Введение к работе
Актуальность проблемы.
Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на безбумажную электронную технологию разработки и изготовления изделий. Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). Применение CALS-технологий в химической промышленности впервые было предложено во ФГУП «ИРЕА», а затем продолжено в Научном центре «Малотоннажная химия». За последние 15 лет был разработан широкий ассортимент пилотных CALS-проектов для различных областей науки и техники. Однако все работы проводились в программных комплексах PSS Lite или PSS Demo, предназначенных для работы с небольшими объемами данных при тестировании системы. Для разработки промышленных CALS-систем, особенно в такой сложной и наукоемкой отрасли, как промышленность химических реактивов и особо чистых веществ, необходимо использовать трехуровневую информационную систему PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE).
Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке государственных контрактов Минобрнауки России и Минпромторга России.
Степень разработанности темы исследования рассматривается по трем направлениям: особо чистые вещества; проблемно-ориентированные системы автоматизированной разработки химико-технологических производств; CALS-технологии.
Основные теоретические и практические вопросы химии и технологии «особо чистых веществ» рассмотрены в трудах следующих отечественных ученых: Аллахвердова Г.Р., Блюма Г.З., Бромберга А.В., Голуба А.Е., Грибова Б.Г., Гринберга Е.Е., Девятых Г.Г., Ефремова А.А., Иванова М.Я., Рябенко Е.А., Сокола В.А., Факеева А.А., Федорова В.А., Чурбанова М.Ф., Шалумова Б.З. и др.
Создание проблемно-ориентированных систем автоматизированной разработки химико-технологических производств связано с именами следующих советских и российских ученых: Авсеева В.В., Айзина СМ., Белькова В.П., Гарт-мана Т.Н., Глебова М.Б., Гордеева Л.С., Дорохова И.Н., Егорова А.Ф., Кафарова В.В., Кольцовой Э.М., Корнюшко В.Ф., Макарова В.В., Меньшикова В.В., Меньшутиной Н.В., Мешалкина В.П., Перова В.Л., Савицкой Т.В., Софиева А.Э., Фалина В.А. и др.
Разработка и внедрение информационных CALS-технологий в России проводится практически только в оборонной промышленности и отражено в публикациях Барабанова В.В., Давыдова А.Н., Дмитрова В.И., Кабанова А.Г., Овсянникова М.В., Судова Е.В., Шильникова П.С. и др. В химической промышленности работы по CALS-технологиям связаны с именами следующих сотрудников ФГУП «ИРЕА» и НЦ «МТХ»: Афанасьева А.Н., Бессарабова A.M., Глушко А.Н., Демьянюка А.Ю., Жданович О.А., Заколодиной Т.В., Квасюка А.В., Кочетыгова А.Л., Полякова А.В., Пономаренко А.Н.
Цель работы.
Разработка на основе программного комплекса PSS-EE проблемно-ориентированных CALS-систем автоматизированного синтеза нормативно-технической документации для химико-технологических производств веществ особой чистоты. При выполнении работы решаются следующие задачи:
-
Разработка архитектуры, алгоритмического и программного обеспечения трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «особо чистые вещества».
-
Разработка баз данных нормативно-технической документации для автоматизированного составления «технологических регламентов» в предметной области «особо чистые вещества».
-
Создание типовых словарей и справочников для автоматизированной разработки нормативно-технической документации на перспективный ассортимент химических реактивов и особо чистых веществ (четыреххлористый углерод, алифатические углеводороды, неорганические кислоты и др.).
-
Реализация разработанного автоматизированного комплекса для смежных предметных областей: теплозащитные материалы, наноматериалы, ионные жидкости и продукты утилизации отходов фосфорной промышленности.
Научная новизна.
Разработана архитектура CALS-системы PSS-EE, состоящей из сервера СУБД (Oracle Server 10g), сервера приложений (Oracle Client 10g & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS) для предметной области «особо чистые вещества». Предложены индексация и структуры информационных таблиц по рассматриваемым направлениям.
Созданы типовые структуры информационных баз данных для основных видов нормативно-технической документации (технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование). Для технологических регламентов проведен системный анализ баз данных на 6 уровнях иерархии: классы, вещества, продукты, документы, разделы, подразделы.
В протоколе применения «технологические регламенты» разработана структура базы данных для технологии получения четыреххлористого углерода особой чистоты, а для технологий алифатических углеводородов и неорганических кислот созданы типовые структуры словарей и справочников по элементам оборудования, свойствам продуктов, конструкционным материалам и др.
Разработанная архитектура комплекса PSS-EE заложена в основу структуры баз данных по показателям качества теплозащитных материалов, отходов фосфорной промышленности, а также в структуры модульных технологических схем получения ионных жидкостей и плазменно-криогенного синтеза нанома-териалов.
