автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя

СЛАДКОВСКИЙ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 мдр гш

Санкт-Петербург 2012

005013279

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Научный руководитель (консультант) доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры вычислительных систем и информатики Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций

кандидат технических наук, заведующий учебной частью государственного предприятия «Учебно-курсовой комбинат» Ленинградской области

Лисицын Николай Васильевич

Зубарев Юрий Яковлевич

Ершова Ольга Владимировна

Ведущее предприятие: Институт проблем управления

им. В. А. Трапезникова РАН

Защита диссертации состоится 05 апреля 2012 г. в 13:30 час. в ауд. № 61 на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СПбГТИ(ТУ)

Отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр. 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет. Тел. (812) 494-93-75; факс (812) 712-77-91; dissovet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан «02» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Халимон Виктория Ивановна

Актуальность темы

Разработка новых и модернизация существующих технологических процессов невозможна без использования современной научно-исследовательской экспериментальной базы, включающей широкий спектр оборудования, методов исследования и анализа.

В настоящее время научные исследования проводятся с помощью достаточно сложного оборудования и связаны с необходимостью обработки больших объемов информации. Автоматизация трудоемких задач по сбору, упорядочиванию, преобразованию и архивации входных/выходных потоков информации о процессе, проверке достоверности полученных данных, статистическому анализу и получению эмпирических зависимостей способствует повышению эффективности научных исследований.

Все это в полной мере относится к проведению научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС) на экспериментальных стендах.

Псевдоожиженный слой, как объект исследования, обладает свойственными каждому конкретному объекту специфическими характеристиками, которые определяют постановку экспериментов.

При изучении гидродинамики ПС эксперименты необходимо проводить на относительно крупногабаритных пилотных установках (диаметр аппаратов не менее 0,2м). Это обусловлено требованием сохранения условий подобия концентрационных полей и структуры слоя на пилотной установке и промышленном объекте.

Информацию о структуре слоя позволяют получить опыты с «двухмерными» (плоскими) аппаратами, где в процессе исследования формируются данные о распределении пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз и расширении слоя.

Обработка многомерных массивов экспериментальных данных (результаты видеосъемки, измерения локальной порозности слоя, флуктуации давления и т.д.) малоэффективна без использования автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).

Целью диссертации является разработка автоматизированной системы научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (АСНИ ГПС) с удаленным доступом в режиме реального времени.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ современных автоматизированных систем научных исследований и соответствующих им программных платформ;

• построить автоматизированный лабораторный стенд моделирования гидродинамики ПС;

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение обработки экспериментальных данных;

• разработать программно-аппаратный комплекс для управления оборудованием, автоматизации исследований, авторизации и управления удаленным доступом;

• провести исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя и изучить возможность использования данных о флуктуации перепада давления в слое для моделирования промышленных процессов ПС;

• выполнить моделирование реактора псевдоожиженного слоя;

• получить результаты исследования для последующего практического использования в проектировании и управлении химико-технологическими процессами, в которых применяются реакторы с псевдоожиженном слоем катализатора.

Методы и объекты исследования

Объектом исследований является лабораторный стенд для исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя в «двухмерной» (плоской) и объемной моделях. Для решения поставленных задач использованы методы физического и математического моделирования, сбора и обработки информации, построение сетевых структур «клиент-сервер», формализация функций персонала и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы:

• разработана автоматизированная система научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя, основанная на 1ауа-приложениях и включающая техническое, алгоритмическое, математическое, программное, информационное и методическое обеспечение;

• установлены зависимости между флуктуацией перепада давления в слое катализатора и размером газового пузыря в ПС;

• разработана модель реактора псевдоожиженного слоя, позволяющая проводить анализ процесса массообмена между пузырями и плотной частью слоя по измеряемой величине флуктуации перепада давления в аппарате, измерение которого не вызывает трудностей в промышленных условиях;

• предложена гибридная структура организации многофункциональной системы для проведения исследования и обучения гидродинамики псевдоожиженного слоя, сочетающая физическую и математическую модели ПС.

