CC BY
28
№ 6 (48) 2013
Е. Р. Мошев, канд. техн. наук, доцент Пермского национального исследовательского политехнического университета, [email protected]
Модели и алгоритмы интегрированной логистической поддержки проектируемых технологических трубопроводов
В статье представлены результаты работы по созданию моделей и алгоритмов интегрированной логистической поддержки проектируемых технологических трубопроводов, а также трубопроводов пара и горячей воды . Разработанные модели и алгоритмы отличаются тем, что позволяют автоматизировать выбор или определение значений характеристик трубопровода и его элементов, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации .
Ключевые слова: логистика, информационная модель, алгоритм, ресурсосбережение, трубопровод
введение
Для успешного решения задач экономического развития необходимо использовать не только новые производственные мощности, энерго- и ресур-соэффективные технологии и технические устройства, но и новые методы логистики ресурсосбережения в сфере организации производства [1], которые позволят повысить эффективность и рентабельность работы предприятий.
В соответствии с этим в статье рассмотрено применение методов логистики в области информационной поддержки трубопроводных систем. Под информационной поддержкой обычно понимается сложный организационно-технологический процесс обеспечения технического персонала информацией, необходимой для принятия эффективных инженерно-технических, экономических и организационно-управленческих решений. Выбор трубопроводных систем в качестве объекта исследования обусловлен тем, что они относятся к классу технических устройств, получивших наиболее широкое распространение в различных отраслях промышленности. Вследствие большой суммар-
ной протяженности и металлоемкости, а также высокой категории опасности большинства трубопроводов их техническое состояние в значительной степени определяет эффективность и безопасность эксплуатации всего производственного предприятия [2].
В отличие от других видов оборудования монтаж (изготовление) и формирование паспортно-технической документации по трубопроводам осуществляются в большинстве случаев непосредственно на эксплуатирующем предприятии. При этом трубопроводы наиболее часто подвержены ремонтам и реконструкциям, для проведения которых требуется формирование проектной, ремонтной и других видов документации, включая акты контроля качества ремонта и приемочных испытаний. Указанные обстоятельства существенно осложняют и снижают эффективность выполнения информационной поддержки сложных трубопроводных систем, что приводит к снижению качества технического обслуживания трубопроводов и, как следствие, к снижению надежности и рентабельности работы всего предприятия.
Анализ условий эксплуатации трубопроводных систем показал, что эффективность
№ 6 (48) 2013
информационной поддержки можно повысить, если она будет выполняться в соответствии с современными концепциями интегрированной логистической поддержки (ИЛП). ИЛП — это совокупность видов инженерной деятельности, реализуемых посредством управленческих, инженерных и информационных технологий, обеспечивающих высокий уровень готовности изделий при одновременном снижении затрат, связанных с их эксплуатацией и обслуживанием. При этом полагается, что принципы ИЛП должны реализоваться на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) изделий [3].
На каждом этапе ЖЦ трубопроводов ИЛП имеет свои задачи, решение которых должно осуществляться посредством соответствующих моделей и алгоритмов. В настоящей статье представлены результаты создания моделей и алгоритмов, необходимых для осуществления ИЛП трубопроводов на этапе проектирования.
Постановка задачи исследования
В настоящее время для проектирования технологических трубопроводов существует относительно большое количество программных систем российского и зарубежного производства, различающихся как по стоимости, так и по функциональным возможностям.
Однако большая часть низкобюджетных систем предназначена для решения только частных задач проектирования. Например, с помощью базовых версий «Компас-График» (Россия) и AutoCAD (США) можно создавать чертежи, изометрические схемы и спецификации, но у них отсутствуют функции расчета трубопроводов на прочность и вибрацию. С помощью программ AutoPipe (США), «Старт» (Россия) и «Астра-Нова» (Россия) можно выполнять расчеты трубопроводов на прочность или вибрацию, но создаваемые при этом схемы являются расчетными и не могут заменить собой чертежи и изометрические схемы.
Системы с более высокой стоимостью, например AutoPlant (США), Plant-4D (Ни-
дерланды), линейка продуктов AVEVA Plant | и AVEVA Enterprise (Великобритания) позво- ^ ляют выполнять расчеты на прочность, оп- ^ тимизировать прокладку трубопроводных Е трасс, разрабатывать конструкторскую документацию и решать большинство других проектных задач. Продукты компании AVEVA могут при этом решать и задачи сопровождения ЖЦ объектов. Однако все они, по причине высокой стоимости, малодоступны для широкого класса проектных организаций.
Анализ режимов функционирования наиболее распространенных программных систем проектного назначения выявил у них следующие общие недостатки:
• отсутствие режимов, позволяющих автоматически определять или проверять на соответствие требованиям нормативно-технической документации (НТД) значения общих и конструкционных характеристик трубопровода, включая параметры классификации (тип, группа и категория);
• отсутствие режимов, позволяющих автоматически определять или проверять на соответствие требованиям НТД значения характеристик конструкционных элементов трубопровода, включая материал изготовления элементов, стандарты на технические требования и сортамент, условное давление, отбраковочную толщину стенки элементов, тип исполнения присоединительной поверхности фланцев, параметры крепежа фланцевых соединений и многие другие;
• низкая готовность к автоматизированному обмену данными с программными средствами других участников ЖЦ, что является необходимым условием обеспечения непрерывной ИЛП трубопроводов (проблема актуальна не только для систем проектирования и обусловлена преимущественно организационными причинами).
