Автоматизированный синтез химико-технологических производств высокочистых веществ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.19 ВАК РФ

Российский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ

На правах рукописи

Авсеев Владимир Владимирович

I

автоматизированный синтез шшо-тешологических производств высокочистьк веществ

02.00.19 - Химия высокочистых веществ 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992г.

Работа выполнена в Российском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте химических реактивов и особо чистых химических веществ (ИРЕА).

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Ефремов А.А. доктор технических наук Бессарабов ¿.II.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шалунов Б.З. доктор технических наук, профессор Дорохов И.Н. •

Ведущая организация: Институт общзй и неорганической химия шена Н.С.Курнакова РАН

. Защита состоится " " _ 1993 г. в

10 час. не заседании специализированного совета К.138.04.02 в / Российском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте химических реактивов и особо чистых химических веществ (107258, г. Москва, ул. Богородский вал 3, конференД-зал).

0 диссертацией макао ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан "_"__ 1992г.

Ученый с81фетарь специализированного совета

е--'". _

В.Н.Авилнна

^ /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Бурное развитие микроэлектроники, волоконной оптики, биотехнологии, фармацевтики постоянно вынуждает производителей химических реактивов и особо чистых веществ заботиться о расширении ассортимента и повышении качества продукции. Известный ассортимент подобной продукции составляет десятки тысяч наименований, а средний период "жизни" многих химических веществ не превышает 3-5 лет с тенденцией к уменьшению. Ь то же время разработка и создание такт: производств традиционный! методами - процесс длительный. Поэтому обеспечение коммерческого успеха производителей подобной продукции может быть достигнуто при автоматизации процесса разработки химико-технологических производств. Необходимость в этом монет возникнуть как при постановке 'на производство ноьых продуктов, так и при наработка известного ранее соединения с другим уровнем чистоты, либо при изменении объемов выпуска.

Работа выполнялась в рамках Государственной нарпга» технической программы ГКНТ СССР "Ресурсосберегающие и эколоп-гчес-ки чистые продукты металлургии и химии" и Российской Государственной научно-технической программы "Экологически безопасные .процессы химии и химической технологии" по направлению "Разработка нового поколения унифицированных ресурсосберегающих мксго-ю-менклатурных производств малотоннажны^ химических продуктов на базе гибких автоматизированных.блочно-модульных систем".

Цель работы. Основной цёлыо работы является разработка методики и алгоритмов синтеза технологических производств химических, реактивов и особо чистых веществ с использованием методов системного анализа, элементов экспертных систем (ЭС) и имитационного моделирования сложных структур. Это связано с автоматизацией решения следующих задач: оптимальный выбор исходного сырья, конструкционных материалов и технологического .оборудования; синтез индивидуальных и многоассортиментных технологических комплексов; определение структуры и выбор технических средств системы управления, удовлетворяющих исходным условиям синтеза.

Научная новизна.

I. Разработана методика и алгоритмы автоматизированного синтеза технологических производств химических реактивов и особо чистых веществ с использованием методов системного анализа и имитационного моделирования, характерных для логических систем принятия решения.

?.. Разработан яятомятияированннР'комплекс, позволяйте

тезировать производственную систему, с оптимизацией технологической структуры, аппаратурного оформления и ассортимента. Для решения задачи оптимизации разработана имитационная модель динамики функционирования многоассортиментной технологической системы. Построен моделирущий алгоритм и структурная схема имитационного моделирования.

3. Для функционирования автоматизированной системы синтеза технологических производств ка базе СУБД FoxPro разработаны следующие информационные банки, способные функционировать и как самостоятельные базы данных:

банк "Конструкционные материала", зодерхапий информацию о ксг отрукционных материалах и ассортименте изделий из них, £изик<. химических, прочностных свойствах и химической стойкости мате Р'лалэг;

г/.-лп.";: используемого в мадотояназашх многоассортиментных комплексах оборудования (емкостное и реакционное оборудование, фильтры, сушилки, дистилляционные и выпарные аппараты, нестандартное многофункциональное оборудование), учитывающие такие их характеристики:, как длительность отмывки, переналадки и перемонтажа;

- банк сырьевых материалов для микроэлектроники;

- банк средств КМПиА и управляющей вычислительной техники.

4. Разработана универсальная оболочка экспертной системы, .ориентированная на работу совместно с созданными банками данных.

5. На основе оболочки экспертной системы для системы автоматизированного 'синтеза производственных комплексов создан действующ® прототип &ксперткой системы для шбора оптимального аппаратурного оформления.

6. На основе баша дашшх "Конструкционные материалы" разработана экспертная система, предназначенная для помогай технологам в выборе конструкционных материалов при разработке технологического оборудования и тары в технологии получения особо чистых продуктов.

7. На базе автоматизированного комплекса синтезированы оптимальные ХТС получения ряда элементоргайич&ских эфиров особой чис тоты и ассортимента синтетических лекарственных соединений.

