Software & Systems

Комплексная информационная интеллектуальная система (ИИС) «ВОДОСВ», созданная на кафедре кибернетики РХТУ им. Д.И. Менделеева, нацелена на решение группы задач по подбору оборудования для технологии очистки сточных вод. Основными ее частями являются: система баз данных, экспертная система по выбору оборудования и расчетный модуль материальных потоков. Разработка программного обеспечения для решения поставленной задачи была выполнена с использованием информационных технологий в среде DELPHI [1].

Рассмотрим составные части ИИС, которые являются самостоятельными единицами и могут использоваться как отдельные подпрограммы.

Базы данных

Базы данных, созданные в рамках описываемой ИИС, содержат информацию по оборудованию и схемам для технологии очистки сточных вод, а также патентную информацию по способам и технологиям очистки стоков гальванических производств.

При разработке системы информационных баз данных была использована модель представления данных в виде диаграмм сущность-связь (реляционная модель представления данных).

С их помощью определяются основные понятия (сущности) интересующей нас области знаний, их свойства (атрибуты) и отношения понятий друг с другом (связи объектов со свойствами). Диаграммы сущность-связь непосредственно используются для проектирования связанных баз данных [2]. Структура модели данных представлена на рисунке 1.

В этой модели отражены связи типа один ко многим и один к одному.

По представленной модели данных была создана расширенная реляционная структура данных (рис. 2), с использованием которой была создана программная оболочка базы данных и система управления этой базой.

Введенные данные можно сохранить на диске в файл, который позже можно использовать при повторном рассмотрении этого стока или при незначительных изменениях состава стока. Программное обеспечение имеет удобную панель управления, расположенную справа, с графическими изображениями в виде стрелок.

Удобство предлагаемого расположения записей облегчает пользователю работу с базой данных, так как вся интересующая информация находится у него перед глазами и исключает необходимость открытия новых окон. База данных «Очистное оборудование» включает в себя около 200 наименований единиц оборудования.

Аналогичные алгоритм создания и компьютерную реализацию имеет база данных «Патенты», которая содержит информацию о 200 патентах в области охраны окружающей среды. Каждая из представленных баз данных может быть использована самостоятельно.

Экспертная система

Ядром предлагаемого программного комплекса является экспертная система (ЭС), позволяющая выбирать очистное оборудование под конкретно поставленную задачу. ЭС функционирует на основе логических правил, хранимых в базе данных. Базы данных продукционных правил обладают возможностями дополнения и изменения, и, соответственно, ядро комплекса не нуждается в постоянном перепрограммировании, а лишь в периодическом обучении. Такая технология приводит к эффективной работоспособности системы, то есть к качественному выбору аппаратурного оформления для очистки сточных вод.

Данная система начинает обрабатывать запрос пользователя с точки зрения наличия оборудования, используя имеющуюся базу данных «Очистное оборудование». Так как оборудование четко структурировано и для каждой из стадий в большинстве случаев имеется в наличии достаточное количество аппаратов, различающихся по производительности, стоимости, габаритам и т.д., то были разработаны экспертные оценки для каждого типа оборудования и продукционные правила, позволяющие выбирать очистное оборудование для конкретной задачи [3].

На выходе аналитического блока ЭС пользователь имеет набор оборудования, размеченный по стадиям, с возможностью получения исчерпывающей информации по каждому компоненту схемы.

Расчетный модуль

Система имеет интегрированный модуль расчета параметров материальных потоков, работающий по алгоритму последовательной обработки. Строго говоря, модуль представляет собой настраиваемую математическую модель процесса обезвреживания стока. В процессе работы модуля сток заданного пользователем состава проходит последовательно через все стадии очистки, как это и происходит на реальном производстве. На каждом этапе проводится расчет концентраций компонентов с учетом протекающих реакций. Учитывается выпадение осадков, изменение pH среды, реакции с добавляемыми компонентами (реагентный метод дезактивации), изменение объема стока за счет добавления или удаления части материального потока (слив, флотация, добавление растворов) [4]. На финальном этапе расчета выводится отчет с полной информацией по проведенным технологическим операциям и отделенным компонентам (их количеству, форме). Отчет также содержит информацию о конечных концентрациях всех компонентов, которые были введены на начальном этапе, их соответствии (несоответствии) предельно допустимым концентрациям (ПДК). Отчет может быть распечатан на принтере, записан в виде файла данных системы, по которому система в дальнейшем сможет повторить расчет с необходимой коррекцией (измененными условиями).

Результаты и их обсуждение

Работоспособность ИИС была проверена на примере решения конкретной задачи, поставленной кафедрой технологии электрохимических производств РХТУ им. Д.И. Менделеева. Представлен гальванический участок, который включает в себя линию цинкования на подвесках, линию травления печатных плат, линию никелирования, оловянирования и обработки алюминия, линию предварительной подготовки и линию цинкования в барабанах. Производительность цеха составляет:

цинкование на подвесках              – 3 м2/час;

цинкование в барабанах              – 4 м2/час;

оловянирование на подвесках          – 1,5 м2/час;

обработка алюминия                     – 3 м2/час;

травление печатных плат                  – 1,5 м2/час;

никелирование на подвесках             – 0,5 м2/час.

