Химическое производство представляет собой набор соединённых в определённой последовательности технологических аппаратов (далее аппаратов), в которых выполняются технологические операции или стадии (химические превращения, нагрев, сушка и др.), необходимые для производства определённого продукта. Этот набор аппаратов называется химико-технологической системой (ХТС). Процесс проектирования химических производств включает ряд этапов, среди которых [1]:

• ■    аппаратурное оформление ХТС;

• ■    размещение аппаратов и трассировка трубопроводов в производственном помещении;

• ■    расписание работы ХТС и графики ремонтов аппаратов;

• ■   технико-экономические расчёты.

Аппаратурное оформление ХТС заключается в выборе или проектировании таких аппаратов, которые позволяют получить заданное количество продукта за заданное время с минимальными затратами. При этом необходимо определить тип аппарата, который позволит выполнить технологические операции или стадии, и его основные размеры.

Вопросы разработки систем поддержки принятия решений (СППР) при проектировании химических производств рассматриваются в различных публикациях (см., например, [1-4]), но задачам определения типа аппаратов на этапе аппаратурного оформления ХТС уделяется недостаточное внимание. Связано это, прежде всего:

• ■    с большим количеством разнообразных процессов (химические, механические, тепловые, гидродинамические), присутствующих в ХТС, и типов аппаратов, в которых эти процессы реализуются [5];

• ■    с отсутствием формального описания процесса выбора типа аппарата, хотя нормативные документы (стандарты, технические условия и др.) содержат рекомендации по применению аппаратов, и есть условия для создания «умных стандартов», которые можно использовать в СППР.

Созданию «умных стандартов» ( SMART -стандартов) посвящен ряд публикаций: предпосылки появления понятия « SMART -стандарт» [6], особенности и перспективы развития национальной системы SMART -стандартизации [7], архитектура и форматы данных в SMART -стандартах [8], мировые тенденции развития SMART -стандартизации [9]. В России создан проектный технический комитет 711 (ПТК711) «Умные ( SMART) стандарты» [10] и разрабатываются национальные стандарты, один из которых опубликован [11], другие находятся в доработке после публичного обсуждения [7].

Основой для создания SMART -стандартов может стать онтология предметной области (ПрО), т.к. в стандартах описываются объекты, процессы и другие сущности ПрО (наименования понятий ПрО согласно [12]), свойства сущностей и связи между сущностями и их свойствами (отношения между наименованиями понятий [12]). По сути стандарты являются неформализованной онтологией. В [13] рассматривается подход к разработке онтологии на основе стандартов; модель представления онтологии ПрО на основе графовых баз данных описана в [14]; модель комплексной поддержки разработки СППР представлена в [1 5]; создание онтологий в области машиностроения описано в работах [16, 17]; обзор существующих способов формирования онтологии ПрО при моделировании представлен в [18]; обзор подходов к автоматизации работ с онтологическими ресурсами описан в статье [19].

Целью настоящей статьи является описание создания СППР для определения типа кожухотрубчатого теплообменника (КТ) на этапе проектирования ХТС. В основе СППР лежит онтология ПрО, которая составлена на основе технических условий [20].

СППР при проектировании ХТС создаётся на основе функциональной модели (ФМ), в которой определяются решаемые задачи, информационные потоки и информационные модели (ИМ), преобразующие входные информационные потоки в выходные.

• 1    ФМ аппаратурного оформления ХТС

Аппаратурное оформление ХТС заключается в:

• ■    определении типов аппаратов на каждой стадии технологического процесса;

• ■    расчёте определяющих размеров и числа аппаратов на каждой стадии (например, для ёмкостного аппарата определяющим размером является объём, для теплообменника поверхность теплообмена);

• ■    конструировании аппаратов на определённых стадиях и разработке технологии изготовления аппаратов.

Функциональная диаграмма верхнего уровня задачи разработки аппаратурного оформления ХТС представлена на рисунке 1. В техническом задании ( tz ) представлены исходные данные на разработку аппаратурного оформления ХТС:

• ■    перечень стадий технологического процесса;

• ■    свойства веществ на каждой стадии;

• ■    параметры процессов каждой стадии (температура, время, расходные нормы используемых веществ и др.).

Техническая документация аппаратурного оформления ХТС (pr ) включает:

• ■    спецификацию аппаратов;

• ■    конструкторскую документацию на аппараты;

  • ■    технологическую документацию на изготовление сконструированных аппаратов.

  
  

  Управляющими воздействиями ( С) являются нормативные документы, регламентирующие условия применения аппаратов, методы технологического расчёта, нормативные документы на конструирование и разработку технологии изготовления аппаратов.

