Математическое моделирование многономенклатурных дискретно-непрерывных химико-технологических систем производств нитратов целлюлозы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Математическое моделирование многономенклатурных дискретно-непрерывных химико-технологических систем производств нитратов целлюлозы

Матренина Ольга Михайловна

Казань - 2010



Работа выполнена в Казанском государственном энергетическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Марченко Герман Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Захаров Вячеслав Михайлович доктор технических наук, профессор Гурьянов Алексей Ильич

Ведущая организация: Казанский государственный технологический университет

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.079.01 доктор физ.-мат. наук, профессор П.Г. Данилаев

1. Общая характеристика работы

математический аппарат сеть петри

Актуальность работы. Распад планово-директивной системы управления, переход к рыночной экономике, смена военной доктрины РФ поставили заводы технической химии в критическую ситуацию. Госзаказ на продукцию оборонного назначения снизился в десятки раз, нарушились связи с традиционными поставщиками сырья, при существующих возможностях штатных технологий выпуск гражданской продукции ограничен и не восполняет утраченный объем госзаказа. Все это привело к сворачиванию производств, сокращению рабочих мест, увеличению социальной напряженности. Одним из путей преодоления кризиса является внедрение гибких технологий двойного назначения. Для химических отраслей это, прежде всего, реорганизация крупнотоннажных производств в систему автономных малотоннажных технологических модулей, перестраиваемых на новые виды продукции. При этом остается чрезвычайно актуальной проблема обратимой конверсии.

Организация на базе функционирующих предприятий гибких многоассортиментных производственных систем, при условии сохранения возможности восстановления в прежних объемах выпуска штатной продукции, требует проведения целого ряда исследовательских работ. В силу сложности задач моделирования и анализа таких систем (большие размеры, дискретность материальных потоков, сложная структура технологических связей) для их решения необходимо привлечение современных методов математического и компьютерного моделирования и исследования сложных дискретных и полунепрерывных систем. Проблемам моделирования подобных производств посвящены работы Кафарова В.В., Перова В.Л., Егорова А.Ф., Островского В.А., Малыгина Е.Н., Савицкой Т.B., Белькова В.П., Басырова И.Р. и других отечественных и зарубежных ученых.

Объектом исследования в данной работе является химико-технологическая система (ХТС) производства нитратов целлюлозы (НЦ), ее материальные и информационные потоки. Предмет исследования - методы и алгоритмы моделирования и оптимизации полунепрерывных производственных систем.

Целью работы является повышение эффективности функционирования химико-технологических систем с полунепрерывной организацией производства за счет повышения их адаптивности.

Для достижения указанной цели была поставлена задача разработать методику моделирования и исследования функционирования полунепрерывных химико-технологических систем и создания на их основе гибких компьютерно-интегрированных производственных систем. Данная задача включает следующие подзадачи:

Исследовать на базе системного анализа определенного типа производственные системы - многономенклатурные дискретно-непрерывные химико-технологические системы (ДНХТС).

Провести сравнительный анализ методов исследования сложных производственных систем. Обосновать целесообразность использования математического аппарата теории сетей Петри (СП) для компьютерного исследования ДНХТС.

Разработать методику моделирования многономенклатурных ДНХТС, учитывающую специфику их функционирования.

Проанализировать и выявить технологические особенности производства нитратов целлюлозы различных марок, провести выбор и обоснование способа исследования технологических процессов.

Использовать разработанную методику для исследования функционирования производства нитратов целлюлозы:

построить математические модели в виде модифицированных СП основных аппаратов, реализующих многостадийный техпроцесс производства НЦ;

построить математическую модель в виде модифицированной СП производства нитратов целлюлозы, отражающую структуру моделируемого производства и динамику его функционирования.

Разработать комплекс программ и алгоритмы имитации функционирования производства нитратов целлюлозы на основе моделирующей ее сети Петри.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались: теория сетей Петри, теория графов, методы оптимизации, а также методы вычислительной математики, объектно-ориентированного анализа и программирования.

Автор защищает:

Модификацию сетей Петри, представляющую собой подкласс дискретно-непрерывных сетей Петри, проблемно-ориентированный на моделирование многономенклатурных ДНХТС производств НЦ.

Методику моделирования модифицированными сетями Петри гибких многоассортиментных ДНХТС на конкретном примере производств НЦ.

Модель производства нитратов целлюлозы, основанную на использовании математического аппарата сетей Петри.

Разработанный на базе полученных моделей комплекс программ имитации функционирования производства нитратов целлюлозы.