Практическая значимость

Разработаны лабораторный стенд, моделирующий реактор ПС и программно-аппаратный комплекс управления оборудованием стенда, позволяющий автоматизировать сбор и обработку данных. Реализована функция удаленного доступа по сети Интернет, что дает возможность использовать систему для научно-прикладных исследований и дистанционного обучения в качестве тренажера.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя, адекватностью математической модели ПС, согласованностью полученных теоретических зависимостей гидродинамики

псевдоожиженного слоя с экспериментальными данными, корректным использованием методов математического моделирования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции Американского института инженеров-химиков «The 2008 Annual Meeting» (2008г., г. Филадельфия, США), научно-технической конференции ММТТ-22 (2009г., г. Иваново), на научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011», СПбГТИ(ТУ), 2011г.

Публикации по теме исследования. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы, одна из которых опубликована в рецензируемом журнале ВАК. Имеется свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и свидетельство о регистрации электронного ресурса.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 139 страницах, содержит 50 рисунков, 21 таблицу. Список литературы включает 102 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные положения работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрено текущее состояние проблемы автоматизации научных и лабораторных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя. Проведен анализ возможностей программных библиотек для решения задач взаимодействия с объектом исследований в составе АСНИ, обработки, передачи и хранения экспериментальных данных, работы с видеоинформацией и данными известных офисных приложений.

Выполнен сравнительный анализ методов и программных средств, использованных в АСНИ и системах дистанционного обучения, связанных с управлением лабораторным оборудованием.

Проведен обзор математических моделей реактора псевдоожиженного слоя и методов исследований гидродинамики ПС. Обсуждены недостатки

существующих моделей, связанные с трудоемкостью определения параметров расчета массообмена. Проведен анализ исследований, в которых использовались колебательные характеристики перепада давления в слое псевдоожиженного катализатора. Отмечены преимущества двухфазных моделей реактора ПС, в которых массообмен рассчитывается на основе параметров газовых пузырей.

Вторая глава посвящена описанию разработанного лабораторного стенда и непосредственно организации и проведению исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя.

Общий вид и схема стенда представлены на рисунке 1. Основным оборудованием являются «двухмерная» (плоская) модель псевдоожиженного слоя 11-1 и цилиндрический реактор Я-2. В аппарате Я-1 газовые пузыри перекрывают сечение аппарата по толщине. В результате получается продольный разрез пузыря.

Рисунок 1- Общий вид и схема лабораторного стенда

В качестве псевдоожижающего агента используется воздух, который подается в аппараты Я-1 и Я-2 нагнетателем с частотно-регулируемым приводом. Стенд рассчитан на расход воздуха до 230 м3/час.

Приборы стенда (расходомеры, измерители давления, частотный преобразователь) подключены к программируемому логическому контроллеру (ПЛК) Toshiba V-series 1000.

Измерение перепада давления в слое аппаратов R-1 и R-2 производится с помощью сенсорных датчиков FreeScale MPV510, установленных между распределительной камерой и выходом каждого из аппаратов R-1 и R-2. Сигналы датчиков дополнительно регистрируются при помощи электронного осциллографа.

Возможности оборудования и программного обеспечения стенда позволяют измерять поверхность контакта фаз, распределение газовых пузырей по высоте слоя, флуктуации давления, объемные расходы ожижающего агента и др.

Для определения распределения пузырей по псевдоожиженному слою используется компьютерная обработка видеосъемки «двухмерного» псевдоожиженного слоя. Съемка проводится при помощи быстродействующей камеры высокого разрешения Sony DCR-SR220. Созданы программные средства для обработки данных видеосъемки, позволяющие автоматизированно обрабатывать большое число кадров. В основе лежит алгоритм распознавания неплотной фазы взвешенного слоя при помощи рекурсивного анализа пикселей. Наблюдение за экспериментом по сети Интернет выполняется посредством веб-камеры.

В главе рассмотрены этапы подготовки, непосредственной постановки эксперимента, последующей обработки и анализа результатов.

Третья глава посвящена моделированию аппаратов псевдоожиженного слоя в режиме реального времени на основе флуктуации перепада давления в аппарате.

Известно, что при псевдоожижении газом зернистых материалов определяющую роль играет характер движения ожижающего агента и массообмен между плотной фазой и газовыми пузырями.