  Диаграмма А0 процесса проектирования ХТС представлена на рисунке 2. Основными функциональными блоками диаграммы являются:

  • ■    выбор типов аппаратов для каждой

  
  

  Нормативные документы, С

  
  
  
  
  

  Техническая документация аппаратурного оформления ХТС, рг

  
  

  Техническое

  ■задание, tz

  Аппаратурное оформление ХТС

  

  Технолог-машиностроитель

  Конструктор

  Рисунок 1 - Диаграмма верхнего уровня проектирования химико-технологической системы

  
  

стадии;

■■ расчёт определяющих размеров аппаратов;

разработка конструкторской и технологической документации отдельных аппаратов.

Рисунок 2- Диаграмма А0 процесса проектирования химико-технологической системы

Информационные потоки диаграммы А0:

• 1 1    - типы аппаратов на каждой стадии ХТС;

• 1 2    - определяющие размеры и число аппаратов на каждой стадии;

• 1 3    - конструкторско-технологическая документация изготовления аппаратов;

• С 1 - нормативные документы, регламентирующие условия применения аппаратов;

• С 2 - нормативные документы технологического расчёта аппаратов;

• С 3 - конструкторские и технологические нормативные документы;

1 2 ⁰ , 1 3 ⁰ - обратные связи; C = C 1U С 2U С 3; pr = 1 1U 1 2U 1 3.

В блоке А1 на основании характеристик обрабатываемых веществ и параметров технологического процесса осуществляется выбор типов аппаратов для каждой стадии.

Например, для стадии выпарки, если выпариваемый раствор сильно агрессивный и высококипящий, то выбирается барботажный выпарной аппарат, а для сильнопенящегося термочувствительного раствора наиболее подходящим является пленочный выпарной аппарат. При выборе КТ, если разность температур теплоносителей не превышает 30 ⁰ С, выбирается КТ с неподвижными трубными решётками.

В блоке А2 для выбранных в блоке А1 типов аппаратов на основании производительности ХТС, времени выполнения операций стадии и нормативных расходов веществ определяется основной размер аппарата и число аппаратов на каждой стадии.

В блоке А3 на основании определяющего размера аппарата разрабатывается конструк- торская и технологическая документация аппарата, включающая:

• ■    технологический расчёт аппарата;

• ■    прочностной расчёт элементов аппарата;

• ■    разработку чертежей общего вида, сборочных единиц и деталей;

• ■    разработку спецификации аппарата;

• ■    маршрутные и операционные карты изготовления отдельных деталей;

• ■    нормы расходов материалов;

• ■    карты сборок и др.

ФМ ( FM) , описывающую преобразование входного информационного потока tz в выход

IM

----> pr . Под IM

ной pr с использованием ИМ (IM) можно записать в виде FM: tz U C здесь понимается «формальная модель ограниченного набора фактов, понятий или инструкций, предназначенная для удовлетворения конкретному требованию» [21]. В данном случае:

• ■    «конкретное требование» - получение проектной документации;

• ■    понятия - аппарат, температура, давление;

• ■    факты - температура равна 100 0 С, давление равно 0,3 МПа;

• ■    инструкция - если разность температур теплоносителей в КТ больше 40⁰С, то необходимо использовать температурный компенсатор.

FM и IM представляют собой следующие кортежи:

FM=, IM=, где FM1 - ФМ выбора типов аппаратов для каждой стадии;

• F M 2 - ФМ расчёта определяющих размеров аппаратов;

• F M 3 - ФМ разработки конструкции и технологии изготовления отдельных аппаратов;

• I M 1 - ИМ выбора типов аппаратов для каждой стадии;

• I M 2 - ИМ расчёта определяющих размеров аппаратов;

• I M 3 - ИМ разработки конструкции и технологии изготовления отдельных аппаратов;

FM 1: tz U C 1U 1 2^{0 IM1} >  1 1; FM 2: tz U 1 1U C 2U 1 3⁰ IM² >  1 2; FM 3: tz U 1 2U C 3 IM³ >  1 3

• 2    Формальное описание ИМ выбора типа аппаратов

ИМ, предназначенная для определения типа аппарата химических производств в зависимости от свойств обрабатываемых веществ, определяется как кортеж ОР=< P,T,G >, где Р -таксономия типов аппаратов (КТ, труба в трубе); Т - таксономия свойств обрабатываемых веществ (температура, давление, обрабатываемые вещества); G - правила, связывающие вершины дерева аппаратов с вершинами дерева свойств обрабатываемых веществ.

Таксономия аппаратов P = ( PV , PR ) , PV = { pv i , i = 0.. I } - множество типов и подтипов аппаратов; PR = { pr km , k e 1.. I , m e 1.. I , k ^ m ) - связи типа класс-подкласс (например, «КТ -теплообменник с неподвижными трубными решётками»).

