Косинцев В.И. и др. Основы проектирования химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

111

Отметим, что все подсистемы, кроме технологической, являются прак-

тически независимыми от профиля проектируемого завода, поэтому в на-

стоящее время формируются подсистемы, которые позволяют решать задачи

соответствующих частей проекта в различных проектных организациях.

Различие в технологических процессах и типах применяемого оборудо-

вания не позволяет создать универсальную подсистему технологического

проектирования, поэтому такие подсистемы разрабатываются специально

для проектирования заводов с близкой организацией технологических про-

цессов.

В состав подсистемы (САПР ЦЕМЕНТ) входят следующие пакеты при-

кладных программ:

ППП СЫРЬЕ (обработка предпроектной информации);

ППП БАЛАНС (определение основных параметров завода);

ППП ВЫБОР (выбор основного технологического оборудования);

ППП АНАЛИЗ (системный анализ технологических схем);

ППП ТРАНСПОРТ (проектирование транспортных внутризаводских

коммуникаций и вспомогательного технологического оборудования);

ППП ЗАДАНИЕ (выпуск спецификаций и задание на проектирование

смежных частей проекта).

Информационное обеспечение. Информационное обеспечение включа-

ет в свой состав следующие средства:

1. Систему управления базой данных (СУБД) это программная сис-

тема, осуществляющая распределение памяти под разделы БД, а также опе-

рации занесения, поиска и стирания информации.

2. Систему организационных мероприятий, поддерживающих базу

данных, куда входят информационные источники, а также подразделения,

ответственные за своевременную корректировку содержимого общесистем-

ных разделов БД.

3. Непосредственные разделы базы данных (БД).

В большинстве случаев для выбора оборудования и определения пара-

метров, характеризующих его работу в конкретной технологической ситуа-

ции, недостаточно знаний констант, которые могут быть получены из БД.

Так производительность агрегата, потребляемая мощность, нормы обслужи-

вания, как правило, зависят от свойств перерабатываемых материалов. Для

того чтобы учесть наличие несложных функциональных зависимостей, в

САПР ЦЕМЕНТ база данных дополнена библиотекой фрагментов (БФ).

Фрагмент это процедура, описывающая на специальном языке алгоритм

расчета одного или нескольких параметров, причем во фрагменте можно ис-

пользовать информацию из БД. Обращение к фрагменту осуществляет сис-

тема при обнаружении в БД ресурса, указывающего номер фрагмента.

Методическое обеспечение. Методический материал включает в свой

состав следующие виды документов:

112

общее описание системы, в которой излагаются принципы построения

и описание функционирования системы в целом и взаимодействие различных

видов обеспечения;

описание программного обеспечения, которое содержит алгоритмы

вычислительных процессов и структуры программ;

описание информационного обеспечения;

инструкция по эксплуатации.

Последний вид документа является основным для проектировщика, ра-

ботающего с отдельными компонентами САПР. В нем рассмотрены форматы

обращения к программам системы для решения различных проектных задач,

а также ситуации, возникающие в процессе решения.

3.8.1. Функционирование САПР

На рис. 3.4 представлена укрупненная схема функционирования

САПР ЦЕМЕНТ.

Рассмотрим отдельные этапы процесса проектирования в режиме авто-

матизированного проектирования.

ЭТАП 1. Как было сказано ранее, важнейшее требование к САПР это

детальный учет предпроектной информации и ее использование при приня-

тии проектных решений. Проектированию цементных заводов, а также пере-

ходу на новую сырьевую базу действующих заводов предшествует геологи-

ческая разведка предполагаемых месторождений сырья. На основании этой

информации определяются достоверные оценки запасов сырья, распределе-

ние его по различным категориям качества, параметры изменчивости техно-

логических свойств и рациональные варианты разработки карьера с учетом

возможности шихтовки. На этом этапе в БД ОБКТ.ПОТОК (база данных раз-

дела технологических потоков объекта) заносятся характеристики исходных

сырьевых потоков.

ЭТАП 2. На основании полученных характеристик сырьевых материа-

лов определяются укрупненные показатели завода: расходы технологических

потоков в годовом исчислении (материальный баланс завода), производи-

тельность основных переделов с учетом режима их работы, объем резервных

складов, потребность во вспомогательных материалах и т. д. Полученная ин-

формация используется для предварительного технико-экономического ана-

лиза варианта, а также для более детальной проработки на дальнейших эта-

пах проектирования. Выпускаются задания для проектирования карьера,

внешнего транспорта и технико-экономического обоснования. Информация,

характеризующая технологические потоки, заносится в БД ОБКТ.ПОТОК.

