CC BY
11
УДК 004.942
Глушков И. В., Мешалкин В. П., Петухова Е. В.
Разработка цифрового двойника ректификационных установок производства хлорбензола
Глушков Игорь Владимирович - магистрант группы МТ-28, докторант; modteh@mail.ru; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9;
ООО «Волга-инновация», Россия, Новочебоксарск, 429950, улица Винокурова, здание 10 помещение 21. Мешалкин Валерий Павлович - академик РАН, директор Международного Института Логистики Ресурсосбережения и Технологической Инноватики (НОЦ) Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Петухова Евгения Валерьевна - Магистрант группы МТ-18; заведующий лабораторией кафедры Логистики и экономической информатики Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены аспекты разработки математической и компьютерной модели химико-энерготехнологических процессов (ХЭТП) ректификационных установок производства хлорбензола-цифровой двойник, и на ее основе математическая постановка задачи оптимизации энергоресурсоэффективности химико-энерготехнологической системы (ХЭТС) посредством интенсификации теплообменных процессов ректификационных установок, что позволяет повышать энергоресурсоэффективность ХЭТС, оптимизировать расход сырья и повысить безопасность производства хлорбензола. Разработан быстродействующий вычислительный алгоритм в режиме реального времени, система управления, позволяющая проводить оптимизацию и улучшать энергоресурсоэффективность локальных переменных ХЭТП ректификационных установок. С применением разработанного алгоритма и реализующегося комплекса программ определены научно обоснованные оптимальные энергозатраты, технологические режимы функционирования ХЭТС - ректификационных установок производства хлорбензола, что позволяет снижать
риски данной ХЭТС.
Ключевые слова: Цифровой двойник, производство хлорбензола, ректификационные установки, математическое моделирование, инжиниринг, программно-информационные инструменты.
Development of a digital twin of rectification plants for the production of chlorobenzene
Glushkov I. V12., Meshalkin V. P1., Petukhova E. V1.
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 Volga-Innovation LLC, Novocheboksarsk, Russia
The article considers aspects of the development of a mathematical and computer model of chemical and energy technological processes (HETP) of rectification plants for the production of chlorobenzene-a digital twin, and on its basis the mathematical formulation of the problem of optimizing the energy resource efficiency of the chemical and energy technological system (HTS) by intensifying heat exchange processes of rectification plants, which allows to increase the energy resource efficiency of HTS, optimize the consumption of raw materials and increase production safety chlorobenzene. A high-speed computational algorithm in real time, a control system that allows optimizing and improving the energy resource efficiency of local variables of HEPTP rectification plants has been developed. Using the developed algorithm and the implemented set of programs, scientifically justified optimal energy consumption, technological modes of operation of HTS - rectification plants for the production of chlorobenzene have been determined, which allows reducing the risks of this HTS.
Key words: Digital twin, production of chlorobenzene, distillation plants, mathematical modeling, engineering, software and information tools
Введение
Современное развитие промышленных предприятий невозможно без внедрения в процесс их функционирования информационных технологий (ИТ) управления промышленным процессом и систем АСУТП. Внедрение ИТ позволяет повысить конкурентоспособность промышленных
предприятий. В условиях рыночной экономики управление технологическими процессами сопряжены с целым спектром различных рисков.
Информационные технологии позволяют смоделировать ситуацию и выбрать оптимальный вариант автоматизации и управления.
Цифровизированные методы моделирования и принятие на основе их анализа обоснованных решений по управлению промышленными процессами предприятия является преимуществом по отношению к предприятиям, где они не используются. Отечественные промышленные предприятия постепенно приходят к осознанию и выработки стратегии внедрения информационных систем и программных продуктов. Рассматривают ИТ, как средство решения проблем снижения издержек производства и повышения рентабельности труда [1,2].
В данной статье проведено исследование и разработана методика и программно-информационные инструменты инжиниринга цифровых двойников энергоресурсоэффективных ректификационных установок производства хлорбензола ПАО "Химпром".
Разработан цифровой двойник
ректификационных установок производства хлорбензола. Исходными данными для разработки был технологический регламент производства хлорбензола и система автоматизации данного промышленного процесса.