Максимальная концентрация компонентов растворов, представленная в виде кислотно-щелочного стока, с учетом объема стоков, который направляется на очистные сооружения, составляет 5,5 м3/час. В таблице подробно представлены все вещества, участвующие в процессе, их концентрации и ПДК.

Анализ литературы [5,6] показал, что в основной схеме обезвреживания кислотно-щелочного стока гальванического производства можно выделить два направления работы информационной системы: последовательный подбор оборудования в соответствии со стадиями очистки стока и место подключения расчетного модуля для расчета концентраций ионов тяжелых металлов (ИТМ) при оборотном использовании данного стока.

Информация, полученная по технологической схеме, заносится в экспертную систему путем составления анкеты на основе экспертных оценок, где в дальнейшем и происходит подбор оборудования по методу обработки стока. Для получения пол- ной информации о выбранном модуле пользователь обращается к базе данных по очистному оборудованию.

После каждой стадии обработки сток имеет уже другие показатели, и в схему добавляются новые модули. Расчет новых значений показателей стока производится, исходя из эффективности аппаратов, информация о которой предоставляется фирмой-производителем.

В результате расчетов была получена технологическая схема очистки кислотно-щелочных стоков (рис. 3). На стадии предварительной очистки стока наиболее эффективным оказался усреднитель с побудительным перемешиванием сточной воды, созданный на базе НПО "Технология". Для обеспечения необходимого усреднения сточных вод по концентрации резервуар должен быть оборудован устройством, которое обеспечивает постоянство расхода выходящей из усреднителя воды. Наиболее удобными в эксплуатации данной схемы являются перфорированные трубчатые барботеры [7]. При наличии в сточной воде взвешенных веществ барботеры должны не только перемешивать воду, но и препятствовать выпадению этих веществ.

На стадии первичной обработки стока происходит выпадение гидроксидов, используется реактор-нейтрализатор [7].

На стадии вторичной обработки отстойник-осветлитель со взвешенным фильтром разделяет полученную суспензию. Если четкое разделение суспензии не достигается, то подключается центрифуга ОГШ-1101К-01 НИИ КВОВ АО "БИФАР", где под действием мощного силового поля получается любая степень полного разделения. Состав шлама непостоянен и зависит от применяемых в гальваническом цехе растворов и используемых на очистных сооружениях химикатов. Санитарными правилами, изданными Министерством здравоохранения РФ, гидроксидные осадки сточных вод гальванических производств разрешается подвергать долговременному складированию (захоронению) лишь на специальных полигонах, исключающих вынос ИТМ в окружающую среду. Оставшийся раствор отправляется в канализацию только в случае, если ПДК очищенной воды соответствует нормам рыбохозяйственного ПДК, если не соответствует, то сток идет на доочистку от растворенных в нем веществ при помощи электродиализного аппарата обессоливания гальваностоков, созданного на базе РХТУ им. Д.И. Менделеева. Только после этого [8] в зависимости от степени очистки сток либо возвращается на стадию предварительной очистки, тем самым замыкая круг водооборота, либо опять же направляется в канализацию с разбавлением в несколько раз.

Именно на стадии возвращения воды в оборотный цикл интересно проследить, какова концентрация тяжелых металлов в сточной воде. Подключив расчетный модуль, можно легко подсчитать, насколько сточная вода избавилась от загрязняющих ее анионов солей и катионов тяжелых металлов. Модуль обладает гибкой системой настройки из главного меню, позволяющей существенно снизить затраты времени на расчеты примерно в 10 раз за счет удаления (в некоторых случаях это допустимо) ненужных стадий обработки сточных вод.

Список литературы

1.   Гиляревский Р.С., Залаев Г.З., Родионов И.И, Цветкова В.А. Современная информатика: наука, технология, деятельность/ Под ред. Ю.М. Арского. - М.: ВИНИТИ, 1998. - 220 с.

2.   Петер Пин-Шен Чен. Модель сущность-связь – шаг к единому представлению о данных. //СУБД, 1995. - № 3. - 137 с.

3.   Дорохов И.Н., Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии: Экспертные системы для совершенствования процессов гетерогенного катализа. - М.: Наука, 1989. - 376 с.

4.   Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. - М.: Наука. 1987. - 623 с.

5.   Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы для экологической безопасности / Основы энвайронменталистики: Учеб. для студентов технич. и технологич. специальностей. - 3-е изд., перераб. и доп. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2000. - 800 с.

6.   Виноградов С.С. Экологически безопасное производство / Под ред. проф. В.Н. Кудрявцева. - М.: Производственно-издат. предприятие «Глобус», 1998. - 302 с.

7.   Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод / Под ред. А.И. Жукова. - М.: Стройиздат, 1977. - 204 с.

8.   Капустин Ю.И., Колесников В.А., Крючкова Л.А., Кокарев Г.А. Электрофлотационная технология очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты. //Химическая промышленность, 2000. - № 7. - С. 53.