ЭТАП 3. Конкретизация технологической схемы производится на осно-

ве системотехнического анализа различных вариантов. Основными иссле-

дуемыми параметрами при этом являются показатели надежности схемы и

уровни стабилизации показателей качества технологических процессов.

113

Рис. 3.4. Схема функционирования системы автоматизированного

проектирования цементных заводов (САПР ЦЕМЕНТ):

Д проектный документ; БД база данных; БФ библиотека фрагментов; БАЛАНС

материальный баланс завода; ППП пакет прикладных программ; ЗД задание на проек-

тирование нетехнологических подсистем; РСЧ расчетно-пояснительная записка;

ОПРОС опросный лист; Ч чертеж; СПЦФ спецификация

Далее на основании требуемой производительности переделов с учетом

технологических характеристик перерабатываемых материалов выбираются

типоразмеры оборудования и его потребное количество. Информация о вы-

бранном оборудовании заносится в БД ОБТК.ОБОРУД (база данных обще-

114

системного раздела оборудования, используемая при проектировании це-

ментных заводов).

ЭТАП 4. Компоновка оборудования в первой очереди САПР ЦЕМЕНТ

производится с использованием традиционных ручных операций. Здесь оп-

ределяются также трассы внутризаводских коммуникаций.

ЭТАП 5. После формирования технологической схемы и компоновки

основного технологического оборудования производится проектирование

внутризаводского транспорта, систем аспирации и другого вспомогательного

оборудования. Исходной информацией являются характеристики транспор-

тируемых материалов, схемы трасс коммуникаций и условия окружающей

среды. Выбираются типоразмеры оборудования и комплектующие изделия,

составляются опросные листы по формам заводов-изготовителей. Данные об

оборудовании заносятся в БД.

ЭТАП 6. Основную часть оборудования, поставляемого на строящиеся

цементные заводы, составляет серийное оборудование, выпускаемое маши-

ностроительными заводами. Однако, целый ряд узлов и несложных механиз-

мов изготавливается по чертежам, разработанным проектными организация-

ми. В САПР ЦЕМЕНТ в качестве первой попытки выпуска конструкторской

документации реализована программа конструирования переходных узлов

газоходов.

Завершающей стадией технологического проектирования является вы-

пуск заказных спецификаций и зданий на разработку смежных частей проек-

та: электроснабжение, КИП и автоматика, сантехника, строительные конст-

рукции, составление смет. Исходной информацией для автоматизированного

выпуска перечисленных документов являются данные о выбранном оборудо-

вании из БД ОБКТ.ОБОРУД.

3.8.2. Основные пакеты прикладных программ (ППП)

технологической подсистемы САПР ЦЕМЕНТ

ППП СЫРЬЕ включает комплекс программных блоков, автоматизи-

рующих обработку результатов исследовательских работ, выполняемых при

оценке качества цементного сырья по геологоразведочным данным. В каче-

стве исходной информации используются результаты предварительной, де-

тальной или эксплуатационной разведки месторождений.

Обработка геологической информации с использованием ППП СЫРЬЕ

производится в несколько этапов.

Этап 1. Ввод геологической информации и занесение ее в БД

ОБКТ.ГЕО.

Заносятся координаты разведочных скважин, а также высотные привяз-

ки и полный химический состав выделенных интервальных проб (кернов). На

основании поинтервальных данных формируется так называемое геополе

карьера, то есть такой информационный массив, в котором для каждого уча-

стка карьера определены достоверные химические характеристики.

115

Этап 2. Определение усредненных показателей, характеризующих каче-

ство сырья в залежи.

Расчеты следует производить для различных участков карьера. Полу-

чить наиболее рациональное решение можно путем сравнения различных ва-

риантов. При этом варьируются:

границы исследуемой области (контур карьера); высотные отметки

отрабатываемой толщи;

условия исключения из переработки некондиционного сырья.

Результатом работы на этом этапе является следующая информация:

– средние значения исследуемых химических характеристик;

– их среднеквадратичные отклонения;

– объемы добычи полезной и некондиционной породы;

– объемы породы с заданными качественными характеристиками.

Этап 3. Определение динамических характеристик изменчивости

свойств сырьевых материалов.

На этом этапе вначале определяются корреляционные функции измен-

чивости сырья в пространстве карьера. Знание характеристик изменчивости

сырья на карьере позволяет разрабатывать рациональные мероприятия по

компенсации этих изменений. Эти мероприятия могут затрагивать как техно-

логическую схему переработки сырья, так и стратегию добычи сырья на

карьере.

