CC BY
153
УДК 658.012.011
С. М. Жмуркин, Н. Н. Вершинин, И. Г. Епишин, А. Ю. Репин
СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
Аннотация. Рассматривается система информационной поддержки процессов проектирования и разработки безопасного технологического оборудования для объектов по уничтожению химического оружия. Приводится концептуальная модель системы информационной поддержки, включающей автоматизированное рабочее место системного аналитика и разработчика. Система информационной поддержки реализована как составная часть интегрированной информационной среды предприятия ОАО НПП «Химмаш-Старт» (г. Пенза).
Ключевые слова: рабочая конструкторская документация, информационная поддержка, требования безопасности и надежности, критичность, риск.
Abstract. The article considers a data supporting system for design and development of safe technological equipment. The equipment is intended to be applied at chemical weapons elimination plants. The authors introduce a conceptual model of data supporting system, consisiting of an automated workstation for a system analyst and an engineer. Supporting data system is implemented as a component of an integrated data system at JSC NPP “Chimmash-Start” plant.
Key words: design documentation, data support, safety specification, criticality, hazard.
Введение
Производственные объекты по уничтожению химического оружия (УХО) относят к наиболее опасным. Неотъемлемой частью безопасности производственных объектов УХО являются безопасность и надежность эксплуатации технологического оборудования, которые должны закладываться на всех этапах жизненного цикла изделия и, в первую очередь, на этапах проектирования и разработки.
Проектирование и разработка технологического оборудования для УХО (далее по тексту изделие) является новым направлением в области химического машиностроения. Специфика данной стадии жизненного цикла изделия характеризуется целым рядом особенностей:
- во-первых, изделие создается как головной образец;
- во-вторых, физико-химические процессы УХО недостаточно изучены, а специально подготовленные проектные решения для разработчиков, как правило, отсутствуют;
- в-третьих, нормативная база проектирования и разработки изделия охватывает только типовые технические решения.
При этом разработчикам часто приходится сталкиваться с дополнительными проблемами, такими как:
- сжатые сроки проектирования и разработки;
- недостаточный опыт и уровень подготовки разработчиков;
- отсутствие развернутых требований технического задания (ТЗ);
- необходимость привлечения специализированных проектных организаций (контрагентов), например в части проектирования и разработки ло-
кальной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП);
- ограниченные возможности проведения большого объема расчетов, охватывающих все составные части (СЧ), узлы и стыковки конструкции изделия при возможных режимах и условиях эксплуатации;
- отсутствие возможности проведения испытаний в полном объеме (как правило, испытания проводятся только для СЧ технологического оборудования, а испытания на воздействие специальных факторов исключаются);
- ограниченность ресурсов при пуске-наладке изделия.
В данных условиях проектирования и разработки особую важность приобретает управление информацией об изделии [1], предусматривающее внедрение технологии организации единого информационного пространства (интегрированной информационной среды - ИИС), объединяющего автоматизированные системы, предназначенные для эффективного решения задач инженерной деятельности.
К одной из таких автоматизированных систем относится рассматриваемая в настоящей работе система информационной поддержки процессов проектирования и разработки безопасного технологического оборудования.
1. Задачи и функции системы информационной поддержки
Основная цель информационной поддержки заключается в полном и адекватном обеспечении решения таких основных задач, как:
1) реализация тактико-технических требований (ТТТ), обеспечение требуемых тактико-технических характеристик (ТТХ) и обязательных требований безопасности (ОТБ) к изделию в полном соответствии с ТЗ, охватывающим требованиями все этапы жизненного цикла;
2) обеспечение безопасности и надежности разрабатываемого изделия по критерию приемлемого риска [2];
3) обеспечение качества выполнения проектных работ и разработки рабочей конструкторской документации (РКД).
Концептуальная модель системы информационной поддержки представлена на рис. 1.
В состав системы информационной поддержки включены автоматизированные рабочие места (АРМ) двух типов: АРМ системного аналитика и АРМ разработчика. Для удобства работы они объединены общей оболочкой.
Средства информационной поддержки обеспечивают диалоговый процесс подготовки оперативных данных и решение задач менеджмента рисков изделия при проектировании и разработке.
