Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих систем управления сорбционно-каталитических производств 10
1.1 Характеристика гибких автоматизированных систем в сорбционно-каталитической промышленности 10
1.2 Анализ существующих инструментальных средств для синтеза систем управления 21
1.3 Характеристика многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонко дисперсных частиц 30
Выводы 60
Глава 2. Разработка структуры и алгоритма функционирования системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц .. 62
2.1 Формулировка задач управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц 62
2.2 Технологический процесс синтеза гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц как объект управления 64
2.3 Структура системы управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц 68
2.4 Алгоритм функционирования системы управления производством фанулированных пористых материалов из тонкодиспесных частиц 71
Выводы 73
Глава 3. Разработка информационного, математического и программного обеспечения системы управления производством гранулированных пористых материалов 74
3.1 Разработка информационного обеспечения 74
3.2 Разработка математического обеспечения 79
3.2.1 Математическая модель стадии сушки 79
3.2.2 Математическая модель стадии прокалки 92
3.3 Разработка программного обеспечения 101
Выводы 106
Глава 4. Тестирование и внедрение системы управления 107
Выводы 121
Список литературы 124
Приложение 1 134
Приложение! 160
Приложение 3 162
Приложение 4 164
Приложение 5 166
- Характеристика гибких автоматизированных систем в сорбционно-каталитической промышленности
- Анализ существующих инструментальных средств для синтеза систем управления
- Формулировка задач управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц
- Разработка информационного обеспечения
Введение к работе
На сегодняшний день катализаторы, каталитические технологии являются неотъемлемой частью современной химической, нефтехимической, газовой, фармацевтической и многих других отраслей промышленности. Эффективностью катализаторов определяется уровень энергетических, материальных и капитальных затрат, экология производства, новизна и мировая конкурентоспособность.
Важнейшие химические производства базируются на использовании катализаторов в наиболее ответственных процессах. Значение каталитических процессов, катализаторов и других продуктов данного класса невозможно переоценить. Катализаторы и сорбенты активно используются во многих современных производствах, включающих процессы переработки нефти и нефтепродуктов (получение высокооктановых бензинов и дизельного топлива), процессах переработки углеводородов и их производных, полученных из нефти, угля, сланца, природного газа. Каталитические процессы играют важную роль в производстве моющих средств, красителей, лекарственных веществ. В связи с остро поставленной в настоящее время проблемой экологии окружающей среды, при возрастающем загрязнении атмосферы становится актуальным совершенствование способов очистки промышленных газов от органических соединений и токсичных веществ с использованием адсорбционных и каталитических материалов. Промышленные выбросы очень разнообразны по составу и редко содержат один вредный компонент. Для снижения концентраций вредных органических примесей наиболее широко применяется каталитический метод. На предприятиях полимерной, кабельной промышленности, полиграфических предприятиях, в производстве синтетического каучука, мебели и т.д. работают установки каталитической очистки газов. К достоинствам каталитической очистки можно отнести низкую себестоимость, высокую эффективность и безопасность. Важными пре-
имуществами являются термическая устойчивость и высокая производительность при очистке сложных смесей.
Прямой и косвенный вклад катализа в экономику развитых стран составляет до 25% всеобщего валового продукта и в мировом масштабе исчисляется даже не миллиардами, а триллионами долларов [1]. К сожалению, в настоящее время, в России производится различных катализаторов не более 10-25% от их уровня производства начала 90-х годов. Идет захват рынка иностранными компаниями. Сегодня практически весь объем бензина производится на зарубежных катализаторах, в азотной промышленности более половины производств оснащено иностранными катализаторами, что делает российскую экономику крайне уязвимой и неустойчивой.
Известно, что внедрение лучших по характеристикам катализаторов в 10-100 раз эффективнее других технических усовершенствований. Если учесть, что до 90% промышленных химико-технологических процессов идут в присутствии катализаторов, становится ясным масштаб их применения в различных производствах.