Научная новизна:

На основании системного подхода к анализу производств технической химии, предложены современные методы исследования и организации технологических процессов производства нитратов целлюлозы как сложной многономенклатурной ДНХТС.

Предложено расширение теории модифицированных сетей Петри, ориентированное на моделирование многономенклатурных ДНХТС производств НЦ.

Разработаны модели типовых аппаратов, реализующих совмещенные техпроцессы многономенклатурных ДНХТС и схем их взаимодействия в виде сетей Петри.

Разработана методика синтеза моделей организации и функционирования многономенклатурных ДНХТС в форме модифицированных сетей Петри.

Разработаны СП-модели аппаратов и агрегатов, реализующих многостадийные техпроцессы производства НЦ, синтезирована модель данного производства в виде модифицированной сети Петри.

Практическая значимость:

Разработаны и освоены в условиях предприятия концептуальные основы организации гибких технологических процессов, позволяющие обеспечить устойчивое функционирование производства НЦ в условиях широкой номенклатуры продукции, выпускаемой малыми партиями.

На базе разработанной методики моделирования получены математические модели производств НЦ в форме модифицированной сети Петри.

Разработана программная реализация полученных моделей, позволяющая компьютерно моделировать и анализировать функционирование производства.

Предложены алгоритмы организации гибких многостадийных многономенклатурных ДНХТС и повышения эффективности их функционирования на основе использования СП-моделей.

На основе полученных математических моделей разработан комплекс программ, служащий основой АРМ технолога производства НЦ. Комплекс программ внедрен на действующем производстве ФГУП ФНПЦ «ГК НПП им. В.И. Ленина».

Полученные в работе методики могут быть использованы при решении задач реорганизации и оптимизации функционирования существующих ДНХТС, проектирования новых технологических процессов, а также в учебной и научно-исследовательской практике.

Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации подтверждается использованием современных математических методов и средств, сопоставлением графиков работы производства нитратов целлюлозы с контрольными, рассчитанными по математической модели, построенной на основе научных положений, отраженных в диссертации, а также эффективной практической реализацией результатов исследований на примере внедренной системы «АРМ технолога производства нитратов целлюлозы».

Личное участие. Основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д.т.н., профессора Г.Н. Марченко.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Результаты работы представлены на II семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, октябрь 2000), на V Международной научно-практической конференции КГТУ. (Казань, 1999), на Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, сентябрь 2001), на Молодежной научно-практической конференции (Альметьевск, сентябрь 2002 г.), на Международной научно-технической и методологической конференции «Современные проблемы технической химии» (Казань, 2004), на ХХ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2008), на XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Диссертация содержит 235 страниц машинописного текста, 2 таблицы, 40 рисунков, список литературы из 195 источников отечественных и зарубежных авторов.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы и формулируется цель работы.

В первой главе проведен анализ основных классов ХТС и их основных особенностей. Выделен класс многономенклатурных ДНХТС, рассмотрены их отличительные признаки и особенности структуры и функционирования. Определен круг вопросов, связанных с проблемами организации на базе таких систем гибких автоматизированных производств.

Класс многономенклатурных ДНХТС характеризуется следующими признаками:

сложная топология системы;

параллельность и асинхронность функционирования элементов;

взаимозаменяемость аппаратов в технологических линиях и вариативность технологических маршрутов при реализации многостадийных техпроцессов;

реализация совмещенных техпроцессов.

Многономенклатурные ДНХТС представляют собой структурно и функционально сложные системы, которым присущи практически все общесистемные свойства. К основным общесистемным свойствам сложных систем относятся: сложность, устойчивость, мобильность, эмерджентность, управляемость, моделируемость. Наряду с этим гибким химическим производствам присущи специфические признаки, которые должны быть учтены в процессах системного исследования, синтеза и оптимизации как технологической структуры производства в целом, так и отдельных химико-технологических систем. К ним следует отнести собственно их гибкость, модульный принцип организации, интегрированность.

Одной из характерных особенностей многоассортиментных производств является частая смена ассортимента продукции. Это делает необходимой постоянную адаптацию таких производств к изменению спроса на продукцию. Адаптация осуществляется средствами систем автоматического и автоматизированного управления на базе вычислительной техники.

Управление ДНХТС организуется на основе ее математических моделей, обладающих прогнозирующими свойствами. Задача моделирования функционирования ДНХТС заключается в описании множества возможных состояний аппаратов и в установлении закономерности их смены. Модели функционирования ДНХТС представляют собой множество взаимосвязанных аналитических, информационно-логических и эвристических зависимостей. Причем математическое и программное обеспечение информационно-управляющих подсистем по возможности должно быть универсальным, организованным по модульному принципу, обеспечивающему быструю генерацию любого его варианта, отвечающего заданным требованиям.

