CC BY
21
УДК 004.94
И. А. Сабанаев, Ф. М. Алмакаева
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Ключевые слова: моделирование, теплообмен, UML-модели.
Представлены результаты решения задачи разработки единой объектной модели для построения имитационных моделей описания тепло- и массообменных процессов.
Keywords: modeling, heat transfer, UML-models.
It is presents the results of solving the problem of developing a single object model for building simulation models describe the heat and mass transfer processes.
Введение
Имитационные модели в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии в настоящее время играют очень важную роль. Они позволяют исследовать процессы без применения натурного эксперимента, который очень дорог и требует значительных временных затрат [1]. Для получения большей части результатов в настоящее время исследователи заменяют физические модели на компьютерную имитацию. Таким образом, имитационные модели находят широкое применение при решении многих задач, как в управлении [2], так и при изучении тепло- и массообменных процессов [3].
На кафедре разрабатывается и частично реализована компьютерная модель для исследования тепло- и массообменных процессов в химической технологии. Она представляет собой программно-технический комплекс на базе персонального компьютера [4], внешнего щита управления и программно-информационного обеспечения на основе единой объектной модели приборов, процессов и интерфейса, благодаря которой сама имитационная модель легко масштабируется и модифицируется для изучения новых явлений.
Экспериментальная часть
Проект предполагает интегрирование в единую систему трех компонент: внешний щит управления на базе аналоговых электронных устройств, техническое обеспечение на основе персонального компьютера и периферийного оборудования, а также программно-информационного комплекса, использующего единую объектную модель приборов и процессов. Управляющие сигналы, формируемые на щите управления, подаются в аналоговую цепь компьютера, считываются процедурами модуля работы с портами, передаются методам классов, изменяющим свойства объектов-приборов и, кроме того, методам соответствующих каналов. Каналы не имеют своих свойств и, по сути, являются интерфейсами. Число каналов можно увеличивать. Можно добавлять и классы каналов. Пока реализовано 2 класса - каналы для формирования значений с внешних источников и каналы-модели. Именно здесь реализуются
алгоритмы решения математических моделей тепло-или массообменных процессов. Каналы формируют сообщения для объектов-приборов, отображающих результаты моделирования. Вся информация для исследователя отображается в графическом режиме - в форме показаний приборов, внешний вид которых формируется на основе их фотографий. Таким образом, в совокупности программного и технического обеспечений компьютерная модель может рассматриваться как виртуальная лабораторная установка для проведения исследования технологических процессов [5].
Проект преследует, в том числе, образовательные цели. Он может помочь студентам изучать типовые тепло- массообменные процессы, а также освоить приемы имитационного моделирования. Использование для управления моделью внешнего стенда более удобно, и позволяет, в некоторой степени, создать эффект реальности процесса [5].
Текущая стадия реализации проекта может быть отмечена достижением ряда предварительных результатов. Во-первых, разработаны базовые классы объектной модели приборов и процессов, реализованы несколько конкретных классов, опробованы для моделирования экземпляры этих классов. Во-вторых, построен управляющий щит, выполнено его сопряжение с компьютером, проверена его работа с несколькими имитационными моделями, моделирующими некоторые типовые теплообменные процессы.
Для описания проекта, выполненного на основе объектно-ориентированного подхода, лучше всего подходят диаграммы UML [6]. Методология UML позволяет выполнить как анализ системы, так и описать процесс проектирования новой системы. Для этого разрабатывается ряд диаграмм, которые отображают статическую (структурную) и динамическую (модели поведения) стороны, а также спецификации проектируемой системы. Эту методологию поддерживают некоторые CASE-инструменты, такие, как например, Ration Rose. Технология моделирования UML была в полной мере использована авторами работы при решении задачи проектирования имитационной модели.
Анализ и описание проекта включает построение 8 моделей. Статическая модель в форме диаграммы
классов и диаграмма развертывания - одна из двух моделей реализации, показаны на рис. 1 и рис. 2. Диаграммы разработаны в нотации MS Visio и для их подготовки, соответственно, использовались инструменты графического редактора MS Visio. Диаграмма классов, изображенная на рис. 1, показывает основу объектной модели для реализации в программно-техническом комплексе. Иерархия классов построена по принципу одинарного наследования для реализации на языке программирования, поддерживающего такой механизм, например, языке Object Pascal или C#.