Следствием указанных недостатков является то, что определение общих и конструкционных характеристик трубопровода, а также характеристик его конструкционных элементов осуществляется преимущественно вручную и во многих случаях требует не только значительных затрат време-
№ 6 (48) 2013
ни, но и высокой квалификации проектировщика. А попытки достичь непрерывной ИЛП без интегрированной информационной среды, опираясь только на разрозненные программные продукты, приводят к многократному дублированию операций работы с данными на всех этапах ЖЦ, способствуют возникновению ошибок ввода, появлению противоречивости и избыточности информации. Таким образом, существующие недостатки программных систем и ведения ИЛП трубопроводов снижают качество не только самого этапа проектирования, но также этапов монтажа и экс-о плуатации, приводя в итоге к снижению на-| дежности и эффективности производства & в целом.
При анализе научно-технической лите-£ ратуры выявить модели и алгоритмы, позво-^ ляющие автоматизировать определение ре-5 комендуемых НТД значений общих и конст-§ рукционных характеристик трубопровода, а также значений характеристик его конст-£ рукционных элементов с учетом требований Ц концепции ИЛП не удалось.
^ п
В соответствии со сказанным целью на-I: стоящей работы являлось создание моде-^ лей и алгоритмов ИЛП проектируемого тру-¡1 бопровода, которые позволят автоматизи-11 ровать процесс определения его общих ха-§ рактеристик и характеристик элементов его § конструкции, а также создадут основу для § обмена данными с моделями ИЛП монтируе-£ мого и эксплуатируемого трубопроводов. <3 При разработке моделей и алгоритмов ис-¡5 пользовался подход, изложенный в источнике [4]. В соответствии с указанным под-| ходом общие характеристики трубопрово-<§ да предполагалось определять по парамет-¡1 рам рабочей среды (вещественный состав, Й группа, температура, давление) с помощью 5 базы знаний, созданной на основе специ-| альных инструкций, правил проектирования и эксплуатации, а характеристики элемен-<§ тов конструкции трубопровода — с помо-^ щью базы знаний по параметрам рабочей среды и общим характеристикам трубопро-?! вода.
Разработка моделей и алгоритмов
В результате изучения большого количества специальной научно-технической литературы, проектной, паспортно-технической и эксплуатационной документации, а также с помощью опроса экспертов предметной области были сформулированы основные требования к модели проектируемого трубопровода, в соответствии с которыми она должна содержать:
• данные о проекте и проектной организации;
• параметры рабочей среды;
• параметры классификации трубопровода;
• параметры испытаний трубопровода;
• характеристики элементов конструкции трубопровода;
• параметры крепежа фланцевых соединений;
• базу графических изображений конструкционных элементов трубопровода;
• топологические данные трубопровода;
• базы знаний, необходимые для решения проектных задач;
• базу механических свойств сталей;
• организационную модель управления процессом ИЛП;
• методы и алгоритмы, позволяющие автоматизировать решение задач ИЛП проектируемого трубопровода.
С учетом перечисленных требований была разработана концептуальная модель проектируемого трубопровода, представленная на рис. 1. Под концептуальной моделью понималась модель предметной области, которая содержит перечень всех понятий, используемых для описания этой области, вместе с их свойствами и характеристиками, классификаций понятий по типам, ситуациям, признакам в данной области и законами функционирования процессов, протекающих в ней [5]. Разработанная концептуальная модель логически объединяет шесть относительно независимых подмоделей (рис. 1), каждая из которых соот-
№ 6 (48) 2013
Рис. 1. Верхний уровень концептуальной модели проектируемого трубопровода
ветствует определенной области предметных знаний.
Описание общих и конструкционных характеристик трубопровода представлено фреймами (ФР), которые относятся к моделям структурно-лингвистического типа и применяются для моделирования и переработки разнообразных знаний различных производственных объектов [6]. Используемые во фреймах обозначения Q = (q1,...,q¡,...,qn) представляют атрибуты, а обозначения А = (,..., а(у,..., ) —их характеристики, где I = 1, п — порядковый номер атрибута, п — количество атрибутов
фрейма, } = 1, т — порядковый номер характеристики 1-го атрибута, т — количество характеристик 1-го атрибута. В качестве характеристик атрибутов могут выступать не только конкретные значения, но также методы и ссылки на другие фреймы. Наличие слота (незаполненное поле) позволяет лицу, принимающему решение, дополнять или расширять знания о рассматриваемом объекте, в тех случаях, когда это необходимо. Применяемые во фреймах методы представляют алгоритмы, позволяющие автоматизировать определение или выбор допустимых значений характеристик. Все параметры фрейма наследуются по умолчанию сверху вниз.
Информационные структуры фреймов в виде ФР-прототипов представлены на рис. 2-5. ФР-прототипы или ФР-шаблоны являются разновидностью фреймов, используемых для отображения знаний об абстрактных понятиях [6]. Разработка ФР-прототипов
осуществлялась с помощью концептуального и таксономического анализа предметной области.
Информационная структура ФР-прототи-па «Общие характеристики» (рис. 2) формализует общие знания о проектируемом трубопроводе и содержит 24 характеристики, которые объединены в семь групп, а также три метода. Структура и набор методов ФР-прототипа «Общие характеристики» отличаются тем, что позволяют с помощью БПП — базы продукционных правил (рис. 1 и 6), БМСС — базы механических свойств сталей и ФМ — функциональной модели автоматизировать определение характеристик трубопровода, необходимых для использования на последующих этапах его ЖЦ, включая тип среды по классу опасности; тип, группу и категорию трубопровода; пробное давление (давление испытаний).