Как правило, для параметрической настройки модели реакторов ПС решают задачу, в которой коэффициенты диффузии и межфазного обмена определяются либо решением обратной задачи на основании данных, полученных в промышленном реакторе, либо путем проведения трудоемких экспериментов с трассерами, зондированием слоя, исследованием с помощью рентгеновских методов.

В настоящей работе предлагается подход, в котором параметры модели расчитываются по экспериментально установленной зависимости между распределением газовых пузырей и флуктуациями давления в псевдоожиженном слое. Размеры пузырей и их распределение по высоте слоя определяются на плоской модели ПС.

В качестве количественной характеристики флуктуации перепада давления по слою |5(ДР)|ср использована величина среднего абсолютного отклонения перепада давления от его среднего значения ДРср:

п

|$(ДР)|с, = ^-£|Д/>,-ДРд,|; (1)

1=0

где ДР; и ДРср - текущее мгновенное и среднее значения перепада давления соответственно, Па; п - число анализируемых значений.

Из литературных данных известно, что при исследовании гидродинамики ПС принимается допущение, согласно которому распределение газовых пузырей в плоском слое соответствует цилиндрическому.

В разработанной модели весь псевдоожиженный слой описывается совокупностью сегментов, каждый из которых соответствует модели идеального смешения. Сегментирование объема реактора производится на основании распределения фазы пузырей по высоте слоя:

Ьк+1 -Ьк = о/ =---; (2)

где кк - высота сегмента к-го сегмента, м; диаметр газового пузыря на высоте кк, см; - средний диаметр газового пузыря в к-ом сегменте, см.

Коэффициент массообмена КЬе может быть определен по значению приведенного диаметра газового пузыря. Для каждого сегмента коэффициент массообмена рассчитывается по формуле:

Къе = яад = й ; (3)

ик

Опыты, проведенные с использованием частиц катализатора с размером зерен 0,2-1,8 мм, выявили зависимость диаметра газового пузыря от среднего абсолютного отклонения |5(ДР)|С/, (флуктуации перепада давления) и расстояния до распределительной решетки аппарата, находящейся под катализатором.

В качестве примера на рисунке 2 приведены экспериментальные зависимости диаметра пузыря от высоты слоя для катализатора окисления диоксида серы при различных измеренных флуктуациях давления.

Высота, см

о Ди= 0,28 м/с; |6(ДР) |ср= 128 Па * ДИ= 0,2 м/с; |6(ДР) |ср= 87.5 Па а ДЦ= 0,12 м/с; |8(ДР) |ср= 50 Па_

Рисунок 2 - Распределение диаметра газовых пузырей по плоскому слою в зависимости от флуктуации перепада давления

Установлено, что распределение пузырей по слою катализатора может

быть определено при помощи уравнения регрессии вида:

В = А + В • |Д(ДР)|ср + С • /I1-5 + Е • |<у(др)| ; (4)

где к - расстояние от распределительной решетки, м; А,В,С,Е -коэффициенты регрессии.

Модель реактора ПС описывается уравнениями теплового и материального баланса для плотной и пузырьковой фазы с учетом межфазного обмена. Переходные процессы в ректоре ПС можно подразделить на быстрые и медленные. Достижение нового стационарного состояния реактора определяется сравнительно медленным переходным процессом. В связи с этим, при рассмотрении нестационарного поведения всей системы можно пренебречь быстрым переходным процессом, который рассматривается как квазистационарный.

Таким образом, нестационарная модель реактора ПС была разделена на квазистационарную и динамическую системы уравнений. Квазистационарная система (5) описывает быстрые процессы изменения концентраций компонентов за счет массообмена и химических превращений, а динамическая (6) - изменение температуры частиц катализатора.

где I- номер компонента; С?к и - мольная доля /-го компонента в к-ом сегменте для плотной фазы и газовых пузырей, соответственно; .Р/^ и рД. - поток 1-го компонента в к-ом сегменте для плотной фазы и газовых пузырей, соответственно, моль/с; т - время, с; Дт - шаг интегрирования по времени, с; - скорость химической реакции ¿-го компонента в к-ом сегменте, моль/с-м3; К/ и - объем катализатора и газовых пузырей в к-ом сегменте, м3; Vе и Уъ - суммарный объем катализатора и газовых пузырей, м3; дг - удельный тепловой эффект реакции, Дж/моль-К; - поток тепла в к-ом сегменте для плотной

