Автоматизированное проектирование систем холодоснабжения

Актуальность темы

диссертационного исследования.

При проектировании современных технически сложных систем и оборудования, автоматизированных комплексов широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). Основными функциями этих систем являются: автоматизация выполнения различных проектных процедур с целью нахождения оптимальных вариантов проектируемого объекта, автоматизация выбора схемы или конструкции, автоматизация составления проектной и технической документации и т. д.

САПР, ориентированные на конкретную предметную область, требуют разработки специальных методов, алгоритмов и программ, оригинальных математических моделей, учитывающих специфические качества объектов проектирования. Вместе с этим желательно, чтобы разработанное математическое обеспечение можно было многократно использовать при проектировании различных элементов оборудования. Важной вехой создания математического обеспечения является выбор способа математического моделирования объектов в САПР. Эффективность использования автоматизированной системы проектирования во многом зависит от универсальности и возможностей, которыми располагает применяемый математический аппарат.

Большое значение в функционировании современных автоматизированных систем проектирования имеют технические средства, на базе которых реализованы конкретные САПР. Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта.

Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-95/NT, языках программирования С, С++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

В качестве предметной области диссертационного исследования была выбрана область разработки САПР систем холодоснабжения. Это обусловлено тем, что холодильная техника находит широкое применение на предприятиях пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, причем затраты на производство умеренного холода составляют значительную часть общей суммы затрат на все технологическое производство (до 25%).

Высокий уровень технического прогресса привел к созданию высокоинтенсивных технологических процессов, агрегатов большой единичной мощности, что предопределило резкое увеличение холодопотребления предприятий.

Производство умеренного холода на целом ряде производств сочетается с процессами низкопотенциального теплоснабжения в соответствующем диапазоне температур, что приводит к дополнительному усложнению систем хладоснабжения. Сложность внутренних взаимосвязей параметров, процессов и характеристик отдельных элементов системы хладоснабжения предопределяет необходимость совершенствования научных, инженерно-технических и технико-экономических решений, обеспечивающих возможность значительного снижения капитальных и энергетических затрат на производство холода и сокращение сроков проектирования. Существенное повышение качества проектирования систем хладоснабжения возможно за счет интенсификации и координирования научно-исследовательских работ, направленных на создание перспективных и надежных систем хладоснабжения и рациональных способов их регулирования, ускорение разработки их математического описания с целью последующего использования в процессах проектирования. При этом возникает необходимость решения научно-технических проблем холодильной техники, связанных с разработкой современных методов автоматизированного проектирования с помощью ЭВМ, обеспечивающих возможность проведения оптимизационных проектных исследований систем хладоснабжения и координирование результатов этих исследований с результатами исследований других подсистем технологического производства с целью достижения оптимальности общего решения.

Сложные системы хладоснабжения крупных производств разрабатываются кооперацией отдельных проектных и проектно-конструкторских организаций, подразделений и отделов, методические положения по координации многоуровневых процессов автоматизированного проектирования отдельных подсистем или узлов в настоящее время практически отсутствуют. Используемый метод итерационного последовательного согласования технических решений не позволяет получать оптимальных решений без строгих координирующих воздействий, при разработке которых имеются значительные затруднения как научного, так и организационного характера.

Наибольшие трудности возникают при проектировании сложных систем большой мощности, когда предполагается создание специального компрессорного и теплообменного оборудования для работы в переменных условиях эксплуатации.

Развитие вычислительной техники создает условия для перехода к новому этапу автоматизации процесса проектирования, а именно к созданию систем автоматизированного проектирования холодильных установок путем сопряжения локальных вычислительных комплексов, обеспечивающих проектирование отдельных узлов и элементов. При этом необходима разработка таких методов структурно-параметрической оптимизации холодильной установки и отдельных ее подсистем, которые обеспечили бы возможность построения единого алгоритма всего процесса проектирования при реализации произвольной задачи (проектирование новых и реконструкция действующих систем, оценка эффективности применения новых схемных решений, конструкций, процессов и т. д.).

