ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Основные пакеты прикладных программ (ППП) технологической подсистемы САПР-ЦЕМЕНТ

ППП СЫРЬЕ включает комплекс программных блоков, автомати­зирующих обработку результатов исследовательских работ, выполняе­мых при оценке качества цементного сырья по геологоразведочным дан­ным. В качестве исходной информации используются результаты пред­варительной, детальной или эксплуатационной разведки месторождений.

Обработка геологической информации с использованием ППП СЫРЬЕ производится в несколько этапов.

Этап 1. Ввод геологической информации и занесение ее в БД ОБКТ. ГЕО.

Заносятся координаты разведочных скважин, а также высотные привязки и полный химический состав выделенных интервальных проб (кернов). На основании поинтервальных данных формируется так назы­ваемое геополе карьера, то есть такой информационный массив, в кото­ром для каждого участка карьера определены достоверные химические характеристики.

Этап 2. Определение усредненных показателей, характеризующих качество сырья в залежи.

Расчеты следует производить для различных участков карьера. Получить наиболее рациональное решение можно путем сравнения раз­личных вариантов. При этом варьируются:

• границы исследуемой области (контур карьера); высотные от­метки отрабатываемой толщи;

• условия исключения из переработки некондиционного сырья.

Результатом работы на этом этапе является следующая информация:

• средние значения исследуемых химических характеристик;

• их среднеквадратичные отклонения;

• объемы добычи полезной и некондиционной породы;

• объемы породы с заданными качественными характеристиками.

Этап 3. Определение динамических характеристик изменчивости

свойств сырьевых материалов.

На этом этапе вначале определяются корреляционные функции изменчивости сырья в пространстве карьера. Знание характеристик из­менчивости сырья на карьере позволяет разрабатывать рациональные мероприятия по компенсации этих изменений. Эти мероприятия могут затрагивать как технологическую схему переработки сырья, так и стра­тегию добычи сырья на карьере.

Этап 4. Формирование плана горных работ с учетом стабилизации качества добываемого сырья.

Этот этап производится в диалоговом режиме. Проектировщику пре­доставлена возможность на дисплее отобразить любой участок карьера.

Моделирование процесса планирования добычи сырья заключает­ся в том, что проектировщик выбирает количество экскаваторов, их максимальную производительность, расставляет их на участки и задает направление передвижения с учетом ограничений, накладываемых на проведение горных работ.

Меняя стратегию разработки карьера, можно добиться макси­мального снижения исходной неоднородности.

Этап 5. Расчет параметров сырьевой смеси.

Исходными данными для работы программы являются шифры сырьевых компонентов, из которых составляется сырьевая смесь, а так­же задания на модульные характеристики смеси - коэффициент насы­щения, силикатный и глиноземный модули. Необходимая для расчетов информация о химических характеристиках смешиваемых материалов поступает в программу БД ОБКТ. ГЕО. В результате расчетов определя­ется рецепт сырьевой смеси, т. е. массовые доли всех смешиваемых ма­териалов, а также соответствующие рецепту концентрации в смеси ос­новных оксидов.

ППП БАЛАНС. После того как определены технологические свойства исходных сырьевых материалов и подобран рецепт сырьевой смеси, производится формирование укрупненной технологической схе­мы. Как правило, анализировать нужно несколько вариантов с целью выбора из них наиболее рационального. Анализ каждого варианта тех­нологической схемы начинается с расчета материального баланса заво­да. Материальный баланс - это список потоков основных технологиче­ских материалов с указанием их годовых расходов.

На основании данных материального баланса решаются задачи, необходимые для предварительной оценки технико-экономических по­казателей завода и дальнейшей проектной проработки.

Работа с ППП БАЛАНС производится поэтапно.

Этап 1. Определение ассортимента выпускаемой продукции.

При решении этой задачи следует учитывать как технологические, так и экономические факторы. К экономическим относятся: потреб­ность региона в различных марках цемента, уровень оптовых цен, а также наличие необходимых ресурсов и их стоимость.

Технологические факторы - это закономерности изменения свойств цемента в зависимости от состава цементной шихты и техноло­гических режимов его производства.

Задача сводится к поиску такого ассортимента производимого це­мента, который обеспечивает максимальную прибыль с учетом ограни­чений на выпуск отдельных марок цемента и на возможность использо­вания различных ресурсов.

Этап 2. Ввод информации о технологических потоках (материалах).

Здесь вводятся цифры и наименование потока, а также параметры, характеризующие технологические свойства, удельные расходы различ­ных ресурсов для производства данного материала, планируемые техно­логические операции (шифр операции, режим работы, нормы потерь).

В САПР-ЦЕМЕНТ с целью автоматизации процесса формирова­ния технологической схемы предусмотрен режим генерации информа­ции о потоках с использованием библиотеки фрагментов типовых про­ектных решений.

В том случае, если фактические проектные решения отличаются от типовых, заложенных во фрагментах, проектировщик должен откор­ректировать задание, сгенерированное системой.

Этап 3. Расчет материального баланса.

