Система автоматизации проектирования технологии производства и переработки порошкообразных материалов

Как было отмечено в принятых ХХУ1 съездом КПСС «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.», расширение автоматизации проектно-конструкторских работ с использованием электронно-вычислительной техники является одним из основных путей использования достижений науки и техники в народном хозяйстве.

Многие задачи технического прогресса в металлургии и химической промышленности, в электронике и энергетике, пшцевой и фармацевтической промышленности, в производстве строительных материалов, твердых топлив для реактивных двигателей, взрывчатых веществ и т. п. связаны с получением порошкообразных материалов. Их мировое производство достигает миллиарда тонн в год. На это затрачивается около 10% всей вырабатываемой электроэнергии. Несколько миллионов тонн высококачественной стали расходуется только на изготовление мелющих тел l.

Однако, несмотря на все возрастающее значение порошковой технологии, теория ее механических процессов (измельчение, смешивание, классификация, сушка и т. п.) разработана в недостаточной степени, а многочисленные эмпирические исследования почти не обобщены. Этим объясняется не всегда оправданный выбор оборудования и технологических схем при проектировании, в то время как современная технология предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к качеству порошков по дисперсности, чистоте, сохранности и т. д.

В связи с этим в нашей стране и за рубежом проявляется повышенный интерес к созданию систем автоматизированного проi — 5 ектирования предприятий и технологических линий производства порошкообразных материалов. Составной частью таких технологических САПР является подсистема анализа критериев эффективности проектируемых систем, позволяющая определить возможность получения готового продукта заданного качества [2]. Существующие системы анализа качества продукта базируются на частных эмпирических зависимостях, и могут быть использованы только для исследования кинетики дисперсности материалов с известными физико-механическими свойствами, перерабатываемым по заранее фиксированной технологической схеме [3−5, 90−92] .

Таким образом, создание системы анализа качества продукта в виде подсистемы САПР механических процессов порошковой технологии (МППТ), обладающей свойством универсальности с точки зрения используемого оборудования, перерабатываемого материала и топологии технологической схемы, представляет собой актуальную задачу, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение. При этом данная подсистема должна обладать всеми свойствами системы и быть самостоятельной системой, т. е. отвечать основным принципам создания САПР и содержать такие компоненты, как математическое, лингвистическое, программное, информационное и методическое обеспечения.

Создание такой системы оказалось возможным благодаря развитию нового научного направления в области описания кинетики разделительных процессов, разрабатываемого профессором Е. А. Непомнящим [б]. Причины, по которым до сих пор не были созданы подобные системы, следует, видимо, искать в сложности связей между параметрами реальных процессов и моделей этой кинетической теории, отсутствии действенных методик их определения, невозможности использования в практических ситуациях аналитических решений, а при решении на ЭВМ, в необходимости применения специальных методов.

Цель работы. Целью данной работы является исследование принципов и методов организации основных компонентов САПР МППТ и реализации на основе этого исследования подсистемы анализа качества продукта.

Для достижения поставленной цели требуется решить ряд конкретных задач:

— разработать и исследовать систему аналитических и имитационных моделей, описывающих предметную область;

— определить структуру лингвистического обеспечения подсистемы анализа качества (ПАК) проектируемого продукта, осуществляющую взаимодействие проектировщика и ЭВМ при решении проектных задач в пакетном и диалоговом режимах;

— исследовать и реализовать архитектуру программного и информационного обеспечений ПАК, ориентированных на экономичность разработки;

— разработать методическое обеспечение ПАК с целью эффективной эксплуатации системы.

Основные методы исследования. Разработка концепций ПАК и обоснование предложенных архитектурных решений выполнялись с использованием теории и методов построения пакетов прикладных программ, систем моделирования, систем управления базами данных, непроцедурных проблемно-ориентированных систем программирования и диалоговых систем программирования. В исследованиях применялся аппарат математической физики, теории разностных схем и теории идентификации систем. При решении задач реализации использовались теория и методы системного программирования, связанные с разработкой транслятора, методов доступа и подсистемы генерации пакета.

Основные научные результаты. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

1. Предложена система аналитических и имитационных моделей описания механических процессов порошковой технологии, которая, в отличие от известных [3−5, 91, 92], позволяет реализовать ПАК САПР, инвариантную по отношению к используемому оборудованию, перерабатываемому продукту и топологии технологической схемы.

2. Впервые определена и обоснована структура непроцедурного проблемно-ориентированного языка проектирования применительно к САПР МППТ. Этот язык обеспечивает автоматизированное построение моделей аппаратов и технологических линий по содержательному описанию кал в пакетном, так и в диалоговом режимах.

3. Предложена архитектура программного обеспечения ПАК МППТ в форме пакета программ, основным отличием которой является использование макропроцессора для генерации управляющей программы, что позволяет адаптировать ПО к условиям эксплуатации и расширению предметной области.