Ключевые функции системы информационной поддержки отводятся АРМ системного аналитика. Его средства обеспечивают информационную и программную поддержку решения следующих задач.
1. Формирование системы классификаторов и справочников в соответствии с требованиями классифицирования, приведенными в табл. 1. Данные классификаторы и справочники используются как основа постоянно актуализируемой базы данных системы информационной поддержки.
2. Подготовка оперативных данных для решения конкретных задач менеджмента рисков разрабатываемого изделия.
Оболочка
АРМ
разработчика
АРМ
аналитика
Рис. 1. Концептуальная структурная модель системы информационной поддержки проектирования и разработки изделия
Важно отметить, что требования к безопасности производственного объекта по УХО выступают как исходные, определяющие необходимый уровень безопасности и надежности технологических процессов и технологического оборудования в частности. Отсюда следует приоритетность, первичность требований к безопасности производственного объекта УХО по отношению к надежности изделия как части технологической системы.
Основная роль в реализации требований безопасности и надежности при проектировании и разработке изделия отводится менеджменту рисков. Менеджмент рисков охватывает различные аспекты работы - от идентификации и анализа рисков до оценивания их допустимости и определения потенциальных возможностей снижения рисков посредством выбора и реализации методов и средств обеспечения технологической безопасности. Основополагающие требования к менеджменту рисков определены комплексом национальных стандартов серии ГОСТ Р 51901.
3. Информационная поддержка анализа рисков изделия. Информационная поддержка заключается:
- в классифицировании разрабатываемого изделия как технологического оборудования для УХО;
- в идентификации методов и средств обеспечения и управления изделием при эксплуатации;
- в идентификации возможных инцидентов и опасностей конструкции изделия;
- в классифицировании причинно-следственных связей опасностей;
- в идентификации возможных несоответствий, ошибок при документировании процессов (процедур) технического контроля, испытаний, пусконаладочных работ, обкатки и эксплуатации изделия;
- в информационном поиске данных об изделиях-аналогах и соответствующих документах РКД.
а\
о
Таблица 1
Классификаторы, используемые при проектировании и разработке технологического оборудования для объектов УХО
Наименование класс ификатора Подобласть классификации < )с ноіяіі.ю к.іассиі| нк'лшкм ін.іе признаки деления
1 2 3
К.1. Классификация проблем обеспечения безопасности и надежности технологического оборудования
К. 1.1. Классификатор ^йййКескорф .ЬруЖЭД, объектов по УХО, жехнологических процессов по УХО и их опасностей Объекты, информация о которых нс1 ю. 11,чуется для: - идентификации ТТХ боеприпасов; - идентификации опасностей объекта 11 техно, юшчссюот процесса по УХО; - оценивания степенен тяжести опасностей Виды отравляющих веществ (ОБ) и их характеристики
Виды боеприпасов. ТТХ боеприпасов
Основные направления работ по УХО. 1 Іроірамчи У.ХО ю каждому виду боеприпасов
Объекты по УХО. Виды и общие характеристики возможных опасностей объектов пе» УХО
Методы анализа и оценивания риска объектов по УХО
Общие принципы и задачи обеспечения промышленной безопасности и защиты
Виды технологических процессов УХО и их структурные характеристики
Виды реагентов и их физико-химические характеристики
Видь и физико-химические характеристики Дегазирующих растворов и вещеЩЦ используемых для очистки, промывки корпусов боеприпасов
Виды рабочих сред, продуктов переработки, отходов. Физико-химические характеристики рабочих сред и продуктов переработки
Виды возможных опасностей отказов технологических процессов УХО
К. 1.2. Классификатор положений, правил и требовании обеспечения безопасно®®; и надежности технолйгщеского оборудования объектов по УХО ()б |.ск'Г1,|. информация о которых используется для идентификации требований по обеспечению безопасности иЩ®ежнШзтй. технологического оборудования для УХО Общие принципы* правіша 11 требонн і іии і гроекті ірова пня. изготовления, монтажа, приемки и эксплуатации безопасного и надежного технологического оборудования объектов по УХО
Общие требования программ обеспечения надежности
Концепции требований к обеспечению безопасности и надежности технологического оборудования опасных производстве иных объектов
Требования к конструкциям и материалам Отдельных видов оборудования
Требования.к изготовлению отде.и, іі.іх видов оборудования
Требования к пуску-наладке и приемке отдельных видов оборудования
Требования к эксплуатации отдельных видов оборудования
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Продолжение табл. 1
1 2 3
К.2. Классификация технологического оборудования
1-С. 2.1. Классификатор разрабатываемого оборудования Объекты, информация о которых используется при определении требований к безопасности и надежности разрабатываемого оборудования Виды технологического оборудования и их назначение
ТТХ оборудования. Принципы, методы, средства и проблемы реализации ТТХ