Фактически необходимо создание скоординированной системы, обеспечивающей возможность не только проектирования, но и оперативной оценки воздействия от реализации любой идеи на эффективность холодильной установки с помощью численного приближенного исследования. Очевидно, что создание такого механизма исследований возможно только при наличии методов структурной и параметрической оптимизации установок с произвольным схемным решением и учетом особенностей эксплуатации и надежности, методов математического моделирования отдельных элементов и элементарных процессов, методов описания свойств рабочих тел, методов автоматизации построения математических моделей сложных систем.

При соответствующем техническом и организационном обеспечении этой системы сроки внедрения разработок значительно сокращаются, резко повышается качество проектных работ. Причем разработанное методическое и программное обеспечение должно быть использовано не только для проведения проектных исследований, обработки экспериментальных данных, численных экспериментов, но и для создания подсистем для оценки технического состояния и автоматического управления холодильных установок.

Научная новизна исследований.

Научная новизна обусловлена:

1. Новыми методическими положениями для разработки САПР холодильных установок.

2. Разработанным и реализованным алгоритмическим и программным обеспечением САПР холодильных установок.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования данной диссертационной работы являются автоматизированные методы проектирования системы холодоснабжения с безнасосной схемой циркуляции холодильного агента, используемой для поддержания требуемых по технологии хранения температурных режимов в низкотемпературной камере хранения замороженных субпродуктов.

Предметом исследования в работе является автоматизированная система корректности принятия технического решения в процессе проектирования.

Методы исследования.

Методы исследования, примененныев диссертации, включают в себя методы теоретического и эмпирического исследований, математический аппарат линейной алгебры, теорию принятия решений, методы математического моделирования системы принятия оптимального технического решения в процессе автоматизированного проектирования.

Для решения поставленных задач использованы теория и методы: автоматизированного проектирования, системного анализа, построения САПР, организации баз данных (БД), объектно-ориентированного, системного и структурного программирования, линейной алгебры, принятия^ решений, математического моделирования.

Цель диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка САПР, позволяющей-сократить временные и материальные затраты при проектировании основных элементов системы холодоснабжения в зависимости от заданных исходных параметров и конкретных условий эксплуатации.

Задачи диссертационного исследования.

Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработка методики автоматизированного проектирования холодильных установок.

• Разработка алгоритмического обеспечения САПР холодильных установок.

• Разработка программного обеспечения (ПО) САПР холодильных установок.

• Разработка методов выбора проектного решения при расчете холодильных установок исходя из заданного количество входных параметров и принимаемых условий эксплуатации оборудования.

• Разработка автоматизированного метода выбора исходных данных для корректного расчета системы хладоснабжения.

• Разработка математической модели системы автоматизированного расчета и оптимизации холодильных установок.

• Разработать критерии оптимизации проектирования, позволяющие производить автоматизированные расчеты и выбор необходимых технических средств с минимально возможными отклонениями расчетных параметров от номинальных.

• Разработать диалоговые программные средства с использованием баз данных, позволяющие производить автоматизированное проектирование систем холодоснабжения и имеющие возможность дальнейшего расширения в процессе появления новых типов оборудования и применения иных схемных решений.

Достоверность основных положений.

Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается результатами проведенных исследований и компьютерным моделированием. Научные и практические результаты, отраженные в диссертации, использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных на базе рабочего проекта в компании ООО «Ист Реф Оу» в период с 2004 г. по 2006 г.

Результаты работоспособности разработанной в диссертационной работе системы подтверждаются актом о внедрении САПР на указанном выше предприятии.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Методика автоматизированного проектирования холодильных установок.

2. Методика автоматизированного проектирования холодильной установки на базе разработанного алгоритмического и программного обеспечения выбора технического и схемного решения в зависимости от известных начальных параметров и конечных условий эксплуатации.

3. Алгоритм расчета и подбора холодильного агрегата.

Практическая ценность результатов.

Созданная на основе общего алгоритма расчета холодильной установки модель системы расчета и программное обеспечение для расчета и оптимизации холодильной установки позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся ресурсы проектной организации. Приведенные в рамках описания экспериментов примеры выполнения расчетов по выбору схемы установки, наглядно демонстрируют применение результатов работы в реальных условиях и являются ценными с практической точки зрения.

Область применения результатов.

