Автоматизированная информационная система компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа

Определяющими факторами успеха в промышленном производстве являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, снижение себестоимости и повышение качества. Значительное сокращение цикла проектирования и подготовки производства, подразумевающее внедрение систем автоматизации проектирования и применение информационных технологий может способствовать созданию конкурентоспособной продукции и своевременному выходу ее на рынок. На этапе проектирования производств возникает ряд задач, от эффективности решения которых зависит качество и себестоимость конечной продукции.

Этап проектирования производства включает в себя такие задачи как проектирование технологической схемы, выбор аппаратурного оформления схемы, компоновку оборудования, проектирование производственных зданий и сооружений и т. д. При решении каждой из этих задач необходимо нахождение оптимальных вариантов, а следовательно необходимо сравнить множество возможных решений и выбрать лучшее. Все эти задачи тесно связаны друг с другом и для нахождения оптимального решения комплекса задач проектирования необходимо создание систем, обеспечивающих обмен данными, что невозможно без применения современных подходов в области автоматизации проектирования и информационных технологий.

Этап компоновки оборудования в общей задаче проектирования технологических процессов является одним из наиболее трудоемких и многовариантных. Он включает в себя решение таких задач как определение размеров цеха, размещение технологического оборудования в объеме цеха, определение конфигурации площадок обслуживания, трассировка трубопроводов и размещение трубопроводной арматуры. Принятый проектировщиком вариант компоновочных решений существенно влияет на эксплуатацию оборудования, а так же определяет капитальные затраты при строительстве производств и эксплуатационные затраты в процессе функционирования оборудования. При проектировании технологической части проекта производств необходимо учитывать комплекс факторов, которые в итоге формируют окончательный вариант компоновки оборудования и объемно-планировочных решений.

К таким факторам в первую очередь относятся условия функционирования схемы. Например, требования перепада высот между отдельными единицами оборудования, особенности транспортировки материальных потоков, необходимые уклоны трубопроводов и самотеков для транспортировки сыпучих материалов. Условия функционирования технологической схемы формируются, прежде всего, на основе технологического регламента и норм технологического проектирования для данного производства, а так же на основе экспертных данных институтов и предприятий занимающихся разработкой технологии данных производств.

Следующая группа факторов влияющих на компоновочные решенияэто комплекс нормативной документации, которая разрабатывается головными институтами данной отрасли промышленности и надзорными органами и служит для обеспечения безопасной и удобной работы людей на производстве, обслуживания, ремонта и монтажа оборудования и трубопроводных систем.

Большое значение для нахождения оптимального варианта компоновки оборудования и трассировки технологических трубопроводов имеют гидравлические, тепловые и прочностные расчеты. Проведение этих расчетов при комплексной оптимизации компоновки оборудования позволит подобрать оптимальные гидродинамические режимы транспортировки веществ, устройства для транспортировки, тепловую изоляцию и конструкции для установки оборудования, крепежа трубопроводов и вспомогательного оборудования.

Одной из важных подзадач является нахождение оптимального варианта объемно-планировочных решений при реконструкции и модернизации действующих производств, так как в условиях жесткой рыночной конкуренции для большинства предприятий наиболее болезненным является вопрос длительности простоя. Реконструкцию производств, если не учитывать замену полностью морально или физически устаревшего оборудования, можно вести по двум основным направлениям. Во-первых, это увеличение мощности производства с помощью введения в производство дополнительной цепочки аппаратов, либо замены аппаратов всех или нескольких стадий более производительными. Во-вторых, повышение качества выпускаемой продукции за счет введения в технологический процесс дополнительных стадий или увеличения количества аппаратов существующих стадий влияющих, например, на степень очистки конечного продукта от примесей.

При проектировании производств существенную роль играет выбор типа конструкции производственных помещений, который определяется спецификой размещаемых производств, их производительностью и экономической целесообразностью. Компоновка оборудования может осуществляться в цехах, которые можно разделить на три основные типа: многоэтажные цеха, ангарные (павильонные) цеха, и размещение оборудования на открытых площадках. Проблема нахождения оптимального варианта компоновки в многоэтажных цехах освещена в работах отечественных [23, 30−32, 39, 40, 42, 48] и зарубежных [88, 92, 93, 102, 107, 108, 110] авторов. Однако нераскрытой остается проблема нахождения оптимальных компоновочных решений в цехах ангарного типа. Проектирование производств в цехах ангарного типа получило широкое распространение в ряде отраслей промышленности. Это связано со следующими факторами: небольшие сроки строительства сооружений ангарного типавозможность расположения технологического оборудования на высотных отметках, не привязанных к строительной сеткевозможность использования сборных металлических конструкций при строительствеупрощение реконструкции производств. Данная работа посвящена проблеме автоматизации проектирования проектных решений компоновки в цехах ангарного типа.

