Система управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Юдинцева, Юлиана Евгеньевна

• Юдинцева, Юлиана Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юдинцева, Юлиана Евгеньевна

Введение.

Глава 1. Анализ существующих систем управления сорбционно-каталитических производств.

1.1 Характеристика гибких автоматизированных систем в сорбционно-каталитической промышленности.

1.2 Анализ существующих инструментальных средств для синтеза систем управления.

1.3 Характеристика многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонко дисперсных частиц.

Выводы.

Глава 2. Разработка структуры и алгоритма функционирования системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

2.1 Формулировка задач управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

2.2 Технологический процесс синтеза гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц как объект управления.

2.3 Структура системы управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

2.4 Алгоритм функционирования системы управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодиспесных частиц.

Выводы.

Глава 3. Разработка информационного, математического и программного обеспечения системы управления производством гранулированных пористых материалов.

3.1 Разработка информационного обеспечения.

3.2 Разработка математического обеспечения.

3.2.1 Математическая модель стадии сушки.

3.2.2 Математическая модель стадии прокалки.

3.3 Разработка программного обеспечения.

Выводы.

Глава 4. Тестирование и внедрение системы управления.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц»

На сегодняшний день катализаторы, каталитические технологии являются неотъемлемой частью современной химической, нефтехимической, газовой, фармацевтической и многих других отраслей промышленности. Эффективностью катализаторов определяется уровень энергетических, материальных и капитальных затрат, экология производства, новизна и мировая конкурентоспособность.

Важнейшие химические производства базируются на использовании катализаторов в наиболее ответственных процессах. Значение каталитических процессов, катализаторов и других продуктов данного класса невозможно переоценить. Катализаторы и сорбенты активно используются во многих современных производствах, включающих процессы переработки нефти и нефтепродуктов (получение высокооктановых бензинов и дизельного топлива), процессах переработки углеводородов и их производных, полученных из нефти, угля, сланца, природного газа. Каталитические процессы играют важную роль в производстве моющих средств, красителей, лекарственных веществ. В связи с остро поставленной в настоящее время проблемой экологии окружающей среды, при возрастающем загрязнении атмосферы становится актуальным совершенствование способов очистки промышленных газов от органических соединений и токсичных веществ с использованием адсорбционных и каталитических материалов. Промышленные выбросы очень разнообразны по составу и редко содержат один вредный компонент. Для снижения концентраций вредных органических примесей наиболее широко применяется каталитический метод. На предприятиях полимерной, кабельной промышленности, полиграфических предприятиях, в производстве синтетического каучука, мебели и т.д. работают установки каталитической очистки газов. К достоинствам каталитической очистки можно отнести низкую себестоимость, высокую эффективность и безопасность. Важными преимуществами являются термическая устойчивость и высокая производительность при очистке сложных смесей.

Прямой и косвенный вклад катализа в экономику развитых стран составляет до 25% всеобщего валового продукта и в мировом масштабе исчисляется даже не миллиардами, а триллионами долларов [1]. К сожалению, в настоящее время, в России производится различных катализаторов не более 10-25% от их уровня производства начала 90-х годов. Идет захват рынка иностранными компаниями. Сегодня практически весь объем бензина производится на зарубежных катализаторах, в азотной промышленности более половины производств оснащено иностранными катализаторами, что делает российскую экономику крайне уязвимой и неустойчивой.

Известно, что внедрение лучших по характеристикам катализаторов в 10-100 раз эффективнее других технических усовершенствований. Если учесть, что до 90% промышленных химико-технологических процессов идут в присутствии катализаторов, становится ясным масштаб их применения в различных производствах.

Несмотря на то, что география производства катализаторов и сорбентов весьма обширна (Новосибирск, Москва, Омск, Ангарск, Пермь, Рязань, Уфа, Томск, Казань, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Щелково, Нижнекамск, Са-лават, Черноголовка, Ярославль, Тольятти, Красноярск, Ишимбай, Стерлита-мак, Северодонецк, Новомосковск и др.), а разработки российских специалистов по уровню исследований по-прежнему являются ведущими в мире, при сложившейся на сегодняшний день экономической ситуации, это положение может измениться. Поскольку техническая оснащенность отечественной промышленности, к сожалению, много лет отстает от передовых зарубежных производителей, то многие отечественные разработки катализаторов, несмотря на их высочайший уровень, не смогли конкурировать с западными. В современных условиях это обернулось катастрофой для всей катализаторной отрасли России.

