММК». Здесь разрабатываются и внедряются автоматизированные системы мониторинга эффективности использования оборудования электрических станций, разработан и внедрен оригинальный подход к оценке текущего состояния оборудования и планированию ремонтно-профилактических работ по критериям минимума вероятности пропуска аварийных ситуаций и вероятности ложной тревоги. Разрабатываются программы анализа режимов систем теплоснабжения и повышения эффективности их функционирования. Разработана автоматизированная база данных энергетического оборудования потребителей.

На материалах проведенных работ под научным руководством профессора Казаринова Л.С. были защищены кандидатские диссертации преподавателями и сотрудниками кафедры автоматика и управление: доцентом Шнайдером ДА., доцентом Барба-совой ТА, доцентом Казариновой В.Л., доцентом Вставской Е.В., аспирантом Безруковым ДА., доцентом Поповой О .В. и ассистентом Хасановым А.Р. По той же тематике защитились доцент Касюк С.Т., начальник цеха автоматизации Челябинского цинкового завода Головко Ф.П., инженер Центра энергосберегающих технологий ОАО «ММК» Япрынце-ваИА. Ранее по тематике энергосбережения защитили кандидатские диссертации начальник управления инфраструктуры Министерства строительства инфраструктуры и дорожного хозяйства Правительства Челябинской области Белавкин И.В., заместитель начальника управления инфраструктуры Челябинской области Самсонов П.Л.

• 1.    Подпрограмма II «Кадровое и научное обеспечение развития и внедрения передовых технологий энергосбережения и управления энергопотреблением в металлургическом производстве»

В рамках выполнения национального проекта поставлена задача создания специального ЮжноУральского учебно-научного центра «Энергосбережение в металлургической промышленности» для проведения учебных, учебно-исследовательских, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию интегрированных систем контроля, планирования и управления потреблением энергетических ресурсов, а также развития передовых энергосберегающих технологий для металлургических предприятий Южно-Уральского региона.

В рамках этой задачи решаются:

• •    разработка методического, аппаратурного и программного обеспечения комплексной системы контроля, планирования и управления потреблением топливных газов и электрической энергии с охватом всех основных технологических процессов, составляющих металлургическое производство в целом;

• •    разработка программного обеспечения комплексного сетевого моделирования энергетических потоков в технологических процессах, системно составляющих металлургическое производство;

• •    разработка программного обеспечения решения задач оптимизации параметров технологических процессов в металлургическом производстве по критериям энергетической эффективности с использованием современных методов интеллектуального анализа данных;

• •    разработка методического, аппаратурного и программного обеспечения решения задач мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса технологического оборудования по текущему состоянию на основе методов оптимального распознавания предаварийных ситуаций с минимизацией вероятностей «пропуска аварийной ситуации» и «ложной тревоги»;

• •    разработка методического и аппаратурного обеспечения для решения задач энергетического аудита и электромагнитной совместимости в электроэнергетических и электротехнологических системах.

Решение данных задач позволит создать на приборостроительном факультете научную школу по автоматизации управления энергетическими процессами в энергоемких отраслях промышленности -энергетике и в металлургии.

Работы в данном направлении начались в ЮУрГУ с 1990-х гг. под руководством профессора Казаринова Л.С., при его активном участии в научнотехнических программах Челябинской области. Профессор Казаринов Л.С. является автором 3 региональных законов и 4 областных научнотехнических программ. Под его научным руководством были разработаны и введены в действие следующие нормативно-правовые акты.

• 1.    Закон Челябинской области «Об энергосбережении и повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в Челябинской области» (1995 г.).

• 2.    Закон Челябинской области «О локальных естественных монополиях» (1997 г.).

• 3.    Постановление Законодательного собрания Челябинской области «О введении услуг энергосервиса населению и организациям бюджетной сферы» (1997 г.).

• 4.    Программа развития и реконструкции топливно-энергетического комплекса Челябинской области до 2005 г. (1998 г.).

• 5.    Программа энергосбережения Челябинской области до 2005 г. (1998 г.).

• 6.    Программа энергосбережения г. Челябинска до 2005 г. (2000 г.).

• 7.    Проект Основных направлений развития энергетики Челябинской области до 2015 г. (2007 г.) и др.

В результате выполнения национального проекта будет создана научно-техническая и нормативноправовая база развития работ по энерго- и ресурсосбережению Челябинской области.