Из вышеизложенного следует, что гибкие ДНХТС - чрезвычайно сложные производственные системы. Управление ДНХТС требует разработки новых целенаправленных на их исследование методов моделирования. Для создания систем управления гибкими ХТС необходимы проблемно ориентированные методологии и инструментарий (средства моделирования).

Во второй главе рассматриваются методы моделирования дискретных динамических систем и проводится их сравнительный анализ. Исследование функционирования, решение задач организации управления, и также синтеза подобных дискретных динамических систем требует привлечения специальных математических методов. Традиционно для этих целей используются методы конечных автоматов, методы логико-лингвистического моделирования, аппарат теории графов и сетей, имитационное моделирование, сети Петри.

Проведен сравнительный анализ указанных методов применительно к задачам моделирования рассматриваемых систем, на основании которого в качестве основного аппарата математического моделирования в решении поставленных задач выбран аппарат теории модифицированных сетей Петри. Сети Петри обладают такими преимуществами, как возможность моделирования дискретных параллельных асинхронных процессов, наглядность получаемых моделей, сравнительная простота их компьютерной реализации и исследования.

Третья глава посвящена проблеме разработки методики моделирования многономенклатурных ДНХТС специально выделенным проблемно-ориентированными подклассом сетей Петри. На основе класса дискретно-непрерывных сетей Петри, предложенного в 1999 г. И.Р. Басыровым, строится модификация сетей Петри, включающая понятия раскрашенных маркеров, ингибиторных и самомодифицируемых дуг, временных задержек и системы приоритетов, которая ориентирована на моделирование выделенного класса ДНХТС.

Учитывая специфику многономенклатурных ДНХТС предлагается для их моделирования использовать следующий подкласс дискретно-непрерывных СП:

NP = (NP0, C, Mc, Ic, Oc, Is, Os, F, , PrT, PrC),

где NP0 =(P, T, W, M) - классическая СП, в которой Р = {p1, p2, … pn} - конечное, непустое множество позиций; Т = { t1, t2, … tm} - конечное, непустое множество переходов, PT=; WPTTP - отношение инцидентности, определяющее дуги графа СП; M : P{0, 1, 2, …} - функция маркировки позиций.

- множество атрибутов (раскрасок, цветов) сети Петри,

где , , - набор качественных характеристик, признаков наличия у метки определенных свойств. Значение eij=1 указывает на наличие у метки или дуги некоторого свойства, eij = 0 предполагает его отсутствие. , , - количественные характеристики соответствующих признаков; , NG - количество групп полупродуктов; , Ni - количество атрибутов, определяющих характерные свойства группы полупродуктов.

Mc: PС{0} - функция «раскраски» меток в позициях,

- атрибуты раскраски метки с номером k в позиции ps.

Дуги размечаются путем присвоения им атрибутов непосредственно из множества С (обыкновенные дуги), либо указанием позиции, маркировка которой будет являться раскраской дуги (самомодифицируемые дуги). Соответственно:

Ic, Oc : WC{0} - функции раскраски дуг, приписывающие дугам сети наборы атрибутов из множества С. Is, Os : WP{0} - функции, определяющие входные и выходные самомодифицируемые дуги.

С учетом раскрашенных и самомодифицируемых дуг, входная и выходная функции модифицированной СП могут быть определены следующим образом:

Для атрибутов дуг, определяемых функциями I(t,p), O(t,p) используем следующие обозначения:

- атрибуты входных дуг переходов,

- атрибуты выходных дуг переходов

F : TP{0, 1} - функция ингибиторных дуг.

: T{(1, 2, … r), j N, } - время задержки меток в переходах

PrT: TN - приоритеты переходов

Правила срабатываний переходов модифицируются следующим образом. Каждый переход находится в одном из двух состояний активирован (запущен), либо не активирован. Не активированный переход t T может быть разрешен и готов к запуску, либо не разрешен.