В настоящее время, в связи с резким повышением цен на катализаторы, на ряде производств принимаются решения о продлении сроков эксплуатации сверх нормативных, что снижает экономические показатели и чревато аварийными последствиями.

Таким образом, чтобы не допустить снижения производства катализаторов и экспансии иностранных фирм, необходимо финансирование перспективных предприятий мирового уровня. Также, в сложившейся ситуации экономически оправданным решением становится создание малотоннажных многоассортиментных производств, способных реализовывать разнообразные процессы химического синтеза и выпускать широкий ассортимент продукции, в соответствии с рыночной конъюнктурой. Для подобных производств с гибкой перенастраиваемой технологией, существенной становится проблема управления при переходе на новый вид продукции, который часто сопровождается изменениями технологической схемы и приводит к вынужденным простоям из-за переналадки оборудования и настройки систем управления. В связи с этим, наиболее актуальной задачей является разработка гибкой системы управления, адаптивной по отношению к различным видам продукции одного класса и производительности. Такая система позволяет существенно сократить экономические потери, связанные с переходом на новый вид продукции.

Подбор катализаторов даже для таких хорошо изученных реакций, как окисление аммиака, метанола, диоксида серы, синтез аммиака, высших спиртов, конверсия оксида углерода, является эмпирическим [2], требует длительного поиска и усовершенствования. Переход от эмпирических методов подбора к точной теории предвидения каталитического действия достаточно сложен. Имеются лишь отдельные прогнозы создания катализаторов с заданными свойствами. Создание катализаторов, обладающих высокой активностью и устойчивых в работе при значительном колебании параметров технологических режимов, является целью технологов - разработчиков катализаторов, в связи с чем, отдельным направлением при разработке технологии промышленного производства новых сорбционно-каталитических материалов становится исследовательская деятельность. Чаще всего при этом рассматривают наиболее проблемную и важную стадию производства. При этом одной из важнейших задач является обработка и анализ экспериментальных данных, что зачастую представляет серьезную проблему из-за большого объема данных, несовершенных методов обработки и не всегда очевидных подходов к интерпретации результатов. В связи с этим актуальной становится задача создания математических моделей и программных средств для исследовательских целей и для управления технологическим процессом, что позволит повысить информативность и эффективность управления.

Таким образом, можно утверждать, что разработка и внедрение в современное отечественное производство сорбционно-каталитических материалов эффективных компьютерных систем управления является актуальной задачей. В связи с меняющейся конъюнктурой рынка сорбционно-каталитической отрасли, диктующей потребность динамического отклика разработками и выпуском новых продуктов данного класса, возникает необходимость в создании систем управления гибкими многоассортиментными производствами.

Основная особенность таких систем заключается в решении задач различных уровней автоматизации: от обработки экспериментальных данных, синтеза математических моделей, до выработки оптимальных управляющих воздействий и выдачи советов оператору-технологу. При этом основные усилия следует сосредоточить на управлении ключевыми стадиями многостадийного синтеза гранулированных пористых материалов.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является создание комплекса средств для решения задач управления качеством продукции, управления в нештатных ситуациях, при переходе на новый вид продукции в условиях гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

• исследовано малотоннажное многоассортиментное производство гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц, выявлены характеристики используемого сырья и материалов, оборудования, определены требования к системе управления;

• исследованы процессы производства алюмохромфосфатного катализатора (АХФ), алюмофосфатного сорбента-осушителя (АФ), носителя -шарикового активного оксида алюминия (ШАОА), определены особенности производства как объекта управления, выделены ключевые стадии и показатели качества готовой продукции;

• разработаны математические модели ключевых стадий, позволяющие определять технологические режимы производства новых видов гранулированной сорбционно-каталитической продукции, компенсировать недостаточную наблюдаемость процесса (параметры, контролируемые только лабораторным путем), прогнозировать основные показатели качества продукции, выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданного качества продукции;

• исследованы методы синтеза систем управления гибкими производствами, разработаны структура и алгоритм функционирования для системы управления гибким многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов;