4. Предложены методы идентификации моделей, отличающиеся от известных [7] для данных типов моделей тем, что позволяют примерно в два раза сократить пространство поиска параметров.

Практическая ценность. Практическая ценность результатов.

— 8 ~ диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана подсистема анализа качества перерабатываемого материала, являющаяся составной частью САПР МППТ. Данная подсистема предоставляет возможность проектировщикам технологии производства и переработки порошкообразныхкматериалов оценить дисперсные характеристики проектируемого продукта в заданные моменты времени в зависимости от топологии технологической схемы, режимов работы оборудования и свойств материала.

2. Предложена и реализована методика построения транслятора входного языка системы с использованием штатного макрогенератора ПД/1. Разработанный по этой методике транслятор обладает свойствами расширения и терминологической настройки.

3. Разработана подсистема генерации пакета программ, позволяющая автоматизировать процесс совершенствования программного обеспечения системы на пути замены существующих и добавления новых моделей и обеспечивающая настройку пакета на конкретные условия эксплуатации.

4. Разработаны методики практического использования системы, позволяющие существенно сократить сроки внедрения ПАК САПР МППТ в проектных организациях.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации использованы в двух научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре Теоретической механики ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина).

Разработанная ПАК САПР МППТ использована при проектировании технологической линии производства ферритового порошка на предприятии г. Рыбинска, при проектировании технологической линии по шлифованию сложнопрофильных изделий в ВНИИАШ (г.Ленинград), Отдельные элементы ПАК используются в Московском институте химического машиностроения для исследования кинетики разделительных процессов в гидроциклонных аппаратах.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 150 тыс.рублей. Документы, подтверждающие внедрение, приведены в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— 6-м Международном конгрессе по химической технологии, химическому машиностроению и автоматизации проектирования, г. Прага, 1978;

— 3-й Всесоюзной конференции «Механика сыпучих материалов», г. Одесса, 1975;

— 4-й Всесоюзной конференции «Механика сыпучих материалов',' г. Одесса, 1980;

— 1-м Всесоюзном симпозиуме «Исследование и промышленное применение гидроциклонов», г. Горький, 1980;

— 4-м Всесоюзном симпозиуме «Реология бетонных смесей и ее технологические задачи», г. Юрмала, 1982;

— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), г. Ленинград, 1974;1982.

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 19 печатных работ.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Реализована и исследована система автоматизированного проектирования производства и переработки порошкообразного материала, обеспечивающая возможность анализа качества проектируемых технологических схем в широком диапазоне используемого оборудования и перерабатываемых материалов. Данная система существенно отличается от известных систем анализа качества? 3−5, 91−92], в которых исследуется только кинетика удельной поверхности материала определенного вида в фиксированной технологической схеме.

2. Предложена система аналитических и имитационных моделей описания МППТ, концептуально обоснованная кинетической теорией разделительных процессов, что обеспечило построение математического обеспечения данной САПР, отличающейся адекватным покрытием практически применяемых аппаратов, материалов и технологических схем.

3. Впервые предложен и реализован непроцедурный проблемно-ориентированный язык проектирования применительно к данной предметной области. Программы, написанные на этом языке, обеспечивают автоматизированное построение аналитических моделей аппаратов и имитационных моделей технологических схем по содержательному описанию и предоставляют проектанту качественные характеристики перерабатываемого продукта в любой точке технологической схемы*в заданные моменты модельного времени. Предложенная методика реализации транслятора с использованием штатного макрогенератора (препроцессора ПЛ/1) обеспечивает возможность расширения языка и его терминологическую настройку.

4. Предложена и реализована архитектура программного обеспечения САПР МППТ, обоснованная формализацией модели предметной области, отличительной особенностью которой является полная генерация управляющей программы, что обеспечивает общесистемный принцип развития и экономичность разработки. Включение в состав ПО обслуживающей подсистемы генерации пакета позволяет автоматизировать процесс совершенствования программного обеспечения на пути замены существующих и добавления новых моделей без переделки управляющей программы пакета, а также обеспечивает настройку пакета на конкретные условия эксплуатации.

5. Разработаны и исследованы методы и алгоритмы идентификации обобщенной и тонкодисперсной моделей типа измельчения. Эти методы базируются на доказанной в работе теореме, связывающей математическое ожидание и дисперсию решения модельного уравнения с их коэффициентами сноса и диффузии, и теореме, связывающей характерные точки стационарного решения уравнений с их коэффициентами. Эти методы, в отличие от предлагаемых для таких типов моделей эвристических методов? 7 позволяют примерно в два раза сократить пространство поиска идентифицируемых параметров.

6. Построена математическая модель процесса измельчения (обобщенная модель), дисперсный состав которого изменяется от средней крупности (2−3 мм) до сверхтонкого (менее 0.1 мкм). Известные модели описывают процесс измельчения материала либо в области «нормального» помола (1.0−0.1 мм) [9, 10, 37^, либо в области диспергирования (10−0.I мкм) [6, 34, 35, 89].