Пример таксономии аппаратов в виде графа (дерева) представлен на рисунке 3.

Таксономия свойств обрабатываемых веществ ство свойств обрабатываемых   веществ;

TR = {tr^, к е 1.. J, m е 1.. J, к * m ) - связи типа класс-подкласс (например,  «Температура -

Температура максимальная»). Пример таксономии свойств обрабатываемых веществ в виде графа представлен на рисунке 4.

Ультраграф G= ( GPT,GR ) связей вершин PV = { pv i , i = 0.. I } дерева аппаратов (стоки) с вершинами TV = { tv j , j =0.. J } дерева свойств обрабатываемых       веществ       (истоки),

GPT с PV U TV - множество вершин ультраграфа, GR = { gr _k , k =1.. K }- множество рёбер ультраграфа, gr _k ( Y _k ) - к -ое ребро ультраграфа, Y _k -множество вершин, инцидентных k -му ребру ультраграфа, Y k с GRT , Y k = {pv i , TV 1}, pv i , е PV -вершина дерева аппаратов (сток), TV 1 с TV -множество вершин из дерева свойств обрабатываемых веществ (истоки), TV 1 = { tv c , c с J } .

Ребро ультраграфа представляет собой правило (продукцию) вида «Если ..., то ...», которая формально запишется как Э I tv _c ^ pv l .

с е J 1 с J

Графическая интерпретация правила (ребра ультраграфа) «Если температура от - 40⁰ до 350⁰, то тип теплообменника ТН или ТК» представлена на рисунке 5. При этом вершины «Температура максимальная» и «Температура минимальная» являются истоком, а вершины «ТН» и «ТК» -стоком, что показано стрелками на ребре gr i .

• 3    ИМ выбора типа КТ (IM1)

ИМ IM 1 составлена на основе данных [20], где:

Tp = {tp itp }, itp = 1.. Itp - множество возможных типов теплообменников, Tp = {ТН, ТК, ТП, ТУ, ХН, ХК, ХП, ХУ}, ТН - теплообменник с неподвижно закреплёнными трубными решётками, ТК - теплообменник с температурными компенсаторами на кожухе, ТП - теплообменник с «плавающей» головкой, ТУ - теплообменник с U-образными трубами, ХН - холодильник с неподвижно закреплёнными трубными решётками, ХК - холодильник с температурными компенсаторами на кожухе, ХП - холодильник с «плавающей» головкой, ХУ - холодильник с U-образными

T = (TV , TR ) , TV = {tv j , j = 0.. J } - множе-

Теплообменники, PV

___ Кожухотрубчатые, pv 1 ------- ТН, pv 2

ТК, pv з . . .

— Труба в трубе, pv_k 1 I_______

I

Рисунок 3 - Пример таксономии аппаратов

Свойства обрабатываемых веществ, TV

---Температура tv 1

-----Температура максимальная, tv ₂

Температура минимальная, tv ₃

— Среда в аппарате, tv ₄

----- Ацетон, tv 5

----- Спирт метиловый, tv ₆

Уксусная кислота, tv ₇

Рисунок 4 - Пример таксономии свойств обрабатываемых веществ

ТеплообменннЕИ. PV

Рисунок 5 - Графическая интерпретация правила вида «Если ... то ...»

М1: кожух - СтЗсп; крышки - СтЗсп, 16ГС; трубы - сталь 10, сталь 20; трубная решётка - 16ГС; перегородки -Ст3сп; .

М10: кожух - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; крышки - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; трубы - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; трубная решётка - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М; перегородки - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М;

Pk = { pt_ipk }, ipk = 1.. Ipk - давление в кожухе, Pk= {0.6, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0};

Dt - допускаемая разность температур кожуха и труб;

Tt - температура трубы;

Tk - температура кожуха;

Tmax - максимальная температура теплоносителя;

Tmin - минимальная температура теплоносителя;

Me = { Mk , Mkr , Mt , Mtr , Mp } - материалы элементов теплообменника, соответственно: Mk - кожуха, Mkr - камеры распределительной, Mt - труб, Mtr - трубной решётки, Mp - перегородки.

С учётом введённых обозначений ИМ определения типа теплообменника описывается выражениями:

Me = Fm (sr),(1)

m = Fmt (Ме) ,(2)

tp = FTp(m, Tt, Tk, Dv, Dn, P, Dt) ,(3)

где Fm - оператор определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, Fmt - оператор определения исполнения по материалу, Ftp - оператор определения типа теплообменника.