Информационная структура «Конструкционные характеристики» формализует знания о конструкционном устройстве, а также о топологии трубопровода и представлена сетью (взаимосвязанной совокупностью) ФР-прототипов (рис. 3-5). Структура и набор методов сети ФР-прототипов позволяют с помощью БПП (рис. 6), БМСС и ФМ автоматизировать определение общих конструкционных характеристик трубопровода, а также конструкционных характеристик его элементов и фланцевых соединений.
Представленная на рис. 3 информационная структура материнского ФР-прото-типа «Конструкционные характеристики» содержит ссылки на дочерние ФР-прото-типы атрибута «Элемент» (рис. 4) и на до-
№ 6 (48) 2013
оо о
¡5
со
0 &
1
I
$
¡5
I
I
<и
0 &
1
$
£
Ё о
>58
0 §
1
Л
I
I
ФР-прототип «Общие характеристики»
41 Проектная спецификация 45 Рабочие параметры среды
а1.1 Проектная организация а5.1 Название
а 1.2 Название проекта а5.2 Давление
а 1.3 Назначение трубопровода а5.3 Температура
а1.4 Разработал а5.4 Расход
а1.5 Проверил а5.5 Тип среды по веществу
а1.6 Утвердил а5.6 Компонент определения типа
а 1.7 Согласовал среды по классу опасности
а 1.8 Количество листов а5.7 Тип среды по классу опасности
а 1.9 № рабочего чертежа
а1.10 № чертежа на опоры и подвески а5.8 Метод определения типа среды по классу опасности
а1. 11 Проектная скорость коррозии
а1.12 Проектный ресурс 4б Параметры классификации
а1.13 Дата подписания проекта
аб.1 Группа
а 1.14 Слот
аб.2 Тип
42 Определяющий диаметр аб.з Категория
а2.1 Слот аб.4 Метод определения
параметров классификации
qз Склонность к МКК
а3.1 Слот 47 Параметры испытаний
а7.1 Давление пробное
44 Расчетные параметры
а7.2 Вид испытаний
а4.1 Давление
а7.3 Среда испытаний
а4.2 Температура
Метод расчета пробного давления
а4.3 Слот а7.4
Рис. 2. Информационная структура ФР-прототипа «Общие параметры»: МКК — межкристаллитная коррозия
черние ФР-прототипы атрибута «Фланцевое соединение» (рис. 5), а также включает общие конструкционные характеристики трубопровода и отображает отношения связи между ними.
Информационные структуры дочерних ФР-прототипов атрибута «Элемент» содержат параметры, необходимые для однозначного выбора элементов трубопровода, а также для их позиционирования на изометрической схеме и схеме ЗО-изображе-ния (рис. 4), где ТУ — технические условия; Ду — условный диаметр элемента трубопровода; X, Y, Z — координаты начала (конца) элемента конструкции трубопровода; Дб — диаметр больший; Дм — диаметр меньший; Дв — диаметр внутренний; L — длина флан-
ца; Яг — радиус изгиба отвода; аг — угол изгиба отвода; Lo — длина отвода; Lп — длина перехода; Lт — длина тройника; Нт — высота штуцера тройника; Ягр — радиус горловины тройника; вгр — толщина стенки горловины тройника.
Информационная структура дочернего ФР-прототипа атрибута «Фланцевое соединение» (рис. 5) содержит характеристики, необходимые для однозначного выбора и позиционирования на изометрической схеме элементов фланцевого соединения: шпилек, гаек и прокладок.
Большая часть значений общих и конструкционных характеристик трубопровода, а также характеристик его элементов зависит от параметров рабочей среды и опре-
28
№ 6 (48) 2013
ФР-прототип «Конструкционные характеристики»
>
Ч1
а 1.1
Основной Ду
Слот
>
Ч2
а 2.1
Основной материал
Слот
1...ПЗ Чз Элемент
а 3.1 № поз.
а 3.2 ФР «Элемент»
а 3.3 Слот
0...тс Ч4 Фланцевое соединение
а 4.1 № поз.
а 4.2 № поз. элемента
а 4.3 № поз. фланца
а 4.4 ФР «Шпильки»
а 4.5 ФР «Гайки»
а 4.6 ФР «Прокладки»
а 4.7 Метод
0...1
0.1
>
0.1 Ч1 Труба
а 1.1 ФР «Труба»
0.1 Ч2 Тройник
а 2.1 ФР «Тройник»
Ч3 Отвод
а 3.1 ФР «Отвод»
Ч4 Фланец
а 4.1 ФР «Фланец»
0.1 Ч5 Переход
а 5.1 ФР «Переход»
0.1 Чб Опора
а6.1 ФР «Опора»
Рис. 3. Верхний уровень информационной структуры ФР-прототипа «Конструкционные параметры»: пэ, mс — количество элементов и фланцевых соединений трубопровода
§ о
ОС
деляется требованиями НТД. Анализ источников НТД показал, что зависимость допускаемых значений характеристик трубопровода от параметров рабочей среды можно оформить в виде продукционных правил (ПП). ПП относятся к структурно-лингвистическим моделям представления процедурных знаний, которые формально можно записать в виде выражения (ПП = ЕСЛИ (условие применимости), ТО (действие)) [6], возможны и другие варианты записи. Результаты разработки ПП логически объединены в БПП, фрагменты которой представлены на рис. 6, где птс — количество строк в массиве нормативных отношений типов среды; пк± — количество строк в массиве нормативных отношений параметров классификации; описание других обозначений приводится ниже.
Данная БПП отличается тем, что с помощью описанных выше моделей представления знаний и их методов, а также рассмот-
ренных ниже алгоритмов ФМ она позволяет автоматизировать выбор или определение значений характеристик трубопровода и его элементов, в соответствии с требованиями НТД.