Пусть переход t не активирован, обозначим rI C набор атрибутов (цвет), полученный следующим образом: пусть позиция ps является входной для перехода t, т.е. I(t,ps)0 и пусть mck(ps) - раскраска ее метки с номером k, тогда - атрибуты метки с номером k, при выполнении перехода t, которые вычисляются следующим образом:

,

,

,

Для того чтобы не активированный переход t считался разрешенным необходимо чтобы для всех его входных позиций выполнялись следующие условия:

ps : I(t,ps)0 mсk(ps) Mc(ps) такая, что

1) , - качественные атрибуты дуги не ограничивают соответствующие атрибуты метки

2) - количественные атрибуты дуги не превышают соответствующих атрибутов метки во входной позиции

3) - атрибуты выбранной метки скоординированы с атрибутами меток других входных позиций перехода

4) ps : F(t,ps)0 M(ps)=0 - в ингибиторных позициях перехода метки отсутствуют

Срабатывание перехода переводит его в активированное состояние на время, соответствующее времени задержки меток в нем (t). Маркировка позиций изменяется. Для каждой из входных позиций ps: (ps,t)IO меняются параметры выбранной метки mck(ps). Новые атрибуты метки вычисляются следующим образом: , , если , в противном случае метка с параметрами mck(ps) удаляется из множества меток позиции ps полностью, а маркировка позиции уменьшается на 1: M'(ps)=M(ps) - 1.

По истечении времени (t) меняется маркировка выходных позиций перехода. Для каждой из выходных позиций pr вычисляется цвет

, cOc C, ,

В множестве меток M(ps) позиции ps ищется метка, качественные характеристики которой совпадают с цветом , т.е. . Количественные характеристики этой метки изменяются: . При отсутствии такой метки в позиции pr маркировка этой позиции увеличивается на 1: M'(pr)=M(pr) + 1, а в качестве атрибутов помещенной в позицию метки берутся атрибуты .

Данный класс модифицированных СП позволяет эффективно моделировать и исследовать особенности многономенклатурных ДНХТС.

Нелинейная структура многономенклатурных материальных потоков, предполагающая разные технологические маршруты следования партий продуктов разных марок по аппаратурным стадиям ХТС;

возможность изменения размеров партий продуктов в ходе переработки, их дробления или укрупнения.

Реализация совмещенных техпроцессов, что подразумевает

селекцию (сортировку) продуктов по маркам;

разные материальные индексы для продуктов разных марок;

управляемую последовательно-параллельную порционную загрузку и исключение нерегламентированных смешений полупродуктов.

Методика моделирования сложных ДНХТС сетями Петри базируется на следующих принципах. Основой для построения модели аппарата является фрагмент сети Петри, представленный на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Емкость аппарата моделируют позиции р2 и р3 а помещенные в них метки интерпретируются как порции полупродукта, суммарная маркировка этих позиций указывает количество и марку загруженного в аппарат полупродукта. Метки в позиции р2 интерпретируются как полупродукт загруженный в аппарат, но не обработанный, метки в позиции р3 - полупродукт, прошедший обработку в аппарате и готовый к выгрузке. Позиции р2, р3 моделирующие состояние аппарата, назовем аппаратными позициями (А-позиции). Позиция-источник р1 моделирует либо массопровод, связывающий рассматриваемый аппарат с совокупностью аппаратов предыдущей стадии, либо отдельный аппарат предыдущей стадии, либо склад исходного сырья. Позиция-сток р4 рассматривается как массопровод к аппаратам следующей стадии, отдельный аппарат следующей стадии или как склад продукции. Переход t1 моделирует вход аппарата, его срабатывание интерпретируется как событие загрузки. Выходу аппарата соответствует переход t3, срабатывание которого интерпретируется как событие разгрузки аппарата. Разметка дуг инцидентных данным переходам должна соответствовать количеству и марке перемещаемого при операциях загрузки и разгрузки полупродукта. Если аппарат начал технологический цикл, то переход t1 не может быть разрешенным до срабатывания перехода t3. Для реализации данного условия введена дополнительная позиция р5, которую назовем сигнальной (С-позицией). Маркировка позиции р5 - условие готовности аппарата к новому технологическому циклу, ее начальная маркировка соответствует максимальной вместимости аппарата.

При моделировании аппаратов периодического действия с технологическим циклом = загр + обр + разгр, для учета временных характеристик операций вводится функция : TN, которая характеризует время задержки меток в переходах. Переходу t1, моделирующему вход, приписывается время (t1)=загр. Переходу t3, как выходу аппарата приписывается время (t3)=разгр, а переходу t2 соответствует время, необходимое для обработки загруженной порции (t2)=обр.

Построенная модель позволяет описывать произвольные емкостные аппараты периодического и полунепрерывного типа, а также буферные емкости. Дополнительными переходами можно выделить несколько входов и выходов аппарата, а также детализировать отдельные этапы обработки полупродукта. Маркировкой С-позиции задается вместимость аппарата и состояние запорной арматуры, а разметкой дуг определяется порционность дискретного потока полупродукта. Фрагмент СП, моделирующий аппарат как элемент ДНХТС, назовем СП-шаблоном элемента ДНХТС. В работе приведен альбом разработанных СП-шаблонов типовых аппаратов и схем их взаимодействия. СП-модель аппарата, ориентированного на реализацию совмещенных техпроцессов и выпуск продукции разных марок представлена на рис. 2. Дополнительные С-позиции и соответствующим образом выбранная разметка инцидентных им дуг позволяют моделировать указанные особенности таких производств.