Операторы Fm, Fmt , Ftp представлены в виде правил (продукций). Например:

Fm : ЕСЛИ sr = Спирт метиловый, ТО М* =09Г2С И Mkr=09Г2C И М/ =09Г2С И Mt =09Г2С И Mp =09Г2С;

Fmt : ЕСЛИ Mk =Ст3сп И ( Mkr=Cт3сп ИЛИ Mkr=16ГC) И ( Mt =сталь 10 ИЛИ Mt =сталь 20) И Mtr =16ГC И Mp =Ст3сп, TO mt = M1;

Ftp : ЕСЛИ Tt <250 И ( Dn =159 ИЛИ Dn =273 ИЛИ Dn =325) И ( P =1,6 ИЛИ Р =2,5 ИЛИ Р =4,0) И ( m =М8 ИЛИ m =М10) И Dt <=20, ТО tp = ТН.

• 4    Реализация ИМ выбора типа КТ

Прототип ИМ выбора типа КТ разработан в редакторе онтологий Protege , рисунки 6-11.

Основными классами сущностей ( Classes ) являются: Среда, Материал, Исполнение по материалу, Типы теплообменников (рисунок 6). Свойства объектов ( Objekt property ): Имеет исполнение по материалу, Материал камеры распределительной, Материал кожуха, Материал перегородок, Материал решётки трубной, Материал труб (рисунок 7). Данные ( Data properties ): Внутренний диаметр кожуха, Давление, Наружный диаметр кожуха, Разность температуры кожуха и труб, Температура кожуха, Температура труб (рисунок 8).

Пример определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, оператор Fm , выражение (1) (см. рисунок 9).

Пример правила определения исполнения теплообменника по материалу в зависимости от материала элементов, оператор Fmt , выражение (2) (см. рисунок 10).

Рисунок 6 - Классы сущностей

Рисунок 7 - Свойства объектов

Рисунок 8 - Данные

Рисунок 9 - Пример определения материала элементов теплообменника в зависимости от теплоносителя, оператор Fm , выражение (1)

Пример правила определения типа теплообменника в зависимости от исполнения по материалу и условий эксплуатации, оператор Ft , выражение (3) (см. рисунок 11).

Пример запроса на определение типа теплообменника приведён на рисунке 12.

Заключение

СППР при проектировании ХТС включает разработку:

• 1)    функциональной диаграммы проектирования ХТС;

  

  Рисунок 10 – Пример определения исполнения теплообменника по материалу в зависимости от материала элементов, оператор Fmt , выражение (2)

  
  

  Classes Data properties^

  
  

  Class hierarchy: TH         ИИНИЕ

  
  

  = 0 ТН — http://www. s е manticweЬ. о rg/m о kr/ont ol о gi е s/2022/4/u nt it I ed-ontology-25i | Annotations | Usage |

  
  
  
  
  

  Asserted »|

  
  

  Annotations: TH                                     ВИНИВ

  
  

  i.....• 08X22H6T

  01OXVH13M2I

  01OX18H1OI

  0 0912C

  01OX17H13M

  012X18H1OT 0 16ГС

  • 0 Па1унь_марки_ПаМщ_77-7-0. 0 Ciam._lC

  0 Стапь_?0

  0 Сталь 3

  I.....0 X17H13M2T

  • X18111 CT

  0 I илы теллооОменниов

  @03

  0 ИК О ин

  О кк 0 кн

  .....0 тк

  .....0 хк

  
  

  Annotations О

  
  

  Description: TH__________________________________________ElODBBB

  
  
  
  
  

  Equivalent To

  0 ((Имеет_исполнение_по_материалу some Ml) or (Имеет_исполнение_по_ыатериалу some M10)) and ((Давление value 0.6) or (Давление value 1)) and (Внутренний_диаметр_кожуха some xsd:decimal[< 1000])

  and (Разность_температуры_кожуха_и_тру5 some xsd: decimal!* 30])

  and (Температура_тру5 some xsd:decimal[< 250])

  
  

  oooo

  
  
  
  
  

  SubClass Of

  0Тмпы_теплообменников

  
  

  OQOO

  
  

  General class axioms

  
  
  

  Subclass Ot (Anonyrnous Ancestoi i

  
  

  Рисунок 11 – Пример правила определения типа теплообменника в зависимости от исполнения по материалу и условий эксплуатации, оператор Ft , выражение (3)

  
  
  

  Рисунок 12 – Пример запроса на определение типа теплообменника

  
  

• 2)    ФМ процесса проектирования ХТС (теоретико-множественное описание функциональной диаграммы) и определение ИМ, реализующих процессы проектирования ХТС;

• 3)    ИМ процессов проектирования ХТС;

• 4)    компьютерной реализации ИМ.

Представленная онтология выбора типа КТ создана по техническим условиям [20]. Описанный подход может быть использован не только при разработке СППР при проектировании технических объектов, но и при создании SMART -стандартов, SMART -технических условий и других нормативных документов.