Для обеспечения возможности автоматического построения изометрического и 3D-изображений трубопровода концептуальная модель дополнена базой графических изображений (БГИ) элементов его конструкции (рис. 1). БГИ содержит условные 2D-изобра-жения элементов, соответствующие требованиям НТД по исполнению изометрических схем, а также их параметрические 3D-ана-логи.
БМСС (рис. 1) тоже разработана на основе НТД и содержит данные, необходимые для расчета отбраковочной толщины стенки конструкционных элементов трубопровода, массы труб и пробного давления. БМСС относится к моделям структурно-лингвистического типа и представляет собой систему
29
1
№ 6 (48) 2013
—| фр «Фланец»
Общие
параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на
сталь
ai.6 Ду
ai.7 Ру
ai.8 Эо
ai.g X, У, 2
ai.io Метод
42 Параметры
конструкции
a2.i Стандарт
a2.2 Толщина юбки
a2.3 Дб втулки
a2.4 Дм втулки
a2.5 Дв
a2.6 1
a2.7 Масса
a2.8 Метод
4з Параметры
поверхности
a3 i Стандарт
a3.2 Исполнение
a3.3 Диаметр юбки
a3.4 Диаметр отверстий
a3.5 пг
a3.6 Диам. болт.
окружности
a3.7 Выступ
a3.8 Метод
ФР «Отвод»
qi Параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на сталь
ai.6 Ду
ai.7 Дн
ai.8 Эн
ai.g Эо
ai.io Яг
ai.ii а г
ai.i2 £ о
ai.i3 Масса
ai.i4 Сортамент
ai.i5 Метод
42 Параметры стороны
a2.i № стороны
a2.2 X, Y, Z
a2.3 Метод
ФР «Опора»
qi Параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на сталь
ai.6 № поз. трубы
ai.7 Дн трубы
ai.8 Расстояние от начала трубы
ai.g Сортамент
ai.io Нагрузка
ai.ii Метод
ФР «Переход»
qi Общие параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на сталь
ai.6
ai.7
ai.8 Масса
ai.g Сортамент
ai.io Метод
q2 Параметры стороны
a2.i № стороны
a2.2 Ду
a2.3 Дн
a2.4 вн
a2.5 во
a2.6 X, Y, Z
a2.7 Метод
ФР «Труба»
4i Параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на сталь
ai.6 Ду
ai.7 Дн
ai.8 Эн
ai.g Эо
ai.io Масса п .м.
ai.ii Сортамент
ai.i2 Метод
ФР «Тройник»
41 Параметры
ai.i Обозначение
ai.2 ТУ
ai.3 Тип
ai.4 Сталь
ai.5 Стандарт на сталь
ai.6 Ру
ai.7 ш
ai.8 Нт
ai.g Ягр
ai.io Эгр
ai.ii Масса
ai.i2 Сортамент
q2 Параметры магистрали
a2.i Ду
a2.2 Дн
a2.3 Эн
a2.4 Эо
a2.5 XI, У1, г!
a2.6 Х2, У2, 2 2
a2.7 Метод
4з Параметры штуцера
a3.i Ду
a3.2 Дн
a3.3 Эн
a3.4 Эо
a3.5 X, У, 2
a3.6 Метод
2 q2 Параметры стороны
a2.i № стороны
a2.2 X, У, 2
a2.3 Метод
Рис. 4. Дочерние информационные структуры характеристики ФР «Элемент» (см. рис. 3)
§
i
=s
S
5
массивов структурированных списков, позволяющих по температуре рабочей среды выбирать искомые механические характеристики требуемой марки стали.
Общее описание процесса ИЛП проектируемого трубопровода представлено ФМ, фрагменты которой приведены на рис. 7-11, где ТЗ — техническое задание; ТР — технологический регламент; НСД — нормативно-
справочные данные; ПД — проектная документация; ЭП — электронный паспорт.
Создание ФМ осуществлялось в соответствии с методологией структурного анализа и проектирования SADT (Structured Analysis & Design Technique) [7]. Эта методология широко применяется при разработке сложных систем и рассматривается в стандартах семейства IDEF0, которые являются неотъем-
30
№ 6 (48) 2013
ФР «Шпильки »
V
91 Параметры шпилек
31.1 № поз. шпилек
31.2 Марка стали
31.3 Стандарт на сталь
31.4 Марка резьбы
а1.5 Стандарт шпильки
31.6 Длина
31.7 Шаг резьбы
31.8 Марка шпильки
31.9 Количество
31.10 Метод
ФР «Гайки»
V
91 Параметры гаек
31.1 № поз.гаек
31.2 Марка стали
31.3 Стандарт на сталь
31.4 Марка резьбы
31.5 Стандарт гайки
31.6 Высота
31.7 Шаг резьбы
31.8 Марка гайки
31.9 Количество
31.10 Метод
ФР «Прокладки»
у
91 Параметры прокладок
31.1 № поз. прокладки
31.2 Ду
31.3 Ру
31.4 Тип поверхности
31.5 Стандарт
31.6 Марка
31.7 Материал
31.8 Толщина
31.9 Ширина
31.10 Метод
Рис. 5. Дочерние информационные структуры атрибута «Фланцевое соединение» (см. рис. 3)
лемой частью С/^-технологий и утверждены в качестве стандартов различных стран, в том числе отечественных [8-10]. Представленная ФМ отличается тем, что описывает последовательность выполнения процедур процесса ИЛП проектируемого трубопровода и содержит необходимые для этого алгоритмы. При этом она допускает возможность функционирования, как автономного, так и интегрированного — совместно с другими программными системами, например с системой расчета трубопроводов на прочность и жесткость «Старт». При разработке структуры, функций и алгоритмов ФМ преследовалась цель — повысить эффективность и безопасность эксплуатации трубопроводов. Все аспекты реализации ИЛП трубопроводов рассматривались с точки зрения отдела технического надзора предприятия. В качестве общего принципа разработки большинства представленных в ФМ математических алгоритмов использовалось следующее положение: все общие и конструкционные характеристики трубопровода и его элементов должны по возможности определяться автоматизированно. Реализация этого принципа позволяет ускорить и повысить качество ИЛП проектируемого трубопровода. Вся необходимая для ИЛП трубопровода информация вносится в виртуальный электронный паспорт (ЭП), посредством которого осуществляется обмен данными между различными блоками ФМ.