8. Для эксплуатирующегося банка дашшх "Реактив", содержа ■рг:> информацию о нескольких десятках тысяч х:шических реактивов разработана подсистема анализа спроса и предложения на химические ¿¿активы и особо чистые вещества для выработки оптимальной стра -'гегии производства.

9. Разработана экспертная система "Дефицит", предназначенная для анализа причин несоответствия между спросом и предложением по химическим реактивам и особо чистым веществам и выработки на основа результатов анализа рекомендаций по их устранению.

10. На базе микропроцессорных технологических контроллеров и персональной ЭВМ разработана двухуровневая система управления для многоассортиментных производств кислот особой чистоты п (УГС.

11. На базе мини-ЭВМ CN-I800 разработана система управления автоматизированной установкой получения плавиковой кислоты ОСЧ.

12. Разработаны системы управления автоматизированными стендами для исследования процессов отмывки и для отработки программно-технического обеспечения управлявших систем на базе микропроцессорных технологических комплексов.

Практическая значимость.

1. Разработанный программный комплекс автоматизированной системы синтеза технологических производств химических реактивов и особо чистых веществ реализован на персональном компьютере (ПК)

IBM PC/AT.

2. Разработанное алгоритмическое и программное обесгоченвэ системы синтеза технологических производств передано ГШР0Ш4-РЕАКТВу для практического использования при проектировании «юго-ассортиментных производств. Методика рекомендована для использования в подотрасли химических реактивов и особо чистая веществ, тмко-фармацевтических и лекарственных препаратов и других отраслях, выпускающих малотоннажную химическую продукцию.

3. С помощью автоматизированной системы рассчитаны оптимальные режимы работы ююгоассорттенгаиа: производств аляоксидов мшпьяка особой чистоты (3-х наименований), травителей особой чистоты (4-х наименований) и синтетических лекарственных соединений (12-ти наименований).

4. Банки данных конструкционных материалов и изделий из них, а так же сырьевых материалов для микроэлектроники внедрены в отделе жидкофазных особо чистых веществ НПО "ИРЕА".

5. Банки реакционного и фильтрационного оборудования внедрены в аппаратурно-технологическом отделе НПО "ИРЕА".

6. Разработанная автоматизированная система "Реактив" и экспертная система анализа дефицита внедрены во Всесоюзном объединении "СОСВРЕАКТИВ". .

7. Автоматизированная микропроцессорная система управления нижнего уровня воила в исходные данные на проектирование произв-

одства СЛС на Харьковском заводе синтетических лекарственных соединений.

8. Сдана в опытно-промышленную эксплуатацию в НПО "ИРЕА" автоматизированная система управления установкой получения плавиковой кислоты особой чистоты.

9. Внедрены в НПО "ИРЕА" автоматизированные стенды для исследования процессов отмывки и отработки программно-технического обеспечения микропроцессорных систем управления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуздапись на 4 Всесоюзном совещании по химическим реактивам (Баку,1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Информационные методы при производстве цветных металлов и сплавор" (Донецк, 1991); 9 Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ (Н.Новгород, 1992).

Публикация результатов исследования. Основное содержание диссертации изложено в 15 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трьх глав, выводов, списка цитируемой литературы (III наименований; и приложения с актами внедрения результатов работы. .Диссертация изложена на 133 страницах, включая 20 рисунков и 16 табл.

СОДЕРЕАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Глава I. Автоматизированная система синтеза хяыико--техволошческих производств высокочистых веществ

Проведен обзор специальной литергтуры по автоматизированному синтезу технологических производств и выявлены следующие характерные особенности, которые должны быть учтены при разработке автоматизированной системы синтеза технологических установок для получения высокочистых продуктов: высокие требования к чистоте и качеству -продукции; малые объемы производства и высокая доля периодических процессов; конфликтность производства, обусловленная высокой чувствительностью качества к совмещению процессов; неоднозначность принятия решений при синтезе системы, обусловленная большим ассортиментом продуктов и разнообразием получаемых схем производства; постоянное обновление и расширение ассортимента; низкий технический уровень и степень автоматизации процессов.

В результате системного анализа технического и программно-элгоритмического обеспечения автоматизированных систем обработки информации и управления выделены основные комплексы задач на р&з ичных уровнях иерархии технологии получения высркочистых вэ-

ществ (рис.1-I). Показано, что коренное техническое поревооружение подотрасли химических реактивов и особо частых вевдств невозможно решать без использования автоматизированного крогранивого синтеза индивидуальных, совмещенных и гибких производств, а так же систем управления этими производствами на основе современных информационных технологий и экспертных систем.

Разработаны информационные и алгоритмические аспекта решения типовых задач синтеза технологической системы в диалоговом рениме с использованием специализированной программы-оболочки, из которой осуществляется доступ к базам данных на основа СУБД ТохРго и специализированных моделирующих процедур (рис.1.2). Информационной основой задачи синтеза, с одной стороны, является представление о технологическом комплексе как о совокупности стандартных блоков, с другой стороны, наличие технологических регламентов, информации о возможном исходном сырье и требованиях к конечному продукту по чистоте.

