OPYT VNEDRENIYA KOMPLEKSNYKH

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ
CAD/CAE И SCADA-СИСТЕМ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И
ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Ляпощенко Александр Александрович, к.т.н., доцент, докторант,
Скиданенко Максим Сергеевич, к.т.н., ассистент
Маренок Виталий Михайлович, ассистент
Сумский государственный университет
Современные требования к автоматизации инженерной деятельности и
производства
предусматривают
внедрение
комплексных
компьютеризированных систем. Известно, что частичная автоматизация
зачастую не дает ожидаемого повышения эффективности. Поэтому
предпочтительным является внедрение комплексных интегрированных
систем, автоматизирующих все основные этапы жизненного цикла
изделия. Очевидно, что подобная интеграция является неотъемлемой
чертой CALS-систем (Computer Aided Life-cycle System).
В данной работе предлагается проанализировать опыт внедрения таких
систем на примере концепции двух этапов «жизни» химического
производства: проектирования и эксплуатации. Несмотря на большое
количество публикаций о системах автоматизированного проектирования
(САПР) [1-2], в действительности, только в настоящее время наступила
эпоха широкого внедрения в химическом машино- и аппаратостроении
CAD-систем (Computer-Aided Design) конструкторского проектирования и
CAE-систем (Computer-Aided Engineering) расчетов и инженерного анализа
[3-6]. Аналогичная ситуация с внедрением автоматизированных систем
управления технологическими процессами (АСУ ТП). В технологических
линиях и комплексах химических производств и других отраслей
промышленности сегодня успешно применяются SCADA-системы
(Supervisory Control And Data Acquisition), предназначенные для сбора,
обработки, отражения и архивации информации об объекте мониторинга в
реальном времени, а также диспетчерского управления химикотехнологическими процессами (ХТП) [7-8].
На ранних этапах проектирования проектно-конструкторские решения
принимаются в условиях полной неопределенности в исходной
информации. Цель выполняемых на разных этапах проектирования
расчетов и моделирований – уточнить параметры и характеристики
проектируемого оборудования, принять наиболее рациональные проектноконструкторские решения. При этом всегда гарантируется отыскание
оптимальных конструктивных и технологических решений, откуда
выплывает итерационно-циклический характер процесса проектирования
технологического объекта и управления химико-технологическим
процессом.
Для решения практических задач расчета, анализа, симуляции,
оптимизации и синтеза ХТП применяются системы компьютерной
математики и инженерных расчетов, созданные на базе термодинамического моделирования. Подобные системы, как правило, предоставляют
широкие возможности для статического и динамического моделирования
ХТП, технологических линий и комплексов. Возможность проводить
расчеты в динамическом режиме позволяет понять суть моделируемых
процессов. При этом можно собрать и испытать схему регулирования,
исследовать пусковые режимы, получить представление о реально
работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях,
изучить влияние изменения рабочих параметров на систему [3-6].
ChemCAD (ChemStations, Inc., http://www.chemstations.net/) – один из
наиболее мощных и универсальных пакетов, который предназначен для
решения широкого круга задач, связанных с анализом, оптимизацией и
синтезом ХТП, а также проведения технологических конструктивных
расчетов химических машин и аппаратов. В справочной базе данных
комплекса содержится около 2000 химических веществ, есть возможность
задавать нефтяные потоки в виде псевдокомпонентов или генерировать их
на основании данных разгонки по ИТК, рассчитать физико-химические
свойства и термодинамические параметры смесей веществ по 36
имеющимся
методикам.
Программный
комплекс
предоставляет
инструментальные средства для моделирования основных процессов
химической технологии, основанных на фазовых и химических
превращениях, а также средства для расчета около 40 типов основных
машин и аппаратов. В ChemCAD предусмотрены также возможности для
исследования и оптимизации статических и динамических режимов
функционирования как отдельных химико-технологических аппаратов, так
и всей химико-технологической схемы (рис.1); чувствительности
выходных переменных этих аппаратов по отношению к входным
переменным и возмущениям.
SIMSCI PRO/II (Simulation Sciences, Inc., http://www.simsciesscor.com/) предоставляет аналогичные возможности для моделирования
технологических установок химических и нефтехимических производств.
