Разработка интеллектуальных информационных систем автоматизированного проектирования технологического оборудования методами системного анализа

УДК 66.011

А. Г. Мухаметзянова, К. А. Алексеев

РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

МЕТОДАМИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Ключевые слова: системный анализ, малогабаритный трубчатый аппарат, проектирование, база данных.

В статье рассмотрены принципы формирования интеллектуальных информационных систем автоматизированного проектирования оптимального малогабаритного трубчатого аппарата методами системного анализа, обеспечивающих автоматический поиск проектируемых параметров в допустимой области изменения показателей функционирования аппарата.

Keywords: system analysis, small tubular device, design, database.

The article describes the principles of intelligent information systems, automated design of optimal compact tubular machine systems analysis methods that provide an automatic search parameters projected in the allowable range of the indicators of the unit.

Постановка задачи системного анализа

Проектирование технологического

оборудования - один из наиболее длительных и ответственных этапов технической подготовки машиностроительного производства. В настоящее время остается актуальной проблема создания автоматизированной информационной технологии способной генерировать различные варианты технических решений, позволяющих выполнять необходимые действия в определенных условиях и проектировать технологическое оборудование с минимальным участием лица принимающего решения. Решают эту проблему применением интеллектуальных систем поддержки принятия решений, обработка информации в которых основана на методах системного анализа разнородных, разноплановых данных значительного объема, что приводит к невозможности прямого приложения известных методов и способов.

Рассмотрим возможную автоматизацию принятия инженерных решений на основе системного анализа на примере проектирования малогабаритных трубчатых аппаратов (МТА) [1].

Исходными данными для проектирования технологического аппарата является техническое задание (ТЗ), в котором отражены его функции, условия его взаимодействия с окружающей и рабочей средой, ограничения на его параметры:

ТЗ = Fa, Q1, Q2, Q3, Q4 ],

где L - основные размеры технологического аппарата; Fa = (^) - множество функций проектируемого аппарата; Q1 - условия взаимодействия аппарата с рабочей средой (давление, температура и др.); Q2 - условия взаимодействия аппарата с окружающей средой; Qъ - условия взаимодействия аппарата с человеком (требования к обслуживанию и безопасности); Q4 -дополнительные требования и ограничения.

Функции аппарата fa = ф, G, H), где D -указание действия, производимого аппаратом; G -указание объекта, на который направлено действие;

И - указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие.

Изучение структуры системы, анализ ее компонентов, выявление взаимосвязей между отдельными элементами, формирование набора оценочных критериев, выделение наиболее существенных критериев, формирование базы знаний

Анализ литературных источников [1] показал, что МТА нашли применение в различных отраслях промышленности при проведении процессов смешения, диспергирования,

эмульгирования, совмещенных реакционно-тепломассообменных процессах. Задача увеличения скорости этих процессов обычно сводится к увеличению одного или нескольких параметров, обозначенных дифференциальным уравнением:

сМ = kSFdt,

где S - движущая сила процесса; F - единица площади или объема; к - коэффициент скорости протекания технологического процесса; t - время, М - количество перенесенного вещества, импульса или энергии. Для повышения интенсивности процесса необходимо увеличивать параметры к и & Так же повышение площади поверхности F для процессов диспергирования и эмульгирования может служить основным критерием, характеризующим

интенсивность процесса. Увеличение параметров к и S требует увеличения кинетической энергии для создания больших скоростей относительного движения фаз и уменьшения времени обновления межфазной поверхности. Увеличение кинетической энергии потока в МТА реализуется за счет создания пульсаций давления, скорости и развитой турбулентности.

Системный анализ сущности, определение кинетики и лимитирующих стадий этих процессов, позволил определить выходные параметры, подлежащие оптимизации.

Качество смешения в МТА можно оценивать величиной коэффициента

перемешанности усм, который характеризует неравномерность распределения концентрации компонентов [2]. Энергетические затраты на эксплуатацию МТА могут быть оценены потерей полного давления Ар. Степень энергоемкости на единицу обрабатываемой среды служит величина скорости диссипации кинетической энергии турбулентности е.

Основными параметрами качества процессов диспергирования и эмульгирования является средний диаметр капель и пузырей дисперсной фазы dз2.

Скорость массообменных процессов, как правило, лимитируется скоростью массопереноса в сплошной среде и оценивается коэффициентом массоотдачи р.

При протекании химических реакций с выделением тепла необходимо обеспечить хороший теплосъем, что характеризуется коэффициентом теплоотдачи а.

Непрерывные реакционные процессы в МТА требуют контролируемого времени пребывания компонентов в зоне протекания реакции, которое можно оценить с помощью дисперсии времени пребывания элементов потока в аппарате а2.

