Введение и концепция системы

1. Наименование и назначение системы

Программный комплекс «UrFU HeatBalance» представляет собой многопользовательскую автоматизированную информационную систему, предназначенную для автоматизации теплотехнических, термодинамических и аэродинамических расчётов промышленных сушильных печей, диспетчеризации параметров работы технологического оборудования на основе промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) и интеллектуального предиктивного анализа эффективности энергопотребления.

Комплекс спроектирован для применения на предприятиях металлургического, машиностроительного, огнеупорного, керамического и строительного комплексов, эксплуатирующих высокотемпературные сушильные агрегаты непрерывного и периодического действия.

Разработка выполнена на базе Уральского федерального университета (УрФУ) в соответствии с современными требованиями к цифровизации промышленных производств и созданию цифровых двойников теплотехнических процессов.

---

2. Предпосылки создания и эволюция платформы

Традиционная практика выполнения теплотехнических расчётов на промышленных предприятиях базировалась на разрозненных локальных электронных таблицах или автономных инженерных утилитах. Данный подход обладал существенными недостатками:

• Отсутствие единого верифицированного расчётного ядра, что приводило к расхождениям в результатах расчётов разных подразделений.
• Невозможность сквозного сохранения технологических сценариев и сопоставления расчётных режимов с фактическими показаниями контрольно-измерительных приборов.
• Дискретный характер анализа: расчёт производился вручную постфактум, без связи с реальными физическими процессами в агрегатах.
• Высокие риски человеческого фактора при передаче и интерпретации параметров горения и теплопотерь.

В рамках развития проекта система «UrFU HeatBalance» эволюционировала из расчётного модуля в масштабируемую распределённую микросервисную платформу. В архитектуру были интегрированы:

1. Ядро микросервисных вычислений на .NET 10, изолирующее математические модели отдельных типов печей.
2. Событийно-ориентированная шина данных на базе RabbitMQ и MassTransit, обеспечивающая надёжный асинхронный обмен сообщениями.
3. Подсистема сбора телеметрии с 15 типов специализированных промышленных датчиков, позволяющая агрегировать параметры реальных установок без участия человека.
4. Модуль предиктивной аналитики и оптимизации, реализующий статистический контроль стабильности технологических процессов, раннюю детекцию аномалий режимов горения и прогнозирование физической деградации огнеупорной футеровки.

---

3. Цели и решаемые производственные задачи

Стратегические цели внедрения:

• Повышение энергетической эффективности и снижение удельного расхода первичных энергоносителей (природного газа, мазута, электроэнергии) на единицу высушиваемой продукции.
• Предотвращение аварийных ситуаций и внеплановых остановов печных агрегатов за счёт заблаговременного выявления температурных и аэродинамических отклонений.
• Оптимизация межремонтных интервалов и планирование планово-предупредительных ремонтов (ППР) на основе предиктивной оценки остаточного ресурса теплоизоляции.

Прикладные функциональные задачи:

• Расчёт горения газообразного топлива: вычисление теоретической и практической потребности в воздухе, компонентного состава дымовых газов и их термодинамических энтальпийных характеристик.
• Составление материального и теплового балансов: покомпонентный расчёт статей прихода (тепло сгорания топлива, энтальпия подогретого воздуха, физическое тепло садки) и расхода (полезное тепло на испарение влаги и нагрев сухого остатка, потери с отходящими газами, потери через наружную футеровку, неполнота горения).
• Определение ключевых показателей энергоэффективности: расчёт общего коэффициента полезного действия (КПД), коэффициента использования тепла топлива, удельного расхода условного топлива на килограмм испарённой влаги.
• Сбор и консолидация потоковой телеметрии: приём показаний датчиков температуры, давления, расхода, влажности, электрической мощности и газового анализа с авторизацией по защищённым аппаратным токенам.
• Групповая диспетчеризация: объединение разнородных датчиков в технологические узлы и автоматический запуск перерасчёта баланса при изменении параметров среды.
• Предиктивный мониторинг: вычисление трендов эффективности методом скользящего среднего (SMA), расчёт статистических Z-оценок параметров для обнаружения аномалий, экстраполяция деградации методом наименьших квадратов (МНК).
• Генерация нормативной отчётности: автоматическое формирование протоколов теплотехнических испытаний в формате PDF с графиками энергопотоков.

