CC BY
17
УДК 004.912
Ф. К. Джафарзаде, Р. Н. Гайнуллин, Е. С. Воробьев ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ ЧЕРЕЗ ВНЕДРЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМ В ОБУЧЕНИИ
Ключевые слова: Тренажер, математическая модель, Trace Mode.
Представлены перспективы использования моделей-тренажеров в учебном процессе для расширения возможностей при изучении типовых аппаратов и методов исследования объектов химической технологии и управления типовыми аппаратами. Показаны примеры создания тренажеров в среде пакетов Trace Mode и Excel, которые позволят более эффективно изучать эти объекты.
Keywords: Simulator, a mathematical mode, Trace Mode l.
Presents the possibility of using models of simulators in the training process to empower the study of standard devices and methods for researching Objects of chemical technology and management typical devices. Showing examples of creating simulators in packages Trace Mode and Excel, which allow better study these objects.
Введение
Широкое внедрение вычислительной техники в образовательный процесс открывает новые возможности в процессе обучения, как студентов, так и слушателей различных курсов по повышению квалификации. Ограниченные средства и ресурсы не всегда позволяют досконально исследовать изучаемый объект (не хватает времени на проведение нескольких опытов, отсутствуют в достаточном количестве реактивы и т.п.). Обойти эти проблемы можно с внедрением в образовательный процесс программ-тренажеров, которые на основании математических моделей описывают исследуемые процессы и типовые аппараты. Могут быть созданы тренажеры для тренировки определенных навыков работы, обучения в условиях чрезвычайных ситуаций и т.д. Существует большой класс программных продуктов, которые могут лечь в основу данных разработок. Это Lab View, Stratum, группа программных комплексов, связанных с управлением процессами типа Trace Mode, OpenView, Sigma и др. Существуют серьёзные программные решения на базе Dasault Systems, представленные пакетами Simulia, Abaqus, FlowVision. Простые программы можно создавать и в среде MS Excel, но они будут не так выразительны, чем сделанные в описанных выше пакетах. Обучающиеся смогут проводить на этих тренажёрах целые исследовательские работы, раскрывая основных закономерностей в их функционировании. Однако большинство этих пакетов являются платными и не всегда доступны для использования. Поэтому в основе предлагаемых решений были выбраны два пакета, которые имеются в распоряжении кафедры АССОИ. Это Trace Mode [1], который в варианте студенческой версии имеется на кафедре и MS Excel, который является обязательным пакетом на компьютерах университета.
Постановка задачи
Для первого тренажера была выбрана задача, которая востребована для большинства студентов, проходящих дисциплину «Реактора» по кафедре ОХТ. Работа реактора в настоящее время хорошо
изучена и имеется достаточно большое количество моделей для его описания. В постановке задачи предполагается изучение процесса получения продукта по одной из типовых реакций (дальнейшее развитие работы предусматривает переход к исследованиям реальных реакций между реальными веществами с учетом теплофизики процесса). Целями исследования могут быть разные задания, например:
- найти оптимальные условия ведения процесса для заданного реактора (его тип и размеры);
- найти оптимальный реактор для конкретных условий ведения реакции (концентрации, скорость потока, температурный режим);
- подобрать оптимальный реактор и условия ведения процесса в нем для обеспечения минимальных затрат на выпуск единицы продукта.
При расширении возможностей тренажера, перечень решаемых задач может быть расширен и достроен новыми.
Решение задачи
Для решения были выбраны математические модели для описания реакций и реакторов. В настоящее время используются три типовые реакции:
- последовательная А ^ В ^ С, где целевым продуктом может быть как В, так и С. Данная реакция описывается системой дифференциальных уравнений:
dCA
dz dCB dz dCC dz
— kiCA
— k C - k C
1 A B
— k C
2B
(1);
где СА, Св, Сс - концентрации реагентов; кь к2 -
константы скоростей реакций; т - время; - параллельная А ^ В; А ^ С, где целевым продуктом будет В или С;. Модель имеет вид:
dC
dz dCB dz dCC dz
A - -k C - k C
1 A 2 A
■ - k1CA
- k C
2B
(2)
- обратимая А ^ В, где целевым продуктом рассматривается В. Модель описывается:
dCA
dz dCB dz
- k1CA + k2CB
- k C - k C
— л-1^ a B
(3)
В зависимости от типа реактора константы скоростей реакций могут быть постоянными или зависеть от температуры по уравнению Аррениуса:
к — к0 ■ e
(4)
где &о, - пред экспонента; Е - энергия активации; Я -газовая постоянная; Т - текущая температура реакции.