Рис. 1 - Диаграмма классов проектируемой модели
Классы ТШШар и ТРпЬог спроектированы как абстрактные классы, не предполагающие создания на их основе экземпляров. Классы 1СЬале1к, ПоуБЙск, IMathMode1 не содержат атрибутов и свойств - только методы и, по сути, являются интерфейсами. Весь комплекс построен на базе нескольких статических программных модулей -модулей раннего связывания.
Разработка новой компьютерной модели предполагает подготовку нового класса, наследуемого от IMathMode1 и простой полиморфизм метода 8у^аШ.еШт, который должен реализовать алгоритм новой математической модели. Классы наиболее распространенных измерительных приборов, например такие как, ТТегшоше^ или TManometr, (на рис. 1 не показаны) спроектированы как дочерние классы родительских TDigitPribor и Т8^е1кРпЬог. Это позволяет в новой модели без дополнительного кода создавать любое количество экземпляров этих классов. При необходимости использования новых приборов
можно наследовать от одного из имеющихся классов.
Диаграмма развертывания показана на рис. 2. Внешнее управление приборами обеспечивается сигналами, принимаемыми в компьютер через аналоговый MIDI-порт компьютера. Формирование числовых данных производится процедурами модуля Joystick.pas. Всего принимается 4 аналоговых сигнала целочисленного типа и 4 сигнала булевского типа. Комбинирование принимаемых сигналов позволяет имитировать внешний щит управления процессом.
Рис. 2 - Диаграмма проектируемой модели
развертывания
Один из вариантов щита управления, в частности для изучения влияния толщины теплоизоляции для трубопровода, диаметр которого меньше критического диаметра показан на рис. 3.
Рис. 3 - Внешний вид щита управления со сменной передней панелью
Переход к новому щиту можно произвести заменой передней панели путем отвинчивания круглых гаек и перепрограммированием регуляторов и переключателей.
Заключение
В результате выполненного исследования удалось успешно решить ряд задач:
- задача разработки единой объектной модели для построения имитационных моделей тепло- и массообменных процессов;
- разработано техническое и программное обеспечения в качестве основы для построения в перспективе комплекса имитационных
компьютерных моделей для изучения тепло- и массообменных процессов;
- реализовано несколько компьютерных моделей для апробации программно-информационного и технического обеспечений комплекса.
В перспективе ставится достижение двух целей:
- обеспечить дополнительной лабораторной базой целый ряд учебных дисциплин для направления подготовки «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»;
- обеспечить студентов, аспирантов и сотрудников кафедры инструментом для изучения тепло- и массообменных процессов при решении задач НИР и НИРС.
Литература
1. Якимов И.М., Кирпичников А.П., Зайнуллина Г.Р., Яхина З.Т. Вестник Казанского технологического университета, 6, 173 - 178 (2015).
2. Якимов И.М., Кирпичников А.П., Зайнуллина Г.Р., Яхина З.Т. Казанского технологического университета, 13, 176 - 181 (2015).
3. Вачагина Е.К., Багоутдинова А.Г., Золотоносов Я.Д., Князева И.А. Вестник Казанского технологического университета, 16, 234 - 238 (2015).
4. Сабанаев И.А., Сабанаева З.Ф. Вестник Казанского технологического университета, 5, 188 - 190 (2014).
5. Зацаринная Ю.Н. Староверова Н.А. Вестник Казанского технологического университета, 9, 247 - 250 (2015).
6. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя. Пер. с англ. ДМК, М.:, 2002. 432 с.
© И. А. Сабанаев - к.т.н., доцент, кафедра машин и аппаратов химических производств Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, e-mail: [email protected]; Ф. М. Алмакаева - ст. преп. кафедры машин и аппаратов химических производств Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ.
© I. A. Sabanaev, associate professor of Machinery and Apparatus for Chemical Industry of Nizhnekamsk Institute for Chemical Technology, KNRTU, e-mail: [email protected]; F. M. Almakaeva, Machinery and Apparatus for Chemical Industry of Nizhnekamsk Institute for Chemical Technology, KNRTU.