Этап 4. Формирование плана горных работ с учетом стабилизации каче-

ства добываемого сырья.

Этот этап производится в диалоговом режиме. Проектировщику предос-

тавлена возможность на дисплее отобразить любой участок карьера.

Моделирование процесса планирования добычи сырья заключается в

том, что проектировщик выбирает количество экскаваторов, их максималь-

ную производительность, расставляет их на участки и задает направление

передвижения с учетом ограничений, накладываемых на проведение горных

работ.

Меняя стратегию разработки карьера, можно добиться максимального

снижения исходной неоднородности.

Этап 5. Расчет параметров сырьевой смеси.

Исходными данными для работы программы являются шифры сырьевых

компонентов, из которых составляется сырьевая смесь, а также задания на

модульные характеристики смеси коэффициент насыщения, силикатный и

глиноземный модули. Необходимая для расчетов информация о химических

характеристиках смешиваемых материалов поступает в программу БД

ОБКТ.ГЕО. В результате расчетов определяется рецепт сырьевой смеси, т. е.

массовые доли всех смешиваемых материалов, а также соответствующие

рецепту концентрации в смеси основных оксидов.

ППП БАЛАНС. После того, как определены технологические свойства

исходных сырьевых материалов и подобран рецепт сырьевой смеси, произ-

116

водится формирование укрупненной технологической схемы. Как правило,

анализировать нужно несколько вариантов с целью выбора из них наиболее

рационального. Анализ каждого варианта технологической схемы начинается

с расчета материального баланса завода. Материальный баланс это список

потоков основных технологических материалов с указанием их годовых рас-

ходов.

На основании данных материального баланса решаются задачи, необхо-

димые для предварительной оценки технико-экономических показателей за-

вода и дальнейшей проектной проработки.

Работа с ППП БАЛАНС производится поэтапно.

Этап 1. Определение ассортимента выпускаемой продукции.

При решении этой задачи следует учитывать как технологические, так и

экономические факторы. К экономическим относятся: потребность региона в

различных марках цемента, уровень оптовых цен, а также наличие необхо-

димых ресурсов и их стоимость.

Технологические факторы это закономерности изменения свойств це-

мента в зависимости от состава цементной шихты и технологических режи-

мов его производства.

Задача сводится к поиску такого ассортимента производимого цемента,

который обеспечивает максимальную прибыль с учетом ограничений на вы-

пуск отдельных марок цемента и на возможность использования различных

ресурсов.

Этап 2. Ввод информации о технологических потоках (материалах).

Здесь вводятся цифры и наименование потока, а также параметры, ха-

рактеризующие технологические свойства, удельные расходы различных ре-

сурсов для производства данного материала, планируемые технологические

операции (шифр операции, режим работы, нормы потерь).

В САПР ЦЕМЕНТ с целью автоматизации процесса формирования тех-

нологической схемы предусмотрен режим генерации информации о потоках

с использованием библиотеки фрагментов типовых проектных решений.

В том случае, если фактические проектные решения отличаются от ти-

повых, заложенных во фрагментах, проектировщик должен откорректировать

задание, сгенерированное системой.

Этап 3. Расчет материального баланса.

Здесь окончательно формируется проектируемая технологическая схема,

которая фиксируется в виде описаний технологических потоков в БД

ОБКТ.ПОТОК; в виде таблицы материального баланса и, наконец, в виде

чертежа технологической схемы.

Этап 4. Оценка экономических показателей проектируемого объекта.

В САПР ЦЕМЕНТ для экономической оценки проектных решений на

ранних стадиях проектирования принят метод экспрессной экономической

оценки на основании использования технико-экономических нормативов.

117

База данных экспрессной системы экономических оценок содержит

нормы расхода натуральных показателей на выполнение различных техноло-

гических операций. Таким образом, имея информацию о выполняемых на

проектируемом объекте технологических операциях, нормы расхода нату-

ральных показателей, а также их цены для района строительства, программа

рассчитывает следующие технико-экономические показатели проекта:

полную потребность в ресурсах;

стоимость основных фондов;

себестоимость реализуемой продукции;

годовую прибыль;

предполагаемый срок окупаемости затрат на строительство завода.

Этап 5. Выпуск сопутствующих документов.

ППП ВЫБОР. Основной процедурой выбора оборудования, наилуч-

шим образом соответствующего выполнению заданной технологической

операции, является расчет производительности этого оборудования и по-

требляемых им ресурсов. Эту задачу можно решить двумя путями. Первый

путь методически связан с моделированием процессов тепло- и массообмена,

а также кинетики химических и физических превращений, происходящих в

аппарате.

