Программные продукты и системы

Значительную долю в общем объеме работ по внедрению научно-исследовательских разработок в производство составляют экспериментальные исследования, проектирование оборудования и отработка технологических режимов на пилотных и полупромышленных установках. Особую важность эти работы приобретают с внедрением гибких автоматизированных производственных систем. Для их успешного использования необходимо оперативно прогнозировать влияние на работу технологического оборудования возмущающих воздействий: изменений состава и свойств сырья, условий переработки и т.д. Часто представляет интерес и другая постановка задачи: какую технологическую линию необходимо настроить и использовать, чтобы наилучшим образом переработать непрерывно поступающие партии сырья с существенно различными свойствами, обеспечивая при этом заданное качество получаемых продуктов. Обе задачи в гибких автоматизированных производственных системах требуют оперативного решения.

Задачи исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс наряду с вышеуказанными задачами гибких автоматизированных производственных систем в одной и той же операционной среде с единой БД и в кратчайшие сроки позволяет решить разработанный авторами программно-аппаратный комплекс (ПАК) «Исследование и переработка пластических масс». Пакет моделирующих программ, входящий в состав ПАК, аналогичен по структуре известным в настоящее время автоматизированным системам, которые часто называют симуляторами технологических процессов.

Системному анализу процессов химической технологии и химических производств посвящено множество научных трудов [1–7]. В них сформулированы два важнейших аспекта: системный анализ, являющийся стратегией исследования, и методы кибернетики – математическое моделирование и идентификация математических моделей. Развитие системного подхода к анализу химических производств прослеживается в трудах [8–13].

Под пластическими массами в представленной работе понимают не только гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты), но и наполненные дисперсные гетерофазные системы, физико-механические свойства которых, в частности реологические, допускают их механическую переработку.

Реализованный в представленном ПАК пакет программ моделирует поведение как гомогенных расплавов и растворов полимеров, так и наполненных дисперсных гетерофазных систем, в частности трехфазных, содержащих жидкость, газ и твердые частицы. В качестве примера таких систем можно привести растворы целлюлозы и ее производных, катализаторные массы, смеси биополимеров сельскохозяйственного, пищевого, фармацевтического и биохимического назначения, нефтяные битумы и шламы, наполненные минеральным, органическим и стекловолокном термопласты (премиксы) на основе полиэфирных, эпоксидных, фенольных и других полимеров, растворы и суспензии с волокнистым наполнителем и т.п. Далее перечисленные дисперсные системы будем называть трехфазными дисперсными композициями (ТДК).

Гибкую автоматизированную производственную систему по переработке ТДК, включающую совокупность технологического оборудования и систем управления, в терминологии кибернетики можно определить как большую систему, а разработанный ПАК как инструмент системного анализа процессов переработки таких композиций в готовое изделие.

Структура ПАК «Исследование и переработка пластических масс»

ПАК «Исследование и переработка пластических масс» состоит из БД и трех подсистем поддержки – организационной, математической и методической (см. рис.). Ядром ПАК является БД, обеспечивающая информационную совместимость указанных подсистем.

Подсистемы организационной и математической поддержки

Подсистема организационной поддержки содержит блоки подготовки информации, информационного обмена, контроля и редакции инфор- мации, преобразования массивов данных, а также блок графического отображения информации.

Подсистема математической поддержки содержит блок методов статистического анализа и математического описания экспериментальных данных и блок численных методов анализа (аппроксимация, оптимизация, решение систем уравнений и т.д.). Наличие этих блоков позволяет оперативно обработать полученную экспериментальную информацию с целью отсева грубых измерений, проверки значимости рассчитанных параметров и адекватности выбранного математического описания, а также выполнить численное решение задач, часто встречающихся в практике математического моделирования: поиск экстремального значения функции многих переменных, решение систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений.

Подсистемы организационной и математической поддержки являются общим программным компонентом ПАК и вместе с модульным принципом построения обеспечивают

–      расширение, изменение или полную замену любого входящего в подсистему блока;

–      автономную или комплексную работу всех блоков ПАК;

–      существенное уменьшение трудоемкости программирования новой методики исследования или проектирования за счет использования общих модулей программного обеспечения, что дает возможность настроить ПАК для решения задач в области исследования и переработки любых пластических масс, в том числе ТДК.