(

~ Кк-1 + Чк ' ^к ~ Кье ' ^к ' 1,к ~ С?,к)>

р1,к ~ + КЬе ' ^к ' {С?,к ~ С1,к)>

П,к = П(С?,к.Те,Р);

(5)

п

(6)

фазы и газовых пузырей, соответственно, Дж/с; и с£ - теплоемкость плотной фазы и газовых пузырей, соответственно, Дж/моль-К; Р - давление, кПа, Н - энтальпия газа, Дж/моль; - функция зависимости скорости химической реакции от параметров процесса и концентраций; Те и Ть -температура потока в плотной фазе и газовых пузырях, соответственно, К.

Система нелинейных уравнений (5) решалась методом Ньютона, а система уравнений (6) - методом Эйлера по разностной схеме (7). Дт

(<?о " Фп + ¿К " П ' Чг ~ Къе ■ У£{С1к - С&) ■ Н)\,

V к=1 /

уе _ гре I

Ч -Ч- 1+-се.уе

\ . к=1п . (7)

Т? = ' (в? + ^(Кье ■ Укь(С?к - ;

где Г/ и ГуЬ- температура потока в плотной фазе и газовых пузырях на у-м шаге интегрирования, К.

Адекватность разработанной модели проверялась путем сопоставления результатов расчета с опубликованными экспериментальными данными с опытно-промышленных установок процессов окисления диоксида серы и дегидрирования бутана. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями не превысило 5 %.

Реализация процедуры получения эмпирических зависимостей для определения массы частиц в аппарате ПС по значениям флуктуации перепада давления и объемного расхода позволила сформулировать методику, согласно которой определена последовательность действий при постановке серий опытов, выявлены предельные технологические возможности экспериментального оборудования и выбраны методы получения качественных научно-прикладных данных о гидродинамике псевдоожиженного слоя.

Четвертая глава посвящена программной реализации АСНИ гидродинамики псевдоожиженного слоя и тренажеру по управлению реактором ПС, предназначенному для имитации химико-технологических процессов.

Программа АСНИ гидродинамики псевдоожижснного слоя была сконфигурирована на основе разработанной библиотеки шаблонных 1ауа-классов с базовыми объектами, которые позволяют решать задачи хранения информации, графического отображения, локального и удаленного взаимодействия между компонентами системы.

Передача и хранение данных производится с помощью разработанного программного механизма сериализации объектов (процесс перевода структуры данных в последовательность битов), который позволяет модифицировать ,1ауа-класс (тип данных). Это дало возможность конфигурировать только серверную реализацию программы и графический интерфейс пользователя, а удаленная версия генерируется автоматически на этапе сериализации. При этом в программе клиента сохраняются все связи между объектами.

Обмен данными между распределенными узлами системы обеспечивается при помощи ТСРЛР-сокетов. Взаимодействие с ПЛК происходит по протоколу ОРС БА.

Для управления лабораторным оборудованием и нестационарными моделями ХТС разработаны компоненты подсистемы автоматизированного управления, которая состоит из интерфейсов регулируемых и управляемых параметров процесса, ПИД-регуляторов и компонентов, преобразующих сигналы приборов.

Управление процессом исследования осуществляется посредством взаимодействующих программных модулей. Модули управления и обмена данными с оборудованием реализованы на управляющем Интернет - сервере, который является узлом, предназначенным для согласования между собой всех модулей системы, авторизации и аутификации клиентов, управления процессом запуска исследований и обучения, хранения и представления результатов проведенных работ.

Взаимодействие системы с экспериментальным оборудованием, сбор, первичная обработка и хранение данных исследований организовано на

сервере лабораторного стенда. Для удаленного наблюдения за ходом эксперимента используется \УеЬ-камера. Часть экспериментальных данных (данные видеосъемки в высоком разрешении) вводятся в систему вручную лаборантом.

Задачи, требуюшие больших вычислительных затрат, например, обработка исходных данных видеосъемки, расчеты на нестационарной модели реактора ПС и другие, решаются на вспомогательных серверах.