Процессы функционирования оборудования. Технические средства обеспечения
Конструктивные характер но гики оборудования
Виды возможных опасностей несоответствий, отказов оборудования
К. 2.2. Классификатор разрабатываемых систем управления оборудован!® Объекты, информация о которых используется при определении требований к системе управления и контроля разрабатываемого оборудования Виды систем* методов и средств управления и контройавборудования при эксплуатации
ТТХ и конструктивные характеристики средств управлений и контроля оборудования
Виды возможных несоответствий, отказов, ошибок при управлении и контроле функционирования оборудования
К.2.А К. гассификато# конструкций составных частей; узлов, деталей и материалов основного оборудования Объекты, тшформацйя о которых используется при определении требований К конструкциям состашых частей узлов, деталей и материалам разрабатываемого оборудовав#!:' Виды конструкций составных частей, уч. км; н деталек конструкции оборудования
Виды и марки материалов и их физико-механические свойства
Виды возможных несоответствий, отказов, дефектов составных частей, узшов, деталей и материалов конструкций оборудования
К. 2.4. Классификатор стандартного (покупного.) оборудования Объекты, информация о которых используется прирпреде. юнии требовании к стандартному7 оборудованию, используемому в составе разрабатываемого оборудования Виды стандартного оборудования и их назначение
ТТХ и конструктивные характеристики стандартного оборудования
Виды возможных опасных состояний, несоответствий, отказов, дефектов стандартного оборудования
№ 2 (18), 2011 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ю
Окончание табл. 1
1 2 3
К.З. Классификация факторов разрушения, износа, коррозии, трещинообразования и старения материалов конструкций оборудования
К.3.1. Классификатор процессов разрушения, износа, коррозии, тре щинообразования и старей® материалов конструкций оборудования Объекты, информация о которых используется при определении требований к прочности, износостойкоещ коррозионной стойкости и долговечности материалов, деталей узлов конструкций оборудования Факторы механййеекого разрушения, износа, трещинообразования материалов. Теоретические и эмпирические модели процессов разрушения
Факторы коррочни \';п ериаюв. Теоретические и^мпирические мёдели процессов коррозии
К.4. Классификация методов и средств обеспечения безопасности и надежности технологического оборудования при эксплуатации
К.4.1. Классификатор методов и средств Обеспечения безопасности и надежности оборудования Объекты, информация о которых используется при идентификации причин ю-следственных свшёй опасностей и инцидентов оборудования; определении требований к методам и средствам обеспечения безопасности и надежности оборудования Методы анализа причинно-следственных связей опасностей, инцидентов оборудования при эксплуатации
Методы оценивания показателей надежности оборудования с учетом режимов эксплуатации
Технические методы и средства обеспечения безопасности и надежности конструкций оборудования
Организационные методы обеспечения безопасности эксплуатации оборудования
К.5. Кпассификация требований , несоответствий, ошибок РКД на технологическое оборудование
К.5.1. Классификатор требований к РКД Объекты, информация о которых используется при определении требований РКД к конструкции разрабатываемого оборудования Требования схемы; сборочного чертежа; деталировочного чертежа; карты контроля сварных швов
К. ЙЯШЁйёю сификатор возможных несоответствий, ошибокРКД Объекты, информация о которых используется при валидаций и верификации РКД Возможные несоответствия, ошибки схем: сборочных чертежейЩИалировочных чертежей; карт контроля сварных швов
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
4. Информационная поддержка принятия решений по обеспечению безопасности и надежности изделия. С учетом результатов анализа риска система информационной поддержки в соответствии с ГОСТ Р ИСО 12100-2, ГОСТ Р 51333 [3, 4] предлагает конструкторам-разработчикам комплекс мер по обеспечению надежности и безопасности. Например, основными направлениями обеспечения безопасности технологического оборудования для уничтожения жидких продуктов детоксикации отравляющих веществ (ОВ) являются:
1. Уменьшение риска за счет совершенствования технологических режимов обработки, которое предусматривает:
- снижение интенсивности процессов обработки, уменьшающее вероятность отказов оборудования, ошибок персонала;
- увеличение глубины очистки продуктов переработки ОВ за счет снижения производительности процесса или/и за счет увеличения расхода реагентов, или/и за счет увеличения размеров очистного оборудования;
- повышение пожарной безопасности хранения продуктов переработки ОВ, предназначенных для термического обезвреживания, за счет ухудшения их горючести;
- снижение производительности процессов утилизации, обеспечивающее уменьшение токсичности выбросов в окружающую среду;
- применение ненагруженного резерва (как аварийного) наиболее критичных единиц технологического оборудования.