Несмотря на то, что география производства катализаторов и сорбентов весьма обширна (Новосибирск, Москва, Омск, Ангарск, Пермь, Рязань, Уфа, Томск, Казань, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Щелково, Нижнекамск, Са-лават, Черноголовка, Ярославль, Тольятти, Красноярск, Ишимбай, Стерлита-мак, Северодонецк, Новомосковск и др.), а разработки российских специалистов по уровню исследований по-прежнему являются ведущими в мире, при сложившейся на сегодняшний день экономической ситуации, это положение может измениться. Поскольку техническая оснащенность отечественной промышленности, к сожалению, много лет отстает от передовых зарубежных производителей, то многие отечественные разработки катализаторов, несмотря на их высочайший уровень, не смогли конкурировать с западными. В современных условиях это обернулось катастрофой для всей катализаторной отрасли России.
В настоящее время, в связи с резким повышением цен на катализаторы, на ряде производств принимаются решения о продлении сроков эксплуатации сверх нормативных, что снижает экономические показатели и чревато аварийными последствиями.
Таким образом, чтобы не допустить снижения производства катализаторов и экспансии иностранных фирм, необходимо финансирование перспективных предприятий мирового уровня. Также, в сложившейся ситуации экономически оправданным решением становится создание малотоннажных многоассортиментных производств, способных реализовывать разнообразные процессы химического синтеза и выпускать широкий ассортимент продукции, в соответствии с рыночной конъюнктурой. Для подобных производств с гибкой перенастраиваемой технологией, существенной становится проблема управления при переходе на новый вид продукции, который часто сопровождается изменениями технологической схемы и приводит к вынужденным простоям из-за переналадки оборудования и настройки систем управления. В связи с этим, наиболее актуальной задачей является разработка гибкой системы управления, адаптивной по отношению к различным видам продукции одного класса и производительности. Такая система позволяет существенно сократить экономические потери, связанные с переходом на новый вид продукции.
Подбор катализаторов даже для таких хорошо изученных реакций, как окисление аммиака, метанола, диоксида серы, синтез аммиака, высших спиртов, конверсия оксида углерода, является эмпирическим [2], требует длительного поиска и усовершенствования. Переход от эмпирических методов подбора к точной теории предвидения каталитического действия достаточно сложен. Имеются лишь отдельные прогнозы создания катализаторов с заданными свойствами. Создание катализаторов, обладающих высокой активностью и устойчивых в работе при значительном колебании параметров технологических режимов, является целью технологов - разработчиков катализа-
торов, в связи с чем, отдельным направлением при разработке технологии промышленного производства новых сорбционно-каталитических материалов становится исследовательская деятельность. Чаще всего при этом рассматривают наиболее проблемную и важную стадию производства. При этом одной из важнейших задач является обработка и анализ экспериментальных данных, что зачастую представляет серьезную проблему из-за большого объема данных, несовершенных методов обработки и не всегда очевидных подходов к интерпретации результатов. В связи с этим актуальной становится задача создания математических моделей и программных средств для исследовательских целей и для управления технологическим процессом, что позволит повысить информативность и эффективность управления.
Таким образом, можно утверждать, что разработка и внедрение в современное отечественное производство сорбционно-каталитических материалов эффективных компьютерных систем управления является актуальной задачей. В связи с меняющейся конъюнктурой рынка сорбционно-каталитической отрасли, диктующей потребность динамического отклика разработками и выпуском новых продуктов данного класса, возникает необходимость в создании систем управления гибкими многоассортиментными производствами.
Основная особенность таких систем заключается в решении задач различных уровней автоматизации: от обработки экспериментальных данных, синтеза математических моделей, до выработки оптимальных управляющих воздействий и выдачи советов оператору-технологу. При этом основные усилия следует сосредоточить на управлении ключевыми стадиями многостадийного синтеза гранулированных пористых материалов.
Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является создание комплекса средств для решения задач управления качеством продукции, управления в нештатных ситуациях, при переходе на новый вид продукции в условиях гибкого многоассортиментного производства грану-
лированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
исследовано малотоннажное многоассортиментное производство гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц, выявлены характеристики используемого сырья и материалов, оборудования, определены требования к системе управления;
исследованы процессы производства алюмохромфосфатного катализатора (АХФ), алюмофосфатного сорбента-осушителя (АФ), носителя -шарикового активного оксида алюминия (ШАОА), определены особенности производства как объекта управления, выделены ключевые стадии и показатели качества готовой продукции;
разработаны математические модели ключевых стадий, позволяющие определять технологические режимы производства новых видов гранулированной сорбционно-каталитической продукции, компенсировать недостаточную наблюдаемость процесса (параметры, контролируемые только лабораторным путем), прогнозировать основные показатели качества продукции, выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданного качества продукции;
исследованы методы синтеза систем управления гибкими производствами, разработаны структура и алгоритм функционирования для системы управления гибким многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов;
разработана система поддержки принятия решений для управления производством в условиях возникновения нештатных ситуаций, включающая базу знаний, состоящую из 55 нештатных ситуаций, 91 причины и 92 рекомендаций;
разработан программный комплекс системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов, включающий математические модели наиболее важных стадий, позволяю-
щие прогнозировать технологические параметры процесса и выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданных значений показателей качества продукции, базы данных технологических режимов и параметров, характеристик сырья и материалов, оборудования и позволяющий решать функциональные задачи управления производством гранулированных пористых материалов;
проведено тестирование и внедрение системы на примере действующего гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.
В первой главе настоящей работы анализируются существующие системы управления производствами гранулированных пористых материалов, определяются современные тенденции в проектировании и создании программных комплексов для синтеза систем управления гибкими многоассортиментными производствами в сорбционно-каталитической промышленности. Проводится анализ современного многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Во второй главе формулируются задачи управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Технологический процесс производства катализатора АХФ, сорбента АФ и носителя ШАОА анализируется как объект управления. В соответствии с определенными задачами проводится разработка структуры и алгоритма функционирования программного комплекса системы управления многоассортиментным производством. Третья глава посвящена разработке информационного, математического и программного обеспечения системы управления гибким производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. В четвертой главе приводятся сведения о тестировании и внедрении системы для управления производством гранулированных пористых материалов сорбционно-каталитического назначения, а также внедрении разработанного программного и математического обеспечения в учебный процесс.
Характеристика гибких автоматизированных систем в сорбционно-каталитической промышленности
Функционирование химического производства невозможно без применения современных средств автоматизации. Современное производство гранулированных пористых материалов, подразумевает использование развитых систем контроля и управления технологическими процессами на базе ЭВМ, что позволяет подойти к организации данных производств как к созданию гибких автоматизированных производственных систем (ГАЛС), обеспечивающих быструю и ресурсосберегающую адаптацию производства к изменению ассортимента продукции, видов и состава сырья, режимов протекания технологических процессов и т. п. [3, 4].
Для многоассортиментных сорбционно-каталитических производств с переменной номенклатурой продукции (в пределах определенного класса) актуальна задача размещения новых технологических процессов на оборудовании действующих производств [5].
Наиболее распространенная классификация продуктов химической промышленности следующая [5]: 1) продукты неорганической химии; 2) полимеры (синтетические каучуки, пластмассы и химические волокна); 3) лакокрасочные материалы и продукты; 4) синтетические красители и органические промежуточные продукты; 5) продукты органического синтеза (нефте-, коксо- и лесо- химия); 6) химические реактивы и особо чистые химические вещества; 7) медикаменты и химико-фармацевтическая продукция. Каталоги производителей и дистрибьюторов продуктов тонкой химии включают десятки тысяч наименований химических соединений. Эти вещества характеризуются различной молекулярной структурой, физическими, химическими и токсикологическими свойствами. Они различаются областями применения, требованиями к чистоте продукции и производственных помещений, опасностью и, наконец, объемом (тоннажем) выпуска [6]. Можно классифицировать химическое производство по мощности выпуска продукции следующим образом (в т/год): микротоннажные (до 0,1), малотоннажные (0,1-10), среднетоннажные (10-1000), крупнотоннажные (5-10 тыс.) и супертоннажные (свыше 100 тыс.). Между данными группами химических производств имеются принципиальные отличия. Крупно- и супертоннажные производства нацелены на выпуск в огромных масштабах продукции стабильного ассортимента, микро- и малотоннажные - на обеспечение спроса химической продукции с широким и быстро обновляющимся ассортиментом, но относительно небольшим объемом выпуска [7].
Производство гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц включает производство катализаторов, сорбентов и носителей, в первую очередь - специального назначения и со специальными свойствами. Производительность производства таких материалов колеблется между 1 - 1,2 и 2,5-3 тонн в год, следовательно, оно относится к малотоннажным.