Разработанный в диссертационной работе программный продукт может использоваться в проектно-конструкторских бюро, а также в проектных отделах компаний, занимающихся разработкой систем холодоснабжения предприятий пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

Список публикаций.

1. Пазухин А. В. Обзор методов создания математических моделей эволюционного развития // Труды научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005). Научное издание в 3-х томах. — М.: Физматлит, 2005.

2. Пазухин А. В. Перспектива развития методов математического моделирования искусственного интеллекта в САПР // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005). Научное издание в 3-х томах. — М.: Физматлит, 2006, Т.2.

3. Пазухин А. В. Коробейников А.Г. Применение интеллектуальных систем при управлении производством // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006). Научное издание в 3-х томах. -М.: Физматлит, 2006, Т.2.

4. Пазухин А. В., Коробейников А. Г. Автоматизированное проектирование математического обеспечения вычислительных систем реального времени // Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006). Научное издание в 3-х томах. — М.: Физматлит, 2006, Т.2.

5. Пазухин А. В. Разработка программного обеспечения для управления системами автоматики холодильных установок // Сборник трудов Ш-й межвузовской конференции молодых ученых. СПб: ИТМО, 2006.

6. Пазухин А. В. Разработка программного обеспечения для управления системами автоматики холодильных установок // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 29. СПб: ИТМО, 2006.

7. Пазухин А. В. Применение автоматизированного проектирования при оптимизации технических и схемных решений холодильных систем // Сборник трудов IV межвузовской конференции молодых ученых. СПб: ИТМО, 2007.

Достоверность основных положений.

Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается результатами проведенных исследований и компьютерным моделированием. Научные и практические результаты, отраженные в диссертации, использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных на базе рабочего проекта в компании ООО «Ист Реф Оу» в период с 2004 г. по 2006 г.

Результаты работоспособности разработанной в диссертационной работе системы подтверждаются актом о внедрении САПР на указанном выше предприятии.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Основное содержание изложено на 123 страницах, включая 36 рисунков и графиков, 6 таблиц.

Список литературы

содержит 48 наименований. Общий объем диссертации составляет 139 страниц.

Заключение

.

На основе анализа основных результатов диссертационной работы можно сделать выводы о том, что разрабо танная система автоматизированного расчета и оптимизации является работоспособной и результаты расчетов при помощи системы соответствуют результатам расчетов, получаемых при использовании стандартных методик проектирования холодильных установок.

Можно также утверждать, что разработанная система расчета и оптимизации холодильных установок возможна к применению на практике в различных проектно-конструкторских организациях, а также в проектных отделах компаний, занимающихся разработкой систем холодоснабжения.

Разработанные критерии оптимизации при выборе компрессорных агрегатов и определении толщины теплоизоляционного слоя конструкции позволили в автоматическом режиме выбирать тип и толщину необходимой изоляции и уменьшить погрешность при выборе компрессорного оборудования.

Применение разработанной САПР будет являться наиболее целесообразным и даст наибольший экономический эффект при условии: дополнения ее алгоритмами, математическим и программным описаниями расчетов других типов схемных реи гений парокомпрессорных холодильных установок (двух-, трехступенчатые, каскадные холодильные машины);

— увеличения количества вариантов выбора рабочих веществ путем внесения их в соответствующую подключаемую базу данных;

— применения в качестве ограждающих конструкций других типов новейших теплоизоляционных материалов;

— подключения баз данных с различными марками компрессорного, теплообменного и насосного оборудованию отечественного и импортного производства.

Также, благодаря разработанным общим алгоритмам и алгоритму расчета парокомпрессорных холодильных установок, возможно разработать па основе представленной системы комплексы САПР для расчетов установок с принципами действия, отличными от парокомпрессорных (теплоиспользующие, термоэлектрические, газовые), а также установок другого целевого назначения (технологическое оборудование, системы охлаждения с промежуточными хладопосителями, системы охлаждения жидкостей и проч.).

Таким образом, поставленные в диссертационном исследовании задачи разработки принципов оптимального технического решения, а также программного комплекса и программных средств выбора технического и схемного решения можно считать решенными.

Разработка САПР расчета и оптимизации холодильных установок, являющаяся целью исследования, достигнута.