2. Уменьшение риска за счет совершенствования конструкции технологического оборудования, которое предусматривает:
- обеспечение надежности и безопасности путем относительного упорядочения расположения СЧ, исключающих опасность механического воздействия на обслуживающий персонал, ограничения шума и вибраций и т.д.;
- применение методов повышенной надежности и безопасности энергопитания;
- исключение острых кромок, углов, выступающих частей и т.д.;
- обеспечение достаточных запасов прочности элементов конструкции;
- снижение влияния факторов усталости, износа, коррозии материалов деталей на надежность функционирования;
- применение принципа положительного механического воздействия одной детали на другую;
- применение принципов эргономики, принципов безопасности при конструировании систем управления;
- ограничение опасности посредством механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ, вынесения мест наладки и обслуживания за пределы опасных зон и выбора соответствующих защитных и предохранительных устройств;
- снижение вероятности опасности посредством повышения надежности элементов (покупных изделий, узлов, деталей, материалов) конструкции оборудования;
- сочетание резервирования с быстрым выявлением отказавших элементов с помощью встроенных систем контроля.
3. Уменьшение риска за счет надежности АСУ ТП, которое предусматривает:
- усиление мониторинга операций детоксикации, хранения, утилизации продуктов переработки ОВ за счет дополнительных затрат на контрольноизмерительные приборы и увеличения штатных обязанностей персонала;
- полноту и достоверность идентификации состояний технологического оборудования в реальном времени (при эксплуатации);
- своевременное прогнозирование и предупреждение инцидентов и аварий путем обнаружения «предвестников» опасных состояний и своевременной корректировки режимов технологического процесса;
- непрерывный контроль срабатывания аварийных защит и блокировок;
- сигнализацию достижения предельных значений и формирование запрета на дальнейшую работу системы в автоматическом режиме;
- изменение параметров и настройку программно-технического комплекса системы (ПТК) в случае изменения условий эксплуатации, изменение структуры объекта управления и состава выполняемых функций в реальном времени;
- регистрацию в реальном времени действий оператора и выявленных в процессе работы технологических нарушений и отклонений;
- остановку технологического процесса при возникновении аварийной ситуации (отказ технологического оборудования, пожар, загазованность, отключение вентиляции, отключение основного электроснабжения).
2. Реализация системы информационной поддержки
При осуществлении менеджмента рисков специалистам-аналитикам не хватает данных и знаний, что зачастую приводит к принятию ошибочных решений. С целью повышения качества подготовки данных в «АРМ системного аналитика» включен модуль, выполняющий функцию интеллектуального посредника. Функции интеллектуального посредника реализуются диалоговой подсистемой, включающей базу знаний системного аналитика. При диалоге с такой системой формируются блоки данных, позволяющие разработчикам существенно сократить время разработки РКД.
Блоки данных, продуцированные системным аналитиком, представляются разработчику в виде:
- перечней требований нормативных документов к надежности и безопасности, которым должны отвечать проектирование и разработка изделия;
- перечней наиболее критичных СЧ, узлов и деталей конструкции изделия с указанием основных видов отказов и их возможных причин (несоответствий, ошибок, дефектов);
- перечней критических несоответствий, ошибок на этапах жизненного цикла изделия, которые могут привести к критичным последствиям;
- рекомендаций по применению конструктивных методов и средств, обеспечивающих эффективное повышение надежности и безопасности изделия при эксплуатации;
- рекомендаций по организационно-техническим мероприятиям на этапах жизненного цикла изделия, направленных на снижение издержек при обеспечении заданных ТТХ изделия.
