CC BY
22
УДК 004.9.658.512
АВТОМАТИЗАЦИЯ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
© И.А. Серышева1, Е.Ю. Чиркова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается разработанная авторами информационная система для анализа технологических схем производственных процессов, позволяющая строить модели технологических схем в виде ориентированных графов, выделять в них типовые фрагменты с помощью алгоритмов структурного анализа и хранить в БД информацию о параметрах схемы и ее типовых фрагментах. Ил. 9. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: информационная система; структурный анализ; ориентированный граф; типовой фрагмент технологической схемы.
AUTOMATION OF PRODUCTION PROCESS TECHNOLOGICAL SCHEMA ANALYSIS I.A. Serysheva, E.Yu. Chirkova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article deals with the information system developed by the authors for the analysis of technological schemes of production processes. The current version of the system has the following opportunities: creation of models of technological schemes in the form of directed graphs; identification of typical fragments by means of structural analysis algorithms; storage of information on scheme parameters and its typical fragments in a database. 9 figures. 4 sources.
Key words: information system; structural analysis; digraph (directed graph); typical fragment of technological schema.
В настоящее время актуальными являются такие производства, которые создают минимальные выбросы в окружающую среду, т.е. производства с оборотным водоснабжением, замкнутыми циклами по материальным и энергетическим потокам (в т.ч. химические производства). Необходимость кооперирования и комбинирования различных процессов, установок и производств, связанных единой технологией, позволяющая более полно использовать сырье, утилизировать отходы производства, объединить последовательные стадии переработки, что, как следствие, приводит к усложнению технологических схем.
Проектирование схем производственных процессов включает в себя:
• выбор технологического способа производства целевых продуктов;
• разработку технологической топологии системы;
- выбор видов технологических процессов;
- выбор типа конструкций каждого элемента;
- выбор структуры и определение покомпонентного состава технологических связей между элементами;
• определение конструкционных и технологических параметров каждого элемента, обеспечивающих функционирование технологической схемы (ТС) при оптимальной величине критерия эффективности и
оптимальных показателях свойств технологического процесса.
Решение задачи разработки ТС с помощью простого перебора всех возможных вариантов и последовательной их оптимизации практически невозможно, поскольку их число становится огромным даже при сравнительно небольшом числе аппаратов. Такой прием не может быть использован для производства, где работают десятки, а иногда и сотни аппаратов. В связи с этим необходимо опираться на другие методы синтеза с меньшими затратами.
В этом плане интересен подход, в основе которого лежит предложенная в работе С.Б.Леонова и А.В. Петрова [1] методика автоматизированного синтеза имитационных моделей технологических схем производственных процессов.
Методика автоматизированного синтеза имитационных моделей технологических схем производственных процессов. Основу этой методики составляют типовые фрагменты технологических схем, полученные в результате декомпозиции технологической системы, представленной в виде ориентированного графа, на основе использования алгоритмов структурного анализа.
Под структурным анализом понимается получение некоторых свойств математической модели схемы, учитывая только ее структуру. Структурный анализ первоначально возник как средство повышения эф-
1Серышева Ирина Анатольевна, старший преподаватель кафедры автоматизированных систем, тел.: (3952) 405164, e-mail: [email protected]
Serysheva Irina, Senior Lecturer of the Department of Automated Systems, tel.: (3952) 405164, e-mail: [email protected]
2Чиркова Евгения Юрьевна, студентка, тел.: 89500974571, e-mail: [email protected] Chirkova Evgeniya, Student, tel.: 89500974571, e-mail: [email protected]
фективности алгоритмов расчета сложных химико-технологических схем [2]. Однако методы структурного анализа имеют значение и для других системных исследований сложных систем.
Общая схема применения системы алгоритмов структурного анализа и их подробное описание приведены в работе И.А. Серышевой и А.В. Петрова [3].
Согласно этой методике любой производственный процесс следует представить в виде ориентированного графа. В частности, технологическую топологию химико-технологических систем (ХТС) отображают, используя различные схемы, основными из них являются: технологическая, операторная и функциональная [4]. В зависимости от того с помощью какой топологической модели описывается ХТС, в узлах соответствующего графа могут располагаться типовые технологические операторы, либо конкретный технологический аппарат, выполняющий одну или несколько типовых технологических операций, классификация и соответствие которых представлены в работе В.В. Кафарова и В.П. Мешалкина [4].
На рис. 1, 2 представлены операторная схема очистки бензина и соответствующий ей ориентированный граф. Отметим, что исходными данными для алгоритмов структурного анализа являются таблицы инциденции (А- и В-таблицы на рис. 2), описывающие граф и множества входных (У), выходных (Щ, разъединительных (М1), объединительных (М2) вершин графа.
Исследование полученного орграфа позволяет выделить с помощью алгоритмов структурного анали-
за фрагмент № 2, показанный на рис. 3.