Исходная информация для процесса синтеза выбирается из БД технологических регламентов, БД технологического оборудования; КД конструкционных материалов, БД средств КИПиА и управляющей вычислительной техники.

Процесс синтеза для наиболее сложного многоассортишнтного производства проводится в несколько этапов:

V. Выбор номенклатура продуктов и объединение технологических стадий производства в кластер» по признакам их совместимо ста.

2. Аппаратурное сфориленае кластеров, вюгочапаев анализ подобия многостадийных процессов производства индивидуальных продуктов, и синтез вариантов общей схемы.

3. Оптимизация рйсткаШЯ НроХоафейия продуктов Но стадиям;

4. Оптимизация аппаратурного оформления;

5. Оптимизация номенклатуры Продуктов.

Объединение стадий в кластеры производится по характерным признакам: примесному составу, объемам выпуска и др. В соответствии с кааднн из этих параметров строится гистограмма плотности распределения продуктов, где по оба ординат откладывается икала изменения знячений соответствуйте!*) Я&рамегра, а по оси абсцисс критериальные характеристика - число продуктов, попаших в рас сматриваемый диапазон (рас. 1.3 а,б) йлй стоимость этих продуктов (рис. 1.3 в). На основании полученных зависимостей из общего числа продуктов по критериям оптимизации выделяются соответствуйте группы. При пересечении груш получаем несколько шютеств продук-

Р4спр*я*мяюи сеетены

О* ОТ» К к!

]Т#*МОД*ГИ ^»оют комгролл«ры]

~~|инрори4ционммс задачи Ь"-

АРТОК*ТИЗИрОв4НК** СЧЁТОМа сиит»®* »ЫООКОЧИстык КТС

ижстжпы лранятин I р«**мме 1

> Б« лы даниьд | ^

:С6ор и пер- 1; ■ жхая {|

I о6р*6отм» | ■

•к«фори«цм! '

Рис.1.К Уровни систсн автоматизации в технологии особо чистых выиссть.

-I ОБОПОЧКЙ СИСТЕМЫ

Общесистемныс БД

регламентов

БД конструкционных материалов_

60 оборудования

ьа кипий

ъа увт

ГгФ

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ

БД проектов

Список продуктов

Список оборудование

Условия и ограничения

У

Группировка продуктов 1 характерный признакам

Синтез технологической

структуры *

/Оптимизация расписание

[Оптимизация аппаратурной структуры

-1—

---Ь:

Формирование

ПРОЕКТНОЙ

документации

Оптимизация номенклатуры!

продуктов_I

Рис.1,2. Автоматизированная система синтеза высокочистых производств.

1МРР т

Ши^!

■ 1

« 1вС Тг, у. ,

|| ^

щй

З.П.Ц. п тП.п.П р

е-*, руб.

10*1 ю*:

10* Ь р п ГЬЬ

дЫ

п.,р 0 гП Д п.п Г1 ,

о »00 «00 400 »«о »ооо

Рис. 1.3. Группировке продуктов по чистоте (Я), обмми »«пуска (Б) и акоиоимчсскону кридам (В) .

тов. каддое из которых можно выпускать на отдельном технологическим комплексе (гибком, совмещенном или индивидуальном).

Выделение групп продуктов по степени чистоты позволяет проанализировать возможность выпуска продуктов совместно прп использовании на стадии очистки общего оборудования (рис.1.3 а).

При группировке по объемам выпуска (рис.1.3 б,в) объединение продуктов можно производить как в диалоговом режиме, когда решение о выделении той или иной группы из графика плотности распределения принимает оператор, так и полностью автоматически - в этом случав программа сама разбивает продукты на группы по объемам в соответствии с эмпирическим алгоритмом, имеющим своей целью получить минимальное число групп с максимальным количеством или максимальной стоимостью продуктов. Интервал, в котором просматриваются продукты описывается следующим . неравенством: (Уорг*К)>т>(У ^о). где оптимальный объем; к - максималь-

ное число рециклов использования аппарата; 0 - »минимальная степень заполнения аппарата. Параметры К и <3 задаются оператором системы исходя из его опыта работы и особенностей данной ХТС.

После предварительной группировки продуктов и синтеза технологической структуры разработанный программный комплекс автоматизированного синтеза высокочистых производств осуществляет трех-стадийную оптимизацию по расписанию, аппаратурной структуре и ассортименту. Предложенный нами экономический критерий оптимизации (и) связывает такие конкурирующие свойства, как максимальный ассортимент с минимумов £й®?'альных затрат:

П = та^О^/^)/^ Ъ^-Р^)]}, (1.1)

где - объем впоиска й цена по 1 - му проду1сту; х - дли-

тельность полного цикла по буранному множеству продуктов: н^, - число параллельных ¿-х апйаратов и их стоимостная оценка; Р^- площадь под ^-й аппарат; ь* - амортизационные отчисления и арендная плата.

Результаты процесса оптимйййции постоянно отображаются на терминале компьютера. По их зйачекиям можно судить о том, на сколько успешно проходит оптимизация И прервать ее по достижении приемлемых результатов, иначе процесс поиска может затянуться.