Здесь окончательно формируется проектируемая технологическая схема, которая фиксируется в виде описаний технологических потоков в БД ОБКТ. ПОТОК, в виде таблицы материального баланса и, наконец, в виде чертежа технологической схемы.

Этап 4. Оценка экономических показателей проектируемого объекта.

В САПР-ЦЕМЕНТ для экономической оценки проектных решений на ранних стадиях проектирования принят метод экспрессной экономи­ческой оценки на основании использования технико-экономических нормативов.

База данных экспрессной системы экономических оценок содер­жит нормы расхода натуральных показателей на выполнение различных технологических операций. Таким образом, имея информацию о выпол­няемых на проектируемом объекте технологических операциях, нормы расхода натуральных показателей, а также их цены для района строи­тельства, программа рассчитывает следующие технико-экономические показатели проекта:

• полную потребность в ресурсах;

• стоимость основных фондов;

• себестоимость реализуемой продукции;

• годовую прибыль;

• предполагаемый срок окупаемости затрат на строительство завода.

Этап 5. Выпуск сопутствующих документов.

ППП ВЫБОР. Основной процедурой выбора оборудования, наи­лучшим образом соответствующего выполнению заданной технологи­ческой операции, является расчет производительности этого оборудова­ния и потребляемых им ресурсов. Эту задачу можно решить двумя пу­тями. Первый путь методически связан с моделированием процессов тепло - и массообмена, а также кинетики химических и физических пре­вращений, происходящих в аппарате.

Это сложный путь, он связан с созданием серьезных программ для каждого типа агрегатов. Расчет по таким программам требует ввода большого количества данных, характеризующих конструкцию агрегата. Создание и использование таких программ целесообразнее в случаях, когда требуется конструктивная проработка агрегата (проектирование новых, реконструкция действующих).

В том случае, когда требуется прогнозировать производитель­ность серийного аппарата, возможно использование упрощенной мето­дики. Для серийных агрегатов установлена паспортная производитель­ность, соответствующая производительности в определенных условиях (физико-химические свойства исходного и выходного продукта, усло­вия окружающей среды и т. д.). Для корректирования значения произ­водительности используются эмпирические зависимости, учитывающие влияние факторов, отличных от тех, которые зафиксированы при опре­делении паспортной производительности.

В САПР-ЦЕМЕНТ реализованы оба подхода к определению про­изводительности и потребляемых ресурсов. В качестве примера про­граммы, использующей первый подход, можно назвать, прежде всего, программу расчета печных агрегатов. Работа этой программы основана на решении системы нелинейных уравнений, описывающих противо - точное движение обжигаемого материала и пылегазовой среды с учетом протекания процессов теплообмена, сушки, декарбонизации, образова­ния жидкой фазы, минералообразования и других.

Е[а описании функционирования процедуры выбора оборудова­ния, основанной на второй из перечисленных выше методик, остано­вимся подробнее. Работа этой системы основана на взаимодействии следующих четырех компонентов САПР:

Е В БД ОБКТ. ЕЮТОК содержится информация о свойствах пере­рабатываемых материалов (влажность, крупность, прочность, остаток на сите выходного продукта и т. д.).

2. В БД ОСР. ОБОРУД указываются паспортные данные, характе­ризующие часовую производительность и условия применимости (мак­симальную влажность, размер куска и т. д.). Кроме того, в этом разделе БД указывается в случае необходимости номер фрагмента, к которому следует обратиться при выборе агрегата.

3. В библиотеке фрагментов хранятся фрагменты, реализующие арифметические и логические операции, необходимые для вычисления требуемых параметров (часовая производительность, потребность в энергоресурсах и т. д.).

4. Технолог, эксплуатирующий систему, при выборе оборудова­ния должен указать следующую информацию: группу локальных кодов оборудования, которая должна анализироваться с точки зрения выпол­нения данной технологической операции; шифры потоков, обрабаты­ваемых данным видом оборудования. Кроме того, в задании могут ука­зываться данные, характеризующие режим работы оборудования (нор­мативный коэффициент использования, годовой фонд времени). Указы­вается также критерий выбора оборудования. Здесь следует сказать, что использование в качестве критерия непосредственно себестоимости данной технологической операции не всегда является обоснованным. Действительно, поскольку данный агрегат работает в системе агрегатов, составляющих технологическую схему, существует ряд показателей (кроме себестоимости данной операции), влияющих на технико­экономические показатели работы всего объекта.

Таким образом, процесс выбора оборудования состоит из сле­дующих операций.

Операция выбора оборудования. Перебираются все типы обо­рудования, указанные технологом в группе локальных кодов. Для каж­дого типа определяется значение критерия, оценивающего степень его пригодности.

По окончании перебора определяется оборудование с экстремаль­ным значением критерия. Выбранное оборудование заносится в БД ОБКТ. ОБОРУД.

Операция вычисления критерия. Перебираются все технологи­ческие потоки, которые предполагается перерабатывать данным видом оборудования. Для каждого материала определяется возможность его переработки и часовая производительность. Далее из БД ОБКТ. ПОТОК выбирается годовая потребность в данном материале и рассчитывается годовой фонд времени для переработки необходимого объема. Если хоть один материал по какой-либо причине не может быть переработан, то данное оборудование исключается из дальнейшего анализа, в про­тивном случае определяется общий годовой фонд времени, необходи­мый для обработки всех материалов, необходимое количество агрегатов и значение критерия.

