Автоматизированное проектирование систем холодоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Пазухин, Андрей Владимирович

• Пазухин, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пазухин, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. Анализ систем автоматизированного проектирования

1.1. История развития систем автоматизированного проектирования

1.2. Основные понятия, цели, задачи и принципы создания систем автоматизированного проектирования

1.3. Структура САПР. Обеспечение САПР

1.4. Математические модели, используемые в САПР

1.5. Процессы принятия решений в задачах системного проектирования сложных систем и разработки САПР.

Методы решения оптимизационных задач

1.5.1. Процессы принятия решений в задачах системного проектирования сложных систем и разработки САПР

1.5.2. Краткий обзор методов решения оптимизационных задач

Глава 2. Построение математических моделей САПР

2.1. Моделирование. Математические модели

2.1.1. Понятие модели и моделирования. Основные этапы моделирования

2.1.2. Цели и задачи математического моделирования

2.1.3. Типы математических моделей

2.1.4. Формализация моделей

2.1.5. Уровни моделирования

2.1.6. Классификация моделей

2.1.7. Математическое моделирование сложных систем на основе компьютерных технологий

2.1.8. Системные свойства исследуемых объектов

2.1.9. Основные требования к математическим моделям. Этапы построения. Идентификация параметров и проверка адекватности модели объекту

2.2. Методы формирования (построения) математических моделей

2.2.1. Математическое обеспечение САПР

2.2.2. Формирование математических моделей

2.3. Методы исследования математических моделей

2.3.1. Исследование математических моделей на устойчивость

2.3.2. Исследование систем на управляемость и наблюдаемость

Глава 3. Разработка модели подсистемы для реализации автоматизированного проектирования холодильных установок

3.1. Задача оптимизации проектных решений в процессе конструирования холодильных систем

3.2. Структурная и параметрическая оптимизация проектируемых систем хладоснабжения

3.3. Построение модели системы автоматизированного расчета и оптимизации холодильных установок с выбором оборудования

3.3.1. Принципиальная модель

3.3.2. Разработка алгоритма действия автоматизированной системы

3.3.2.1. Алгоритм задания исходных данных (разработка Технического задания)

3.3.2.2. Алгоритм определения типа и толщины ограждающих теплоизоляционных конструкций охлаждаемых помещений

3.3.2.3. Алгоритм расчета теплопритоков охлаждаемых объектов

3.3.2.4. Алгоритм выбора типов и марок холодильного оборудования

Глава 4. Программная реализация автоматизированной системы расчета и оптимизации холодильных установок с выбором оборудования

4.1. Описание и общая схема работы программного продукта

4.2. Ввод данных и вывод промежуточных и окончательных результатов расчетов

4.2.1. Пользовательский и административный интерфейсы

4.2.2. База данных по характеристикам процессов и оборудования

4.3. Исследование системы на работоспособность и проверка корректности расчетов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированное проектирование систем холодоснабжения»

Актуальность темы диссертационного исследования

При проектировании современных технически сложных систем и оборудования, автоматизированных комплексов широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). Основными функциями этих систем являются: автоматизация выполнения различных проектных процедур с целью нахождения оптимальных вариантов проектируемого объекта, автоматизация выбора схемы или конструкции, автоматизация составления проектной и технической документации и т.д.

САПР, ориентированные на конкретную предметную область, требуют разработки специальных методов, алгоритмов и программ, оригинальных математических моделей, учитывающих специфические качества объектов проектирования. Вместе с этим желательно, чтобы разработанное математическое обеспечение можно было многократно использовать при проектировании различных элементов оборудования. Важной вехой создания математического обеспечения является выбор способа математического моделирования объектов в САПР. Эффективность использования автоматизированной системы проектирования во многом зависит от универсальности и возможностей, которыми располагает применяемый математический аппарат.

Большое значение в функционировании современных автоматизированных систем проектирования имеют технические средства, на базе которых реализованы конкретные САПР. Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта.

Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-95/NT, языках программирования С, С++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

В качестве предметной области диссертационного исследования была выбрана область разработки САПР систем холодоснабжения. Это обусловлено тем, что холодильная техника находит широкое применение на предприятиях пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, причем затраты на производство умеренного холода составляют значительную часть общей суммы затрат на все технологическое производство (до 25 %).