Наряду с объемом выпуска, в качестве классификационного признака производства используется характер ассортимента, по которому выделяются многоассортиментные производства. Малотоннажное производство гранулированных пористых материалов со специальными свойствами является многоассортиментным, поскольку ориентировано на выпуск широкого перечня продукции сорбционно-каталитического назначения.
В отличие от крупнотоннажных производств (серной кислоты, аммиака, минеральных удобрений, продуктов основного органического синтеза и др.), где ассортимент продукции и ее тоннаж, как правило, фиксированы, а технологические системы ориентированы на единственный продукт и функционируют преимущественно в непрерывных режимах [5], малотоннажное многоассортиментное производство гранулированных пористых сорбцион-ных и каталитических материалов специального назначения из тонкодисперсных частиц характеризуется следующими признаками: обширный ассортимент продукции непостоянной номенклатуры; многообразие видов перерабатываемого сырья, в том числе уникального; возможность получения одного и того же продукта из сырья разных видов; сложность и многоста-дийность схем химического синтеза и выделения целевых продуктов; возможность получения одного и того же продукта разными способами; сложность технологической структуры производства; множество связей по сырьевым и полупродуктовым потокам.
Малотоннажные продукты, к которым также относятся гранулированные пористые сорбционно-каталитические материалы специального назначения называют также продуктами тонкого химического синтеза Следует отметить, что невозможно четко разграничить понятия «крупнотоннажные химические продукты» и «продукты тонкого синтеза». Основные признаки, по которым тот или иной продукт принято относить ко второму классу, это -высокая наукоемкость, значительная добавленная стоимость (в процессе его производства), небольшой объем партий и широкий ассортимент. Однако при таком определении граница между двумя названными классами продуктов оказывается условной и весьма подвижной, так как в зависимости от ряда обстоятельств один и тот же продукт может быть отнесен и к крупнотоннажным, и к продуктам тонкого синтеза. Тоннаж продукции при этом существенной роли не играет.
Таким образом, по характеру ассортимента и организации технологических процессов (широкая номенклатура, малый объем выпуска, периодический способ организации технологических процессов и др.) производство специальных гранулированных носителей, сорбентов и катализаторов из тонкодисперсных частиц можно отнести к многоассортиментным малотоннажным продуктам.
В настоящее время, по тоннажу и характеру ассортимента неорганические композиционные материалы специального назначения, такие как катализаторы, сорбенты и носители, можно определить как заказные, т.е. выпускаемые по мере появления потребности в них, причем заказ может составлять и 1 килограмм.
Для малотоннажных производств специальных сорбционно-каталитических материалов характерен обширный и непостоянный ассортимент продукции, который обновляется в результате освоения промышленностью новых перспективных видов. Обновление ассортимента обычно сопровождается улучшением качества продукции и, как правило, расширением ее номенклатуры.
Анализ существующих инструментальных средств для синтеза систем управления
На сегодняшний день, невозможно функционирование химического производства без применения современных средств автоматизации. Современное многоассортиментное производство гранулированных пористых материалов, подразумевает использование развитых систем контроля и управления технологическими процессами на базе ЭВМ. Необходимость обеспечения безаварийного функционирования сложного производства обуславливает использование современных систем HMI (Human Machine Interface - человеко-машинный интерфейс) в составе комплексов автоматизации [11].
Анализ литературы показал, что современное производство гранулированных пористых материалов нуждается в создании программных комплексов в составе систем управления, позволяющих повысить эффективность производства, за счет повышения качества процесса управления. Это связано с особенностью производства гранулированных пористых материалов сорб-ционно-каталитического назначения, вследствие которой большинство показателей качества контролируется только лабораторным путем. К наиболее важным показателям качества готовой продукции рассматриваемого производства относятся гранулометрический состав, влагосодержание, прочность, удельная поверхность, суммарный объем пор и др. Для их определения используются различные приборы химического анализа, которые невозможно использовать в ходе ведения технологического процесса. Одним из путей решения задачи повышения качества является создание систем, позволяющих осуществлять прогнозирующий контроль технологическими процессами и производствами. Создание математических моделей для прогнозирования и управления, решение задач оценки показателей качества процесса и определения оптимальных технологических режимов является сегодня одним из динамично развивающихся направлений химической технологии. При этом для прогнозирования и оптимизации могут использоваться как линейные математические модели и алгоритмы, так и нелинейные динамические модели и другие подходы.