Характерной особенностью данного проекта является его системный характер. Системность проекта заключается в том, что повышение энергетической эффективности металлургического производства и электроэнергетики является комплексной междисциплинарной проблемой, связывающей воедино специальные исследования в областях: металлургических технологий, энергетики, автоматизации, управления и экономики.

Реализация проекта позволит на основе новейших разработок и передового опыта ведущих металлургических предприятий организовать учебный процесс по дисциплинам, связанным с энергосбережением и управлением энергопотреблением на промышленных предприятиях, а также по дисциплинам автоматизации технологических процессов в металлургии и энергетике, управления себестоимостью продукции в интегрированных корпоративных системах.

Представленная подпрограмма является базовым звеном в проведении государственной политики энергосбережения на металлургических предприятиях Южно-Уральского региона. Он непосредственно будет реализовываться при координации со стороны Правительства Челябинской области. Экономический эффект от реализации проекта (по ОАО «ММК» до 300 млн м3 природного газа в год) окажет непосредственное влияние на себестоимость промышленной продукции Южно-Уральского региона и повысит ее конкурентоспособность. В настоящее время уже ведутся работы с ведущими металлургическими предприятиями Урала: ОАО «ММК», ОАО «Мечел», ОАО «Ашинский металлургический комбинат», ОАО «ЧЭМК», ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и др.

Основными результатами предлагаемой подпрограммы будут:

• •    внедрение передового опыта, полученного учеными ЮУрГУ в работах с металлургическими предприятиями, а также электроэнергетикой Урала, в образовательные программы;

• •    организация на базе ЮУрГУ переподготовки специалистов металлургических предприятий и предприятий электроэнергетики Урала и РФ;

• •    развитие перспективных научнотехнических направлений по энергосбережению, управлению энергопотреблением и созданию для металлургических предприятий и предприятий электроэнергетики соответствующего техническо

• 2. Подпрограмма IV «Кадровое и научное обеспечение производства и внедрения интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве»

го обеспечения энергосберегающих систем на уровне мировых стандартов.

Масштаб влияния подпрограммы на развитие Российской Федерации определяется тем, что металлургические предприятия в настоящее время потребляют около 14 % топлива и 12 % всего объема вырабатываемой в России электроэнергии и являются более энергоемкой отраслью промышленности. Тиражирование полученных передовых инновационных технологий энергосбережения и управления энергопотреблением в металлургическом производстве позволит экономить до 2000 млн м3 природного газа в год.

Влияние подпрограммы на систему высшего профессионального образования заключается в возможности использования учебных и демонстрационных материалов в вузах Российской Федерации, а также организации переподготовки специалистов ведущих металлургических предприятий не только Южного Урала, но других регионов.

В рамках подпрограммы для решения поставленных задач планируется проведение следующих мероприятий: создание Учебно-научного центра для проведения учебных, учебно-исследовательских, научно-исследовательских работ в области разработки и производства интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов.

В рамках Учебно-научного центра планируется проведение научных исследований по следующим направлениям:

• •    разработка технологии массового производства кварцевых термочувствительных датчиков на основе технологии управляемого выращивания кварцевых пластин с нужной кристаллической структурой;

• •    разработка технологии получения особо чистого кварцевого стекла из природного кварца;

• •    разработка и освоение технологии напыления тонких пленок с использованием мощных нано-секундных электромагнитных импульсов;

• •    разработка микрочипа для измерения температуры на основе МЕМС технологии с беспроводной передачей энергии питания для микрочипа и беспроводной передачей информации с него;

• •    разработка технологии и организация массового производства однослойных и многослойных печатных плат;

• •    разработка антенн для обеспечения беспроводной передачи информации; исследование распространения радиоволн, излучаемых датчиком температур, внутри домов и квартир;

• •    создание перспективных образцов устройств цифровой обработки сигналов и передачи

информации в интеллектуальных системах индивидуального учета энергоресурсов;

• •    разработка организации обмена данными в беспроводных сетях;

• •    разработка микроконтроллера комплексного учета энергоресурсов.