Перечисленные достоинства позволяют легко настроить разработанный ПАК для решения задач исследования объектов не только в смежных областях химической технологии, но и в других отраслях науки и промышленности. При этом требуется полная или частичная замена подсистемы методической поддержки, а в некоторых случаях необходимы дополнения и частичные изменения остальных подсистем. Все это легко выполнить для ПАК «Исследование и переработка пластических масс» в силу открытости системы с точки зрения ПО. Структура БД при этом не меняется.

Подсистема методической поддержки

Подсистема методической поддержки определяет целевое назначение ПАК «Исследование и переработка пластических масс». В настоящее время подсистема методической поддержки включает в себя блоки:

–      исследования и моделирования структурных характеристик наполнителя ТДК;

–      методик исследования физико-механичес­ких свойств ТДК;

–      исследования и моделирования процесса взаимодействия наполнителя с дисперсионной средой;

–      исследования и моделирования вязкостных свойств ТДК;

–      исследования и проектирования одношнекового пресса;

–      исследования устойчивости работы аппаратов, используемых для синтеза и переработки ТДК.

Подсистема методической поддержки включает блоки, используемые практически для любых ТДК различной природы, реологическое поведение которых и поведение на границе с твердой поверхностью значительно различаются: от ньютоновской вязкопластической жидкости без скольжения на твердой поверхности до композиций, характеризующихся сверханомальным реологическим поведением, обусловленным наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (когезионный разрыв) и значительным скольжением на твердой поверхности.

Результаты обработки эксперимента, записанные в БД, можно затем использовать в методиках поверочного расчета и (или) оптимального проектирования одношнекового пресса. Данные методики основаны на различных математических моделях неизотермического движения пластической массы в винтовых каналах одношнекового пресса, при этом учитываются особенности реологии и поведения массы на границе с твердой поверхностью. Вид математического описания, алгоритм моделирования, ПО и, следовательно, время расчета существенно зависят от физико-механичес­ких свойств ТДК. Разработанные математические модели могут быть использованы независимо или вместе, например для решения задач оптимизации, где начальные приближения выполняются по более простым моделям, что существенно ускоряет процесс получения оптимального решения.

Оперативное использование в диалоговом режиме единой БД с результатами лабораторных и полупромышленных исследований, выполненных по различным методикам, разными исследователями и накопленных за длительный период времени, позволяет повысить достоверность математического описания проведенных экспериментов и моделирования одношнекового пресса.

Все перечисленные подсистемы могут работать как в комплексе, так и автономно. Обмен информацией между этими подсистемами осуществляется посредством БД, которая служит для долговременного хранения экспериментальных данных, результатов обработки и для оперативного хранения промежуточных результатов в автономном режиме работы. Структура БД позволяет проводить систематизацию и совместную обработку экспериментальных данных, полученных в разное время, различными исследователями, по различным методикам.

Особенности ПАК «Исследование и переработка пластических масс»

Наиболее существенными характерными особенностями и одновременно достоинствами разработанной ПАК являются

–      совмещение любым специалистом обработки экспериментальных данных, анализа и проектирования технологического оборудования за счет оперативного перехода от экспериментальных исследований к проектированию и обратно в одной и той же операционной среде с одной и той же БД;

–      анализ, систематизация и использование экспериментальных данных, полученных в разное время, различными исследователями, по различным методикам.

С точки зрения исследования физико-механи­ческих свойств широкого класса пластических масс разработанный ПАК «Исследование и переработка пластических масс» – комплекс, придающий этим исследованиям новое качество: полный статистический анализ экспериментальных данных и построение адекватного математического описания в кратчайшие сроки в одной и той же операционной среде. Помимо этого, возможность использования некоторых программных модулей в системах прямого цифрового управления – это тоже новое качество в системах управления.

Таким образом, разработанный ПАК является по сути специализированной операционной системой для исследователя, технолога, конструктора и специалиста по автоматизации, работающих в области исследования и переработки пластических масс, и, следовательно, не только полностью отвечает современным требованиям, предъявляемым к существующим пакетам моделирующих программ, но и превосходит некоторые из них по функциональности.

Кроме того, вышеперечисленные достоинства позволяют легко настроить разработанный ПАК для решения задач исследования объектов не только в смежных областях химической техно- логии, но и в других отраслях науки и промышленности. При этом требуется замена лишь подсистемы методической поддержки и в некоторых случаях понадобятся дополнения и частичные изменения остальных подсистем. Все это легко выполнить для ПАК «Исследование и переработка пластических масс», поскольку она является открытой системой с точки зрения ПО.