Высокий уровень технического прогресса привел к созданию высокоинтенсивных технологических процессов, агрегатов большой единичной мощности, что предопределило резкое увеличение холодопотребления предприятий.

Производство умеренного холода на целом ряде производств сочетается с процессами низкопотенциального теплоснабжения в соответствующем диапазоне температур, что приводит к дополнительному усложнению систем хладоснабжения. Сложность внутренних взаимосвязей параметров, процессов и характеристик отдельных элементов системы хладоснабжения предопределяет необходимость совершенствования научных, инженерно-технических и технико-экономических решений, обеспечивающих возможность значительного снижения капитальных и энергетических затрат на производство холода и сокращение сроков проектирования. Существенное повышение качества проектирования систем хладоснабжения возможно за счет интенсификации и координирования научно-исследовательских работ, направленных на создание перспективных и надежных систем хладоснабжения и рациональных способов их регулирования, ускорение разработки их математического описания с целью последующего использования в процессах проектирования. При этом возникает необходимость решения научно-технических проблем холодильной техники, связанных с разработкой современных методов автоматизированного проектирования с помощью ЭВМ, обеспечивающих возможность проведения оптимизационных проектных исследований систем хладоснабжения и координирование результатов этих исследований с результатами исследований других подсистем технологического производства с целью достижения оптимальности общего решения.

Сложные системы хладоснабжения крупных производств разрабатываются кооперацией отдельных проектных и проектно-конструкторских организаций, подразделений и отделов, методические положения по координации многоуровневых процессов автоматизированного проектирования отдельных подсистем или узлов в настоящее время практически отсутствуют. Используемый метод итерационного последовательного согласования технических решений не позволяет получать оптимальных решений без строгих координирующих воздействий, при разработке которых имеются значительные затруднения как научного, так и организационного характера.

Наибольшие трудности возникают при проектировании сложных систем большой мощности, когда предполагается создание специального компрессорного и теплообменного оборудования для работы в переменных условиях эксплуатации.

Развитие вычислительной техники создает условия для перехода к новому этапу автоматизации процесса проектирования, а именно к созданию систем автоматизированного проектирования холодильных установок путем сопряжения локальных вычислительных комплексов, обеспечивающих проектирование отдельных узлов и элементов. При этом необходима разработка таких методов структурно-параметрической оптимизации холодильной установки и отдельных ее подсистем, которые обеспечили бы возможность построения единого алгоритма всего процесса проектирования при реализации произвольной задачи (проектирование новых и реконструкция действующих систем, оценка эффективности применения новых схемных решений, конструкций, процессов и т. д.).

Фактически необходимо создание скоординированной системы, обеспечивающей возможность не только проектирования, но и оперативной оценки воздействия от реализации любой идеи на эффективность холодильной установки с помощью численного приближенного исследования. Очевидно, что создание такого механизма исследований возможно только при наличии методов структурной и параметрической оптимизации установок с произвольным схемным решением и учетом особенностей эксплуатации и надежности, методов математического моделирования отдельных элементов и элементарных процессов, методов описания свойств рабочих тел, методов автоматизации построения математических моделей сложных систем.

При соответствующем техническом и организационном обеспечении этой системы сроки внедрения разработок значительно сокращаются, резко повышается качество проектных работ. Причем разработанное методическое и программное обеспечение должно быть использовано не только для проведения проектных исследований, обработки экспериментальных данных, численных экспериментов, но и для создания подсистем для оценки технического состояния и автоматического управления холодильных установок.

Научная новизна исследований

Научная новизна обусловлена:

1. Новыми методическими положениями для разработки САПР холодильных установок.

2. Разработанным и реализованным алгоритмическим и программным обеспечением САПР холодильных установок.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования данной диссертационной работы являются автоматизированные методы проектирования системы холодоснабжения с безнасосной схемой циркуляции холодильного агента, используемой для поддержания требуемых по технологии хранения температурных режимов в низкотемпературной камере хранения замороженных субпродуктов.

Предметом исследования в работе является автоматизированная система корректности принятия технического решения в процессе проектирования.