Информация об эксперименте и результатах автоматизированного анализа экспериментальных данных хранятся в объектной базе данных. Разработаны программные компоненты и интерфейсы для удаленного просмотра, редактирования, анализа и экспорта информации из базы данных, расположенной на сервере лаборатории. Общая структура взаимодействия модулей АСНИ ГПС и схема основных информационных потоков представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема информационных потоков АСНИ ГПС 1-Объемный расход и линейная скорость газа, флуктуация перепада давления; 2-файл киносъемки; 3-параметры газовых пузырей; 4- начальная высота слоя, скорость взвешивания, плотность и размер исследуемых частиц.

Разработан модуль дистанционного обучения управлению химико-технологическими процессами в ПС. В основе обучающей системы лежит предложенная модель реактора, в которой гидродинамика псевдоожиженного слоя моделируется физической моделью (лабораторный реактор 11-2), а химические превращения моделируются при помощи математической модели, реализованной на компьютере. Разработаны обучающие задачи по управлению виртуальными процессами окисления двуокиси серы и дегидрирования бутана.

На рисунке 4 представлена структура основных информационных потоков модели реактора ПС.

Лабораторный стенд

1 |В]

вентиляцию

Система упарвления

Компьютерная модель технологического процесса

Графический интерфейс

Анализ тренда перепада | давления в слое катализатора Расчет флуктуации давления

Установление необходимой линейной *!

Расчет распределения газовых пузырей по высоте

реактор:

скорости газа

Расчет числа ! псевдоожижения

гидродинамическая модель псевдоожиженного слоя

Интегратор модели

Рисунок 4 - Структура информационных потоков гибридной модели реактора псевдоожиженного слоя

Расчет массообменных процессов в реакторе проводится на основе обработки тренда перепада давления в слое катализатора. Для этого используются эмпирические зависимости диаметра пузыря от флуктуации давления, полученные в ходе гидродинамических исследований. Соответствие между параметрами физической и математической моделью осуществляется в режиме реального времени. В лабораторном реакторе

устанавливается необходимое число псевдоожижения, рассчитанное на данном шаге интегрирования компьютерной модели.

На рисунке 5 показан фрагмент графического интерфейса пользователя АСНИ гидродинамики псевдоожиженного слоя и мнемосхема тренажера по , управлению реакторным блоком процесса окисления двуокиси серы.

Я ИИ-

Рисунок 5- Фрагменты графического интерфейса пользователя разработанной

программы

Основные результаты и выводы

1. Разработана автоматизированная система научных исследований, представляющая собой совокупность физической и математической моделей, экспериментального оборудования и программно-аппаратного комплекса, позволяющего автоматизировать выполнение исследовательских задач по изучению гидродинамики псевдоожиженного слоя (определение размеров пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз, расширения слоя и флуктуации давления).

2. Установлена эмпирическая зависимость распределения диаметра газовых пузырей по высоте слоя от флуктуации перепада давления в псевдоожиженном слое, которая предоставляет возможность рассчитывать коэффициент массообмена, как функцию только одного параметра |5(Д.Р)|С/,.

3. Разработана нестационарная математическая модель реактора ПС, отличительной особенностью которой является расчет массообмена по

флуктуации перепада давления. Экспериментально подтверждена адекватность разработанной модели ПС.

4. Показано, что результаты исследований гидродинамики ПС, выполненных с помощью АСНИ ГПС, могут быть использованы в промышленности с целью оценки гидродинамических полей в ПС, прогнозирования концентрации ключевых компонентов на выходе из реактора и оптимизации каталитических процессов в режиме реального времени.

5. Для создания тренажеров операторов химико-технологических процессов разработана гибридная математическая и физическая модель реактора ПС, позволяющая изучать химические реакции, проводимые в реакторах с режимом пузырькового псевдоожижения.

6. Разработаны обучающие тренажеры по управлению реакторами ПС процессов окисления двуокиси серы и дегидрирования бутана, которые внедрены в учебный процесс на кафедре ресурсосберегающих технологий СПбГТИ(ТУ).

7. Алгоритмическое и программное обеспечение АСНИ ГПС, позволяет проводить обучение, научные и прикладные исследования гидродинамики ПС дистанционно по сети Интернет.

Публикации по теме диссертации

1. Сладковский Д.А., Кузичкин Н.В., Лисицын Н.В. Автоматизированная система научных исследований для изучения гидродинамики псевдоожиженного слоя // Автоматизация в промышленности. 2011. №9. С. 41-44.