Эти выходные параметры зависят от конструктивных и режимных характеристик. Наиболее значимыми для МТА конструктивными характеристиками являются: диаметр рабочей части аппарата В, длина секции рабочей части Ь, отнесенные к радиусу патрубка для ввода основного компонента, число секции аппарата N. Для аппаратов с внезапным расширением и диффузор-конфузорной конструкции также важным параметром является угол наклона образующей диффузорной части секции у

Под режимными характеристиками будем понимать скорость основного компонента и1,

среднюю плотность потока рП = р2П2/р1и1 и относительный массовый расход компонентов т = т2/ т1 .

На основе изложенного выше сформируем некоторое подобие базы данных (БД), которая будет хранить информацию о взаимосвязях элементов системы. Для этого приведем классификацию МТА (рис. 1), позволяющую наметить структуру и облегчить выбор данных для её наполнения. В соответствии с этой классификацией процессы, происходящие в МТА, зависят от агрегатного состояния взаимодействующих сред и функционального назначения. Рабочей средой в этих аппаратах в большинстве случаев является жидкость. По расположению МТА к горизонту различают горизонтальные, вертикальные, наклонные аппараты, что определяет свои закономерности и режимы течения среды. По конструктивным особенностям МТА различаются геометрией рабочей зоны и способом подачи компонентов.

На основе приведенной классификации сформируем БД МТА, иерархическая структура которой приведена на рис. 2.

Построение моделей; проверка адекватности моделей

Процесс создания БД требует больших затрат времени на сбор имеющейся и получение недостающей информации. Основная доля информации может быть получена с помощью численного моделирования. При этом могут быть использованы как авторские разработки [3], так и коммерческие пакеты прикладных программ (ППП), например, PHOENICS, FLOW3D, ANSYS CFX, FLOW VISION и др. Мощным инструментом для получения информации является

ANSYS FLUENT [4].

МТА

Назначение

Смешение Дисяергирон ание Эмульгирование Теплообмен Химическая реакция

L

Расположение

Горизонтальное Вертшсалкое Наклонное

по наличию турбулизаторов потока ^

Без турбулизаторов С турбулизацией потока

на входе в аппарат С турбулизэцией потока в рабочей части

Агрегатное состояние фаз

Жидкость -жидкость Жидкость-газ Газ-жидкость Жидкость-тв. тело

Конструктивные особенности

по организации теплообмена

Адиабатический

•Зонные Кожухотрубчатый

по конструктивному выполнению рабочей части

Цилиндри-ческии

С внезапным

расширением С-

Диффузор-конфузор

Квазиидеального

смешения

Рис. 1 - Классификация МТА

В настоящей работе численно моделировалось турбулентное течение однофазной и двухфазной среды путем решения осредненных уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS) с полуэмпирическими моделями турбулентности. Точность полученных результатов в значительной степени зависит от выбранной модели турбулентности и от шага расчетной сетки. На основе проведенных ранее исследований о применимости ряда моделей RANS и влияния

качества сетки на точность расчета и сравнении полученных параметров турбулентного течения с экспериментальными данными и с существующими обобщенными зависимостями установили, что наиболее точно характерные особенности струйных течений в МТА отображает стандартная к-е модель турбулентности с корректировкой эмпирических констант [5].

МТА

Назначение

Расположение'

Агрегатное состояние фаз

Конструктивные особенности

Кон струхтивн о е выполнение рабочей части

Орг анизация п оде о да ^

козтонентов

Конструктивные и режимные характеристики

Показатели эффективности работы 9

Рис. 2 - Иерархическая структура базы данных

Детальное описание метода решения, постановки задачи, условий однозначности, визуализация параметров исследуемых течений в настоящей работе не приводятся из-за ограниченности объема статьи.

Сбор данных о функционировании системы, исследование информационных потоков, наблюдения и эксперименты над анализируемой системой

Численное решение уравнений движения однофазного и двухфазного потоков позволило получить по всему объему исследуемых МТА поля следующих искомых величин: осевой, радиальной и тангенциальной скоростей, объемных долей фаз, давления, удельной кинетической энергии турбулентности, ее диссипации, температуры, а также других характеристик, которые выражаются через эти величины.

Более подробно о формировании информационной БД МТА диффузор-конфузорной конструкции дано в [6].

Агрегирование оценочных критериев; выбор метода оптимизации; нахождение подмножества оптимальных решений; реализация выбора и принятие решений

Мерой качества аппарата является критерий, конкретный вид которого определяется функциональным назначением аппарата и требованиями его экономической эффективности. Для аппаратов, эксплуатирующихся в стационарных

условиях, какими обычно являются МТА, общую форму критерия можно представить в виде

Ка = F

где х - вектор входных параметров: конструктивные характеристики, физические и физико-химические свойства рабочих сред; % - вектор случайных параметров, норма которого для МТА обычно мала по сравнению с нормами других векторов из (3); и -вектор управляющих параметров: режимные характеристики процесса; у - вектор выходных параметров.