Это сложный путь, он связан с созданием серьезных программ для каж-

дого типа агрегатов. Расчет по таким программам требует ввода большого

количества данных, характеризующих конструкцию агрегата. Создание и ис-

пользование таких программ целесообразнее в случаях, когда требуется кон-

структивная проработка агрегата (проектирование новых, реконструкция

действующих).

В том случае, когда требуется прогнозировать производительность се-

рийного аппарата, возможно использование упрощенной методики. Для се-

рийных агрегатов установлена паспортная производительность, соответст-

вующая производительности в определенных условиях (физико-химические

свойства исходного и выходного продукта, условия окружающей среды и т.

д.). Для корректирования значения производительности используются эмпи-

рические зависимости, учитывающие влияние факторов, отличных от тех,

которые зафиксированы при определении паспортной производительности.

В САПР ЦЕМЕНТ реализованы оба подхода к определению производи-

тельности и потребляемых ресурсов. В качестве примера программы, исполь-

зующей первый подход, можно назвать, прежде всего, программу расчета

печных агрегатов. Работа этой программы основана на решении системы не-

линейных уравнений, описывающих противоточное движение обжигаемого

материала и пылегазовой среды с учетом протекания процессов теплообмена,

сушки, декарбонизации, образования жидкой фазы, минералообразования и

других.

На описании функционирования процедуры выбора оборудования, ос-

нованной на второй из перечисленных выше методик, остановимся подроб-

118

нее. Работа этой системы основана на взаимодействии следующих четырех

компонентов САПР:

1. В БД ОБКТ.ПОТОК содержится информация о свойствах перерабаты-

ваемых материалов (влажность, крупность, прочность, остаток на сите вы-

ходного продукта и т. д.).

2. В БД ОСР.ОБОРУД указываются паспортные данные, характеризую-

щие часовую производительность и условия применимости (максимальную

влажность, размер куска и т. д.). Кроме того, в этом разделе БД указывается в

случае необходимости номер фрагмента, к которому следует обратиться при

выборе агрегата.

3. В библиотеке фрагментов хранятся фрагменты, реализующие арифме-

тические и логические операции, необходимые для вычисления требуемых

параметров (часовая производительность, потребность в энергоресурсах и т.

д.).

4. Технолог, эксплуатирующий систему, при выборе оборудования дол-

жен указать следующую информацию: группу локальных кодов оборудова-

ния, которая должна анализироваться с точки зрения выполнения данной

технологической операции; шифры потоков, обрабатываемых данным видом

оборудования. Кроме того, в задании могут указываться данные, характери-

зующие режим работы оборудования (нормативный коэффициент использо-

вания, годовой фонд времени). Указывается также критерий выбора обору-

дования. Здесь следует сказать, что использование в качестве критерия непо-

средственно себестоимости данной технологической операции не всегда яв-

ляется обоснованным. Действительно, поскольку данный агрегат работает в

системе агрегатов, составляющих технологическую схему, существует ряд

показателей (кроме себестоимости данной операции), влияющих на технико-

экономические показатели работы всего объекта.

Таким образом, процесс выбора оборудования состоит из следующих

операций.

Операция выбора оборудования. Перебираются все типы оборудова-

ния, указанные технологом в группе локальных кодов. Для каждого типа оп-

ределяется значение критерия, оценивающего степень его пригодности.

По окончании перебора определяется оборудование с экстремальным

значением критерия. Выбранное оборудование заносится в БД

ОБКТ.ОБОРУД.

Операция вычисления критерия. Перебираются все технологические

потоки, которые предполагается перерабатывать данным видом оборудова-

ния. Для каждого материала определяется возможность его переработки и

часовая производительность, далее из БД ОБКТ.ПОТОК выбирается годовая

потребность в данном материале и рассчитывается годовой фонд времени

для переработки необходимого объема. Если хоть один материал по какой-

либо причине не может быть переработан, то данное оборудование исключа-

ется из дальнейшего анализа, в противном случае определяется общий годо-

119

вой фонд времени, необходимый для обработки всех материалов, необходи-

мое количество агрегатов и значение критерия.