2. Сладковский Д.А., Кузичкин Н.В., Лисицын Н.В. Разработка лабораторного комплекса для дистанционного изучения гидродинамики реактора кипящего слоя // Сборник трудов XXII Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Иваново. 2009. Т. 11. С. 252-254.

3. Sladkovsky D.A, Kuzichkin N.V., Lisitsyn N.V. Development of remotely-controlled fluidized bed reactor for distance learning [Electronic source] // Proceedings of the international conference «AIChE 2008 Annual Meeting». Philadelphia. USA. 2008. - 1 optical disc (CD-ROM). ISBN 978-0-81691050-2.

4. Сладковский Д.А. Программный комплекс автоматизированной системы научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПК АСНИ ГПС). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610703 от 07.02.2012г. Федеральная служба по интеллектуальной собственности «Роспатент».

5. Сладковский Д.А., Ерохин В.П., Волков В.В. Алгоритм обработки экспериментальных данных для анализа газовых пузырей в псевдоожиженном слое. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №17543 от 01.11.2011г. Объединенный фонд электронных ресурсов «Наука и Образование».

Подписано в печать 02.03.12 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.0 Уч.-изд.л. 1.0 Тираж 100 Заказ 03/03 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

61 12-5/3007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИИ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ

ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

На правах рукописи

СЛАДКОВСКИЙ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Лисицын Н.В.

Санкт-Петербург

2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................3

Глава 1. Аналитический обзор...................................................................................5

1.1 Автоматизированные системы научных исследований.................................5

1.2 Гидродинамика псевдоожиженного слоя......................................................17

1.2.1 Методы экспериментального исследования псевдоожиженного слоя 18

1.2.2 Массообмен в псевдоожиженном слое....................................................24

1.2.3 Колебательные характеристики перепада давления в слое..................26

1.3 Моделирование реакторов псевдоожиженного слоя....................................28

1.4 Постановка задачи исследования...................................................................39

Глава 2. Экспериментальное исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя..............................................................................................................................40

2.1 Описание экспериментальной установки......................................................40

2.3 Обработка экспериментальных данных видеосъемки.................................45

2.3 Результаты, полученные в главе 2..................................................................53

Глава 3. Моделирование реактора псевдоожиженного слоя................................54

3.1 Анализ экспериментальных данных..............................................................55

3.2 Моделирование реактора кипящего слоя......................................................67

3.3 Результаты, полученные в главе 3..................................................................78

Глава 4. Программная реализация АСНИ...............................................................79

4.1 Разработка базовой библиотеки классов.......................................................80

4.2 Разработка программы АСНИ........................................................................87

4.2 Результаты, полученные в главе 4..................................................................94

Выводы.......................................................................................................................95

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................................................96

Список использованной литературы.......................................................................98

ПРИЛОЖЕНИЕ А. программный код модуля обработки экспериментальных

данных видеосъемки...............................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. программный код основных модулей АСНИ......................111

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения программно - аппаратного комплекса для исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя.....................................139

ВВЕДЕНИЕ

Разработка новых и модернизация существующих технологических процессов невозможна без использования современной научно-исследовательской экспериментальной базы, включающей широкий спектр оборудования, методов исследования и анализа.

В настоящее время научные исследования проводятся с помощью достаточно сложного оборудования и связаны с необходимостью обработки больших объемов информации. Автоматизация трудоемких задач по сбору, упорядочиванию, преобразованию и архивации входных/выходных потоков информации о процессе, проверке достоверности полученных данных, статистическому анализу и получению эмпирических зависимостей способствует повышению эффективности научных исследований.

Все это в полной мере относится к проведению научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС) на экспериментальных стендах.

ПС, как объект исследования, обладает свойственными каждому конкретному объекту специфическими характеристиками, которые определяют постановку экспериментов.

При изучении гидродинамики ПС эксперименты необходимо проводить на относительно крупногабаритных пилотных установках (диаметр аппаратов не менее 0,2м). Это обусловлено требованием сохранения условий подобия концентрационных полей и структуры слоя на пилотной установке и промышленном объекте.

Информацию о структуре слоя позволяют получить опыты с «двухмерными» (плоскими) аппаратами, где в процессе исследования формируются данные о распределении пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз и расширении слоя.

