Министерство образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет

Кафедра кибернетики химико-технологических процессов

ПРИМЕНЕНИЕ УЧЕБНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСЧЕТОВ ХТП и ХТС и

ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

DESIGN-II для Windows

(на примерах моделирования ХТС)

Учебное пособие

Москва 2003

Составитель Кознов А.В.

УДК 66.01.011

Применение учебных систем автоматизированных расчетов ХТП и ХТС и основные приемы использованияDESIGN-II для Windows (на примерах моделирования ХТС): Учебное пособие/Сост.: Кознов А.В.; РХТУ им. Д.И. Менделеева. Москва, 2003. 84 с.

Кратко изложены теоретические основы, структура, возможности и основные принципы функционирования программных оболочек, предназначенной для моделирования химико-технологических систем (ХТС). На примере составления различных моделей и ХТС изложен порядок работы пользователя с программой Design-II для Windows[1]. Приведены примеры использования Design-II для Windows для решения задач моделирования и расчета ХТС.

Пособие предназначено для использования в лабораторных - практических работах студентов химико-технологических специальностей.

ISBN	© Российский химико-технологический университет, 2003

Введение

В последнее время в связи с ростом затрат на энергетическое обеспечение, промышленности, особое внимание при проектировании, стало обращаться на оптимизацию технологических процессов. Однако из-за высокой сложности химико-технологических процессов их анализ и оптимизация довольно сложны и требуют применения современной вычислительной техники с установленным соответствующим программным обеспечением. При этом ввиду ограничений на стоимость и время необходимых для выполнения работ, возможно, провести анализ и оптимизацию только части существующей технологических схем или к рассмотрению не всего, а лишь небольшого числа вариантов технологических решений. Кроме того, для полной оценки режимов работы технологических схем и систем управления в масштабах предприятия во многих случаях может возникнуть необходимость моделирования химико-технологических систем в изменяющихся условиях.

Существуют два подхода к решению задач автоматизированного проектирования: первый самостоятельно разрабатывать такую систему; второй воспользоваться готовой - подходящей системой.

Используя первый подход, процесс моделирования технологических процессов и систем требует наряду с хорошим знанием технологических процессов применение языков программирования и, поэтому использовался исключительно специалистами, свободно разбирающимися в химической технологии, моделировании и программировании.

Примером такой системы может служить разработанная на кафедре кибернетики химико-технологических процессов - учебно-исследовательская система автоматизированного проектирования процессов разделения многокомпонентных смесей (УИ САПР ПРМС) (См. рис.1)[2] .

Данная система призвана помочь студентам в процессе обучения:

• систематизировать процесс усвоения знаний;

• системно перерабатывать большие объемы информации;

• эффективно работать с вычислительной техникой;

• анализировать полученные результаты;

• четко обозначать отдельные этапы в их взаимной зависимости;

• строить логические цепочки проведения всего цикла предпроектных и проект­ных работ;

• хорошо разбираться в сущности технологических процессов;

• разраба­тывать отдельные узлы и стадии процессов;

• грамотно ставить задачи проектирования технологических узлов.

Рис. 1. Принципиальная схема УИ САПР ПРМС.

Система построена в виде блоков и позволяет с помощью меню вы­бирать для изучения и выполнения разделы различных типов: 1 — аннотированные, 2 — для глубокого изучения, 3 — тестовые, 4 — задания для практического выполнения, 5 – анализ результатов расчета.

В аннотированных разделах содержится краткая информация об изучаемых разделах, позволяющая выбрать раздел для более глубокого изучения. В группе разделов второго типа представлено подробное опи­сание для глубокого изучения темы. В третьей группе собраны тесто­вые задания учебных программ. В четвертой группе находятся выпол­няемые программы для расчета и моделирования химико-технологиче­ских процессов. В пятой группе сформированы вопросы, подводящие итоги по изучаемой теме.

Система содержат следующие лабораторные работы:

— работа с базами данных физико-химических свойств компонен­тов;

— расчет критических свойств, отсутствующих в базах данных;

— аппроксимация теплофизических свойств компонентов;

— расчет, проектирование и синтез теплообменных систем;

— расчет и проектирование колонных аппаратов для ректификации;

— синтез схем разделения многокомпонентных сме­сей;

— синтез оптимальных энергосберегающих схем разделения многокомпонентных смесей в простых и сложных ректификационных колоннах;

— размещение технологического оборудования на производстве и об­вязка трубопроводами.