Технология проектирования аппарата должна обеспечить Ка = F(х,£,и,у) — тах при условии, что х, и принадлежат некоторому допустимому множеству, которое определяется в ТЗ. Вектор выходных параметров аппарата у определяется векторами входных и управляющих параметров, так что у = ^(х,и). Теперь критерий эффективности аппарата можно представить в форме

Ка = F

Размерности координат векторов из (4) и форма выражения для Ка определяются в каждом конкретном случае. Например, можно выбрать форму:

К,

т ! ( М

= ^РгУг 1 +

'гУг

где уг фактор с номером г; в весовой коэффициент; М - число учитываемых факторов. В числителе находятся координаты, способствующие повышению эффективности, а в знаменателе -способствующие её уменьшению.

В некоторых случаях удобнее использовать критерий в форме скалярного произведения векторов

Ка = РУ = ^РгУг

г=1

Заметим, что координаты вектора весов в могут быть связаны со стоимостью соответствующих составляющих, выраженных в денежных единицах. Например, если стоимость затрат при работе аппарата в течение фиксированного промежутка времени принять за $/ (оплата за расходованную электроэнергию, прочие расходы), а стоимость выпущенного за этот же промежуток времени продукта оценить через $7/, то критерий качества может быть выражен непосредственно в денежных единицах:

Ка = $// 2 РгУг " ^ Е Р^

г=1 ]=1

и может служить мерой экономичности аппарата.

т+М

При этом разумно положить

2Рг = 1,

Рг б^ттД! Р2тт > В этом случае Рг

приобретают смысл степени важности для заказчика затрат энергии и качества продукции соответственно. Удобно использовать

г=1

т

г=1

относительную стоимость продукта, обозначив её через $ = $///$/. Тогда экономическая эффективность аппарата определяется

к $ = ка/ $' = s^Ay. -Yß

Y ¡У}

Этот критерий использован в данной работе, а программа оптимизации составлена так, что может быть использован любой из перечисленных критериев.

Требования ТЗ устанавливают допустимую область изменения показателей функционирования аппарата. Эти требования записываются в виде неравенств:

Ьг < у < Вг, г = 1, М;

Сг < Хг < Сг > . = 1 n;

d. < u. < D., i = 1, Ж,

где Ь,с,С - минимальные, B,C,D - максимальные значения соответствующей координаты.

Для решения задачи проектирования аппарата система неравенств (9) должна быть обезразмерена и нормирована. Это удобно сделать, используя односторонние неравенства вида

S _ (smax s) /(smax Smm ) < 1,

что равносильно S -1 < 0 для любого из неравенств (9). Тогда имеем систему ограничений на координаты векторов входных, управляющих и выходных параметров аппарата:

1 - Sx < 0;

1 - Su < 0;

1 - Sy < 0.

Рассматриваемая задача относится к разряду оптимизационных задач с ограничениями. Для решения такого класса задач используют либо модифицированные с учетом ограничений методы безусловной оптимизации, либо преобразуют задачу с ограничениями в задачу без ограничений (так

называемая последовательная оптимизация без ограничений или метод штрафных функций).

В результате был разработан алгоритм и программа решения задачи оптимизации методом штрафных функций и методом сканирования. Алгоритм легко адаптируется к набору входных и управляющих параметров для любой конструкции МТА и к любому из видов критерия эффективности. Пользовательский интерфейс программы позволяет автоматизировать принятие инженерных решений при проектировании МТА.

Таким образом, разработан метод создания автоматизированных систем проектирования многокритериальных многопараметрических

малогабаритных трубчатых аппаратов,

обеспечивающий автоматический поиск проектируемых параметров в допустимой области изменения показателей функционирования аппарата, установленной требованиями ТЗ.

Литература

1. А.А. Берлин, К.С. Минскер, К.М. Дюмаев. Новые унифицированные энерго- и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов. М.: ОАО НИИТЭХИМ, 1996. 188 с.

2. Ю.М. Данилов, А.Г. Мухаметзянова, Р.Я. Дебердеев, А.А. Берлин. ТОХТ, 1, 1-4 (2011).

3. Г.С. Дьяконов, А.Г. Мухаметзянова, Ю.М. Данилов, А.Н. Бергман, И.М. Ильина. Вестник Казанского технологического университета, 1, 267-272 (2002).

4. www.fluent.com

5. А.Г. Мухаметзянова, Ю.М. Данилов. Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы механики, математики, информатики - 2010». Пермь, 2010. 146.

6. А.Г. Мухаметзянова, Ю.М. Данилов, К.А. Алексеев, К.А. Терещенко, А. А. Курбангалеев. Вестник Казанского технологического университета, 11, 64-70 (2011).

© А.Г. Мухаметзянова - д-р техн. наук, профессор кафедры Процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, asia@kstu.ru; К. А. Алексеев - аспирант той же кафедры, konstantin_aleks@inbox.ru.

© A. G. Mukhametzyanova - doctor of technical science, Professor Department of Processes and devices of chemical technologies KNRTU, asia@kstu.ru; K. A. Alekseev - a graduate student in the same department, konstantin_aleks@inbox.ru.