Таким образом, основной задачей при организации исследований чаще всего является создание математических моделей различных физико-химических процессов, которые в перспективе позволят осуществлять управление процессом на этапе промышленного производства.
В современной технологии производства гранулированных пористых материалов стоит задача не просто управления конкретным технологическим процессом, а задача совокупного управления производством, повышения гибкости управления, увеличения эффективности и безопасности производства. Очевидно, что на современном уровне автоматизации производств невозможно разработать систему управления удовлетворяющую всем перечисленным требованиям от начала до конца.
Программное обеспечение автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами представлено операционными системами, обычно, реального времени, программами SCADA, драйверами и прикладными программами [14].
Основными требованиями, предъявляемыми к операционным системам реального времени, являются высокая скорость реакции на запросы внешних устройств, устойчивость системы и экономное использование системных ресурсов. В настоящее время используются как широко распространенные системы UNIX и Windows, так и специальные операционные системы реального времени. Перспективной считается LynxOS - многозадачная, многопользовательская UNIX-совместимая система. WindowsNT становится системой реального времени после ее дополнения средой RTX компании VenturCom. Кроме того, Microsoft разработала специальную версию операционных систем WindowsNT для встроенных приложений, названную WindowsNT Embedded. При использовании в АСУТП встроенного оборудования на базе шины VMEbus целесообразно применять операционные системы QNX или VxWorks, а в случае АСУТП на базе шины CompactPCI- операционные системы OS-9,QNX или расширения Windows NT для реального времени [15].
При разработке специализированного прикладного программного обеспечения для создания системы управления, в большинстве случаев представляется целесообразным адаптировать готовый, уже апробированный инструментарий. Здесь стоит вопрос выбора SCADA системы (Supervisory Control And Data Acquisition). В таблице 1.1 перечислены некоторые из SCADA-систем, имеющих поддержку в России: Таблица 1. SCADA Фирма-изготовитель Страна Factory Link United States DATA Co. США InTouch Wonderware США Genesis Iconics США WinCC Siemens Германия RealFlex BJ Software Systems США Sitex Jade Software Англия FIX Intellution США Продолжение таблицы 1. Trace Mode AdAstra Россия Simplicity GE Fanuc Automation Россия RSView Rockwell Software Inc. США Анализ литературы [11-13] показал, что SCADA-системы различаются типами поддерживаемых контроллеров, операционной средой, типами оповещений, особенностями человеко-машинного интерфейса. SCADA-системы "закрывают" цеховой уровень автоматизации, связанный, прежде всего, с получением и визуализацией информации от программируемых контроллеров, распределенных систем управления. Важно отметить, что некоторые фирмы разрабатывают тесно интегрированные со SCADA-пакетами системы управления производством и обеспечивают обмен между этими уровнями, тем самым резко усиливая сервисные возможности своих продуктов для реализации комплексного подхода к автоматизации промышленного предприятия в целом. Разработка подобных хорошо интегрированных инструментальных средств - главная современная тенденция в разработке базового ПО для управления промышленным предприятием.
В силу требований, которые предъявляются к системам SCADA, спектр их функциональных возможностей определен и реализован практически во всех пакетах: автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования; средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня; средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях; средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных); средства обработки первичной информации; средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм; возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как "единое целое" ("recipe" или "установки"). Основу большинства SCADA-пакетов составляют несколько программных компонентов (база данных реального времени, ввода-вывода, предыстории, аварийных ситуаций) и администраторов (доступа, управления, сообщений).
Формулировка задач управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц
На основании проведенного исследования, можно сказать, что для современных гибких многоассортиментных производств существенной является проблема выбора управляющих воздействий при переходе на новый вид продукции или производительность, поскольку это приводит к изменению технологической схемы, переналадке оборудования, что связано с временными и, соответственно, экономическими потерями. Синтез гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц многостадийный и представляет собой совокупность периодических процессов, характеризуется неполной наблюдаемостью, в связи с чем основным управляющим воздействием становится время пребывания, которое позволяет получить продукт требуемого качества при соблюдении заданных ограничений на качественные показатели. К качеству гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц сорбционно-каталитического назначения предъявляются высокие требования, в связи с чем необходимо оперативное устранение аварийных ситуаций, связанных с неполадками оборудования и нештатных ситуаций, связанных с ухудшением показателей качества продукции.