Операция определения возможности переработки материала и часо-

вой производительности. Из БД ОБКТ.ОБОРУД выбираются параметры,

характеризующие технологическую применимость проверяемого оборудова-

ния. По шифру каждого их этих параметров в БД ОБКТ.ПОТОК ищется фак-

тическое значение аналогичного параметра перерабатываемого материала, и

если фактическое значение лежит вне области разрешенных значений, дела-

ется пометка о невозможности применения этого вида оборудования. В том

случае, если имеется параметр, указывающий на необходимость обращения к

фрагменту, система вызывает заданный фрагмент, где производятся вычис-

ления часовой производительности и потребных ресурсов. Если вызов фраг-

мента не предусмотрен, то в качестве расчетных значений параметров выби-

раются паспортные данные.

ППП АНАЛИЗ. Выбор оптимального варианта технологической схемы

должен основываться на сравнении прогнозируемых значений показателей,

характеризующих качество функционирования проектируемого объекта. К

таким показателям следует отнести: себестоимость выпускаемой продукции,

возможность гарантированного выполнения производственных заданий по

выпуску готовой продукции и, наконец, возможность гарантированного вы-

пуска продукции заданного качества. Определение себестоимости выпускае-

мой продукции производится подсистемой расчета технико-экономических

показателей. Получение же достоверных прогнозных оценок, характеризую-

щих функциональные возможности проектируемого предприятия, основыва-

ется на его системотехническом анализе.

При системотехническом анализе используют два принципа моделиро-

вания процессов. Первый принцип основан на математической имитации

процессов, происходящих в реальных объектах. Такой метод моделирования

называется имитационным моделированием. В САПР ЦЕМЕНТ на основе

имитационного моделирования прогнозируется производительность техно-

логической линии.

При моделировании завод рассматривается как сложная система агрега-

тов, каждый из которых подвержен воздействию большого числа факторов.

Эти факторы могут быть предсказуемыми (технологический режим,

плановые ремонты), а также случайными (выход из строя оборудования, пе-

реполнение емкости и т. д.). Каждое из этих событий изменяет состояние как

отдельного агрегата, так и системы в целом.

Описание технологической схемы для имитационного процесса сводит-

ся к перечислению стандартных блоков (технологические агрегаты (ТА); бу-

ферная емкость (РФ); блок управления группой технологических агрегатов

(БУ); блок управления элементарной технологической цепочкой и др.), каж-

дый из которых воспроизводит функционирование отдельного элемента схе-

мы.

120

В результате имитационного моделирования работы схемы за достаточ-

но большой срок (например, 20 000 часов) определяются такие показатели

проектируемого завода, как производительность и возможные отклонения ее

от среднего значения, коэффициент использования оборудования, вероят-

ность нахождения системы в различных технологических режимах, графики

нагрузок на источники энергии.

Второй принцип анализа технологических схем основан на использова-

нии передаточных функций отдельных объектов. Если при имитационном

моделировании исследуется протекание процессов во времени, то в методе

передаточных функций на основе теории динамических систем рассчитыва-

ются непосредственно изменения интегральных характеристик технологиче-

ских потоков при прохождении их через агрегаты. Передаточная функция аг-

регата позволяет на основании характеристики потока на входе в агрегат и

динамической модели агрегата определить соответствующие характеристики

потока на выходе.

ППП ТРАНСПОРТ. После компоновки основного технологического

оборудования и определения трасс коммуникаций проектируются средства

внутрицехового транспорта и вспомогательное оборудование. В первой оче-

реди САПР ЦЕМЕНТ задействованы программы, автоматизирующие проек-

тирование следующего вида оборудования: ленточных конвейеров, пластин-

чатых конвейеров, ленточных питателей, пластинчатых питателей, винтовых

конвейеров, ковшевых элеваторов, грейферных кранов, пневмотранспорта,

гидротранспорта, аспирации участков перегрузки, дробилок, элеваторов, си-

лосов и бункеров.

ППП ЗАДАНИЕ. По окончании работы предыдущих стадий автомати-

зированного проектирования в БД ОБКТ.ОБОРУД. накоплена информация,

характеризующая примененное оборудование.

Здесь собраны данные, необходимые для выпуска заказных специфика-

ций и заданий на разработку смежных частей проекта. Для выпуска этих до-

кументов необходимо дополнить соответствующий раздел БД информацией

о том оборудовании, которое по каким-либо причинам было выбрано проек-

тировщиком без использования САПР ЦЕМЕНТ и отсутствует в БД

ОБКТ.ОБОРУД.

В первой очереди САПР ЦЕМЕНТ предусмотрена выдача следующих

заданий:

задание на проектирование электроснабжения, в котором указываются

все электроприемники, установленные в данном оборудовании, их мощности

и скорости вращения;

задание на техническое водоснабжение;

задание на составление смет на монтаж и приобретение оборудования;

список тепловыделений для проектирования системы вентиляции.