Предполагается включение полученных результатов в курсы: «Микросенсоры в автономных системах управления», «Моделирование антенн и устройств СВЧ», «Интеллектуальные АСУ ТП», «Идентификация состояния датчиков и исполнительных элементов систем», «Нейросетевые технологии в идентификации состояния элементов систем и технологических процессов», «Информационноизмерительные системы», «Цифровые и микропроцессорные измерительные системы», «Датчики физических величин», а также:

• •    модернизация учебных планов по специальностям: «Физическая электроника», «Информационно-измерительная техника и технология», «Радиотехника», «Средства связи с подвижными объектами», «Комплексная защита объектов информатизации», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направлениям «Приборостроение», «Телекоммуникации»;

• •    модернизация читаемых курсов: «Моделирование антенн и устройств СВЧ», «Информационно-измерительные системы», «Цифровые и микропроцессорные измерительные системы», «Датчики физических величин», «Интеллектуальные АСУ ТП», «Микросенсоры в автономных системах управления»;

• •    разработка новых курсов: «Физические основы наноэлектроники», «Основы микросистемной техники и технологии», «Методы формирования наноструктур», «Моделирование наноструктур», «Получение монокристаллов и материалов для микроэлектроники», «Антенны интеллектуальных датчиков», «Технические средства охраны», «Инженерно-техническая защита информации», «Программноаппаратная защита информации», «Технические средства защиты информации», «Защита информационных процессов в компьютерных системах», «Сетевые информационные технологии», «Цифровая обработка сигналов в интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов», «Цифровые системы передачи информации и связи», «Микропроцессорные устройства в интеллектуальных системах индивидуального учета энергоресурсов», «Автоматизация подготовки производства», «Основы микросистемной техники и технологии», «Микропроцессоры и интеллектуальные датчики»;

• •    внедрение в образовательный процесс гибкой модульной системы, в том числе с использованием элементов дистанционного обучения, создание междисциплинарных модулей «Принципы самодиагностики датчиков и исполнительных элементов», «Алгоритмы самодиагностики датчиков и исполни

тельных элементов», «Интерфейсы интеллектуальных АСУ ТП», «Архитектура систем Fieldbus». Издание в мультимедийном варианте методических материалов для каждого модуля (УМК);

• •    разработка и внедрение учебных планов по специальности «Информационно-измерительная техника и технология» и направлению «Приборостроение» в кредитно-модульном представлении с использованием Европейской системы взаимозачета зачетных единиц;

• •    внедрение балльно-рейтинговой системы в оценку знаний студентов по дисциплинам специальностей: «Физическая электроника». «Микроэлектронные системы», «Информационно-измерительная техника и технология», «Радиотехника», «Средства связи с подвижными объектами», «Комплексная защита объектов информатизации», «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направлениям «Приборостроение», «Телекоммуникации»;

• •    введение в учебный процесс научноисследовательской работы по основным направлениям развития науки, техники и технологий, обеспечивающей принципы и навыки проведения научноисследовательской работы в рамках дисциплин: «Физические основы наноэлектроники», «Основы микросистемной техники и технологии», «Методы формирования наноструктур», «Получение монокристаллов и материалов для микроэлектроники», «Комплексная защита и цифровая обработка информации в интеллектуальных системах», «Моделирование антенн и устройств СВЧ», «Микросенсоры в автономных системах управления»;

• •    разработка и чтение с элементами иностранного языка курсов «Автоматизированные управляющие системы» и «Современные системы автоматизации» для обеспечения академической мобильности преподавателей и студентов;

• •    создание электронного учебника «Архитектура интеллектуальных АСУ ТП» и электронных учебных пособий: «Моделирование наноструктур», «Характеристики малогабаритных антенн интеллектуальных датчиков», «Система управления с распределенным интеллектом «Delta V», «Методы самодиагностики состояния датчиков и исполнительных элементов», «Технические средства охраны», «Защита информационных процессов в компьютерных системах», «Сетевые информационные технологии», «Цифровая обработка сигналов в интеллектуальных системах индивидуального учета энергоресурсов», «Цифровые системы передачи информации и связи», «Схемотехника и программирование микроконтроллеров»;

• •    использование в учебном процессе по дисциплинам: «Физические основы наноэлектроники», «Получение монокристаллов и материалов для микроэлектроники», «Распространение волн в зданиях», «Микроволновые системы», «Организация ЭВМ и систем», «Микропроцессорные и микроконтроллерные системы управления» программных пакетов

«LabView», «MATLAB 7.0», «Simulink Control Design 1.2», в том числе с использованием кластера и методов параллельных вычислений, а также баз данных и электронных библиотек;

• •    чтение лекций с использованием мультимедийной технологии по всем курсам специальностей: «Микроэлектронные системы», «Информационноизмерительная техника и технология» и направления «Приборостроение», курсам: «Специальные главы физики», «Техническая электродинамика», «Проектирование антенн и устройств СВЧ», «Информационные технологии в проектировании РЭС», «Технические средства охраны», «Программно-аппаратная защита информации», «Технические средства защиты информации», «Организация ЭВМ и систем», «Системы управления реального времени», «Микропроцессорные системы управления».