Методы исследования

Методы исследования, примененные- в диссертации, включают в себя методы теоретического и эмпирического исследований, математический аппарат линейной алгебры, теорию принятия решений, методы математического моделирования системы принятия оптимального технического решения в процессе автоматизированного проектирования.

Для решения поставленных задач использованы теория и методы: автоматизированного проектирования, системного анализа, построения САПР, организации баз данных (БД), объектно-ориентированного, системного и структурного программирования, линейной алгебры, принятия^ решений, математического моделирования.

Цель диссертационного исследования

Целью диссертационной работы является разработка САПР, позволяющей-сократить временные и материальные затраты при проектировании основных элементов системы холодоснабжения в зависимости от заданных исходных параметров и конкретных условий эксплуатации.

Задачи диссертационного исследования

Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработка методики автоматизированного проектирования холодильных установок.

• Разработка алгоритмического обеспечения САПР холодильных установок.

• Разработка программного обеспечения (ПО) САПР холодильных установок.

• Разработка методов выбора проектного решения при расчете холодильных установок исходя из заданного количество входных параметров и принимаемых условий эксплуатации оборудования.

• Разработка автоматизированного метода выбора исходных данных для корректного расчета системы хладоснабжения.

• Разработка математической модели системы автоматизированного расчета и оптимизации холодильных установок.

• Разработать критерии оптимизации проектирования, позволяющие производить автоматизированные расчеты и выбор необходимых технических средств с минимально возможными отклонениями расчетных параметров от номинальных.

• Разработать диалоговые программные средства с использованием баз данных, позволяющие производить автоматизированное проектирование систем холодоснабжения и имеющие возможность дальнейшего расширения в процессе появления новых типов оборудования и применения иных схемных решений.

Достоверность основных положений

Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается результатами проведенных исследований и компьютерным моделированием. Научные и практические результаты, отраженные в диссертации, использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных на базе рабочего проекта в компании ООО «Ист Реф Оу» в период с 2004 г. по 2006 г.

Результаты работоспособности разработанной в диссертационной работе системы подтверждаются актом о внедрении САПР на указанном выше предприятии.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методика автоматизированного проектирования холодильных установок.

2. Методика автоматизированного проектирования холодильной установки на базе разработанного алгоритмического и программного обеспечения выбора технического и схемного решения в зависимости от известных начальных параметров и конечных условий эксплуатации.

3. Алгоритм расчета и подбора холодильного агрегата

Практическая ценность результатов

Созданная на основе общего алгоритма расчета холодильной установки модель системы расчета и программное обеспечение для расчета и оптимизации холодильной установки позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся ресурсы проектной организации. Приведенные в рамках описания экспериментов примеры выполнения расчетов по выбору схемы установки, наглядно демонстрируют применение результатов работы в реальных условиях и являются ценными с практической точки зрения.

Область применения результатов

Разработанный в диссертационной работе программный продукт может использоваться в проектно-конструкторских бюро, а также в проектных отделах компаний, занимающихся разработкой систем холодоснабжения предприятий пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

Список публикаций

1. Пазухин А.В. Обзор методов создания математических моделей эволюционного развития // Труды научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005). Научное издание в 3-х томах. - М.: Физматлит, 2005.

2. Пазухин А.В. Перспектива развития методов математического моделирования искусственного интеллекта в САПР // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005). Научное издание в 3-х томах. - М.: Физматлит, 2006, Т.2.

3. Пазухин А.В. Коробейников А.Г. Применение интеллектуальных систем при управлении производством // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006). Научное издание в 3-х томах. -М.: Физматлит, 2006, Т.2.

4. Пазухин А.В., Коробейников А.Г. Автоматизированное проектирование математического обеспечения вычислительных систем реального времени // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006). Научное издание в 3-х томах. — М.: Физматлит, 2006, Т.2.

5. Пазухин А.В. Разработка программного обеспечения для управления системами автоматики холодильных установок // Сборник трудов Ш-й межвузовской конференции молодых ученых. СПб: ИТМО, 2006.

6. Пазухин А.В. Разработка программного обеспечения для управления системами автоматики холодильных установок // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 29. СПб: ИТМО, 2006

7. Пазухин А.В. Применение автоматизированного проектирования при оптимизации технических и схемных решений холодильных систем // Сборник трудов IV межвузовской конференции молодых ученых. СПб: ИТМО, 2007.