Теоретическая значимость.
Результаты работы являются составным элементом дальнейшего развития теории и практики применения концепции CALS в наиболее перспективных секторах науки и техники.
Заложенные в ходе разработки информационной системы методологические
основы позволят создать проблемно-ориентированные CALS-системы для других отраслей химической промышленности (лакокрасочная, полимерная и др.).
Предложенные в работе теоретические обобщения дают возможность более оперативно разрабатывать техническую документацию и исключить влияние «человеческого фактора».
Теоретические подходы систематизации и автоматизации разработки производств особо чистых веществ могут быть использованы при обучении студентов в области кибернетики химико-технологических процессов, информационных технологий, автоматизированного проектирования и др.
Практическая значимость.
Разработано программное обеспечение трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «особо чистые вещества».
На основе международных классификаторов и информации о выпускаемой продукции заполнены базы данных, созданы словари характеристик и справочники для основных видов нормативно-технической документации.
Для предметной области «особо чистые вещества» разработан пилотный CALS-проект технологического регламента на производство четыреххлористо-го углерода особой чистоты. Заполнены базы данных, словари и справочники для классов веществ «алифатические углеводороды» и «неорганические кислоты» (по диссертационной работе аспиранта Казакова А.А.).
На основе созданного программного комплекса разработаны CALS-проекты: компьютерного менеджмента качества теплозащитных материалов, экологического менеджмента отходов фосфорной промышленности; универсальных установок получения ионных жидкостей и наноматериалов.
Программные модули CALS-систем вошли в отчетную документацию по Государственным контрактам Минобрнауки России и Минпромторга России.
Методология и методы исследования.
В работе использованы методология системного, структурного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе С AL S -технологий.
Положения выносимые на защиту.
Разработанный трехуровневый программный комплекс PSS-EE для предметной области «особо чистые вещества».
Разработанные базы данных нормативно-технической документации (технологические регламенты, технические условия, исходные данные на проектирование) для рассматриваемой предметной области в СУБД Oracle.
Разработанная методология организации информации по технологии производства особо чистых веществ в программном комплексе PSS-EE на примере четыреххлористого углерода различных квалификаций и ассортиментов алифатических углеводородов и неорганических кислот.
Разработанные словари характеристик и единиц измерения, объектно-понятийные и понятийные справочники, как структурные элементы PSS-EE
применительно к предметной области «особо чистые вещества».
Разработанные практические приложения PSS-EE в смежных предметных областях (наноматериалы, теплозащитные покрытия, ионные жидкости, отходы фосфорной промышленности).
Личный вклад автора.
Проведены системные исследования с целью дальнейшей разработки и внедрения CALS-комплекса PSS-EE. Разработана структура, алгоритмическое и программное обеспечение CALS-систем в промышленности химических реактивов и особо чистых веществ. Созданы компьютерные протоколы применения по основным видам нормативно-технической документации на примере новых технологий получения четыреххлористого углерода, алифатических углеводородов и неорганических кислот. Проведены работы по созданию пилотных CALS-проектов в смежных предметных областях (теплозащитные материалы, ионные жидкости; наноматериалы и фосфорсодержащие отходы).
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системы компьютерной поддержки (CALS-технология), методов системного и структурного анализа, а также практической реализацией результатов работы.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах «Chemical Engineering Transactions», «Chemical and Petroleum Engineering», «Химическая промышленность сегодня», «Химическое и нефтегазовое машиностроение», «Ремонт, восстановление, модернизация», «Вестник Казанского технологического университета», «Наукоемкие технологии», «Энциклопедия инженера-химика», «Все материалы. Энциклопедический справочник», сборниках научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 5th International Conference on Safety & Environment in Process Industry, CISAP-5 (Milan, Italy, 2012); 15 th, 16 th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, PRES'2012, PRES'2013 (Prague, Czech Republic, 2012; Rhodes, Greece, 2013); 9th European Congress of Chemical Engineering, ECCE-9 (Hague, Netherlands, 2013); 11th International Conference on Chemical & Process Engineering, ICheaP-11 (Milan, Italy, 2013); XXV и XXVI Международные научно-технические конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012); XXVI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-26), (Н.Новгород, 2013); VIII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012» (Москва, 2012); XII Международная научная конференция «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2012); 2-й Симпозиум «Новые высокочистые материалы» (Н.-Новгород, 2013).
Публикация результатов исследования.
По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, из них 17 статей (13 в журналах, рекомендуемых ВАК), 7 тезисов докладов на международных конференциях. Общий объем опубликованных работ — 8,5 печатных листа.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (135 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 142 страницах, включая 36 рисунков и 6 таблиц.