---

4. Целевые группы пользователей и роли доступа

Система реализует ролевую модель доступа (Role-Based Access Control, RBAC) с разделением ответственности и сквозной изоляцией данных пользователей (Per-User Data Isolation):

Роль пользователя	Доступные функциональные модули	Основные производственные обязанности
Инженер-теплотехник / Технолог	Расчётные калькуляторы 4 типов печей, библиотека датасетов, экспорт PDF-отчётов, журнал выполненных расчётов.	Разработка и корректировка режимных технологических карт, проведение вариантных поверочных расчётов, моделирование модернизации футеровки.
Оператор печного агрегата	Просмотр текущих балансовых параметров, мониторинг показаний датчиков подключенных групп, получение технологических рекомендаций.	Оперативный визуальный контроль процесса сушки, следование выданным рекомендациям по регулированию расхода дутьевого воздуха и температуры рециркулята.
Специалист КИПиА и АСУ ТП	Панель управления промышленным IoT, генерация аппаратных токенов X-Device-Token, конфигурирование технологических групп.	Интеграция физических контроллеров и виртуальных датчиков, контроль стабильности каналов связи, диагностика ошибок синтаксического анализа телеметрии.
Администратор системы (Главный энергетик)	Модуль предиктивной аналитики, сквозной аудит оборудования всех операторов предприятия, панель мониторинга здоровья микросервисов (Healthchecks), управление пользователями.	Контроль общезаводских показателей энергоэффективности, стратегическое планирование ремонтов теплоизоляции, системное администрирование платформы.

---

5. Терминологический глоссарий

Ниже приведены основные научно-технические понятия, используемые в документации и программном интерфейсе комплекса:

• Тепловой баланс — сопоставление прихода и расхода тепла в теплотехническом агрегате за определённый интервал времени или на единицу готовой продукции, основанное на первом законе термодинамики.
• Полезное тепло ($Q_1$) — количество тепла, непосредственно затраченное на полезный технологический процесс: нагрев высушиваемого материала до заданной температуры и испарение содержащейся в нём свободной и связанной влаги.
• Потери тепла с уходящими газами ($Q_2$) — энтальпия дымовых газов, покидающих тепловой агрегат через боров или дымовую трубу при температуре $t_{\text{ух}}$.
• Потери тепла через ограждения ($Q_5$) — тепловой поток, передаваемый от рабочего пространства печи через футеровку стен, свода и пода в окружающую среду за счёт теплопроводности, конвекции и излучения.
• Коэффициент избытка воздуха ($\alpha$) — отношение действительного объёма сухого воздуха, поданного на горение, к теоретически необходимому объёму для полного сжигания единицы топлива.
• Приращение коэффициента расхода воздуха ($\Delta\alpha$) — дополнительный избыток воздуха, обусловленный подсосами через неплотности печной камеры и подачей вторичного сушильного агента.
• Кратность рециркуляции ($r$) — отношение массы или объёма отходящих дымовых газов, возвращаемых в смесительную камеру печи, к объёму первичных продуктов сгорания топлива.
• Низшая теплота сгорания топлива ($Q_н^р$) — количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы рабочего топлива, за вычетом тепла конденсации водяных паров.
• Коэффициент полезного действия ($\eta$) — отношение полезно использованного тепла ко всему количеству тепла, поступившего в агрегат с топливом и технологическими носителями, выраженное в процентах.
• Промышленный IoT (IIoT) — распределённая сеть физических контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, соединённых через протоколы передачи данных с программной платформой обработки.
• Аппаратный токен (X-Device-Token) — криптографически стойкий 32-байтный строковый ключ, назначаемый конкретному физическому датчику для аутентификации HTTP-запросов телеметрии.
• Технологический датасет — именованный набор постоянных и переменных исходных параметров агрегата (состав топлива, свойства сырья, геометрические размеры кладки), используемый как шаблон для расчётов.
• Простое скользящее среднее (SMA) — метод сглаживания числового ряда путём расчёта среднего арифметического значений за фиксированное скользящее временное окно (в системе $N=5$).
• Z-Score (Z-оценка) — нормированная статистическая мера отклонения значения параметра от выборочного среднего, выраженная в единицах стандартного отклонения $\sigma$.
• Метод наименьших квадратов (МНК) — математический алгоритм нахождения линейной функции, минимизирующей сумму квадратов отклонений фактических точек КПД во времени.