Фрагменты ТС, полученные в результате применения алгоритмов структурного анализа, можно хранить как типовые и в дальнейшем использовать их для синтеза новых ТС.
Воздух
Рис. 1. Операторная схема очистки бензина (ВСГ -водородсодержащий газ, 1 - смеситель, 2,3 - теплообменники, 4 - печь, 5 - реактор, 6 - АВО, 7 - холодильник, 8,9,12 - сепараторы, 10,11 - узлы смешения)
Применение вышеописанного метода для практических исследований требует выполнения больших объемов рутинной, черновой работы. Принципиально важным является то, что подготовительная работа для расчета и оптимизации схем должна быть максимально автоматизирована.
Бензин
Номер вершины А-таблица В-таблица Номер вершины А-таблица В-таблица
1 2 - 11 18 9, 13
2 3 1 12 13 10, 19
3 4, 7 2, 4 13 2, 11 12
4 3,5 3, 6 14 5 -
5 6 4 15 7 -
6 4 5 16 8 -
7 8 3, 15 17 - 9
8 9 7, 16 18 - 11
9 10, 11, 17 8 19 12 -
10 12, 20 9 20 - 10
Рис. 2. Ориентированный граф технологической схемы очистки бензина и его описание в виде А- и В- таблиц
а)
Ла1се1
Рис. 3. Граф с фрагментом №2
+ Л1ЧЛ б)
6 х <
5
Рассматриваемая методика автоматизированного синтеза имитационных моделей технологических схем производственных процессов предполагает, что объект моделирования представлен в виде ориентированного графа, а исходными данными для синтеза имитационных моделей технологических схем служат:
• структурные схемы, заданные в форме таблиц инциденции (А- и В-таблиц);
• параметры имеющихся в схеме операций -вид типовых технических операторов и параметры потоков (давление, температура, плотность и др.);
• технологические параметры оборудования, используемого в процессе (высота, скорость коррозии, рабочие температуры, рабочее давление и др.).
Очевидно, что вышеуказанная информация отлична от той, которая в настоящее время применяется при проектировании технологических схем производственных процессов. Так, естественной и общепризнанной графической моделью технологических производственных процессов является технологическая схема, содержащая данные об оборудовании и его характеристиках.
Процесс построения ориентированного графа и формирования таблиц инциденции сам по себе не очень сложен, при достаточно малом количестве технологических операций, но с увеличением их числа он может потребовать значительных усилий, а увеличивающаяся вероятность возникновения ошибки существенно может снизить достоверность получаемых результатов. Кроме того, такая подготовительная работа требует дополнительных знаний от проектировщика (например, теории графов). Параметры самих операций потребуется вводить дополнительно, так как структурная схема отражает только топологию технологической схемы.
Все вышеизложенное позволяет сформулировать цель работы: повышение эффективности проектирования технологических схем производственных процессов за счет сокращения трудозатрат и времени при анализе и изучении схем путем разработки информационной системы анализа технологических схем (ИС АТС). Система предназначена для решения следующих задач: ввод топологических моделей технологических схем в виде ориентированных графов; структурный анализ графов, одним из получаемых результатов которого являются типовые фрагменты схем; хранение информации об оборудовании, использующемся в производственном процессе; хранение сведений, описывающих параметры процесса (топологию схемы, параметры имеющихся в схеме операций и тому подобное).
Возможности разработанной системы. В рамках поставленной задачи была спроектирована и реализована информационная система анализа технологических схем производственных процессов, текущая версия которой позволяет осуществлять:
• построение различных топологических моделей технологического процесса;
• добавление и удаление вершин и дуг графа в процессе исследования;
• добавление и редактирование информации об оборудовании, соответствующем вершине графа технологической схемы;
• формирование справочных таблиц с оборудованием;
• добавление, изменение и удаление связей между технологическими операциями;
• установление, редактирование параметров связей (потоков);
• выгрузка отчетов с описанием технологической схемы в формате MS Excel;
• автоматическое формирование матрицы смежности графа и вспомогательных таблиц для структурного анализа;
• автоматическое получение результатов каждого алгоритма структурного анализа;
• визуализацию результатов структурного анализа;
• сворачивание каждого комплекса в супервершину и обратное разворачивание супервершин;
• возможность структурного анализа графов с супервершинами.
Хранение информации о ТС и ее фрагментов выполняется в базе данных под управлением свободно распространяемой кроссплатформенной СУБД Firebird 2.0. Концептуальная модель данных предметной области представлена на рис. 4 в виде ER-диаграммы в нотации IDEFIx. Для реализации интерфейса пользователя использовалась среда Borland Delphi 7.0.
Процесс построения ориентированного графа, соответствующего топологической модели производственного процесса, осуществляется с помощью ИС и состоит из нескольких последовательных операций:
• построение вершин орграфа, которые в зависимости от вида схемы соответствуют либо конкретному технологическому аппарату, либо типовому технологическому оператору;
• построение дуг графа, которые соответствуют направлениям потоков в схеме.