Обработка многомерных массивов экспериментальных данных (результаты видеосъемки, измерения локальной порозности слоя, флуктуации

перепада давления и т.д.) малоэффективна без использования автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).

Создание экспериментальных стендов для изучения гидродинамики ПС с высокой степенью автоматизации обработки экспериментальных данных связано с большими экономическими затратами.

Наиболее эффективным решением этой проблемы является организация многопользовательского доступа к уникальному оборудованию через сеть Интернет. Это позволяет сократить затраты на разработку и испытание новых технологических процессов нескольким организациям, заинтересованным в выполнении научных и прикладных исследований ПС.

Использование информационно-телекоммуникационных технологий с возможностью проведения удаленных исследований является актуальной задачей и создает реальные предпосылки повышения качества и результативности не только прикладных научных исследований, но и дистанционного Интернет-обучения.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В настоящем разделе рассматривается текущее состояние проблемы автоматизации научных и лабораторных исследований, выполнен обзор программных средств АСНИ, проведен обзор математических моделей реактора ПС и методов исследований гидродинамики ПС.

1.1 Автоматизированные системы научных исследований

Самостоятельное понятие «автоматизированная система научных

исследований» (АСНИ) появилось в 60-х гг. XX века [1]. Тогда впервые встала задача по автоматизации процессов научных исследований в связи с усложнением экспериментов и появлением вычислительных машин, позволяющих проводить численные решения для дифференциальных уравнений [2-4], описывающих химико-технологические объекты.

Основные трудности внедрения АСНИ на начальном этапе развития заключались в ограниченности компьютерной техники и в общем уровне оснащенности лабораторий надежными и доступными средствами реализации программно-аппаратных комплексов АСНИ [5]. Первые АСНИ разрабатывались как устройства автоматизации сбора или классификации данных, получаемых от экспериментальных установок.

С развитием вычислительной техники и появлением принципиально новых инструментов программирования появилась возможность значительно усовершенствовать АСНИ. Внедрение современных информационных технологий позволяет существенно повысить эффективность исследований, снизить затраты на их проведение, а также более глубоко изучить непосредственно интересующие свойства объекта исследований. К основным целям АСНИ можно отнести: • улучшение качества научных исследований на основе получения или уточнения с помощью АСНИ математических моделей исследуемых объектов;

• повышение эффективности разрабатываемых с помощью АСНИ объектов за счет сокращения сроков, уменьшения трудоемкости научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники;

• получение принципиально новых научных результатов, достижение которых невозможно без применения АСНИ.

Создание эффективных АСНИ обеспечивается путем:

• комплексной автоматизации исследовательских работ в научно-исследовательской организации с необходимой перестройкой ее структуры и кадрового состава;

• повышения качества управления научными исследованиями;

• систематизации процессов научных исследований за счет применения математических методов и средств вычислительной техники;

• замены натурных испытаний математическим моделированием объектов исследований.

Границы АСНИ определить трудно, нередко в ее рамках решаются частные задачи, присущие другим разновидностям автоматизированных систем: АСУ ТП, САПР, ГИС, CAE и др.

В любом случае основной задачей АСНИ является получение новых знаний об исследуемом процессе, объекте или явлении.

АСНИ должна решать следующие главные задачи [1]:

1) сбор экспериментальных данных и управление экспериментальной установкой;

2) вычислительные работы (обработка и хранение данных, моделирование);

3) обеспечение профессиональных коммуникаций (обмен информацией между сотрудниками лаборатории и другими заинтересованными исследователями, в том числе, в других институтах и других странах).

Соответственно, задачам выделяются функциональные подсистемы АСНИ:

1) подсистема реального времени;

2) вычислительная подсистема;

3) подсистема профессиональных коммуникаций.

Подсистема реального времени строится на базе персональных компьютеров и интерфейсов взаимодействия ЭВМ с экспериментальным оборудованием.

В качестве интерфейсов используется широкий спектр аппаратуры. Среди всех можно выделить интерфейсы, получившие основное распространение в системах автоматизации научных исследований: САМАС, Ethernet, МЭК - 625 RS-232, USB и др.[6]

САМАС (Computer Automated Measurement And Control) представляет собой модульную систему, предназначенную для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных (в большинстве случаев его роль выполняет компьютер).