При построении общей модели ДНХТС исходной информацией служит структурная схема производства, характеристика аппаратурного оформления производства, ассортимент выпускаемой продукции и директивный техпроцесс производства для всех продуктов размещаемого ассортимента. В процессе формирования СП-модели многономенклатурной ДНХТС из СП-шаблонов ее элементов необходимо выполнить следующие этапы:

- определение ассортимента выпускаемой продукции, выявление состава технологических стадий и операций, реализующих многостадийный химико-технологический процесс, формирование технологических графов, описывающих технологические маршруты для каждого продукта выпускаемого ассортимента;

- обследование ДНХТС с целью выявления основного и вспомогательного оборудования для определения глубины детализации элементов и связей ДНХТС;

- анализ структуры связей, выявление видов сопряжения между стадиями функционально одинакового оборудования, формирование ориентированного аппаратурного графа,

- выбор СП-шаблонов отдельных аппаратов ДНХТС из альбома СП шаблонов элементов ДНХТС, их детализация, корректировка;

- графический синтез общей СП-модели ДНХТС;

- генерация системы приоритетности, принятой на производстве;

- аналитическое описание СП-модели ДНХТС;

- разработка спецификаций СП-модели ДНХТС.

В четвертой главе описано применение разработанной методики моделирования для исследования ДНХТС производства НЦ. Рассматривается производство нитратов целлюлозы (смесевых пироксилинов и коллоксилинов), включающее периодическую и полунепрерывную технологические линии. Данная производственная система в целом представляет собой комбинированную технологическую схему производства НЦ и состоит из следующих технологических фаз: подготовка кислотных смесей, подготовка целлюлозы, этерификация, рекуперация отработанных кислот, предварительная стабилизация, измельчение, окончательная стабилизация, формирование общих партий, водоотжим.

Изготовление нитратов целлюлозы представляет собой реализацию сложных многостадийных, частично совмещенных химико-технологических процессов, в совокупности аппаратов периодического и полунепрерывного действия со сложной последовательно-параллельной структурой связей. Структурная схема - данного производства представлена на рис. 3.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурная схема цеха производства НЦ

1 - хранилища кислот; 2 - мерники кислот; 3 - смесители НКС № 1 (а) и № 2 (б); 4 - баки рекуперированных (а) и отработанных кислот (б); 5 - расходные баки НКС; 6 - склад целлюлозы; 7 - кипорыхлители; 8 - нитрокомплексы периодической линии; 9 - нитрокомплекс полунепрерывной линии; 10 - вытеснители; 11 - чаны горячей промывки пироксилинов (а), коллоксилинов (б); 12 - голландеры; 13 - ажитаторы-сгустители пироксилина №1 (а), пироксилина №2 (б); 14 - ДМК; 15 - приемные ажитаторы; 16 - лаверы; 17 - смесители общих партий; 18 - расходный бак; 19 - ажитаторы водоотжима пироксилинов (а), коллоксилинов (б); 20 - водоотжимочные центрифуги пироксилинов (а), коллоксилинов (б); 21 - депо пироксилинов; 22 - автоклавы; 23 - чаны окончательной промывки; 24 - центрифуги водоотжима; 25 - депо коллоксилинов

Анализ производства НЦ позволил отнести рассматриваемую ХТС к классу многономенклатурных ХТС полунепрерывного типа. В ходе проведенного анализа было выделено 10 основных стадий, в аппаратурное оформлении каждой из которых входят аппараты и агрегаты периодического и полунепрерывного типа. Характер связей между стадиями частично- или полнодоступный. С учетом особенностей межстадийных связей сформированы СП-фрагменты основного аппаратурного обеспечения производства НЦ.

Стадия 1. Приготовление нитрационных кислотных смесей (НКС). Стадия включает следующие основные аппараты:

Хранилища кислот (1): олеума, азотной кислоты и купоросного масла (по 1 аппарату), каждое моделируется позицией-источником СП с одним выходом.

Мерники (2) олеума, азотной кислоты, купоросного масла (по 1 аппарату). Мерник олеума моделируется фрагментом, представленным на рис. 4. Модели мерников азотной кислоты и купоросного масла строятся аналогичным образом, но отличаются наличием пяти и трех цепочек А-позиций, соответствующих дозированию в пять и три смесителя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. СП-модель смесителя НКС № 1



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. СП-модель бака ОКС № 2

Смесители кислот (3): НКС № 1 (2 аппарата), НКС № 2 (3 аппарата).