В качестве моделей для реакторов использовались реактора непрерывного действия, работающие в стационарном режиме. Задачи построены для двух идеальныч моделей:
- реактор идеального вытеснения (РИВ), описываемый моделью:
"С - -■ - (5)
, ---^вход, - Ci )+ Ri
dzz i
где С, С^од/ - текущая и входная концентрации /'-ого реагента; Я' - скорость химической реакции для /'-ого реагента. - реактор идеального смешения (РИС),
"С'
—'- =—'-+Я1, (6)
"т ё¥
где т',- мольный поток '-ого реагента; V - скорость потока.
Оба реактора могут работать как без потерь тепла (адиабатической режим), так и с его потерями, тогда температура реакции должна изменяться либо по длине реактора (РИВ) или по времени реакции (РИС).
Для решения двух первых поисковых задач (оптимальные условия или оптимальный реактор) выходными данными должны стать максимальный выход целевого продукта через подбор условий реакции (концентрация на входе, температура, скорость подачи сырья) или размеров реактора и его типа. Для решения последней задачи необходимо к перечисленным выше данным добавить экономические показатели работы реактора, годовой выпуск, себестоимость и прибыль, по которым можно подбирать оптимальный режим работы установки в целом.
Решения данных задач сводятся к решению систем дифференциальных уравнений, для которых выбран метод Рунге-Кутта-Мерсона четвертого порядка в реализации представленной в [2]. Данные метод позволяет автоматически подбирать шаг решения, что делает эти процедуры боле стабильными и быстрыми при их реализации. Для реализации
данного метода в пакете Excel, была разработана программа на VBA. Для пакета Trace Mode, требуется создавать данную программу внутренними средствами пакета.
Программная реализация решения
Для проверки и отладки всех программ, необходимых для решения данных задач, на первом этапе были реализованы эти решения в среде MS Excel. Получена функционирующая модель работы реактора с возможностью поиска оптимальных условий. Рабочая панель показана на рис. 1, панель для исследования кинетики (рис.2) и панель подбора реактора (рис. 3).
Рис. 1 - Основная панель для оптимизации реактора
Рис. 2 - Панель для исследования кинетики
Рис. 3 - Панель для исследования реактора
Данная реализация показала возможность решения поставленной задачи. Одновременно с этими работами проводились мероприятия по освоению Trace Mode [3], созданию программ в нем и оформлению экранов тренажера (рис. 4).
При разработке программ в среде Trace Mode возникло ряд проблем, которые до настоящего времени не решены:
- возможность построения локальных графиков и таблиц по заданным условиям ведения процесса. В настоящее время имеется один постоянный процесс, в который вносятся изменения входных параметров, приводящие к изменениям значений функции;
E
RT
В настоящее время ведутся работы и консультации по этим проблемам, а так же расширяется функционал в программном пакете, созданном в Excel.
Литература
1. Андреева М.М., Шагапов И.Л., Соловьев Н.В., Нурет-динов И.И. Вестник технологического университета, 18, 2, 312 с. (2015);
2.Ерандаева Ю. В., Воробьев Е. С., Воробьева Ф.И., Вестник технологического университета, 14, 11, 88-91 с. (2011);
3.Ефимов И. П., Солуянов Д. А. SCADA-система Trace Mode, УлГТУ, Ульяновск, 2010, 158 с.
Рис. 4 - Макет модели в Trace Mode
© Ф. К. Джафарзаде - магистр кафедры АССОИ КНИТУ, d_feruza@mail.ru, Р. Н. Гайнуллин - д.т.н, проф., заведующий кафедрой АССОИ КНИТУ, gainullin@kstu.ru, Е. С. Воробьев - к.т.н, доцент, доцент кафедры ОХТ КНИТУ, Vorobiev@kstu.ru.
© F. K. Dzhafarzade - master of the Automated Data Acquisition and Processing Systems Department, KNRTU, d_feruza@mail.ru, R. N. Gainullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Automated Data Acquisition and Processing Systems Department, KNRTU, gainullin@kstu.ru, Е. S. Vorobiev associate professor, assistant professor of the General Chemical Technology Department, KNRTU, Vorobiev@kstu.ru.