• разработана система поддержки принятия решений для управления производством в условиях возникновения нештатных ситуаций, включающая базу знаний, состоящую из 55 нештатных ситуаций, 91 причины и 92 рекомендаций;

• разработан программный комплекс системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов, включающий математические модели наиболее важных стадий, позволяющие прогнозировать технологические параметры процесса и выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданных значений показателей качества продукции, базы данных технологических режимов и параметров, характеристик сырья и материалов, оборудования и позволяющий решать функциональные задачи управления производством гранулированных пористых материалов;

• проведено тестирование и внедрение системы на примере действующего гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

В первой главе настоящей работы анализируются существующие системы управления производствами гранулированных пористых материалов, определяются современные тенденции в проектировании и создании программных комплексов для синтеза систем управления гибкими многоассортиментными производствами в сорбционно-каталитической промышленности. Проводится анализ современного многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Во второй главе формулируются задачи управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Технологический процесс производства катализатора АХФ, сорбента АФ и носителя ШАОА анализируется как объект управления. В соответствии с определенными задачами проводится разработка структуры и алгоритма функционирования программного комплекса системы управления многоассортиментным производством. Третья глава посвящена разработке информационного, математического и программного обеспечения системы управления гибким производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. В четвертой главе приводятся сведения о тестировании и внедрении системы для управления производством гранулированных пористых материалов сорбционно-каталитического назначения, а также внедрении разработанного программного и математического обеспечения в учебный процесс.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Юдинцева, Юлиана Евгеньевна

7. Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и управления» и внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию в ГУП «НКТБ «Кристалл» Минобразования России» (г. Санкт-Петербург).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юдинцева, Юлиана Евгеньевна, 2004 год

1. Романовский Б.В., Современный катализ: наука или искусство? II Соросов-ский образовательный журнал. 2000. - №12. С. 56-63.

2. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. -М.:Химия, 1985.-448 с.

3. Ерохина Т.М., Кусков Е.К., Либерман М.Д. Проектирование гибких автоматизированных производственных систем химической промышленности // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева. 1984. -№2. С.222-226.

4. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности: учебник для вузов. М.:Химия, 1990.-320 с.

5. Островский В.А. Гибкие производства малотоннажных химических продуктов // Сорос.образ.ж. 2000. - №12. - С. 56-63.

6. Фурман Ф.М. Малая химия. М.: Химия, 1989. - 135 с.

7. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. -М.: Наука, 1981 231 с.

8. Егоров А.Ф., Бельков В.П., Тюрина Н.С. Оптимальный выбор типового оборудования при проектировании многоассортиментных химических производств// Химическая промышленность. 2001. - №2. - С 40-45.

9. A.M. Кузнецов. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть.// Современные технологии автоматизации. 1996. - № 1. - С. 32-35.

10. Калядин А.Ю. SCADA системы для энергетиков// Энергетик. - 2000. -№9. -С. 12-15.

11. Куцевич Н.А., SCADA-системы. Взгляд со стороны// PC Week. 1999. -№33.-С. 21-25.

12. Андреев Е.Б, Куцевич Н.А. SCAD А системы: взгляд изнутри// http ://www. scada.ru/.

13. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. М.: Изд-во МГУ им.Н.Э.Баумана, 2002.-320 с.

14. Б. Страуструп. Язык программирования С++, 3-е изд./Пер. с англ. СПб.; М.: «Невский Диалект» - «Издательство БИНОМ», 1999 г. - 991 с.

15. Мухленов И.П., Добкина Е.И., Дерюжкина В.И., Сороко В.Е. Технология катализаторов. Л.: Химия, 1989. - 272 с.

16. Дзисько В.А., Карнаухов А.П.,Тарасова Д.В. Физико-химические основы синтеза окисных катализаторов. Новосибирск: Наука, 1978. - 384 с.

17. Дзисько В.А. Основы методов приготовления катализаторов. Новосибирск: Наука, 1983. 260 с.

18. Демин В.В. Научные основы промышленной технологии катализаторов переработки неорганических соединений серы. // М., 1998 автореферат диссертации в виде научного доклада на соискание уч.степени доктора технических наук. 48 с.