Множество факторов влияющих на конечный результат решения задачи компоновки, необходимость проведения ряда расчетов и учета всех особенностей функционирования проектируемого производства делают задачу компоновки крайне сложной. В связи с этим нахождение оптимального решения задачи компоновки ручными методами не представляется возможным.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения производительности и качества проектных работ является математическое моделирование и использование ЭВМ для оптимизации проектных решений.

Существует множество разнообразных математических моделей и методов проектирования, что обусловлено многообразием объектов проектирования, целей и критериев оценки решений. Однако, до сих пор, не имеющие практической реализации, остаются вопросы автоматизации компоновок и принятия объемно-планировочных решений при проектировании производств химической и пищевой промышленности в цехах ангарного типа. Трудности моделирования и оптимизации процесса размещения технологического оборудования и трассировки технологических трубопроводов обусловлены тем, что часть факторов, существенно влияющих на решение данной задачи, не под даются формализации.

Очевидно, что для решения задачи компоновки оборудования, трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры с определением габаритов производственных помещений и внутренних строительных конструкций необходимо разработка и применение современных информационных систем, математических методов решения оптимизационных задач и моделей описания объектов, а также применение мощной вычислительной техники.

Объектом исследования является компоновка оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа.

Предметом исследования является автоматизированная информационная система, основывающаяся на аналитических и процедурных моделях размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов промышленных производств в цехах ангарного типа.

Целью данной работы является разработка автоматизированной информационной системы на основе аналитических и процедурных моделей размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов промышленных производств в цехах ангарного типа.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— Провести анализ существующих автоматизированных информационных систем компоновки объектов в пространстве, моделей и методов поиска проектных решений по компоновке.

— Разработать структуру автоматизированной информационной системы компоновки оборудования, учитывающую специфику задачи компоновки в цехах ангарного типа.

Разработать структуру базы данных для хранения текстовой и графической информации об объектах компоновки, ограничений на проектные решения, а также для хранения информации по проектным решениям.

Провести анализ условий, влияющих на принятие проектных решений по компоновке оборудования и осуществить их формализацию. Разработать способ описания объектов компоновки, позволяющий учитывать особенности размещения в пространстве различных типов объектов, таких как разногабаритное технологическое оборудование, система технологических трубопроводов, строительные конструкции ангарного цеха, металлоконструкции.

Сформулировать математические постановки задач, возникающих при компоновке оборудования в цехах ангарного типа.

Разработать аналитические и процедурные модели размещения технологического оборудования и трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа.

Разработать методику решения задачи компоновки в цехах ангарного типа, включающей размещение технологического оборудования, нахождение оптимальных объемно-планировочных решений цеха, трассировку технологических трубопроводов и размещение трубопроводной арматуры.

Работа состоит из введения, четырех глав и выводов.

Первая глава посвящена анализу существующих моделей и методов решения задач размещения и трассировки в различных отраслях промышленности. Осуществлен обзор существующих автоматизированных информационных систем для решения задач размещения и трассировки. На основании проведенного анализа сформулированы выводы и основные задачи исследования.

Во второй главе разработана структура автоматизированной информационной системы компоновок в цехах ангарного типа, включающей в себя ряд блоков, между которыми в процессе получения проектного решения осуществляется обмен информацией. Часть данных в процессе проектирования вносит в систему эксперт в виде исходных данных, промежуточных корректировок и ограничений.

Также исследованы факторы, влияющие на принятие проектных решений по компоновке оборудования. Рассмотрены такие факторы как способы транспортировки жидких и твердых (сыпучих) веществ, выбор типа конструкции цеха, обеспечение безопасности производства. На основе проведенных исследований разработана классификация факторов, влияющие на принятие проектных решений по компоновке оборудования.

В третьей главе осуществлена разработка способа многоуровневого описания объектов компоновки с помощью комплексов простейших геометрических фигур, а также информационное описание системы технологических трубопроводов с помощью матриц связей, узлов и участков. Матрица связей хранит идентификацию аппаратов источников и приемников, принадлежность к связи узлов технологических трубопроводов. Матрицы узлов и участков вводятся для описания разветвленных трубопроводов и определяют общие точки для различных связей.

На основе проведенного во второй главе анализа разработаны аналитические модели размещения технологического оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа.

В четвертой главе предложена методика решения задачи компоновки, основывающаяся на последовательном решении задач размещения и трассировки с различной степенью детализации описания геометрии объектов.

Разработаны процедурные модели размещения оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа.

Представлен пример практического применения системы автоматизированного проектирования компоновок в цехах ангарного типа и разработанной методики решения задачи компоновки.

Научная новизна. 1) На основе проведенного анализа процесса компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа впервые поставлена задача совместного оптимального автоматизированного проектирования: размещения технологического оборудования, трассировки трубопроводов, определения конфигурации строительных конструкций и размещения трубопроводной арматуры.

2) Разработан способ многоуровневого описания объектов компоновки, заключающийся в представлении объектов компоновки в виде комплекса простейших геометрических фигур, выделении подобъектов, собственные ограничения и условия размещения в пространстве которых заданы различными видами представления информации.