Достоверность основных положений

Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается результатами проведенных исследований и компьютерным моделированием. Научные и практические результаты, отраженные в диссертации, использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных на базе рабочего проекта в компании ООО «Ист Реф Оу» в период с 2004 г. по 2006 г.

Результаты работоспособности разработанной в диссертационной работе системы подтверждаются актом о внедрении САПР на указанном выше предприятии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Основное содержание изложено на 123 страницах, включая 36 рисунков и графиков, 6 таблиц. Список литературы содержит 48 наименований. Общий объем диссертации составляет 139 страниц.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Пазухин, Андрей Владимирович

Заключение

На основе анализа основных результатов диссертационной работы можно сделать выводы о том, что разрабо танная система автоматизированного расчета и оптимизации является работоспособной и результаты расчетов при помощи системы соответствуют результатам расчетов, получаемых при использовании стандартных методик проектирования холодильных установок.

Можно также утверждать, что разработанная система расчета и оптимизации холодильных установок возможна к применению на практике в различных проектно-конструкторских организациях, а также в проектных отделах компаний, занимающихся разработкой систем холодоснабжения.

Разработанные критерии оптимизации при выборе компрессорных агрегатов и определении толщины теплоизоляционного слоя конструкции позволили в автоматическом режиме выбирать тип и толщину необходимой изоляции и уменьшить погрешность при выборе компрессорного оборудования.

Применение разработанной САПР будет являться наиболее целесообразным и даст наибольший экономический эффект при условии: дополнения ее алгоритмами, математическим и программным описаниями расчетов других типов схемных реи гений парокомпрессорных холодильных установок (двух-, трехступенчатые, каскадные холодильные машины);

- увеличения количества вариантов выбора рабочих веществ путем внесения их в соответствующую подключаемую базу данных;

- применения в качестве ограждающих конструкций других типов новейших теплоизоляционных материалов;

- подключения баз данных с различными марками компрессорного, теплообменного и насосного оборудованию отечественного и импортного производства.

Также, благодаря разработанным общим алгоритмам и алгоритму расчета парокомпрессорных холодильных установок, возможно разработать па основе представленной системы комплексы САПР для расчетов установок с принципами действия, отличными от парокомпрессорных (теплоиспользующие, термоэлектрические, газовые), а также установок другого целевого назначения (технологическое оборудование, системы охлаждения с промежуточными хладопосителями, системы охлаждения жидкостей и проч.).

Таким образом, поставленные в диссертационном исследовании задачи разработки принципов оптимального технического решения, а также программного комплекса и программных средств выбора технического и схемного решения можно считать решенными.

Разработка САПР расчета и оптимизации холодильных установок, являющаяся целью исследования, достигнута.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пазухин, Андрей Владимирович, 2007 год

1. И.П. Норенков. Автоматизированное проектирование. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.- 359 с.

2. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении/Под ред. Н.М. Капустина. М.: Машиностроение, 1985.

3. Ашихмин В.Н., Гитмап М.Б., Келлер И.Э., Наймарк О.Б., Столбов В.Ю. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие/Под ред. П.В.Тру сова. М.: Логос, 2005. 440 с.

4. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд., испр. М.: Физматлит, 2005. 320 с.

5. Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент. М.: Наука. 1979. 224 с.

6. Чернецкий В.И. Математическое моделирование динамических систем. Петрозаводск: Изд-во Петр ГУ, 1996. 432 с.

7. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. М.: Мир, 1978.-418 с.

8. Пупков К. А., Егупов Н.Д., Макаренков А. М. и др. Теория и компьютерные'-методы исследования стохастических систем. М.: Физматлит, 2003. 400 с.

9. Рыжиков Ю. И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. 384 с.

10. Новосельцев В. И. и др. Теоретические основы системного анализа / Под ред. В.И.Новосельцева. М.: Майор, 2006. 592 с.

11. Капица С.П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. 3-е изд. М.: Едиториал УРСС, 2003. 288 с.

12. Анфилатов B.C., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. Системный анализ в управлении: Учеб. пособие / Под ред. А.А.Емельянова. М.: Финансы и статистика, 2002.-368с.