Ниже, в качестве примера, приведено описание нескольких алгоритмов ФМ, используемых при ИЛП проектируемых трубопроводов.
Алгоритм А12 (рис. 9) отличается тем, что позволяет по определяющему компоненту среды КС посредством поиска в БПП (рис. 6) строки, удовлетворяющей условию (КС,,ТС,)пКС ф0 или, в соответствии с приведенным выше выражением (ЕСЛИ (КС = КС,) ТО (ТС = ТС,)), находить тип среды ТС по классу опасности, здесь и далее I — идентификатор строки нормативного массива. Описание алгоритма А12 ввиду его простоты и очевидности представления не приводится.
Алгоритм А13 (рис. 9) отличается тем, что позволяет с помощью параметров среды и определяющего диаметра трубопровода выбирать его тип, группу и категорию посредством поиска в БПП строки, удовлетворяющей условиям:
— для трубопроводов пара и горячей воды:
(ТС ,(р Д),((, Я2 ), Туре, ,Grl, Ю,)п п (ТС, Р,Т, б) Ф 0;
— для технологических трубопроводов:
(ТС, ,(р Д),((, Д ),Туре, ,Grl К )п п (ТС, Р,Т) ф0,
и
К)
Массивы П П для определения характеристик элементов
БПП
I
Тип среды
/ = 1,лТ(
{КС,,ТС,)
Массивы ПП для определения общих характеристик трубопровода
Параметры классификации, / = 1, ли
(ТС„ (Р„ Р2), (Т„ Р2), с/„ Туре,, Сг„
Массивы ПП для определения характеристик фланцевых соединений
Параметры труб, / = 1 ,г\
((Ду„/?2),ГС„(Г„/?2),Ру„Дн„5н„(5„/?2),(а„/?,),5^,55^,5ГГ„65^,ГрГ,У/„5^)
Параметры тройников
Параметры отводов
Параметры переходов
Параметры опор
Общие 1, конструктивные 2 и присоединительные 3 параметры фланцев
Г\ТС,,{Р^,Я2),{Т,Я2),Трп,8ТТ,,8КР,,8РР,Мр,,8(,,88Т,),1 = :^0 2: (БК/?,, Ду„ Ру„ с!н„ с!в„ Ь„ М,), I = 3: (вР/?,, /зр„ Ду„ Ру„ О, 01„ 02„ с/„ л„ Л„ Мг,), I =
Размеры прокладок / = 1,с/
(/эр,, Ру„ Ду„ 5р„ Мрг„ Sfrp„ Оср„ 5рг„ Врг„ Магр,)
Материал прокладок, / = 1,с/,
(ГС„, /эр,, (Р„ Р2), (Т„ Р2), Мрг,, Stpr,)
Материал шпилек и гаек, / = 1,с/
((Ру,./?,).^,.^).^.^.«^.»-.«»-.»,,.««',,)
Допустимые сочетания исполнений фланцев в соединениях
((1,1),(2,3),(4,5),(6,6),(7,7),(8,9))
Размеры гаек, / = 1,с/
Размеры шпилек, / = 1,с(
(ЯГТ^,^,, 8П„,Ог,„М„,(1„,Р2),8Ьг„)
Рис. 6. Фрагмент базы продукционных правил
№ 6 (48) 2013
где Р — рабочее давление среды; Я2 — отношение бинарности; Т — рабочая температура; d — определяющий (характерный) диаметр трубопровода; Туре — тип трубопровода; Gr — группа трубопровода; К — категория трубопровода. Блок-схема алгоритма А13 приведена на рис. 12, где ОЗУ — оперативная память; ТПГВ — трубопроводы пара и горячей воды; ТТ — технологические трубопроводы; пК1 и пК2 — количество строк в массиве нормативных отношений трубопроводов пара и горячей воды и технологических трубопроводов, соответственно.
Алгоритм А22 (рис. 10) отличается тем, что позволяет по рабочим параметрам среды с помощью БПП и БМСС определять тип, материал и геометрические характеристики элементов трубопровода, а также стандарты, по которым они изготовляются. В общем виде определение искомых характеристик производится посредством поиска, в специально сформированных с помощью НТД массивах, строк типа ке/ = (ке/1,..., кеп,...,ке1Ы), удовлетворяющих условию ке/ п(ПТ/) ф 0, где ке/ — подмножество характеристик элемента трубопровода /-го типа; I — текущий номер характеристики элемента /-го типа; N — количество характеристик у элемента /-го типа; ПТ/ — подмножество параметров трубопровода, необходимых для определения характеристик элемента /-го типа.
Для элемента «Труба» структура строки указана на рис. 6, а значения искомых характеристик находятся с помощью решения следующего уравнения:
(н, SSt, STT, GSt, ТрТ, VI, Srt, So) = = F (ТС,Т ,Р, Дн),
где Sн — номинальная толщина стенки элемента трубопровода; St — марка стали; SSt — стандарт на марку стали; STT — стандарт на технические требования; GSt — группа стали; ТрТ — тип труб; VI — вид испытаний; Srt — стандарт на сортамент; So — отбраковочная толщина стенки элемента трубопровода; Дн — наружный диаметр трубы.