В режиме изменения ассортимента производится "исключение" наихудших продуктов по максимальному значении комбинированного критерия (т)1):

и

т^е НИХ /Е^, (1.2)

где т1Г длительность 3-Я стадии по 1-му продукту; н^- коэффициент гибкости (1.Х) по 1-эдг продукту.

Результатом работа системы синтеза являются следующие данные, которые мо2во использовать при дальнейшей разработке ХТС:.

- перечень технологического оборудования ыногоассортиментной установки и его основные технико-экономические характеристики;

- список продуктов, принятых для производства на установке;

- циклограммы прохождения продуктов по стадиям во время технологического процесса;

- расписание загрузки в выгрузки по каждому аппарату;

- статистическая информация о степени использования оборудования, общем времени обработки отдельных продуктов и др.

Разработанный автоматизированный комплекс применен при синтезе совмещенного производства алкоксидов мышьяка особой чистоты (рис.1.4), используемых при получения шсокочистого мышьяка для легирования слоев злементаршх и сложных полупроводников (работы проводились под руководством зав. лаб. ИРКА Гринберга Е.Е.). Проведена оптимизация последовательности выпуска, аппаратурной структуры и технологического режима для последуицего производства триметиларсенита, триэтиларсвнита и триизопропиларсенита.

При синтезе оптимальной ХТС получения травите лей особой чистоты (ней, Нг, мн^, мн»с1. и нн„ои "осч") ревена задача выбора оптимальной стратегии переключения режимов, при которой минимизируется длительность переналадки и отмывки оборудования. Полученная оптимальная последовательность соответствует критерию (1.1; и позволяет в автоматизированном режиме синтезировать оптимальную ХТС (рисЛ.5) для получения травителей особой чистоты (работа проводилась под руководством гл. н. сотр. ИРЕА Блхма Г.З.).

Проведен автоматизированный синтез многоасс ортиментного производства (18 наименований) синтетических лекарственных соединений (СЛС) (работа проводились хюд руководством зам. директора ИРЕА Лалниева Р.М.). Предварительная группировка позволила определить перечень продуктов, выпуск которых, целесообразен на проектируемом гибком производстве (12 СЛС). С учетом критерия оптимизации (1.1) проведена минимизация времени прохождения каждого из продуктов по стадиям, получена оптимальная очередь ев списка ' продуктов и выбрано необходимое аппаратурное оформление техноло-

1-10 - PttxUMOHHwc блоки л»о6с6кнмя синт«в» и лс*«крмоталлмо«цмм. - КОмбиНИГО&ДИИЫС &ШОКИ. - щ»омкжуточн«Я <Т*»ИОПО*ТН*»> «MKOflTfc-

гической схвбш (рисЛ.6). По данной технологической схеме выполнен рабочий проект, внедряемый на Харьковском заводе СЛС.

Глава 2. Вафориацнонние в экспертом свстеш для получения особо чистых веществ

Во второй главе приведен обзор научной литературы по базам данных информационно-поисковым системам и системам принятия решений в химической промышленности. Показано, что вопросы реконструкции действующих и синтеза новых производств в технологии особо чистых веществ очень сложны, и только учет большого числа важнеСших-факторов (технология, экономика, экология, аппаратурное оформление, средства автоматизации и т.д.) обеспечивает успешное ревензе проблемы. Практически это возможно только на основе использования современных средств информационного обеспечения, способных хранить а обрабатывать большие объемы информации с разнородной структурой.

Одной из важнейших задач, решаема на верхнем - отраслевом уровне и на более низком уровне синтеза высокочистого производства (рис.1 Л), является анализ наличия необходимого сырья, тары для его транспортировки л др. Для решения этой задачи нами (совместно со ст.н.сотр. ИРЕА Гараниной Е.И.) разработана экспертная система "Дефицит" (рие.2.1). ЭС построена таким образом, что позволяет анализировать причины дефицита химических реактивов е особо чистых веществ и вырабатывать на основе результатов анализа рекомендации по его устранению.

В своей работе ЭС "Дефицит" нспольчует усе существующую БД "Реактив", содержащую сведения о более чем 20 тысячах реактивах и особо чистых веществах. Отсутствие в этой БД важнейших для выбора сырьевых материалов в технологии високочистых веществ данных о микропрхэгэсяА потребовало от нас разработки отдельной БД сырьевых материалов, учитывавшей эту информацию (рте.2.2). Она является достаточно универсальной и более гибкой по сравнению с существудь цгага ВД. Например, в отличие от БД "Реактив" она позволяет обрабатывать различную информацию о материале с учетом его примесного состава по любому из компонентов.