Смеситель НКС № 1 моделируется фрагментом, представленным на рис. 5. Модель смесителя НКС № 2 строится аналогично, но отличается наличием в цепочке аппаратных позиций трех дополнительных переходов, соответствующих событиям загрузки отработанных кислотных смесей (ОКС) № 2 и рекуперированных кислот. Количественные атрибуты разметок дуг СП-модели смесителя получаются решением уравнений материального баланса

Q = qa + qs +qf +q02 + q01

Q·A = Aaqa + Af qf + A02q02 + A01q01

Q·S = Ssqs + Sf qf + S02q02 + S01q01

где Q - требуемое количество НКС, т; qa - необходимое количество HNO3, т; qs - необходимое количество H2SO4, т; qf - необходимое количество 1-ой фракции, т; q01 - необходимое количество ОКС №1, т; q02 - необходимое количество ОКС №2, т; A - заданное содержание HNO3, % в НКС; Aa - концентрация HNO3, %; Af - концентрация HNO3 в 1-ой фракции, %; A01 - концентрация HNO3 в ОКС №1, %; A02 - концентрация HNO3 в ОКС №2, %; S - заданное содержание H2SO4, % в НКС; Ss - концентрация H2SO4, %; Sf - концентрация H2SO4 в 1-ой фракции, %; S01 - концентрация H2SO4 в ОКС №1, %; S02 - концентрация H2SO4 в ОКС №2, %. Для смесителя НКС №1: qf=0; q02=0; Af=0; A02=0; Sf=0; S02=0. Из решения (qa, qs, q01, q02, qf) данной системы уравнений определяются кратность самомодифицируемых дуг.

Баки ОКС и рекуперированных кислот (4) (по 1 аппарату для ОКС № 1 и № 2). СП-модель бака ОКС №2 представлена на рис. 6. Модель бака ОКС № 1 строится аналогично, но отличается наличием четырех цепочек А-позиций, соответствующих четырем составляющим аппарат емкостям. Баки рекуперированных кислот моделируется фрагментами, представленными на рис. 7.

Расходные баки НКС (5) - буферные емкости (по одному аппарату для НКС № 1 и № 2). Моделируются базовым шаблоном аппарата (рис. 2) с двумя и тремя входами для НКС № 1 и № 2 соответственно и пятью выходами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стадия 2. Подготовка целлюлозы включает:

Хранилище целлюлозы (6), которое моделируется позицией-источником с пятью выходными дугами по количеству обслуживаемых нитрокомплексов.

Кипорыхлители (7) (1 агрегат из двух аппаратов полунепрерывного типа) моделируются пятью переходами СП, что соответствует их связи с пятью нитрокомплексами.

Стадия 3. Этерификация. На периодической линии установлены 4 нитрокомплекса (8), каждый включает бункер целлюлозы, 4 нитратора периодического действия и центрифугу периодического действия. На непрерывной технологической линии этерификация и рекуперация кислот осуществляется в агрегате (9) из бункера целлюлозы, двух нитраторов, аппарата непрерывного удаления отработанных кислот (НУОК) и двух приемных емкостей. СП-модели нитрокомплексов представлены на рис. 8 и 9.

Стадия 4. Рекуперация. На стадии установлены вытеснителей кислот (10) (6 аппаратов) периодического действия, СП-модель вытеснителя представлена на рис. 10.

Стадия 5. Предварительная стабилизация. Основные аппараты - чаны горячей промывки (11) (16 аппаратов для пироксилинов и 4 для коллоксилинов), каждый моделируется базовым СП-шаблоном аппарата периодического действия (рис. 2).

Стадия 6. Измельчение. На стадии установлены голландеры периодического действия (2 аппарата), ажитаторы-сгустители (6 аппаратов), мельницы ДМК полунепрерывного действия (5 аппаратов), приемные ажитаторы (6 аппаратов). Все аппараты моделируется базовыми СП-шаблонами (рис. 2) с дополнительными переходами для моделирования входов и выходов аппаратов по схеме частично-доступного взаимодействия.

Стадия 7. Окончательная стабилизация. Основное оборудование стадии:

Для стабилизации пироксилинов - лаверы (16) (12 аппаратов) периодического действия, каждый моделируется базовым СП-шаблоном (рис. 2).

Для коллоксилинов - автоклавы (22) и чаны окончательной промывки (23), моделируются базовыми СП-шаблонами (рис. 2).