ТЗ, ТР, НТД
Файлы данных; БД: НСД
1
Выполнить ИЛП
проектируемого
трубопровода
0
Т
ПД, ЭП, Файлы данных
А0
Проектная организация
Цель: повышение эффективности и безопасности эксплуатации трубопроводов
Точка зрения: отдел технического надзора предприятия
Рис. 7. Блок А0: Контекстная диаграмма верхнего уровня ФМ
Блок-схема алгоритма А22 приведена на рис. 13, где Я — динамически формируемый массив строк с характеристиками элемента «Труба»; Е — вид элемента конструкции трубопровода (труба, отвод, фланец и т. д.); пТ — количество строк в массиве нормативных отношений труб; 3™, Зтах — граничные значения толщины стенки труб, допустимые НТД в 1-той строке; ст — расчетное напряжение материала стенки элемента; [а] — допускаемое напряжение материала стенки элемента; N — промежуточная переменная.
В отличие от элемента «Труба», строка характеристик элемента «Фланец» включает три подмножества keF = (keoF, kekF, kepF), где
кеор = (кео] \кео1 кекр = (кек] |кеку kepF = (кер/ \kepj
\keoF;} = 1,п0),
kekF;} = Й),
\kepF;} = 1,пР),
где keF — подмножество всех характеристик фланца; F— индекс для обозначения принадлежности характеристики к фланцу; keoF, kekF, kepF — подмножество общих характеристик, конструкционных и присоединительных размеров фланца, соответственно; пк — количество конструкционных размеров фланца, определяемое сортаментом на конструкционные размеры; п0 — количество общих характеристик фланца;
со §
о
ОС
33
ТЗ, ТР, нтд
Алгоритм А4
Рис. 8. Декомпозиция блока АО: Выполнить ИЛП проектируемого трубопровода
№ 6 (48) 2013
ТЗ, ТР, НТД: СА 03-003-07, СА 03-005-07, ..., ГОСТ 12.1.004-91, ГОСТ 12.1.005-8
ТЗ, ТР22""
ЦТ ЭП Добавить исходные параметры 1
ЭП
^ А11 Алгоритм А11
БПП: (КС,,ТС )
Добавить тип среды по классу опасности
^ А12 Алгоритм А12
ЭП
Определить параметры классификации
БПП: (ТС, ,(р, К2),(Т,, Я2),й,,Туре,, вг,, К,) | ^^
Алгоритм А13
Рис. 9. Декомпозиция блока А1: Внести общие параметры трубопровода ТЗ, ТР, НТД: ПБ 03-585-03, РД 38.13.004-86, СА 03-003-07, СА 03-005-07
БГИ, ЭП, файл данных л/ ^
/ > Добавить элемент на схему 1
ЭП
Результат проверки на совместимость
^ А21 Алгоритм А21
ПТ >, НСД: [о], (кв^,, ..., ке,, ..., кеда) Алгоритм А22
Внести параметры элемента
§ о
ОС
ЭП
Файл данных
Внести параметры фланцевого соединения
< ПГь), НСД: МрР, й3д, йрГ, йрд, й3
Т
А23
Алгоритм А23
ЭП
Рис. 10. Декомпозиция блока А2: Создать схему трубопровода
35
2
3
3
-ч ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 6 (48) 2013 ' -
со
о §
со
0 &
1
I
$
¡5
I
I
<и
0 &
1
£ £
Ё о
о £
§
!
л
1
1
5
О
I
ю о о
I
со
о <
о
о
I
со о о
I
со
о <
о
со оо
I
о о
^ со СО
ф С)
го (\|
<
.0
н 4
ф
г
го
ГО
С
о о
X
о:
О
О X
№ 6 (48) 2013
nP — количество присоединительных размеров фланца, определяемое сортаментом на присоединительные размеры; j — текущий номер характеристики фланца.
При этом каждая из характеристик перечисленных подмножеств принадлежит множеству ее допустимых значений.
Допустимые значения характеристик различных типов фланцев keF находятся путем последовательного решения соответствующих уравнений, например для плоских приварных фланцев, по ГОСТу 12820, это будут уравнения:
(Oy, P у, T pF, STT, SKR, isp, SPR, St, SSt) = = F (TC,P,T), (dH,dB,b) = F (SKR, Oy, Py),
(D,DVDZ ,d, n,h,M) = F (SPR, isp,Dy, Py),
где Dy — условный диаметр фланца; Py — условное давление фланца; TрF — тип фланца (плоский приварной, приварной встык); SKR — стандарт на конструкцию и размеры; isp — исполнение присоединительной поверхности; SPR — стандарт на присоединительные размеры; dH, dB, b, D, D1, D2, d, n, h, h1, h2, M — геометрические характеристики фланца по НТД.
С целью решения этих уравнений в соответствии с требованиями НТД созданы три массива строк, каждый из которых содержит строки только одного из нижеприведенных типов:
Rfo =
= (TC, (P y, R2),( T, R2), TpF, STT, SKR, isp, SPR, St, SSt),
Rfr = (SKR,Dy,P y,d=,d2,b,M),
Rfp = (SPR, isp, Dy,P y,D,D1,D2 ,d,n,h,Mr),
где Rfo — строка нормативных общих характеристик фланцев; Rfr — строка нормативных конструкционных размеров и харак-
теристик фланцев; RFP — строка нормативных присоединительных размеров и характеристик фланцев; Mr — марка (диаметр) болтового отверстия фланца.