3) Разработана аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов, как условия транспортировки веществ между аппаратами, условия обслуживания и ремонта оборудования согласно требованиям нормативно-технической документации.

4) Разработана аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов, как условия транспортировки веществ между аппаратами при различных режимах совместной работы аппаратов, условия прокладки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры.

5) Разработана процедурная модель трассировки разветвленной системы технологических трубопроводов, основанная на выделении подмножества технологических связей аппаратов, в состав которых входят общие узлы, и последовательной трассировке всех связей от аппаратов до размещенных узлов на проведенных в пространстве трассах.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1) Постановка задачи совместного оптимального проектирования: размещения технологического оборудования, трассировки трубопроводов, определения конфигурации строительных конструкций и размещения трубопроводной арматуры.

2) Способ многоуровневого описания объектов компоновки.

3) Аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа.

4) Аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа.

5) Процедурная модель трассировки разветвленных трубопроводов. Практическая ценность работы заключается в следующем:

— Предложенная методика позволяет решить общую задачу компоновки, в виде последовательности решений подзадач компоновки с изменением детализации описания геометрии объектов и учетом ограничений, разбитых на классы в зависимости от степени их влияния и необходимости соблюдения на различных этапах решения.

Предложены критерии оптимальности размещения оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа, позволяющие оценить капитальные затраты на строительные конструкции цеха, трубопроводы, средства транспортировки веществ, металлоконструкции для этажерок и площадок обслуживания, а также эксплуатационные затраты на транспортировку веществ между аппаратами.

Созданная автоматизированная информационная система компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа учитывает способ многоуровневого информационного описания объектов компоновки и разработанные аналитические и процедурные модели размещения оборудования и трассировки трубопроводов. С помощью разработанной системы были решены задачи размещения оборудования и трассировки трубопроводов ряда промышленных объектов: реконструкция производства емкостного оборудования и производства насосных агрегатов ОАО «Первомайскхиммаш" — проектирование отделений механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья спиртовых заводов мощностью 500 дал/сут и 1500 дал/сут проектным отделом ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» имени Н.С. Артемова» .

Апробация работы. Результаты исследований и отдельные материалы работы докладывались и обсуждались на: IV Тамбовской межвузовской научной конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, ТГУ, 2000 г.) — V Тамбовской межвузовской научной конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, ТГУ, 2001 г.) — научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». ММТТ-14 (Смоленск, 2001 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе в научно-технических журналах РФ — 3 публикации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1) На основе проведенного анализа процесса компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа впервые поставлена задача совместного оптимального автоматизированного проектирования: размещения технологического оборудования, трассировки трубопроводов, определения конфигурации строительных конструкций и размещения трубопроводной арматуры.

2) Разработан способ многоуровневого описания объектов компоновки, заключающийся в представлении объектов компоновки в виде комплекса простейших геометрических фигур, выделении подобъектов, собственные ограничения и условия размещения в пространстве которых заданы различными видами представления информации.

3) Разработана аналитическая модель размещения технологического оборудования в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов как условия транспортировки веществ между аппаратами, условия обслуживания и ремонта оборудования согласно требованиям нормативно-технической документации.

4) Разработана аналитическая модель трассировки технологических трубопроводов в цехах ангарного типа, учитывающая влияние таких факторов как — условия транспортировки веществ между аппаратами при различных режимах совместной работы аппаратов, условия прокладки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры.

5) Разработана процедурная модель трассировки разветвленной системы технологических трубопроводов, основанная на выделении подмножества технологических связей аппаратов, в состав которых входят общие узлы, и последовательной трассировке всех связей от аппаратов до размещенных узлов на проведенных в пространстве трассах.

6) Предложенная методика позволяет решить общую задачу компоновки, в виде последовательности решений подзадач компоновки с изменением детализации описания геометрии объектов и учетом ограничений, разбитых на классы в зависимости от степени их влияния и необходимости соблюдения на различных этапах решения.

7) Предложены критерии оптимальности размещения оборудования и трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа, позволяющие оценить капитальные затраты на строительные конструкции цеха, трубопроводы, средства транспортировки веществ, металлоконструкции для этажерок и площадок обслуживания, а также эксплуатационные затраты на транспортировку веществ между аппаратами.

8) Созданная автоматизированная информационная система компоновки оборудования промышленных производств в цехах ангарного типа учитывает способ многоуровневого информационного описания объектов компоновки и разработанные аналитические и процедурные модели размещения оборудования и трассировки трубопроводов.

9) С помощью разработанной системы были решены задачи размещения оборудования и трассировки трубопроводов ряда промышленных объектов: реконструкция производства емкостного оборудования и производства насосных агрегатов ОАО «Первомайскхиммаш" — проектирование отделений механико-ферментативной обработки крахмалистого сырья спиртовых заводов мощностью 500 дал/сут и 1500 дал/сут проектным отделом ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» имени Н.С. Артемова» .