Разработанный банк сырьевых материалов положен в основу подсистемы анализа структур! технологических производств высокочис-г*х веществ (рис.2.2). В результате анализа ограничений по чистоте сырьевых материалов производится сужение множества рассматриваемых альтернатив. При отсутствии в базах данных информации об

[Анализ олроеа

Анализ ОООТИОМСмМ* ПРСЯЛОЖСМК«

1-рпп

J 1>с»и

nöäbör от141от5син»го *н>нога ►

Определение по8класс* с oifluwtMwg

Повбо

ft я ff <í i

Отогтотбнс. Ото»тотбис |Отвутетбис Отсутс гЬме

1 таг» епгоел

йм1лк1 ПРСвЛОЖЕИЫМ

АНАЛИЗ

пгевложеныи пгоио&о8и—

по тслсы

Т»РС

ItcxiciBuci

,6„.»g„S. M..

вьряботкя возможной стратегии i-

Рмс.2.1. Обобщенная структурная схсма ЭС "Пгфициг".

Рис.2.2. Подсмст

ХТС ВЫСОКОЧИСТЫЯ «CUtCCTB.

i -

I 1ИСТИЯЛЯ1Ш0ИНОТ ОЯОРМШ»ДНИ1 I |»ИЯЫРДЦН0Н»01 ОВОРИДОВДНН! i

I ргдкционнох юпптша

л

|ТШ» »Wppr-рподжода [

- Рубит

I И»Т»Р»»Л pOfcXTcp* I

г— Сталь V— Экал* J— Ст»хяо фторопласт

|Ткп мгяалк*

-рдкяая

-Якоря ал - Ороордяаряа* »-Нет

Тип а«гтуси* I

Труб* пара-датяамкжя -Нет

~Г

-Я90ЛГГ

- Мяк . KMC . TVKS-

- Вр»ия оттшвна

- Вр*пя n*p*KOVTM«

( O&mw параитры"]

ЁГОСТ Нкоо*

IНовструддаошп» p«pwwrrp>«|

'-ОС*** - Bkj гршлжвЛ дяанятр.

И*рЯ*ш

Рис.2.3. Структурная схема БД -Оборудование".

исходных реагентах делается вывод о необходимости разработки технологии их получения. В случае наличия исходных реагентов, но не выполнения ограничений по чистоте - вводится стадия глубокой очистки. Если сырьевые материалы требуемой чистоты сущзствуют, то из производства исключаются процессы синтеза и очистки исходных реагентов, и решается задача выбора из всего объема комбинаций возможных видов и марок исходного сырья необходимой совокупности ^агентов, обеспечиваицэй требуемую чистоту целевого продукта. Выбор оптимальной совокупности производится по одному из следующих критериев: минимальна.! стоимость сырьевых материалов или максимальный запас по чистоте сырья.

Разработанная нами автоматизированная система синтеза высокочистых производств (рис.1.2) создана на языке высокого уровня С++. Для нее в СУБД РозРго разработаны следующие информационные банки, способные функционировать и как самостоятельные систем!: банки технологического оборудования (рис.2.3), используемого в малотоннажных многоассортиментп-лх комплексах производства особо чистых веществ, учитывающие такие характеристики, как длительность отмывки, переналадки к перемонтажа; банки средств КИПнА и управляющей вычислительной техники: банк "Конструкционные материалы" (рис.2.4), содержащий информацию о конструкционных материалах и ассортименте изделий из них, физико-химических и прочностных свойства?, а такта химической стойкости материалов.

Банк данных "Конструкционные материалы" учитгзаег загрязняющие характеристики конструкционных материалов при их контакте с особо чистой средой. Во вермя формирования базы знаний конструкционные материалы классифицируются по взаимодействию со следущн-ми 4 группами примесей: неорганические растворимые принеси, органические растворимые примеси; взвешенные (гетерогенные) частицы и вла^а (для органических растворителей).

Значимыми параметрами применительно к технологии особо чистых веществ являются: загрязняемость высокочистых сред конструкционными материалами; изменение молекулярной структуры полимерного материала; изменение характеристик материала при химических и тер"::ческих воздействиях; сорбционно-десорбционные процессы на границе конструкционного материала и др.

Весьма существенной характеристикой для анализа является возможность отмывки конструкционного материала с целью подготовки для работы с веществами особой чистота. Предложена трехбальная система оценки степени отмываемости материала. Высшие балы необ

тг

1*5

Приобретение знаний

Редактор правил

Редактор объектов

анализатор целостности 63

Р п

а

Проведение консультаций

Механизм аивода

ЛоЗснсшм

проведения обте нений

Опрсдслкниг присоединенные процедур

ОБОЛОЧКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТТМ

Рис.2.4. Экспертная система "Конструкционные материалы*

9'

20 49

ТО 120 МО 160 180 ■»

100 1» 140 1«

Рис 2 5 Исследование стойкости конструкционных материалов • высокочнсгм..

рлстворител«* («рсои-ИЗ - мропропиловый спирт): Д - кинетика перекода никроприисси Ре иэ конструкционны* ^«тсриалад:

13x23? <!>. 10х14гнн4т <»>.' юх17н13м2т С3>; к*аРи<4>; 0м22н6т с9>; 12х19и!0т<ь>.

<т>; <•>; второпласт (9> в и г —.

5 _ кинетика пкрекова иикропримессй иэ стали «К2зт: ге <1>.мпс2>. сг<з>,1 нч

холимы только для мяогоассортиментных установок.