Значения искомых характеристик будут содержать только те строки, для которых одновременно выполнятся следующие три условия:
(TC, (Py, R2),( T, R2), TpF, STT, SKR, isp, SPR, St, SSt) n (TC, P,T)*0,
(SKR, Dy, Py, dH, dB ,b,M) n (SKR, Dy, Py) * 0,
(SPR, isp, Dy, P y, D,D1,D2, d,n,h,Mr) n n(SPR, isp, Dy,P y )*0.
Блок-схема алгоритма поиска характеристик элемента «Фланец» приведена на рис. 14, где dO — количество строк в массиве нормативных отношений общих характеристик фланца; dK — количество строк в массиве нормативных отношений конструкционных размеров фланца; dP — количество строк в массиве нормативных отношений присоединительных размеров фланца.
На рисунке 11 представлена дочерняя диаграмма блока А23 (рис. 10). Диаграмма содержит пять блоков-функций, предназначенных для определения параметров фланцевых соединений. Представленный на схеме алгоритм А23 отличается тем, что позволяет по параметрам рабочей среды и характеристикам фланцев с помощью БПП осуществлять проверку конструкционной совместимости фланцев, образующих соединение, а также определять параметры крепежа — гаек, прокладок и шпилек фланцевого соединения, включая расчетную длину последних.
Начальной процедурой определения характеристик у комплектующих элементов фланцевого соединения является проверка фланцев на конструкционную совместимость (блок А231, рис. 11). Проверка совместимости заключается в сравнении общих характеристик соединяемых между собой фланцев
э
о
ОС
37
№ 6 (48) 2013
Начало
TC, P, T, d
/
и ОЗУ: ЭП
/Я
I = 1...ПК1
(TC,, (P, ,R2 ),(T,, R2), d, ,Type, ,Gr , ,Kt, )т|
БД: БПП
со о
¡5
со
0 &
t
1
is ¡5
1 I
<u
0 &
1
I
is is
Ё о
>S о
£
is
! ш
i s
5
(TC, ,(P, R2), (T, ,R2 ),Type, ,Gr,, Kt,).
Да
Type = Type,; Gr= Gr,; Kt= Kt,
С
Нет
Конец
J
Рис. 12. Блок-схема алгоритма А13: определение параметров классификации трубопровода
{ispa,ispb} MpF = {{1,1},{2,3}.....{9,8}}
keo F=
= фу,Р у ,TpF, isp,STT, SKR,SPR,St,SSt,dF ,nF)
и определение принадлежности номеров их исполнений к множеству допустимых пар исполнений MpF фланцевого соединения:
38
где dF — диаметр болтовых отверстий фланца; пЕ — количество болтовых отверстий у фланца; ispa и ispь — номера исполнений соединяемых фланцев; а и Ь — номера позиций фланцев; MpF — множество допустимых пар исполнений фланцев.
№ 6 (48) 2013
Начало
/
/< ОЗУ: ЭП
со §
о
ОС
Конец
вв( = вв(ы ;ТрТ = ТрТы ;в/* = Б/*ы;Бо = во^
Бн = Бн„; в* = в^; ББ* = ББГн; БТТ = БТТН
Рис. 13. Фрагмент блок-схемы алгоритма А22: определение характеристик элемента «Труба»
39
-ч ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 6 (48) 2013 ' -
со
о §
со
0 &
1
I $
¡5
I
I
<и
0 &
1
£ £
Ё о
>58
О §
! Л
3
1 5
ТС = тс,
ЭРЯ = ЭРЯ,
л1вр = ispl л йу = йу,
лру,т|п < р20 < рут
Лтт,п < т < Тт
г—Л.Ру = Ру
Рис. 14. Фрагмент блок-схемы алгоритма А22: определение характеристик элемента «Фланец»
№ 6 (48) 2013
№ 6 (48) 2013
оо о
¡5
со
0 &
1
I £
¡5
I
I
<и
0 &
1
£ £
Ё о
0
£ §
1 §
I
в
5
в^ = в^
вв^ = вв^, л йг, = йг„
л/т < /: < / .
вЬг = вЬг
Рис. 15б. Продолжение блок-схемы алгоритма определения параметров фланцевого соединения А23
Фланцы будут совместимы при выполнении следующего условия:
((ke0F )а = (ke0F )ь А(а , ^Рь )П MPF Ф 0)) .
Если фланцы совместимы, то выполняются все последующие блоки диаграммы на рис. 11.
В блоке А232 посредством поиска условия Dsg п{Р,Т} ф 0 определяется рекомендуемый для текущих параметров рабочей среды материал шпилек и гаек, где
^д = С ^д; 1 = 1^} — массив
нормативных строк параметров шпилек и гаек фланцевого соединения; — размерность нормативного массива общих па-
42
раметров шпилек и гаек фланцевого соединения;
^ =((РуД ),(Т Д ),(TpF ^ ,SStF),
(Sts ,SSts ),(St9 ,SSt9 ))
— строка параметров фланцевого соединения, сформированная с помощью правил выбора, приведенных в НТД; s, д — индексы для обозначения принадлежности характеристики к шпильке и гайке, соответственно.
В блоке А233 посредством поиска в массиве нормативных строк
^ ={Д9,|Дд,1 С с>9; 1 = н}
строки, для которой выполняется условие dF п Д9 п(9 ,SSt9) ф 0, осуществляется оп-
№ 6 (48) 2013
ределение геометрических параметров гаек, где
=( ^ , ^ , ^ , ^ ,Мд ^ ,Sh Гд , Пд )
— нормативная строка для выбора параметров гаек; Dg — массив нормативных размеров гаек; dg — размерность нормативного массива размеров гаек.