Литература

1.     Арис Р. Оптимальное проектирование химических реакторов. М.: Иностранная литература, 1963. 238 с.

2.     Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов; [пер. с англ.; под ред. М.Г. Слинько]. М.: Химия, 1967. 414 с.

3.     Гордеев Л.С., Кафаров В.В., Бояринов А.И. Оптимизация процессов химической технологии. М.: Изд-во МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1972. 257 с.

4.     Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химических систем. М.: Химия, 1975. 311 с.

5.     Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. 576 с.

6.     Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985. 448 с.

7.     Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. М.: Химия, 1995. 368 с.

8.     Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов А.В., Старости- на Н.Г. Математическая модель формования наполненных композиций в одношнековом прессе // ТОХТ. 1999. Т. 33. № 2. С. 208–216.

9.     Бесков В.С. Общая химическая технология: учеб. для вузов. М.: Академкнига, 2005. 452 с.

10.  Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: учеб. пособие для вузов. М.: Академкнига, 2006. 416 с.

11.  Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами: учеб. для вузов. М.: Академкнига, 2007. 690 с.

12.  Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов А.В. Моделирование вязкостных свойств концентрированных суспензий // ТОХТ. 2008. Т. 42. № 3. С. 326–335.

13.  Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 2011. 1230 с.

References

1.     Aris R. The optimal design of chemical reactors. NY, Academic Press, 1961, 191 p.

2.     Levenshpiel O. Chemical Reaction Engineering. Wiley Publ., 1962, 501 p.

3.     Gordeev L.S., Kafarov V.V., Boyarinov A.I. Optimizatsiya protsessov khimicheskoy tehnologii [Processes optimization for chemical engineering]. Moscow, D. Mendeleyev Univ. of Chemical Technology of Russia, 1972, 257 p.

4.     Ostrovskiy G.M., Volin Yu.M. Modelirovanie slozhnykh khimicheskih sistem [Modeling complex chemical systems]. Moscow, Khimiya Publ., 1975, 311 р.

5.     Boyarinov A.I., Kafarov V.V. Metody optimizatsii v khi­micheskoy tekhnologii [Optimizating methods in chemical technology]. Moscow, Himija, 1975, 576 p.

6.     Kafarov V.V. Metody kibernetiki v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Cybernetic methods in chemistry and chemical engineering]. Moscow, Khimiya Publ., 1985, 448 p.

7.     Meshalkin V.P. Ekspertnye sistemy v khimicheskoy tekh­nologii. Osnovy teorii, opyt razrabotki i primeneniya [Expert systems in chemical engineering. The theoretical base, development practice and experience]. Moscow, Khimiya Publ., 1995, 368 p.

8.     Loginov V.Ya., Ravichev L.V., Bespalov A.V., Starosti- na N.G. A Mathematical Model of Forming Filled Compositions in a Single-Screw Extruder. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekh­nologii [Theoretical foundations of chemical engineering]. 1999, vol. 33, no. 2, pp. 208–216.

9.     Beskov V.S. Obshchaya khimicheskaya tekhnologiya [General chemical engineering]. Univ. textbook, Moscow, Aka­demkniga Publ., 2005, 452 p.

10.  Gartman T.N., Klushin D.V. Osnovy kompyuternogo mo­delirovaniya khimiko-tekhnologicheskikh protsessov [The basics of computer modeling of chemical engineering processes]. Univ. textbook, Moscow, Akademkniga Publ., 2006, 416 p.

11.  Bespalov A.V., Kharitonov N.I. Sistemy upravleniya khi­miko-tekhnologicheskimi protsessami [Management systems for chemical engineering processes]. Univ. textbook, Moscow, Aka­demkniga Publ., 2007, 690 p.

12.  Ravichev L.V., Loginov V.Ya., Bespalov A.V. Mathematical Simulation of the Viscous Properties of Concentrated Suspensions. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii [Theoretical foundations of chemical engineering]. 2008, vol. 42, no. 3, pp. 326–335.

13.  Komissarov Yu.A., Gordeev L.S., Vent D.P. Protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii [Processes ant devices of chemical engineering]. Moscow, Khimiya Publ., 2011, 1230 p.