13. Мышкис А. Д. Элементы теории математических моделей. М.: Физматлит, 1994. 192 с.

14. Волкова В.Н. Искусство формализации: От математики — к теории систем и от теории систем — к математике. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 199 с.

15. Успенский В.А. Теорема Гёделя о неполпоте. М.: Наука, 1982. 112 с.

16. Ерофеев А. А., Поляков А. О. Интеллектуальные системы управления. СПб.: Изд-во СПбГТУ. 1999. 264 с.

17. Четыркин Е. М. Статистические методы прогнозирования. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Статистика, 1997. 200 с.

18. Ерофеев А. А., Поляков А. О. Интеллектуальные системы управления. СПб.: Изд-во СПбГТУ. 1999. 264 с.

19. Гришин А. Ф. Котов-Дарти С.Ф., Лгунов В. Н. Статистические модели в экономике. Ростов н/Д: Феникс, 2005. 344 с.

20. Елисеева И. И., Курышева С. В., Костеева Т.В. Эконометрика: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. И.И.Елисеевой. М.: Финансы и статистика, 2005. 576 с.

21. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975. -688 с.

22. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. М.: Наука, 1965. 400 с.

23. Боголюбов А.Н. Основы математического моделирования. Курс лекций. М: МГУ им. Ломоносова. 2003.

24. Куц А.К. и др. Социальные системы. Формализация и компьютерное моделирование. Омск: ОмГУ. 2000.

25. Павловский Ю.Н. Имитационные системы и моделирование. Серия «Математика и кибернетика». М: Знание, 1990.

26. Сольницев А.Р. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. М: Высшая школа, 1991.

27. Андриевский Б.Р., Фрадков A.J1. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб: Наука, 2000.

28. JI.H. Щелованов, Г.С. Антонова, Е.М. Доронин. Основы теории автоматического управления. СПб: СПб ГУТ. 1997.

29. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Том 1. Линейные системы. М: ФизМатЛит, 2003.

30. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М: Мир, 1971.

31. И.В. Мирошник. Теория автоматического управления. Линейные системы. СПб: Питер, 2005.

32. Н.Двоскина, А. Соловьева. Холодильники для города. Журнал «Собственник» от 18.10.2006. http://www.sob.ru.

33. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Утверждено Госстроем России, № 7-12/47, 31 марта 1994 г., "Стройинформ-СПб", Спец. выпуск, 1995 г.

34. Курылев Е. С., Петров Е. Т., Михновская Е. Л. Автоматизированное проектирование холодильных установок. Холодильная техника, № 5, 1981.

35. Петров Е. Т., Лукьянова Т. А. Обработка статистической информации по надежности отдельных элементов компрессорных станций. Деп. сб. "Новые исследования холодильных машин и установок". ЦИНТИхимнефтемаш, № 1, 1985.

36. Холодильные машины. Под общей редакцией Л.С. Тимофеевского. СПб.: Политехника, 1997.

37. Холодильные машины: Справочник. Под ред. А.В. Быкова — М.:Легкая и пищевая промышленность, 1982.

38. Обзор хладагентов. 13-е издание. А-501-13. http://www.bitzer.ru

39. Практикум по холодильным установкам. Учебное пособие для студентов вузов. Бараненко А.В., Калганов B.C., Румянцев Ю.Д. СПб: Профессия, 2001.

40. Холодильные установки. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. — СПб: Политехника, 1999.

41. Строительная климатология и геофизика. СНиП 2.01.01.82. — М.: Госстрой СССР, 1983.

42. С.Н.Богданов, О.П.Иванов, А.В.Куприяиова. Справочник. Холодильная техника: Свойства веществ. М: Машиностроение, 1976.

43. Воздушные конденсаторы IAGVH, IAGVV. Проспект фирмы «Гюнтнер-Иж». http://www.guentner.de.

44. Воздухоохладители «Polar Cat». Проспект фирмы «Fincoil». http://www.fincoil.fi.

45. Бенкеи Е. PHP, MySQL, XML: программирование для Интернета. СПб: БХВ-Петербург, 2007.

46. Гутмане Э. РНР 5. Профессиональное программирование. СПб: Символ, 2006.

47. Айлебрехт JI. Web-cepBep Apache. М.: Новое знание, 2001.