В базе данных имеется сведения о стойкости при взаимодействии конструкционных материалов с различными средами (до 50 наименований). Анализ этих взаимодействий имеет важное практическое значение. Для расширения этой информации в интересующих нас областях были проведена экспериментальные исследования (под руководством ст.н.сотр. НПО "ИРЕА" Филипповой Т.В.).

В результате проведенных испытаний в различных растворителях получены кинетические зависимости изменения концентрации микропримесей Ре, Йп, Сг, Hi, Ti по девяти основным конструкционным материалам: стеклам "Simax" и "Pirex"; фторопласту; кварцу; сталям марок I5X25T, I0XI4TI4H4T, 08Х22Н6Т, 12И8Ш0Т, 10Х17ШЗМ2Т.

На основе предложенных нами конкурирующих моделей анализа кинетики коррозионной стойкости разработана методология оценки значимости полученных результатов.

На примере железа проведен математический анализ экспериментальных данных по переходу лкроиримесей из различны^ конструкционных материалов в растворители (рис.2.5-А). Показано, что практически незначим переход микропримесей из стекол, фторопласта, кварца и сталей 08Х22Н6Т, I2XI8KI0T, ЮХГ7ШЗЫ21.

При анализе перехода микропримесей из стали I5X25T (рис.2.5-Б) обнаружено, что значимо повышайте» концентрация в растворе катионов Fo, Cr, Ti и Ып. Это свидетельствует о наличии коррозионных явлений и требует учета кинетики перехода указанных микропримесей. <

Для повышения эффективности работы с перечисленными БД была разработана собственная оригинальная оболочка ЭО, специально приспособленная для совместной работы с базами данных и отвечающая следующим требованиям: позволяет создавать различные экспертные системы для широкого спектра областей применения на ПК IBM PC; включаат в себя редактор знаний и подсистему логического вывода; обеспечивает программный интерфейс оболочки ЭС с широко распространенными стандартными системами управления базами данных. (dBапп, foxBase, FoxPro) для использования информации из ужа функционирующих баз данных. .

На основе банка данных "Конструкционные материалы" с использованием указанной оболочки разработана ЭС, предназначенная для помощи технологам в выборе конструкционных материалов при разработке технологического оборудования и тары в технологии получения особо чистых продуктов и учитывающая все особенности информации,

имеющейся в БД (рис.2.4).

На основе оболочки ЭС для системы автоматизированного синте-, за производственных комплексов создан действующий прототип ЭС для выбора оптимального аппаратурного оформления.

Все разработанные ЭС функционируют совместно в рамках автоматизированной системы синтеза технологических производств хиш-ческих реактивов и особо чистых веществ.

Глава 3. Автоматизация технологических процессов производства особо чистых вецгстз.

Технология ОСЧ и ХР предъявляет особенные требования к качеству сырья, точному поддержанию параметров технологического процесса, что невозможно без использования автоматизировать:: систем контроля и управления. Поэтому одним из элементов систем: автоматизированного синтеза технологических производств является подсистема выбора средств локальной автоматики (КИПиЛ) и управляющей вычислительной техники (УВГ).

В зависимости от объекта автоматизации, применяемой аппаратуры и решаемых задач, аппаратные средства автоматизации разделяются на несколько уровней (рис.1.I): средства локальной автоматизации: жесткая автоматизация средствами КИПиА; автономный микропроцессорный контроллер (ЫПК), МПК с интерфейсом оператора (терминал, клавиатура, устройство печати ); локальная микропроцессорная станция сбора информации, универсальная микроэвм со встроенными УСО; распределенные средства автоматизации: однородная сеть МПК, иерархическая сеть на основе МПК, иерархическая сеть на основе ПЭВМ-МГК.

Выбор конфигурации аппаратных средств для автоматизации конкретного технологического процесса является сложной задачей и может иметь несколько приемлемых решений. Поэтому созданная под система выбора средств автоматизации основывается на использовании экспертной системы. Ее задачей, во-первых, является определение требуемых средств локальной автоматики, измерительных преобразователей и датчиков; во-вторых, выдача рекомендаций о возможной конспирации управляющей вычислительной техники. Решение этих вопросов достаточно неоднозначно, поэтому требуется совместная работа как человека - оператора, так и самой автоматизированной системы по генерации возможных вариантов и отбору среди них допустимых и технически реализуемых.

Сначала оператор определяет число, местоположение и типы

.очек контроля и управления на технологической схеме. Это он делает на основе своего опыта, здравого смысла и особенностей технологического процесса. Затем система в автоматизированном реаиые выбирает конкретные модели и марки КШиА из имеющейся ВД и наиболее подходавде по акономяко-эксплуатационным характеристикам предлагает оператору. Учитывается также возможность сопряжения определенных типов оборудования друг с другом и с контролируемым объектом. Окончательное решение о составе средств КИПиА принимает разработчик.