Стадия 8. Формирование общих партий. На стадии установлены смесители общих партий (18) (2 аппарата периодического действия), моделируются базовыми СП-шаблонами (рис. 2), причем для каждого смесителя разметки самомодифицируемых дуг его СП-модели получаются решением задачи:

,

,

,

xij0; i=1,2,…13; j=1,2

где - объем общей партии смесевого пироксилина; Азад - требуемое содержание азота в общей партии; Рmin, Рmax, Vmin, Vmax - допустимые границы показателей растворимости и вязкости; характеристики частных партий: аji - содержание азота, мл NO/г, pji - растворимость, %, vji - вязкость, гр.Э, qji - объем частной партии, т; xji - доля дозируемой в смеситель частной партии, т;

Стадия 9. Водоотжим. Основное оборудование стадии:

Для пироксилинов - ажитаторы (19) (12 аппаратов) и водоотжимочные центрифуги (20) (5 аппаратов) полунепрерывного типа, которые моделируются базовыми СП-шаблонами емкостных аппаратов (рис. 2)

Для коллоксилинов - ажитаторы (4 аппарата) и водоотжимочные центрифуги (2 аппарата), периодические центрифуги водоотжима (24) (4 аппарата).

Все основные аппараты стадии моделируются базовыми СП-шаблонами (рис. 2).

Стадия 10. Депо готового продукта, моделируется позициями-стоками СП.

Полная СП-модель (рис. 11) материальных потоков данной производственной системы поcтроена подстановкой СП-моделей аппаратов в ячейки иконографической модели, полученной из структурной схемы производства и генерацией системы спецификаций СП. Идентификация модели проводилась сравнением полученных по данной модели расписаний запуска переходов (выполнения технологических операций) с технологическими графиками работы производства НЦ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. СП-модель нитрокомплекса периодического действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. СП-модель нитрокомплекса с аппаратом НУОК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. СП-модель вытеснителя



Пятая глава содержит описание комплекса программ, позволяющего на базе построенных моделей исследовать функционирование производства НЦ в условиях различных нагрузок и при различных возмущающих воздействиях. Данный комплекс программ разрабатывался как основа автоматизированной системы управления ТП второго уровня и в режиме работы машина-советчик представляет ядро программного обеспечения «Автоматизированного рабочего места (АРМ) технолога производства нитратов целлюлозы». Структура комплекса представлена на рис. 12, комплекс состоит из следующих основных функциональных блоков:

Комплекс программ размещения технологических процессов на аппаратурном оформлении производства НЦ. Разработан на базе математической модели производства, построенной в форме модифицированной сети Петри.

Комплекс программ расчета оптимального дозирования кислот на фазе приготовления нитрационных кислотных смесей. Включает модули расчета расходных норм исходных компонентов производства НЦ и дозировочных расходов в приготовлении НКС.

Комплекс программ расчета оптимального дозирования пироксилинов при приготовлении крупнотоннажных партий смесевых пироксилинов на стадии формирования общих партий.

В заключительной части работы даны выводы и перечень использованных библиографических источников. Приложения содержат полное аналитическое и графическое описание полученных СП-моделей и результаты выполнения контрольных расчетов.

Рис. 12. Структура «АРМ технолога производства нитратов целлюлозы»

Основные результаты работы

В работе представлены результаты системного анализа многономенклатурных ДНХТС как сложных систем. Проведен анализ и классификация элементной базы и структурных связей ДНХТС, выделены особенности их функционирования. Проанализирован термин «гибкая технология» в трактовке различных авторов, намечены пути обеспечения гибкости производств технической химии.

Приведен краткий обзор основных методов моделирования ХТС с периодической организацией техпроцессов. Обоснована целесообразность использования аппарата теории СП для моделирования, исследования и повышения эффективности функционирования многономенклатурных ДНХТС.

Предложен подкласс дискретно-непрерывных сетей Петри, включающий раскрашенные метки, ингибиторные, раскрашенные и самомодифицируемые дуги, временные задержки меток и приоритетные переходы, позволяющий моделировать и исследовать на базе СП-моделей особенности функционирования рассматриваемого класса многономенклатурных ДНХТС.

Разработана методика моделирования многономенклатурных ДНХТС, включающая альбом СП-моделей типовых аппаратов и алгоритм синтеза общих моделей ДНХТС в форме СП выделенного класса.

Проведен анализ химико-технологических процессов, аппаратурного оформления и АСУТП производства НЦ. Показано, что объект исследования принадлежит к классу многономенклатурных ДНХТС и к его моделированию применима разработанная методика синтеза СП-модели ДНХТС.