Операция определения возможности переработки материала и часовой производительности. Из БД ОБКТ. ОБОРУД выбираются па­раметры, характеризующие технологическую применимость проверяе­мого оборудования. По шифру каждого их этих параметров в БД ОБКТ. ПОТОК ищется фактическое значение аналогичного параметра перерабатываемого материала, и если фактическое значение лежит вне области разрешенных значений, делается пометка о невозможности применения этого вида оборудования. В том случае, если имеется пара­метр, указывающий на необходимость обращения к фрагменту, система вызывает заданный фрагмент, где производятся вычисления часовой производительности и потребных ресурсов. Если вызов фрагмента не предусмотрен, то в качестве расчетных значений параметров выбирают­ся паспортные данные.

ППП АНАЛИЗ. Выбор оптимального варианта технологической схемы должен основываться на сравнении прогнозируемых значений показателей, характеризующих качество функционирования проекти­руемого объекта. К таким показателям следует отнести: себестоимость выпускаемой продукции, возможность гарантированного выполнения производственных заданий по выпуску готовой продукции и, наконец, возможность гарантированного выпуска продукции заданного качества. Определение себестоимости выпускаемой продукции производится подсистемой расчета технико-экономических показателей. Получение же достоверных прогнозных оценок, характеризующих функциональ­ные возможности проектируемого предприятия, основывается на его системотехническом анализе.

При системотехническом анализе используют два принципа мо­делирования процессов. Первый принцип основан на математической имитации процессов, происходящих в реальных объектах. Такой ме­тод моделирования называется имитационным моделированием. В САПР-ЦЕМЕНТ на основе имитационного моделирования прогнози­руется производительность технологической линии.

При моделировании завод рассматривается как сложная система агрегатов, каждый из которых подвержен воздействию большого числа факторов.

Эти факторы могут быть предсказуемыми (технологический ре­жим, плановые ремонты), а также случайными (выход из строя обору­дования, переполнение емкости и т. д.). Каждое из этих событий изме­няет состояние как отдельного агрегата, так и системы в целом.

Описание технологической схемы для имитационного процесса сводится к перечислению стандартных блоков (технологические агрега­ты (ТА); буферная емкость (РФ); блок управления группой технологи­ческих агрегатов (БУ); блок управления элементарной технологической цепочкой и др.), каждый из которых воспроизводит функционирование отдельного элемента схемы.

В результате имитационного моделирования работы схемы за дос­таточно большой срок (например, 20 000 часов) определяются такие по­казатели проектируемого завода, как производительность и возможные отклонения ее от среднего значения, коэффициент использования обо­рудования, вероятность нахождения системы в различных технологиче­ских режимах, графики нагрузок на источники энергии.

Второй принцип анализа технологических схем основан на ис­пользовании передаточных функций отдельных объектов. Если при имитационном моделировании исследуется протекание процессов во времени, то в методе передаточных функций на основе теории динами­ческих систем рассчитываются непосредственно изменения интеграль­ных характеристик технологических потоков при прохождении их через агрегаты. Передаточная функция агрегата позволяет на основании ха­рактеристики потока на входе в агрегат и динамической модели агрега­та определить соответствующие характеристики потока на выходе.

ППП ТРАНСПОРТ. После компоновки основного технологиче­ского оборудования и определения трасс коммуникаций проектируются средства внутрицехового транспорта и вспомогательное оборудование. В первой очереди САПР-ЦЕМЕНТ задействованы программы, автома­тизирующие проектирование следующего вида оборудования: ленточ­ных конвейеров, пластинчатых конвейеров, ленточных питателей, пла­стинчатых питателей, винтовых конвейеров, ковшевых элеваторов, грейферных кранов, пневмотранспорта, гидротранспорта, аспирации участков перегрузки, дробилок, элеваторов, силосов и бункеров.

ППП ЗАДАНИЕ. По окончании работы предыдущих стадий ав­томатизированного проектирования в БД ОБКТ. ОБОРУД. накоплена информация, характеризующая примененное оборудование.

Здесь собраны данные, необходимые для выпуска заказных специ­фикаций и заданий на разработку смежных частей проекта. Для выпуска этих документов необходимо дополнить соответствующий раздел БД информацией о том оборудовании, которое по каким-либо причинам бы­ло выбрано проектировщиком без использования САПР-ЦЕМЕНТ и от­сутствует в БД ОБКТ. ОБОРУД.

В первой очереди САПР-ЦЕМЕНТ предусмотрена выдача сле­дующих заданий:

• задание на проектирование электроснабжения, в котором ука­зываются все электроприемники, установленные в данном оборудова­нии, их мощности и скорости вращения;

• задание на техническое водоснабжение;

• задание на составление смет на монтаж и приобретение обо­рудования;

• список тепловыделений для проектирования системы венти­ляции.