7. Разработано методическое обеспечение САПР МППГ, содержащее процедуры решения типовых задач проектирования. Применение этих процедур существенно сокращает сроки внедрения данной САПР в эксплуатацию технологами-проектантами различной категории подготовки.

8. На основе метода сеток построены однородные монотонные разностные схемы решения модельных задач на ЭВМ. Доказано, что эти схемы при выполнении соответствующих условий устойчивы с точки зрения расширенного понятия Т (В) — устойчивости для уравнений Колмогорова-Фоккера-Плаяка и имеют точность порядка 0 (h + Т).

При этом, в отличие от [59], показана необходимость включения в определение Т (В) — устойчивости требования на сохранение асимптотических характеристик численного решения модельных уравнений. Доказательство Т (В) — устойчивости проведено на основе условий устойчивости монотонных схем и доказанной в. работе теоремы о сохранении нормы монотонных схем. С целью ослабления условий устойчивости модельные уравнения были заменены соответствующими возмущенными уравнениями.

Для обобщенной модели измельчения показана необходимость применения неравномерной сетки по пространственной переменной с целью сокращения затрат машинного времени. Проведенный модульный анализ вычислительных алгоритмов, построенных на основе разработанных схем, обеспечивает эффективность вычислений.

9. Разработан способ представления экспериментальных данных гранулометрического состава перерабатываемого материала полиномиальными сплайнами. Исследованы возможные отрицательные эффекты, вызванные недостаточной точностью дисперсионного анализа. Разработаны алгоритмы преодоления этих эффектов. Предложенный способ обеспечивает представление дифференциальных характеристик гранулометрического состава порошка с наперед заданной точностью в отличие от традиционно применяемых в теории измельчения [9]. Кроме того, он обеспечивает ал-гебраизацию задач, решаемых при идентификации моделей, путем замены трудновыполнимых вычислений интегралов алгебраическими операциями со сплайнами.

10. Реализованный банк данных систем позволяет эффективно решать проблему обеспечения проектировщика достоверной информацией о параметрах существующих и проектируемых объектов, необходимых как для идентификации математических моделей, так и для накопления опыта эксплуатации системы. Для обеспечения возможности модификации структуры данных при проектировании банка данных реализован принцип независимости физического и логического уровней записи.

Основные практические результаты данной работы заключаются в следующем:

I. Разработанная САПР МППТ является уникальной в том смысле, что она позволяет прогнозировать кинетику качественных характеристик материала в процессе его переработки в технологических линиях различной конфигурации. Эта система проектирования реализована в виде пакета программ, снабженного входным языком и банком данных, что дает возможность проводить решение проектных задач лицам, не имеющим профессиональной подготовки в области программирования. Это существенно отличает предлагаемую систему проектирования от подобных систем [2−5, 9l], в которых моделируется кинетика только удельной поверхности заданного типа материала (например, только железной руды [91] или только асбеста [з]) в фиксированных технологических линиях или даже только в фиксированном аппарате [ 4].

2. Разработанное методическое обеспечение САПР МППТ содержит две проектные процедуры решения типовых задач:

— процедуру определения параметров модели процесса измельчения;

— процедуру определения качественных характеристик перерабатываемого продукта в технологических линиях различной конфигурации.

Использование этих процедур существенно сокращает сроки внедрения САПР в эксплуатацию технологами-проектировщиками различной категории подготовки и позволяет, в отличие от [3, 90], оптимизировать как проектируемые, так и существующие линии с точки зрения качества готового продукта.

Выполненные в работе исследования являются первым шагом в создании систем проектирования механических процессов порошковой технологии. Они открывают перспективу для развития подобных систем. Можно отметить два основных направления такого развития.

Первое направление определяется внутренними потребностями порошковой технологии. Для целей практики необходимо рассматривать количественные и энергетические стороны проектируемых процессов, в то время как в выполненной работе рассматс ривались лишь вопросы кинетики качественных характеристик.

Проектирование количественных характеристик может быть осуществлено введением в структуру описания моделей процессов на входном языке показателей производительности аппаратов. Вопросы проектирования энергетических затрат требуют проведения специальных исследований и разработки соответствующих моделей, так как энергозатраты определяются не только перерабатываемым материалом, но и конкретно используемым оборудованием. Другой путь в этом направлении — это разработка и включение моделей других технологических процессов.

Оба эти пути следует развивать на базе накопленного опыта эксплуатации предлагаемой системы проектирования, когда будут выявлены ее достоинства и недостатки, сфера применения, удобство использования и другие аспекты.

Второе направление определяется необходимостью повышения «интеллектуальности» [31] системы проектирования. Для достижения этого необходимо, в частности, расширить режим интерактивного диалога с пользователем. На этом пути следует проанализировать необходимые количественные и качественные стороны такого интерактивного режима. Этот анализ должен проводиться с учетом опыта эксплуатации созданной системы в режиме диалога.

Заключение

.