Таким образом, задачи управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц можно сформулировать следующим образом: 1. Управление при перенастройке на новый вид продукции. 2. Управление отдельными стадиями процесса синтеза. 3. Управление при возникновении нештатных ситуаций. На основании характеристик многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц, выявленных в процессе анализа производства, и в соответствии с поставленными задачами управления, определены следующие этапы разработки компьютерной системы управления гибким многоассортиментным производством носителей, сорбентов и катализаторов: 1. Разработка информационного обеспечения системы управления, вклю чающего: - базу данных конечных продуктов и полупродуктов и требований к ним; - базу данных характеристик оборудования; - базу данных характеристик исходных материалов: сырья, реактивов; - базу данных технологических стадий; - базу данных технологических параметров; - базу данных технологических ситуаций и рекомендаций оператору-технологу. 2. Разработка алгоритма функционирования системы управления . 3. Разработка математического обеспечения системы управления, включающего математические модели основных технологических стадий для оценки показателей качества продукта. 4. Выбор программного обеспечения для синтеза системы управления. 5. Разработка программного обеспечения системы управления, включающего: - систему поддержки принятия решений оператором; - математические модели основных термических стадий (сушка, прокалка) для оценки показателей качества продукта.
В соответствии со сформулированными в п. 2.1 задачами управления, функционирование системы управления состоит в осуществлении формирования химико-технологической схемы для заданного типа, марки и формы продукции, выборе диапазонов режимов функционирования элементов технологической схемы, определении для сформированной схемы времени выдержки и температуры в заданных диапазонах, которые обеспечивают требуемые значения показателей качества продукта, осуществлении поддержки принятия решений при управлении процессом в нештатных ситуациях
Для решения задачи перенастройки системы на новый вид продукции (формирование химико-технологической схемы в зависимости от вида продукции, его марки и формы) необходимо учитывать характеристики сырья, оборудования, технологических параметров. Для учета этих характеристик было разработано формализованное описание производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Формализованное описание может быть представлено в виде вектора: PD = {П, М, Ф, К, S, D, С, О, U}, где П = {Пь...,Пмп} - вектор, описывающий тип выпускаемой продукции (сорбент, носитель, катализатор); М ={MI,...,MNM} - марка типа продукции (наименование конечного продукта); Ф={Фі,.. .,Фыф} - вектор, описывающий форму гранул продукта (сфера, черенок и т.п.); K={Kb...,KNK} - требования по качеству продукции (прочность гранул, удельная поверхность, суммарный объем пор и т.п.); S={SI,...,SNS} - вектор, описывающий исходное сырье; D={Di,...5DNd} - вектор, описывающий рецептуры для производства продуктов (возможно получение одного и того же конечного продукта по различным рецептурам); C={CI,...,CNC} - вектор, описывающий стадии синтеза гранулированных пористых материалов; РСі={РСп,..., PCiNpc} - последовательность данных стадий; 0={OI,...,ONO} - вектор, описывающий характеристики оборудования (тип, площадь поверхности, емкость и другие характеристики); U={UI,...,UNU} - вектор, описывающий режимы функционирования стадий и оборудования (время пребывания, температура). Таким образом, с помощью предложенного формализованного описания гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц (ГМП ГПМ), как объект управления можно охарактеризовать данное производство следующим образом (рис 2.1), где X - входные переменные, Y - выходные переменные, U - управляющие переменные, F - возмущающие воздействия, такие как примеси в сырье и эксплуатационные характеристики оборудования.
Разработка информационного обеспечения
На основе проанализированных литературных данных и анализа процесса синтеза гранулированных носителей, сорбентов и катализаторов было разработано информационное обеспечение автоматизированной системы управления производством гранулированных пористых материалов из тонко-дисперсных частиц. Информационное обеспечение системы содержит всю информацию о технологическом процессе и состоит из следующих блоков: 1. база данных характеристик сырья, конечных продуктов, оборудования, технологических режимов и параметров; 2. база данных технологических ситуаций и рекомендаций оператору-технологу.