19. Кутепов Б.И., Веклов В.А., Япаев Р.Ш., Павлова И.Н., Павлов М.Л., За-лимова М.З., Дмитриев Ю.К.Технология приготовления микросферического алюмооксидного носителя. Химическая промышленность, 2001 №2, С 11-15

20. Элвин Б., Стайлз //Пер.с англ. Под ред. Слинкина А. Носители и нанесенные катализаторы. Теория и практика. М.:Химия, 1991, 240 с.

21. Кузнецов Б.Н. Синтез и применение углеродных сорбентов. // Соросов-ский образовательный журнал. 1999. - №12. С. 29-34.

22. Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М: Химия, 1991,240 с.

23. Разработка способа получения гранулированной активной окиси алюминия мелкого зернения с оптимальной пористой структурой как основы катализаторов и сорбентов: Отчет о НИР/ ЛТИ им. Ленсовета; per. № 71048538. -Л.- 1984.- 117 с.

24. Дзисько В.А. Влияние способа приготовления на пористую структуру активной окиси алюминия // Получение, структура и свойства сорбентов. Л.: Госхимиздат, 1957.- С.311-317.

25. Котельников Г.Р., Патанов В.А. Научные основы технологии катализаторов. Новосибирск: Наука, 1982. - С.37-60.

26. Романов Ю.А. Получение сорбента гранулированием дисперсий технического гидроксида и оксида алюминия и изучение его свойств // Автореф. дисс. к.х.н. Л., 1981.- 22 с.

27. Белоцерковский Г.М. Получение минеральных адсорбентов формованием из тонкодисперсных частиц с помощью связующих и изучение пористой структуры и свойств гранул // Адсорбенты, их получение, свойства и применение/ Л.: Наука, 1971.- С.16-21.

28. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности.- М.: Химия, 1977.-368с.

29. Зубанов В.А., Чугунов Е.А., Юдин Н.А. Механическое оборудование стекольных и ситалловых заводов. М.: Машиностроение, 1984. - 367 с.

30. Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 307 с.

31. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1971.-784 с.

32. Молчанов В.В. Применение механохимиии в катализе. Автореферат дис. На соискании ученой степени доктора химических наук, Новосибирск, 2002.36 С.

33. Власов Е.А., Левицкий Э.А. Влияние кислотной обработки на дисперсность и фазовый состав окиси алюминия. // Кинетика и катализ., 1975, т. 16, №1, С. 225-228.

34. Мухленов И. П. и др. Катализ и катализаторы. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1989. - 128 с.

35. Буянов Р. А. Научные основы производства катализаторов. Новосибирск: Наука, 1982.-225 с.

36. Кравцова И. А., Малкиман В. И., Добкина Е.И. и др. Технология катализаторов и катализ: Межвуз. сб. науч. тр./Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1981. С. 4145.

37. Дженнингс Роджер. Использование Microsoft Access 2000.: Пер. с англ.: Уч. пос. М.: Издательский дом «Вильяме», 2000. - 1152 с.

38. Фаронов В.В. Delphi 5. Руководство программиста. -М.: Нолидж, 2001. -880 с.

39. Бородин Ю.С., Вальвачев А.Н., Кузьмич А.И. Паскаль для персональных компьютеров: Справ.пособие. Мн.6 Высш.шк.: БФ ГИТМП «НИКА», 1991. -365 с.

40. Баас Р., Фервай М., Гюнтер X., Delphi 5 для пользователя: пер. с нем. — К.: Издательская группа BHV, 200. 496 с.

41. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: учебн. Для техникумов. 2 издание.- М.: Химия, 1985.-352 с.

42. В.Ф. Фролов. Лекции по курсу «процессы и аппараты химической технологии». Санкт-петербург, Химиздат, 2003. 203 с.

43. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. Химия, 1987. 576 с.

44. Катализ в кипящем слое. Изд. 2-е. Под ред. И.П. Мухленова и В.М. Померанцева. Л. Химия, 1978. 232 с.

45. В.В. Кафаров. Основы массопередачи. М., Высшая школа, 1972. 496 с.

46. Муштаев В.И., Ульянов В. М. Сушка дисперсных материалов.-М.: Химия, 1988.-352 с.

47. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М. Л.: Госэнерго-издат, 1956. - 464с.

48. Лыков А.В. Теория сушки. М.: «Энергия», 1968. 471 с.

49. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии, Л.: «Химия», 1975. 336 с.

50. Денбиг К. Термодинамика стационарных необратимых процессов. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1954.- 119с.

51. В.Ф.Фролов Моделирование сушки дисперсных материалов, Л.: Химия, 1987. 207с.

52. Сажин Б.С. Основы теории сушки. М., «Химия», 1984. 319 с.

53. Лыков А.В. Тепломассообмен -справочник. М., «Энергия», 1972. 558 с.

54. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М., «Энергия», 1973. 288 с.

55. Ишутин А.Г., Щупляк И.А., Веригин А.Н., Зобнин В.В., Незамаев Н.А., Евдокимов. Е.М Конвективные сушильные аппараты. С.-Петербург, учебное пособие, СПБГТИ (ТУ) 1999. 65 с.

56. Михалев М.Ф., Щупляк И.А., Зобнин В.В., Третьяков Н.Н., Александров М.В., Веригин А.Н., Незамаев Н.А., Евдокимов Е.М. Тепло-и массообменн-ные аппараты сушилки, методические указания ЛТИ им. Ленсовета, Л., 1985.- 17 с.

57. Липпенс Б.К., Стеггерда И.И. Активная окись алюминия. В кн. Строение и свойства сорбентов и катализаторов. М.: Мир, 1973, с. 190-232.

58. Мальцева Н.В. Формованные сорбенты на основе гиббсита и регулирование их пористой структуры и свойств. Канд. дисс.Д., 1986.

59. Власов Е.А. Исследование механизма формирования структуры окиси алюминия под влиянием физико-химических факторов. Канд. дисс., Л., 1976.

60. Мухленов И.П. Катализ в кипящем слое. Л. Химия, 1978. с. 232.

61. Тарасов В.М., Котельников Г.Р., Струнникова Л.В. Влияние сушки на качество катализатора. //Промышленность синтетического каучука, 1977, № 5, с. 7 11.

62. Тарасова Д.В., Фенелонов В.Б., Дзисько В.А. Формирование поверхности силикагелей, получаемых из кремнезолей.// Коллоидный журнал, 1977, т. 39, № 1, с. 208-212.

63. Сорбенты. Метод определения содержания влаги в активных углях и катализаторах на их основе. ГОСТ 12597-67.

64. Оксид алюминия активный. ГОСТ 8136-85.

65. Глушаков С.В., Ломотько Д.В. Базы данных: Учебный курс. Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство ACT», 2000. - 504 с.

66. Хомченко Г.П. Пособие по химии. М.:Новая волна, 1999. 463 с.

67. В.К. Крылов, Е.И. Маслов, Л.И. Данилина. Таблицы основных свойств элементов и их соединений: /Метод, указания. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 1993. -30 с.

68. Юдинцева Ю.Е., Чистякова Т.Б., Шляго Ю.И., Мальцева Н.В., Власов Е.А.Система управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. // Химическая промышленность. 2004. т.81, №4. С. 208-213.

69. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: учеб.пособие для химико-технологических вузов.-М.: Высш. Школа, 1978.-319 с.

70. Методы обработки результатов наблюдений, прямые измерения с многократными наблюдениями. СТП 2.075.008-81. 1981, JI: ЛТИ им. Ленсовета, 47 с.

71. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А., Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. 480 с

72. Нейман Ю. Вводный курс теории вероятностей и математической статистики, М. Наука, 1968,448

73. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Основы моделирования и первичная обработка данных. 1983 М: финансы и статистика,471

74. Справочник по прикладной статистике . В 2-х т. Т1: Пер. с англ ./Под ред. Э. Ллойда, У. Ледермана, Ю.Н. Тюрина.- М.: Финансы и статистика, 1989.510 с.

75. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: классификация и снижение размерности: справ.изд.-М.:Финансы и статистика, 1989.-607 с.

76. Шляго Ю.И., Чистякова Т.Б. Гибкий многоассортиментный процесс синтеза пористых материалов как объект управления и обучения// Тезисы ММТТ-16, СП6.-2003.-Е 8. с.85-87