База данных программы содержит сведения о 1800 компонентах и 3000
бинарных смесей, специальные пакеты (электролиты, спирты, гликоли,
тиолы (меркаптаны) и другие). Благодаря развитым средствам задания
нефтяных компонентов, включенных в состав базового пакета, гибкости
при моделировании процессов ректификации и теплообмена, большому
числу алгоритмов создания моделей простых и сложных (со стриппингсекциями) ректификационных колонн, комплекс PRO/II сегодня получил
наибольшее распространение именно нефтеперерабатывающей и
нефтехимической отраслях промышленности (рис.2).
Рис.1. Моделирование атмосферно- Рис.2. Расчетная схема установки
вакуумной переработки нефти
переработки природного газа
(ChemCAD)
(PRO/II)
Aspen HYSYS (Aspen Technology, Inc., http://www.aspentech.com/)
представляет собой пакет программ, предназначенных для расчета
стационарных и динамических режимов работы химико-технологических
схем (рис.3), проведения оптимизационных расчетов, разработки схем
регулирования, контроля за работой систем управления, обучения
операторов технологических установок, а также выполнения расчетов
процессов на основе данных, которые непосредственно поступают с КИПиА.
Следует отметить, что моделирование ХТП разделения нефтяных смесей и
детальный расчет теплообменников возможен только с использованием
дополнительных модулей, не включенных в состав базового пакета, а
количество поддерживаемых методов расчетов свойств нефтепродуктов
уступает аналогичным, например в PRO/II. В этом плане особое внимание
привлекает перспективная программная разработка НАН Украины –
GasCondOil (Институт газа, http://thermogas.kiev.ua/), предназначенная для
компьютерного моделирования работы промыслового оборудования для
переработки природного газа и нефти (рис.4). Сравнение комплекса
GasCondOil с известными аналогами (PRO/II, HYSYS) показывает
одинаковую точность для углеводородных смесей и лучшие результаты для
систем углеводороды - водные растворы метанола, гликолей и солей [3].
Рис.3. Моделирование работы
холодильной установки (HYSYS)
Рис.4. Расчетная схема установки
комплексной подготовки природного
газа (GasCondOil)
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам
контроля и управления всей системой, или комплексами систем,
осуществляемого с участием человека. Программно-аппаратные
комплексы с интегрированными SoftLogic/SCADA-системами позволяют
программировать промышленные контроллеры прямо в инструментальной
системе. Следует отметить, что если раньше под SCADA-системами чаще
понимали именно программно-аппаратные комплексы сбора данных
реального времени, то сейчас термин SCADA больше используется для
обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса
SCADA/HMI (Human Machine Interface) АСУ ТП. Современная АСУ ТП
представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему
управления. Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно
трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях
многокритериальности, усложненную невозможностью количественной
оценки ряда критериев. Среди мировых лидеров SCADA-систем следует
выделить
SIMATIC
WinCC
и
FactoryLink
(Siemens
AG,
http://www.siemens.com),
Citect
и
InTouch
(Schneider
Electric,
http://www.schneider-electric.com),
Genesis
(Iconics,
Inc.,
http://www.iconics.com). Следует обратить внимание на перспективную
отечественную OpenSCADA-систему (http://oscada.org), одну из немногих,
основанную на открытом исходном коде [7]. Более подробно стоит также
остановиться на инструментальной системе российских разработчиков
TRACE MODE (AdAstra Research Group, Ltd., http://www.adastra.ru/).
SCADA/HMI-система TRACE MODE представляет собой интегрированную среду разработки и отладки приложений для АСУ ТП, которая
давно завоевала популярность в странах восточной Европы и вошла в
число вышеперечисленных мировых лидеров SCADA-систем в 30 странах
мира. Благодаря высокой функциональности TRACE MODE успешно
применяется в АСУ ТП более чем 40 отраслей промышленности
(химическая и нефтехимическая, газовая и нефтяная, пищевая и перерабатывающая, сахарная и спиртовая, горнодобывающая, металлургия,
машиностроение, атомная, энергетика, энергосбережение и другие) (рис.5).