Далее при необходимости производится выбор управляющей вычислительной техники (ВТ). При этом рассматриваются два ее аспекта - наличие и возможности средств УСО и математические возможности при решении вычислительных задач.

Средства УСО должны удовлетворять следующим условиям: достаточное число каналов аналогового и дискретного ввода-вывода, обеспечение требуемого быстродействия и точности преобразований сигналов (ЦАЛ-АЦП), перекрытие .ребуемых диапазоноь напряжений входных и выходных сигналов, достаточная коммутируемая мощность дискретными управлякцвш выходами. При необходимости наличие средств обеспечения интерфейса с оператором. УВТ должна иметь достаточное быстродействие, чтобы система управления могла работать в реально« масштабе времени и отслеживать изменения в технологическом процессе по мере их возникновения.

Подсистема выбора технических средств автоматизации была использована при разработке двухуровневых комплексов упргчленил для 'многоассортиментных производств юкиэт особой чистота (рис.3.1) и синтетических лекарственных соединений (рис.1.6). Управляющий комплекс реализуется на базе микропроцессорных технологических контроллеров и персональной ЭВМ (ПЭВЫ). Непосредственно управление процессами осуществляют микроконтроллеры. Через последовательный интерфейс 1^-232 они связаны с ПЭВМ, на которой лежит функция вторичной обработки данных, поступающих от установки, их визуализация и протоколирование, ведение удобного диалога с оператором. Программное обеспечение микроконтроллера хранится во внутренней постоянной памяти (ПЗУ) и мотет быть произвольно изменено с помощью программных кросс-средств, установленных на ПЭВЫ. Программирование его производится также от ПЭВМ с помощью специального устройства - программатора.

На Сазе мини-ЭВМ СЫ-1800 создана система управления автоматизированной установкой получения плавиковой кислоты особой чис

ihcwhiiimm».

MNKW-

•WllWMb

КИПиЯ,

КИПий КИПнА

HMOHflJ

I КИПиЯ

■■ ) • - - i • ----■ --- - -..y.........j..

:|мосяу,| |мпсяу,| |мпсяу3| [мпсду,} j мпсяу,| j

: _ I.' _ 1 " 1 1 l-1—^~

прогрлмнк, первичной обработки информации _и управлсима объсштамм.__

fprth

Прграмиы вторичной обработки информации, управления комплексом в целой и формирования интерфейса с оператором.

Assembler С FoxPro

^птпэом fib*

Рис.3.1. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОИАЛЪИАЯ СХСН4 РЛСПРСЙСЛСИМОЙ двухуровневой системы управления гибкой установкой получения кислот особой чистоты.

<.4Л. irvA*

lit—и

РмсД.З.Систсна автоматизированного управления егемдо* д*т тссмЪотют*. процессов отнивки оборудования и« б*эс микропроцессорного контроллера.

х,| _ 1НКООТИ >«rca>KA>oiutro И OTMW»*te«l«re мст»о»ов « И<1000 ,1.* - КМКООТИ ОТР«МОТИИНкМ мвтм#«в

тоты (рис.3.2). Система сдана в опытно-промышленную эксплуатацию в НПО "ИРЕА". Програшное обеспечение написано на языке высокого, уровня ФОРТРАН (совместно с аспиранткой ИРЕА Алексеевой О.В.) и позволяет вести управление технологическим процессом в диалоговом режиме с помощью дисплея и клавиатуры. Осуществлена возможность как "ручного" - для наладки установки, так и автоматизированного управления - в рабочем режиме. Во время работы установки на экране дисплея динамически отображается протекание технологического процесса. Это делается с помощью специально разработанных мнемосхемных блоков, содержащих так же и текущую информацию о технологических параметрах процесса.

С целью отработки методов и оборудования для управления технологическими процессами производства особо чистых веществ разработан стенд автоматизации. Его основной задачей является создание программно-технического обеспечения автоматизированных систем ..управления на базе микропроцессорных технологических контроллеров. Стекд включает в себя персональный компьютер, имеющий последовательный и параллельный интерфейсы и программное обеспечение, позволяющее через эти интерфейсы подключать микропроцессорный контроллер. На компьютере установлены кросс системы для программирования и отладки систем с контроллерами на основе различных тппов микропроцессоров. Программное обеспечение позволяет в диалоговом режиме производить программирование контроллеров на языках высокого уровня фогт, ръ-м и иметь доступ ко всем их ресурсам.

На стенде автоматизации разработана система управления для созданного нами (под руководством вед.н.сотр.ИРЕА Ярошенко A.M.) технологического стенда для исследования процессов отмывки в технологии высокочистых веществ (рис.3.3). Стенд включает контуры загрязнения и отмывки, которые обеспечивают последовательное выполнение имитационного загрязнения исследуемых элементов и последующую их отмывку. На стенде устанавливается трансформируемый модуль - экспериментальная ячейка. Предусмотрено регулирование интенсивности подачи и нагрева загрязняющего и отмывочного растворов, а также варьирование режима отбора проб.

