Функционирование САПР

На рис. 3.4 представлена укрупненная схема функционирования САПР-ЦЕМЕНТ.

Рассмотрим отдельные этапы процесса проектирования в режиме автоматизированного проектирования.

ЭТАП 1. Как было сказано ранее, важнейшее требование к САПР - это детальный учет предпроектной информации и ее использование при принятии проектных решений. Проектированию цементных заводов, а также переходу на новую сырьевую базу действующих заводов предшествует геологическая разведка предполагаемых месторождений сырья. На основании этой информации определяются достоверные оценки запасов сырья, распределение его по различным категориям качества, параметры изменчивости технологических свойств и рациональные варианты разработки карьера с учетом возможности шихтовки. На этом этапе в БД ОБКТ.ПОТОК (база данных раздела технологических потоков объекта) заносятся характеристики исходных сырьевых потоков.

ЭТАП 2.На основании полученных характеристик сырьевых материалов определяются укрупненные показатели завода: расходы технологических потоков в годовом исчислении (материальный баланс завода), производительность основных переделов с учетом режима их работы, объем резервных складов, потребность во вспомогательных материалах и т. д. Полученная информация используется для предварительного технико-экономического анализа варианта, а также для более детальной проработки на дальнейших этапах проектирования. Выпускаются задания для проектирования карьера, внешнего транспорта и технико-экономического обоснования. Информация, характеризующая технологические потоки, заносится в БД ОБКТ.ПОТОК.

ЭТАП 3. Конкретизация технологической схемы производится на основе системотехнического анализа различных вариантов. Основными исследуемыми параметрами при этом являются показатели надежности схемы и уровни стабилизации показателей качества технологических процессов.

Рис. 3.4. Схема функционирования системы автоматизированного проектирования цементных заводов (САПР-ЦЕМЕНТ): Д - проектный документ; БД - база данных; БФ - библиотека фрагментов; БАЛАНС - материальный баланс завода; ППП - пакет прикладных программ; ЗД - задание на проектирование нетехнологических подсистем; РСЧ - расчетно-пояснительная записка; ОПРОС - опросный лист; Ч - чертеж; СПЦФ - спецификация

Далее на основании требуемой производительности переделов с учетом технологических характеристик перерабатываемых материалов выбираются типоразмеры оборудования и его потребное количество. Информация о выбранном оборудовании заносится в БД ОБТК.ОБОРУД (база данных общесистемного раздела оборудования, используемая при проектировании цементных заводов).

ЭТАП 4. Компоновка оборудования в первой очереди САПР-ЦЕМЕНТ производится с использованием традиционных ручных операций. Здесь определяются также трассы внутризаводских коммуникаций.

ЭТАП 5. После формирования технологической схемы и компоновки основного технологического оборудования производится проектирование внутризаводского транспорта, систем аспирации и другого вспомогательного оборудования. Исходной информацией являются характеристики транспортируемых материалов, схемы трасс коммуникаций и условия окружающей среды. Выбираются типоразмеры оборудования и комплектующие изделия, составляются опросные листы по формам заводов-изготовителей. Данные об оборудовании заносятся в БД.

ЭТАП 6.Основную часть оборудования, поставляемого на строящиеся цементные заводы, составляет серийное оборудование, выпускаемое машиностроительными заводами. Однако, целый ряд узлов и несложных механизмов изготавливается по чертежам, разработанным проектными организациями. В САПР-ЦЕМЕНТ в качестве первой попытки выпуска конструкторской документации реализована программа конструирования переходных узлов газоходов.

Завершающей стадией технологического проектирования является выпуск заказных спецификаций и зданий на разработку смежных частей проекта: электроснабжение, КИП и автоматика, сантехника, строительные конструкции, составление смет. Исходной информацией для автоматизированного выпуска перечисленных документов являются данные о выбранном оборудовании из БД ОБКТ.ОБОРУД.

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

ППП СЫРЬЕвключает 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 противоточное движение обжигаемого материала и пылегазовой среды с учетом протекания процессов теплообмена, сушки, декарбонизации, образования жидкой фазы, минералообразования и других.

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

1. В БД ОБКТ.ПОТОК 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 технико-экономические 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.

Г л а в а 4

________________________________________________________________