В рамках подпрограммы планируется создание современной лабораторной базы для проведения занятий со студентами и выполнения научноисследовательской работы, в том числе:

• •    создание и оснащение автоматизированным оборудованием и программным обеспечением учебных лабораторий по специальностям «Информационно-измерительная техника и технологии», «Автоматика и управление в технических системах», «Автоматизированные системы обработки информации и управления»; направлению «Приборостроение» в рамках курсов «Интеллектуальные датчики систем управления», «Архитектура АСУ ТП с распределенным интеллектом», «Самодиагностика датчиков и исполнительных элементов»;

• •    создание и оснащение автоматизированным оборудованием и программным обеспечением лабораторий для проведения учебных, учебноисследовательских, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области создания и производства интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов: датчиков и микросенсоров; технологии изготовления кварцевых датчиков; технологии получения кварцевого стекла; контроля свойств и качества кварцевых материалов; технологии изготовления микрочипов и многослойных печатных плат; цифровых устройств передачи информации, обработки информации и управления; датчиков физических величин; самодиагностики датчиков и исполнительных элементов; АСУ ТП с распределенным интеллектом.

В результате проведения научных исследований будут разработаны:

• •    основы технологии массового производства кварцевых термочувствительных датчиков - 2008 г.;

• •    основы технологии получения особо чистого кварцевого стекла из природного кварца-2008 г.;

• •    микрочип для измерения температуры на основе МЕМС технологии - 2008 г.;

• •    технология и организовано массовое производство однослойных и многослойных печатных плат-2008 г.;

• •    антенны для обеспечения беспроводной передачи информации - 2007 г.;

• •    модели процессов распространения радиоволн, излучаемых датчиком температур, внутри домов и квартир - 2008 г.;

• •    перспективные образцы устройств цифровой обработки сигналов и передачи информации в интеллектуальных системах индивидуального учета энергоресурсов - 2007 г.;

• •    технология организации обмена данными в беспроводных сетях - 2008 г.

Информация, полученная в результате проведенных исследований и разработок, будет включена в рабочие программы дисциплин: «Физические основы наноэлекгроники» (2008 г.); «Моделирование наноструктур» (2008 г.); «Получение монокристаллов и материалов для микроэлектроники» (2008 г.); «Датчики физических величин» (2007 г.); «Интеллектуальные АСУ ТП» (2007 г.); «Идентификация состояния датчиков и исполнительных элементов систем» (2008 г.); «Информационно-измерительные системы» (2008 г.); «Цифровые и микропроцессорные измерительные системы» (2008 г.).

Масштабность результатов реализации образовательной подпрограммы определяется следующими цифрами: в России в настоящее время потенциальными объектами для внедрения систем учета являются дома с общей площадью около 800 млн м2 (28 % всего жилого фонда). В этих домах проживает 38,5 млн человек. Переход на индивидуальные системы учета экономит до 32 % холодной воды и 23 % - горячей. После экономия воды составит около 1,2 млрд м3, или 10,6 млрд руб. Экономия тепловой энергии на подогрев воды и отопление составит около 45 млн Гкал, или 14,3 млрд руб.

При ежегодном строительстве 50 млн м2 жилья и установкой в нем систем учета годовая экономия воды составит 75 млн м3, или 660 млн руб., а экономия тепловой энергии 2,8 млн Гкал, или 891 млн руб.

Системность подпрограммы заключается во взаимосвязи дисциплин, лежащих в основе микроэлектронной и микросистемной техники, базирующейся на сочетании фундаментальных и прикладных дисциплин, а также инновационных технологий в комплексном учете всех энергетических параметров.

Реализация образовательной подпрограммы позволит на основе новейших разработок организовать учебный процесс в ЮУрГУ в области интеллектуальных систем индивидуального учета энергоресурсов и других интеллектуальных измерительных и управляющих систем на мировом уровне и распространить его не только на вузы Уральского Федерального округа, но и на другие вузы.

Представленная образовательная подпрограмма является новым комплексным подходом к решению национальной задачи России - экономии энергоресурсов путем вовлечения потребителя в процесс экономии.