Разработка РКД производится с помощью «АРМ разработчика» в автоматизированном режиме.
Промежуточные результаты разработчика - проекты документов РКД -представляются системному аналитику для оценивания уровня соответствия
требованиям полноты и адекватности в части обеспечения безопасности согласно «Техническому регламенту о безопасности машин и оборудования» [5].
Для интеграции системы информационной поддержки с информационной средой предприятия разработан специальный «модуль интеграции», являющийся составной частью оболочки «АРМ системного аналитика» и «АРМ разработчика». Через «модуль интеграции» осуществляется взаимосвязь с PLM-системой.
PLM-система обеспечивает:
- централизованное структурированное хранение технической документации на изделие;
- управление информацией о структуре, вариантах конфигурации изделий и входимости компонентов в различные изделия;
- управление процессом разработки изделия; интеграцию компонентов Комплекса - САПР, САПР ТП, корпоративных справочников.
Для удобства пользователя в данную систему встроена подсистема нормативной помощи, обеспечивающая разработчика:
- требованиями к конструированию безопасных изделий химического машиностроения;
- требованиями государственных стандартов к оформлению РКД;
- требованиями к методам контроля качества при изготовлении изделий.
Заключение
В настоящее время система информационной поддержки реализована как в виде оболочки «АРМ системного аналитика» и «АРМ разработчика» предприятия ОАО НПП «Химмаш-Старт», интегрированной с системой управления жизненным циклом изделия PLM: ЛОЦМАН. Применение системы информационной поддержки дает предприятию возможность оперативно и качественно выполнять большой объем заказов на разработку комплексов технологического оборудования для опасных химических производств.
Список литературы
1. Гущин, О. Организация электронного архива на основе PartY PLUS в ФНПЦ (РПКБ) / О. Гущин, Т. Промзелева // САПР и графика. - 2004. - Январь. -С. 54-58.
2. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Сборник документов. Серия 27. Декларирование промышленной безопасности и оценка риска. - Вып.3. - М. : ГУП «Научнотехнический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002.
3. ГОСТ Р ИСО 12100-2-2007. Безопасность машин. Основные понятия, общие принципы конструирования. Часть 2. Технические принципы. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 2008. - 45 с.
4. ГОСТ Р 51333-99. Безопасность машин. Основные понятия. Общие принципы конструирования. Термины, технологические решения и технические условия. -М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002. - 56 с.
5. Технический регламент о безопасности машин и оборудования № 753 от 15.09.2009 // Российская газета. - № 181. - 25.09.2009 ; Собрание законодательства Российской Федерации. - № 38. - 21.09.2009. - Ст. 4505.
Жмуркин Сергей Михайлович главный конструктор, Научнопроизводственное предприятие «Химмаш-Старт» (г. Пенза)
E-mail: x-st2008@yandex.ru
Вершинин Николай Николаевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности, Пензенский государственный университет
E-mail: Nvershinin@yandex.ru
Епишин Игорь Георгиевич
кандидат технических наук, доцент, начальник научно-исследовательской лаборатории, Научно-производственное предприятие «Химмаш-Старт» (г. Пенза)
E-mail: epishin.igor@yandex.ru
Репин Андрей Юрьевич аспирант, Пензенский государственный университет
E-mail: ASAPR-snegovik@mail.ru
Zhmurkin Sergey Mikhaylovich Design manager, Research manufacturing enterprise “Chimmash-Start” (Penza)
Vershinin Nikolay Nikolaevich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of ecology and life safety, Penza State University
Epishin Igor Georgievich Candidate of engineering sciences, associate professor, head of research laboratory, Research manufacturing enterprise “Chimmash-Start” (Penza)
Repin Andrey Yuryevich Postgraduate student, Penza State University
УДК 658.012.011 Жмуркин, С. М.
Система информационной поддержки проектирования и разработки технологического оборудования для уничтожения химического оружия / С. М. Жмуркин, Н. Н. Вершинин, И. Г. Епишин, А. Ю. Репин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 2 (18). - С. 57-66.