Экспериментальная часть
Цифровой двойник (ЦД), разработанный в соответствии с современными принципами информационных технологий, должен удовлетворять следующим требованиям:
- построение виртуального представления
физического продукта;
- обработка данных для облегчения принятия
решений по проектированию;
- средства обучения операторов;
- средства контроля и анализа процесса обучения;
- средства поддержки обучаемых и инструктора;
- модель объекта (симуляция поведения продукта
осуществляется с помощью технологий
имитационного моделирования);
- служебные средства;
- средства адаптации.
Рассмотрим основные подходы к созданию подобного класса компьютерных программ, их инструментальные средства, накопленный методический и практический опыт [3-6].
Назначение и функциональность ЦД
• выработка у обучаемых интеллектуальных навыков управления технологическим оборудованием как в регламентных, так и во внештатных режимах его работы (предаварийном, аварийном);
• использование инженерными службами для глубокого анализа самых сложных режимов работы оборудования и совершенствования на этой основе режимных карт и эксплуатационных инструкций;
• опережающее обучение персонала; анализ режимов для нового технологического оборудования, которые еще не введены в действие и не освоены в эксплуатации, а также для реконструируемого оборудования;
• совершенствование оперативной квалификации технического персонала предприятий.
Необходимо также отметить, что программное обеспечение ЦД содержит все необходимые средства
для построения верхнего уровня SCADA (в том числе управления реальным оборудованием).
Поддерживаются различные интерфейсы связи с рядом промышленных контроллеров, а также с СУБД (например, MySQL).
Технические характеристики ЦД
Программный комплекс функционирует на IBM PC в однопользовательском или
многопользовательском режиме (в локальной сети). ЦД включает: АРМ инструктора; АРМ операторов (до 32 рабочих мест); программно-аппаратные средства связи.
В многопользовательском режиме АРМ инструктора выступает в качестве сервера приложения - на этом компьютере работает математическая модель, что предъявляет повышенные требования к быстродействию данного ПК. Кроме того, возможна организация распределенных систем моделирования и управления.
Интерфейс пользователя
Программное обеспечение выполнено по объектно-ориентированной технологии и
обеспечивает удобный графический интерфейс как для обучаемого, так и для разработчика.
Графический интерфейс пользователя (оператора)
ЦД:
- отображает окна необходимых мнемосхем с переходами между ними по ссылкам;
- отображает изменение в РВ (обычно 1 раз в секунду) показаний приборов и элементов сигнализации на мнемосхемах;
- позволяет оператору управлять арматурой и механизмами на мнемосхемах.
Примеры интерфейса разработанного ЦД производства хлорбензола приведены на рис.1 и рис.2.
Рабочие места ЦД
Операторское АРМ предназначено для управления ТО, получения информации о состоянии оборудования, значениях технологических параметров и выходе их за допустимые пределы, срабатывании технологических защит и блокировок.
АРМ обучаемых на тренажере в соответствии с техзаданием выполняются максимально
соответствующими реальным рабочим местам операторов ТО (вплоть до программной эмуляции интерфейса АСУТП ТО при необходимости). Интерфейс операторов ТО на рабочих местах реализуется в виде мнемосхем с элементами управления, приборами контроля (цифровые, стрелочные) и сигнализацией. Мнемосхемы размещаются в ряде взаимосвязанных окон.
Рис. 1 Пример интерфейса ЦД ректификационной установки хлорбензола
Ытргот20 - □ X
Файл Моде, пировлние ' Редактор Окна Настройка
Т019 | К017 |1Е4601 | |»»|
А ^Ш^шЛЛоъу, н Рш Л В ТУ ШИК __ Щш обратный
^И15, о ** Т V ^ \ Рассол О6 С прямой
4
1 ■ ТГ7Г|Н^ 15, □ ^ 15,0 ЕОб ^^В Я Ф079/2^^1
г & ■ „ т- Г" Г Л
ш В^^^В КО! Т сред ^^ I - Г Б позицию 315 тмч
ГШ. Рпара А! ^ о, о | Е068
Ен Е060 ^ 1. _1 т Б кислотно-щелочную ||кгг
Р1 Справка Г 10 Меню Р9 Старт Р8 Стог 1 Р6 Окна | => 61: Очистк а абгазного хлорисгого водорода 4|о|о|
Рис. 2 Пример интерфейса ЦД фракционной ректификации хлорбензола
АРМ инструктора предназначено для подготовки аварийных сценариев, управления моделью в ходе тренировки и экзамена, постановки задач обучаемым, контроля результатов. Инструктору доступно управление любым оборудованием, включенным в состав тренажера, а также оперативное задание различных состояний и неисправностей управляемых элементов (задвижек, вентилей, насосов и т.д.).