В подсистему УИ САПР ПРМС входят математические модели и программы расчета процессов и аппаратов для разделения жидких многокомпонентных и газообразных смесей, таких как ректи­фикация, выпарка, экстракция, адсорбция, абсорбция, мембранное разделение, теплообмен и др.

В программах моделирования и расчета используются известные математические модели процессов разделения. С помощью этих программ можно после изучения соответствующих теоретических разделов провести все расчеты процессов и аппаратов и перейти к подготовке проектной документации на аппараты.

Второй подход основан на быстром развитии мощных персональных компьютеров с визуальными графическими интерфейсами пользователя. Это позволило создать специализированные программные оболочки, автоматизирующие сложные вычисления и наглядно отображающие результаты расчета.

В настоящее время существует небольшой выбор конкурентоспособных программных оболочек для моделирования стационарных, динамических и периодических химико-технологических систем, которые применяются для проведения технологических расчетов при инженерном анализе и проектировании. При использовании этих программных оболочек пользователю нет необходимости очень хорошо знать языки программирования, так как процесс составления модели производства заключается в использовании базы данных по процессам, с помощью которой пользователь на экране компьютера составляет технологическую схему, соединяя аппараты технологическими потоками.

До последнего времени такое программное обеспечение в России не применялось. Это было связано с тем, что наряду с относительно высокой ценой на приобретение лицензии по его использованию и достаточно высокими затратами на подготовку квалифицированных пользователей оно относится к разряду “высоких технологий”, на которые до недавнего времени существовало ограничение на продажу в Россию. Однако в отличие от стран Западной Европы и Америки, в России широкого использования подобного программного обеспечения не произошло. Вероятно, это связано с уровнем подготовки инженерных кадров, так как для успешного применения подобных программных оболочек необходимо наличие на предприятии высококвалифицированных специалистов-технологов, имеющих соответствующую теоретическую подготовку и опыт работы с подобными программными продуктами. Так, например, каждый университет США, производящий подготовку инженерно-технических кадров, обязательно использует в учебном процессе подобное программное обеспечение. Данные программные оболочки очень чувствительны к вводу исходной информации. Часто даже последовательность ввода делает неработающей практически готовое задание.

Существуют две группы программных оболочек: off-line и on-line. Первая группа off-line оболочек (не взаимодействующих непосредственно с технологическим процессом) может использоваться в инженерно-технических отделах компаний и в отделах оперативного планирования. Они позволяют проектировать новое производство, помогают устранять узкие места в технологической цепочке, моделировать отдельные установки или все предприятие, позволяют моделировать реконструкцию действующих установок для оценки возможностей перехода от существующей технологии к прогрессивной. В целях оптимизации производства или анализа существующих проблем и аварийных ситуаций, эти системы помогают оценивать экономические аспекты производства, планировать ресурсы, продукцию и график работ. Вторая группа on-line оболочек работает непосредственно в технологической схеме производства в режиме реального времени. При его функционировании непрерывно собирается информация от системы посредством датчиков и контроллеров, далее эта информация обрабатывается и предоставляется операторам, технологам и менеджерам в требуемой для них форме с соответствующим интерфейсом. На основе полученной информации и по заложенным математическим моделям процессов соответствующие модули вычисляют оптимальные значения управляющих параметров, выставляют требуемые значения на внешние устройства и отслеживают реакцию процесса. Поэтому производство работает в оптимальном режиме, минимизируются затраты энергии и материалов, повышаются качество и выход готовой продукции. Однако для установки on-line продуктов необходимо иметь работающую систему распределенного контроля и управления нижнего уровня (датчики, контроллеры, оборудование с автоматическим управлением) и адекватные модели основных технологических процессов и систем (цеха, завода) в целом.

Основываясь на сказанном выше, с целью повышения уровня подготовки студентов-технологов, кафедра кибернетики химико-технологических процессов, одноименного факультета Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева стала использовать программную оболочку Design-II для Windows (off-line типа), для обучения. При этом используются полные версии с ограниченным сроком их действия, свободно распространяемые WinSim Inc через Интернет.

Рис. 2. Некоторые зарубежные системы автоматизированного проектирования (САПР) ХТС.

Рис 3. Типичная функциональная структура систем автоматизированного проектирования объектов химической технологии