Рис.5. Удаленное диспетчерское управление и контроль (TRACE MODE)
Рассмотренные САПР позволяют с высокой точностью осуществить
динамическое моделирование ХТП, исследовать разные варианты
аппаратурного оформления, изучить его основные особенности и раскрыть
резервы усовершенствования. При этом, как уже отмечалось, всегда
гарантируется отыскание оптимальных конструктивных и технологических решений, в частности определения оптимальных технологических
режимных параметров, которые следует четко и оперативно поддерживать
при эксплуатации технического объекта. Поэтому в последнее время
технологические линии и комплексы, в которых требуется обеспечивать
операторский контроль над технологическими процессами в реальном
времени, активно модернизируются современными АСУ ТП с высоким
уровнем автоматизации на базе микропроцессорной и компьютерной
техники, вместо существующих систем автоматического управления
(САУ) на базе устаревшей щитовой автоматики и пневматических средств
автоматизации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляпощенко А.А. Проектирование объектов химических, нефтеперерабатывающих и пищевых
производств с применением современных САПР / А.А.Ляпощенко, В.М.Маренок // Стратегия качества в
промышленности и образовании: Материалы III Международной конференции. - Днепропетровск-Варна:
"Фортуна"-ТУ-Варна, 2007.
2. Маренок, В. М. Впровадження у навчальному процесі новітніх методик проектування промислових
об’єктів із застосуванням сучасних САПР / В.М.Маренок, О.О.Ляпощенко // Сучасний український
університет: теорія і практика впровадження інноваційних технологій: збірник матеріалів VII
Міжнародної науково-методичної конференції. - Суми: СумДУ, 2008. - Ч. ІІІ. - С.26-27.
3. Ляпощенко А.А. Компонентно-ориентированные интегрированные технологии автоматизированного
проектирования в химическом машино- и аппаратостроении / Ляпощенко А.А., Яхненко С.М., Маренок
В.М., Смирнов В.А. // Автоматизированное проектирование в машиностроении: Материалы II
международной заочной научно-практической конференции / НОЦ «МС». – Новокузнецк: Изд. центр
СибГИУ, 2014. – №2. – С.74-81.
4. Ляпощенко А.А. Интегрированные технологии автоматизированного проектирования с
динамическим моделированием работы сепарационного и теплообменного оборудования в составе
промысловых установок и комплексов / А.А.Ляпощенко, О.В.Настенко // Прогрессивные технологии и
процессы: Сборник научных статей Международной молодежной научно-технической конференции. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2014. - Т.1. - С.353-357.
5. Ляпощенко О.О. Проектування установок низькотемпературної переробки вуглеводнів з
використанням програмних пакетів технологічних розрахунків / Ляпощенко О.О., Настенко О.В. //
Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: Тези доповідей ХXІІ міжнародної
науково-практичної конференції / за ред. проф. Товажнянського Л.Л. – Харків: НТУ «ХПІ», 2014. – Ч.I. С.289.
6. Флейх Моххамед. Динамическое моделирование процессов газопереработки с использованием
комплексов HYSYS, CHEMCAD, PRO/II, Газконднефть/ М.Флейх, А.А.Ляпощенко // Сучасні технології
в промисловому виробництві: матеріали Всеукраїнської міжвузівської науково-технічної конференції. Суми: СумДУ, 2010. - Ч.І. - С.140.
7. Ляпощенко О.О. Динамічне моделювання процесів осушування природного газу із застосуванням
SCADA-технологій АСУ ТП Газліфтної КС Анастасівського родовища / О.О.Ляпощенко, О.С.Хобта //
Сучасні технології у промисловому виробництві: матеріали науково-технічної конференції викладачів,
співробітників, аспірантів і студентів ф-ту ТеСЕТ. - Суми: СумДУ, 2013. - Ч.2. - с.135.
8. Склабінський В.І. Методика та стратегія оптимізаційних досліджень при динамічному моделюванні
процесів інерційно-фільтруючої сепарації у високоефективному енергозберігаючому газосепараційному
обладнанні з застосуванням інтегрованих SCADA програмно-апаратних комплексів / Склабінський В.І.,
Ляпощенко О.О., Настенко О.В. // Інтегровані технології та енергозбереження. — 2014. — №4. — С.8995.
Ляпощенко Александр Александрович,
Сумский государственный университет,
Украина, 40007, г. Сумы, ул. Римского-Корсакова 2,
тел. +38(0542)687795, lyaposchenko@pohnp.sumdu.edu.ua
Форма участия – заочно.