Динамическая модель и типовые функциональные блоки
В отдельных, недоступных для обучаемого окнах разработчик собирает динамическую модель, имея для этого богатый набор стандартных элементов (узлы, связи, формулы, специальные функции). В отличие от других конструкторов, здесь упрощено составление моделей сложных сетей трубопроводов и
арматуры. Для этого достаточно описать эту сеть в виде графа из узлов и связей с определенной проводимостью. Динамическую ошибку
моделирования быстропротекающих процессов можно компенсировать рядом дополнительных механизмов и специальных приемов моделирования [5,6,7].
Набор типовых функциональных элементов достаточен для решения широкого комплекса задач, в том числе:
- построения интерактивного графического интерфейса (то, что обучаемый видит перед собой на экране и чем управляет);
- конструирования математической модели;
- построения распределенных моделей (связь отдельных модулей и передача данных между ними);
- работы с БД (в том числе импорт измерений и экспорт результатов расчетов);
- связи с промышленными контроллерами (для построения систем управления - БСАБА);
- регистрации и т.д.
Ниже приведен краткий перечень типовых элементов графического интерфейса пользователя:
- окно (с возможностью одновременно гипертекстовой и иерархической навигации между окнами);
- панель сигнализации;
- кнопка (как тумблер для переключения переменных состояния модели; для гипертекстовой навигации между окнами; для подачи команд управления на другие объекты; для управления симуляцией и просмотра отчетов);
- специфические элементы сигнализации (табло, всплывающие сообщения и др.);
Заключение
Проведено исследование и разработана методика и программно-информационные инструменты инжиниринга цифровых двойников
энергоресурсоэффективных ректификационных установок производства хлорбензола ПАО "Химпром".
Разработан цифровой двойник
ректификационных установок производства хлорбензола. Построенный программный алгоритм вычислений позволяет оптимизировать расход сырья,
энергоресурсов и повысить безопасность производства хлорбензола.
Качественные компьютерные модели могут оказать неоценимую помощь при анализе и стратегического прогнозировании работы предприятия - как с точки зрения накопления статистики, так и путем проведения машинного эксперимента по воспроизведению различных ситуаций.
Инструментальные средства данных программ позволяют моделировать сложные объекты и динамические процессы в них. Методы имитационного моделирования, применяемые в таких программах, позволяют максимально приблизить поведение модели к действующему технологическому оборудованию.
Список литературы
1. Методология алгоритмического и программно-информационного обеспечения тренажеров для повышения энергоэффективности производств. ХХХ Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий», Тула 2022г.
2. Цифровизированные тренажерные программы для подготовки специалистов промышленных предприятий. Журнал "Успехи химии и химической технологии", Том XXXVI №1, Москва, 2022г.
3. Конструктор динамического моделирования. Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ №2017614948. Глушков И.В., Ярославцев А.Г.,2017 г.
4. Mittal S., Khan M. A., Romero D., Wuest T. Smart manufacturing: Characteristics, technologies and enabling factors // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2019. Vol. 233(5). P. 1342—1361. D01:10.1177/0954405417736547.
5. Garfinkel J. Gartner Identifies the Top 10 Strategic Technology Trends for 2019 // Gartner Tech. Rep. 2018, 0ct.
6. Grieves M., Vickers J. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems // Kahlen F. J., Flumerfelt S., Alves A. (Eds). Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems. Cham: Springer, 2017. P. 85-113. D0I:10.1007/978-3-319-38756-7 4.