Для описания связей в графе используют матрицу смежностей, на основе которой автоматически формируются таблица, содержащая сведения о вершинах положительно-инцидентных всем вершинам графа (А-таблица), и таблица, содержащая сведения о вершинах, отрицательно-инцидентных всем вершинам графа (B-таблица). Эти таблицы являются наиболее компактным описанием графа, нежели матрица смежностей, и весьма полезны при исследовании циклов в графе, выборе путей и т.д.
Для примера была обследована технологическая схема получения дихлорэтана (ДХЭ) методом окислительного хлорирования этилена, отделения получения ДХЭ установки получения винила хлористого предприятия ОАО «Саянскхимпласт» (рис. 5).
С помощью разработанной ИС был выполнен анализ данной технологической схемы, результаты которого представлены на рис. 6. В левой части рабочего окна приложения представлен орграф, соответствующий ТС на рис. 5. Справа отображены таблицы инциденции, описывающие граф и результаты работы алгоритмов структурного анализа.
Рис. 4. Концептуальная модель данных ХТС
Рис. 5. ТС получения ДХЭ методом окислительного хлорирования этилена
В результате структурного анализа данного орграфа получен комплекс, состоящий из четырех вершин (9,10,11,13), выделенный цветом. В случае если в графе в ходе структурного анализа найдено несколько комплексов, каждый из них выделяется своим цветом.
Каждый из выделенных комплексов можно объединить в супервершину, как это показано на рис. 7, где вершины 9,10,11,13 объединены в супервершину 20. Полученный граф с супервершинами можно проанализировать повторно, чтобы убедиться в отсутствии новых комплексов. В ходе работы имеется воз-
можность развернуть супервершину, получив исходный граф.
Для каждой вершины графа можно задать информацию об оборудовании, находящемся в ней. На рис. 8 представлен пример добавления информации об узле №12. В ИС есть возможность просмотреть, добавить или удалить информацию из справочных таблиц с оборудованием, ХТС и технологическими операциями. В таблицах с оборудованием можно изменять существующие записи.
Рис. 6. Результаты структурного анализа графа
Рис. 7. Результаты структурного анализа графа с супервершиной №20
Рис. 8. Добавление информации об оборудовании в вершине №12
ИС предусматривает получение и выгрузку в MS хлорэтана методом окислительного хлорирования Excel отчета об оборудовании в вершинах (Сер- представлен на рис. 9. вис/отчет). Фрагмент отчета для ТС получения ди-
□ Microsoft Excel - report
файл Правка Вид Вставка Формат Сервис ¿анные Окно Справка
швна^за^а 1 & £ - Й! а I ш
А1 " Т" Оборудование в вершинах графа:
А В С 0
1 Оборудование в вершинах графа: хтс
2 Ni вершины Оборудование Марка Технологическая операция
3 5 Реактор R102A Химическое превращение
4 В Реактор R102B Химическое превращение
5 7 Емкость V103A Смешение
6 8 Емкость V103B Смешение
7 9 Колонна С101А Разделение
8 10 Колонна С101В Разделение
Э 11 Колонна С101С Разделение
10 13 Емкость V104 Измен, агрег. сост. в-ва
11 14 Емкость V105 Расширение
12 15 Емкость V116 Сжатие
13 18 Емкость V117 Измен, агрег. сост. в-ва
M
Рис. 9. Фрагмент отчета об оборудовании в вершинах графа
В статье рассмотрены возможности, разработанной авторами, информационной системы анализа технологических схем. Информационная система позволяет: строить соответствующие технологическим схемам ориентированные графы; автоматически формировать матрицы смежности и вспомогательные таблицы для структурного анализа; автоматически получать результаты структурного анализа и отображать их визуально; сворачивать и разворачивать комплексы в супервершины; проводить структурный ана-
лиз графов с супервершинами; добавлять и редактировать информацию об оборудовании, находящемся в каждой вершине; формировать справочные таблицы с оборудованием. ИС имеет удобный интерфейс и справочную систему для пользователя.
Разработанная система представляет собой инструментарий для анализа технологических схем и создает предпосылки синтеза технологических схем с заданными свойствами на основе использования базы данных типовых фрагментов схем.
Библиографический список
1. Леонов С.Б., Петров А.В. Имитационное моделирование технологических процессов обогащения полезных ископаемых. Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 1996. 242 с.
2. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических схем. М.: Химия, 1975. 312 с.
3. Серышева И.А, Петров А.В. Опыт применения алгоритмов структурного анализа для выделения типовых фрагмен-
тов технологических схем производственных процессов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 4. С. 39-45.
4. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем: учебник для вузов. М.: Химия, 1991. 432 с.