Разработка информационного обеспечения проводилась с использованием визуальной среды разработки баз данных Microsoft Access и интегрированной объектно-ориентированной среды программирования Borland Delphi. Использование объектно-ориентированного подхода позволяет создавать интегрированные приложения с открытой архитектурой, способные взаимодействовать с другими программами [43]. В пользу выбора Microsoft Access как средства разработки баз данных для системы управления производством гранулированных пористых материалов сыграло несколько ключевых моментов: на сегодняшний день Microsoft Access является наиболее популярным средством проектирования и сопровождения баз данных, что существенно облегчает работу операторов-технологов, также преимуществом Microsoft Access является возможность разрабатывать одновременно структуру базы данных и интерфейс [42]. Это позволяет в рамках единой среды создавать полнофункциональную оболочку с различными интерфейсами, с помощью которой администратор базы данных может корректировать структуру и программировать запросы, а технолог может сразу начать наполнение базы данных информацией о конкретном процессе. Следовательно, общее время на разработку базы данных значительно уменьшается, а работа с базой пользователей, обладающих различными навыками, становится более эффективной за счет создания индивидуальных интерфейсов пользователей. Формат хранения данных Microsoft Access поддерживается различным программным обеспечением (в силу своего широкого распространения), что облегчает взаимодействие с использующими его приложениями. Интегрированная среда визуальной разработки приложений Borland Delphi, объединяющая в себе компилятор, отладчик, редакторы кода и интерфейса, поддерживающая такие технологии создания программных продуктов, как ADO, OLE, ActiveX,CORBA и др. была использована в качестве основного программного средства разработки. Основной исполняемый модуль компьютерной системы управления, дополнительные программные библиотеки были разработаны с помощью данной среды разработки.
При разработке информационного обеспечения (ИО), структура которого представлена на рисунке 3.1 [78], необходимым требованием являлось обеспечение гибкости системы управления при переходе к новому виду продукции, адаптивность ее информационно-управляющей подсистемы. Рассмотрим составляющие ИО системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов.
БД характеристик сырья, конечных продуктов, оборудования, технологических режимов и параметров, содержит следующую информацию: 1) данные о продукции здесь содержатся данные об ассортименте продукции с их физико-химическими свойствами, средой использования и областью применения (например, катализатор окисления СО и углеводородов для экологической газоочистки; сорбент для очистки отходящих газов от фенолов и т.д.) 2) данные о характеристиках сырья, эти данные содержат складскую информацию об исходном сырье (его физические и химические свойства: дисперсность, реакционная способность, наличие примесей) 3) данные о рецептурах, практически для каждого синтезируемого продукта существует возможность синтеза его по различным рецептурам. Данные о рецептуре содержат номер рецепта и текст рецепта, включающий информацию о исходных компонентах и их количестве, необходимых для производства килограмма продукта; 4) данные об оборудовании, Как отмечалось, процесс синтеза гранулированных пористых материалов многостадийный, для каждой стадии существует возможность выбора аппаратного обеспечения. В связи с этим, рассматриваемая база данных содержит информацию о характеристиках используемого аппаратного оформления стадий (типе оборудования, рабочем объеме и т.д.). 5) данные о технологических режимах;
В зависимости от свойств используемых исходных компонентов, выдерживаются различные технологические режимы, информация о которых также содержится в базе данных.
Кроме выявленных в результате анализа производства характеристик сырья, готовых продуктов, оборудования и т.д., база данных включает каталог библиотеки математических моделей, включающий в себя разработанные математические модели. Это достигается за счет разработанного формата унифицированной программной реализации математических моделей в виде динамических подключаемых библиотек (DLL) [43,45]. В результате, доступ к программным модулям математических моделей осуществляется автоматически при выборе конечного продукта. Также информационное обеспечение системы управления содержит информацию о настроечных коэффициентах математических моделей.
Информационное обеспечение системы поддержки принятия решений Многоассортиментное производство гранулированных пористых материалов представляет собой сложную систему, функционирование которой связано с работой оборудования различных типов. Бесперебойная и безаварийная работа этого оборудования обязательна для получения продукции заданного качества. Поэтому, количество контролируемых оператором-технологом параметров производства гранулированных пористых материалов достаточно высоко, что может стать причиной возникновения аварийных ситуаций там, где их можно было бы избежать, если вовремя заметить опасные отклонения от технологических режимов. К качеству продукции многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц предъявляются высокие требования. Нештатная ситуация возникает как только значения показателей качества выходят за заданные при формировании химико-технологической схемы диапазоны.