На следующем этапе (блок А234) по параметрам рабочей среды и номеру исполнения фланцев определяются материал прокладок и их геометрические характеристики.
Заключительным этапом является блок А235, в котором определяются геометрические параметры шпилек.
Общая блок-схема алгоритма проверки фланцев на совместимость и определения параметров фланцевого соединения приведена на рис. 15 (а, б), где ТСУ — тип среды по веществу; Врг — ширина прокладки; Dcp — средний диаметр прокладки; dpг — количество строк в массиве нормативных отношений материальных параметров прокладок; dgp — количество строк в массиве нормативных отношений геометрических параметров прокладок; dg — количество строк в массиве нормативных отношений параметров гаек; ds — количество строк в массиве нормативных отношений параметров шпилек; dsg — количество строк в массиве нормативных отношений параметров шпилек и гаек; dgs — количество строк в массиве нормативных отношений геометрических параметров шпилек; hg— высота гайки; /[,/s — расчетная и номинальная длина шпильки; М£!, М3, Марг — марка гайки, шпильки и прокладки; Мрг — материал прокладки; Rg — нормативная строка для выбора размеров гаек; Shгg ,Shгs — шаг резьбы гайки и шпильки; Spг — толщина прокладки; Stpг — стандарт на материал прокладки.
Заключение
В соответствии с постановкой задачи исследования сформулированы основные требования, предъявляемые к модели проектируемого трубопровода. На их основании
разработана концептуальная модель, вклю- § чающая шесть подмоделей, которые соответствуют определенной области предмет- ^ ных знаний по трубопроводам:
• модель структурно-лингвистического типа, описывающая информационную структуру общих характеристик трубопровода и выполненная в виде ФР-прототипа;
• модель структурно-лингвистического типа, описывающая информационную структуру конструкционных характеристик трубопровода и его элементов и выполненная в виде сети ФР-прототипов;
• модель представления процедурных знаний, необходимая для автоматизации выбора или определения допустимых общих и конструкционных характеристик трубопровода, выполненная в виде базы процедурных правил;
• база геометрических изображений конструкционных элементов, необходимая для построения трубопроводных схем в графических режимах 2D и 3D;
• база механических свойств сталей, необходимая для автоматизации расчета отбраковочной толщины стенки и массы элементов трубопровода, а также для расчета пробного давления;
• функционально-организационная модель, которая описывает последовательность, условия и механизмы выполнения задач ИЛП проектируемого трубопровода.
В соответствии с полученными моделями разработаны и приведены алгоритмы решения частных задач ИЛП проектируемого трубопровода.
Представленные в статье модели и алгоритмы были использованы при разработке автоматизированной системы «Трубопровод» [11, 12].
Список литературы
1. Мешалкин В. П. Логистика и электронная экономика в условиях перехода к устойчивому развитию. М.; Генуя: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2004. — 573 с.
2. Кафаров В. В., Мешалкин В. П., Грун Г., Ной-ман В. Обеспечение и методы оптимизации на-
43
№ 6 (48) 2013
оо о
¡5
со
0 &
t
1
¡5
1
i
<и
0 &
1
I s is
Ё о
>S
о £
is
! £
i
1
5
дежности химических и нефтеперерабатывающих производств. М.: Химия, 1987. — 272 с.
3. ГОСТ Р 53394-2009. Интегрированная логистическая поддержка. Основные термины и определения.
4. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. М.: Химия, 1991. — 362 с.
5. Аверкин А. Н., Гаазе-Рапопорт М. Г., Поспелов Д. А. Толковый словарь по искусственному интеллекту. М.: Радио и связь, 1992. — 256 с.
6. Мешалкин В. П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. М.: Химия, 1995. — 368 с.
7. Дэвид А. Марка, Клемент МакГоуэн. Методология структурного анализа и проектирования SADT. М.: Метатехнология, 1993. — 243 с.
8. Р 50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. М.: Издательство стандартов, 2001. — 49 с.
9. Р 50.1.029-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Интерактивные электронные технические руководства. Общие требования к содержанию, стилю
и оформлению. М.: Издательство стандартов, 2001. — 23 с.
10. Р 50.1.031-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Стадии жизненного цикла продукции. М.: Издательство стандартов, 2001. — 27 с.
11. Мошев Е. Р., Мухин О. И, Рябчиков Н. М. [и др.]. Программное средство для автоматизации информационной поддержки и обеспечения промышленной безопасности технологических трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2007. № 10. С. 24-29.
12. Мошев Е. Р., Мырзин Г. С., Власов В. Г. [и др.]. Опыт использования автоматизированной системы «Трубопровод» при техническом надзоре и экспертизе промышленной безопасности технологических трубопроводов // Химическая техника. 2012. № 5. С. 37-44.
13. Мельник А. Н., Мустафина О. Н., Наумова И. Е., Серкина Н. А. Либерализация энергетического рынка как важнейшее направление повышения конкурентоспособности отечественной экономики // Современная конкуренция. 2013. № 4 (40). С. 112-121.
E. Moshev, Ph. D. (Eng.), Associate Professor, Perm National Research Polytechnic University, [email protected]
Models and algorithms of integrated logistics support of projected technological pipelines
The article presents the models and algorithms for integrated logistics support of projected technological as well as steam and hot water pipelines. The prooposed models and algorithms enable to determine automatically the pipeline parameters compliant to technical specifications. Keywords: logistics, information model, algorithm, resource-saving technologies, pipeline.
44