вывода

I. Разработаны методы и алгоритмы автоматизированного синтеза технологических производств химических реактивов и особо чистых веществ, на основании которых создан автоматизированный

комплекс, позволяющий синтезировать производственную систему оптимизируя структуру, аппаратурное оформление, ассоргззэнт it технологический реаим.

2.На базе автоматизированного комплекса синтезирована оптэ-мальнне ХТС получения ассортимента травителей особой чистота, алкоксидов мышьяка особой чистота и синтетических лекарственных соединений (СЛС).

3. Для функционирования автоматизированной сзстемн синтеза технологических производств на базе СУБД РохРго разработан ряд информационных банков: банк конструкционных материалов и изделий из них; банки технологического оборудования; банк сырьевых материалов для микроэлектроники; банк средств КИША я управляла? вычислительной техники. Банки данных внедрёдн в НПО "ИРЕА".

4. Разработана оболочка ЭС, ориентированная на работу -oi-местно с созданными банками данных. На основе этой оболочки до* системы автоматизированного синтеза производственных кошлексов созданы действующе прототиш следующих ЗС: анализа дефицита химических реактивов и особо частых веществ; выбора оптимального аппаратурного оформления; Еыбора конструкционных материалов. Созданные ЭС внедрены в НПО "ИРЕА" и объединении "СОЮРЕАКТМВ*.

5. На базе микропроцессорных технологических контроллеров МПСАУ и ПЭК.! разработаны двухуровневые слстеш управления того-ассортиментными производства1® кислот особой чистоты и синтетических лекарственных гоединэнйй, которая вошла в исходные данные на проектирование промышленного производства на Харьковском заводе CJTC. На базе мини-ЭВМ CM-1SOO разработана система управления автоматизированной установкой получения плавиковой кислоты особой чистота, внедренная на опытно-проМшшзнной установка в- НТО/ "ИРЕА". Созданы и внедрены в НПО автоматизированные стенда для тсслвдоранил процессов отмывки г. отработки программао-техничвског'о обеспечения микропроцессорных систем управления-

Основное содьряаяке дассзртацая о^блжовайо,в,слзД№В£ах работах;

1. Авсеев В.В., Бессарабов A.M., Ефремов A.A. Автоматизация в технологии химических реактивов и особо чистых веще^тв/УРеакти-в:. и особо чистые вещества: М., НЖГЭХИМ, 1991. 30 и. ч

2. Авсеев R.B.S Ефремов A.A., Бессарабов A.M., Грннборг а.Е-Автоматизированная информационна я система анализа высокочистых материалов для микроэл9Ктроншш//Тр.КРЕА. U.,1991. Вып.53. С.20-26.

'!. Гаргэнпа Е.И., Авсеев В.В., Фэдотоаа Г.И., Бессарабов

- 20 - . A.M. Разработка экспертной системы для решения проблемы дефицита химических реактивов и особо чистых веществ/УВысокочистые вещества. 1991, *Б. С.69-75.

4. Ярошенко A.M., Авсеев В.В., Блюм Г.З., Малышев P.M., Ефремов A.A., Гордеева Ю.Л., Бессарабов A.M. Разработка автоматизированного банка данных по конструкционным материалам//Сб.: Перспективные конструкционные материалы и аппаратура для технологии особо чистых веществ. Науч. труда:-И.,ИРЕА, 1991, с.53-58.

5. Малышев P.M., Туровский Б.Б, Авсеев В.В., Бессарабов A.M. Синтез гибких автоматизированных систем в производстве химических реактивов и особо чистых веществ и самария//Высокочистые вещества, 1992, JH, с. 70-74.

6. Малышев P.M., Авсеев В.В., Бессарабов A.M. Разработка экспертной системы выбора аппаратурного оформления в технологии химических реактивов и особо чистых вещвств//Химичвск8Я промышленность, 1992, МБ, с.307-309.

7. Малышев P.M., Авсеев В.В., Бессарабов A.M., Воронцов И.О., Леонтьева Л.А. разработка баз данных технологического оборудовавши для получения химических реактивов и особо чистых вече ств//Хтячеохая промышленность, 19%, JK, с.372-374.

8. Бессарабов A.M., Авсеев В.В. Разработка экспертных систем в технологии химических реактивов и особо чистых веществ// Tea.докл. 4 Всес. сов. ш химическим реактивам. Баку. 1991. С.17.

9. Авсеев В.В., Яровенко A.M., Блш Г.З., Малышев P.M., Ефремов A.A. Разработка базы данных "Конструкционные материалы"// Тем яе. С.1Б.

10. Малышев P.M., Туровский Б.Е., Авсеев В.В., Бессарабов A.M. Разработка прогрмилого обеспечения автоматизированной системы синтеза ГАПСхнмических реактивов//Там же. С.4.

11. Авсеев В.В., Л «айна H.A. Пакет графических программ фирш IBM stoiyboard//BH4Hwnrreльная техника и ее примопопяо. 1991, JC. с.5-17.

12. Авсеев В.В., Авсеев A.B. Нмсоторне хитрости компилятора л языка Бейсик БК-0010//ИнФо. 1990. Ж2. с.35-40.