Предложена формализация элементов ДНХТС производства НЦ в терминах теории сетей Петри, построены СП-модели основных аппаратов, синтезирована общая СП-модель рассматриваемого производства.

Разработанные алгоритмы и программная реализация полученной СП-модели, позволяют имитационно исследовать функционирование производства НЦ в условиях возможных возмущений и получать графики функционирования аппаратурного оформления, обеспечивающие минимум суммарного времени простоев. Комплекс программ принят к реализации на действующем производстве НЦ ФГУП ФНПЦ «ГК НПП им. В.И. Ленина».

Разработанные методологические подходы к исследованию гибких производств технической химии рекомендуются для использования при:

- организации как параллельного так и последовательного выпуска широкой номенклатуры НЦ в условиях одного производства, с минимизацией межоперационных простоев оборудования и его избыточности в технологических схемах;

- разработке автоматизированных процессов составления рабочих планов-графиков, которые существенно сокращают время составления технологических карт, облегчая работу планово-диспетчерского отдела;

- оперативном планировании и оптимизации количества технологического оборудования материальных технологических потоков с целью экономии временных, материально-технических и рабочих ресурсов.



Основные работы

1. Матренина О.М., Марченко Г.Н., Басыров И.Р., Межерицкий С.Э., Азимов Ю.И., Тюлькина Е.В. Моделирование ХТС водоподготовки объектов промышленной энергетики с использованием математического аппарата цветных сетей Петри. Сообщение 1. Известкование, коагуляция и магнезиальное обескремнивание воды // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 1999. № 5-6. С. 74-79.

2. Матренина О.М., Азимов Ю.И., Басыров И.Р., Морозов Н.В., Марченко Г.Н. Моделирование ХТС водоподготовки объектов промышленной энергетики с использованием математического аппарата цветных сетей Петри. Сообщение 2. Глубокая очистка технологических стоков от примесей нефтепродуктов // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 1999. № 9-10. С. 69-75.

3. Матренина О.М., Марченко Г.Н., Межерицкий С.Э., Басыров И.Р., Хасаншин Р.Н., Тюлькина Е.А., Юсупов И.В. Моделирование ХТС водоподготовки объектов промэнергетики с использованием математического аппарата сетей Петри. Сообщение 3. Безреагентные методы, как основа создание малогабаритных, экологически чистых и энергосберегающих технологий водоподготовки // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2000. № 5-6. С. 83-89.

4. Матренина О.М., Марченко Г.Н., Басыров И.Р., Азимов Ю.И. Метод сетевого моделирования дискретно-непрерывных ХТС. // Материалы V Международной практической конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». Казань, 1999. С. 42-43.

5. Матренина О.М., Марченко Г.Н., Басыров И.Р., Морозов Н.В. Некоторые проблемы водопользования и технические пути их решения. // Сб. статей и тезисов докладов международной научно-практической конференции «Экономика и экология вторичных ресурсов». Казань, 1999. С. 179-180.

6. Матренина О.М., Басыров И.Р., Самерханов М.А. Методика моделирования ДНХТС с использованием математического аппарата модифицированных сетей Петри // Материалы докладов Международной молодежной научной конференции «Молодежь - науке будущего». Набережные Челны, 2000. С. 103.

7. Матренина О.М., Лившиц А.Б., Басыров И.Р. Сети Петри в компьютерном моделировании и управлении ХТС (на примере ХТС разделения и очистки нефти и воды). // Материалы докладов молодежной научно-практической конференции ОАО Татнефть «Техника, технология и экономика разработки и эксплуатации нефтяных месторождений Татарстана в начале XXI в.» Альметьевск, 2002. Ч. II. С. 274-275.

8. Матренина О.М., Самигуллина Л.А. Моделирование дискретно-непрерывного производства нитратов целлюлозы // Материалы международной молодежной научной конференции XI Туполевские чтения. Казань, 2003. Т. III. С. 16-17.

9. Матренина О.М., Садриева Л.Р. Математическое обеспечение автоматического места технолога производства технической химии. // Материалы международной молодежной научной конференции XII Туполевские чтения. Казань, 2004. Т. III. С. 34-35.

10. Матренина О.М., Шипина О.Т., Басыров И.Р., Лифшиц А.Б. Модель технологического модуля этерификации целлюлозы на сетевом уровне // Материалы докладов Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии». Казань, 2004. С. 240-249.

11. Матренина О.М., Мингазова В.К., Басырова Д.И. Методика моделирования многономенклатурных дискретно-непрерывных химико-технологических систем модифицированными сетями Петри // Материалы XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 13-15 мая 2008. Ч. 1. С. 385-387.

Размещено на Allbest.ru

...