Ethernet- пакетная технология передачи данных. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне сетевых моделей. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. На базе Ethernet в АСНИ распространено использование технологии обмена информации ОРС DA (Object Linking and Embedding for Process Control Data Access), разработанной для унификации механизмов взаимодействия программного обеспечения (ПО) систем управления с аппаратурой этих систем. В рамках этой технологии ОРС-серверы собирают данные от контроллеров и предоставляют их ОРС-клиентам (например, SCADA-системам (Supervisory Control And Data Acquisition) или программному обеспечению АСНИ).

RS-232 (Recommended Standard 232) - стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и коммуникационным устройством.

RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на короткие расстояния с передачей информации по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения.

Вычислительная подсистема АСНИ, как правило, строится на базе локальной гетерогенной сети, которая может состоять из компьютеров всех классов, но основным элементом должны служить рабочие станции (серверы).

В вычислительной подсистеме должна быть реализована модель клиент -сервер, т.е. такая организационная структура сети, когда задачи различных типов распределяются между машинами в соответствии с их возможностями и функциями.

Подсистема профессиональных коммуникаций должна реализовываться на базе так называемых территориальных или глобальных сетей, использующих проводную или спутниковую связь.

Все подсистемы должны быть интегрированы в единую систему.

В связи с особенностями исследований в каждой конкретной области знаний развитие АСНИ привязывалось к конкретным отраслям промышленности.

В работе [7] приведено значительное обобщение опыта разработки отдельных систем автоматизации для лабораторных нужд и развитие общей теории разработки АСНИ. Рассматривается вариант автоматизации научных исследований с применением ЭВМ. Приводится подробный разбор необходимых функций АСНИ, а также рассматриваются конкретные механизмы программной реализации.

Была предложена следующая схема АСНИ (рис 1.1) [7].

Рисунок 1.1- Типовой состав автоматизированной лаборатории

В блоке имитационного моделирования выполняются: расчеты на математической модели исследуемого объекта, уточнение модели по экспериментальным данным, анализ гипотез. При объединении всех перечисленных подсистем образуется АСНИ.

В автоматизированной подсистеме исследовательских стендов производится стабилизация режимных параметров процессов в экспериментальных объектах для уменьшения неконтролируемых возмущений (шумов), а также программное управление во времени и пространстве режимными параметрами (создание контролируемых изменений независимых переменных объекта по заданному плану).

В работах [5, 7-16] приведены основные этапы проектирования таких систем в рамках единой инженерной методики. Рассмотрены вопросы анализа и синтеза систем данного класса.

В работе [5] была разработана методика создания АСНИ, состоящая из пяти этапов (рис. 1.2). Последовательное выполнение данных этапов позволяет проанализировать существующую структуру, сформулировать основные требования к системе, реализовать на практике функционирующую АСНИ, а также наметить дальнейшие действия по повышению качества исследований.

На первом этапе изучается сам предмет исследования. Он включает в себя ознакомление с областью исследований, проводимых лабораторией,

изучение предмета исследований и характера проводимых экспериментов. На этом этапе создается структурная схема объекта исследования.

Целью второго этапа является разработка структурно-функциональной схемы работы лаборатории и изучается подход к обработке экспериментальных данных в конкретной лаборатории, а также определяется требуемый уровень визуализации данных и принятые процедуры по хранению и исследованию накопленных данных.

Рисунок 1.2 - Этапы методики разработки программно-аппаратного комплекса

автоматизации исследований процесса

На третьем этапе совмещаются схемы объекта и лаборатории для получения структуры информационных потоков в будущей системе и определения информационных объектов АСНИ. При этом каждый информационный объект характеризуется набором присущих ему свойств и характерных функций. Закладывается основной функционал АСНИ и определяется характер взаимодействия между ее составными частями.

Логическая структура окончательно фиксируется на четвертом этапе, после чего следует перейти к выбору инструментария для реализации самого

I Этап:

Изучение предмета исследований

III Эта«:

Формализация задач и определение функций ПАК

_......, т..................Ш

IV Этап;

Разработка структуры и программная реализация

программного комплекса. Так как большинство АСНИ имеют своей задачей накопление и обработку больших объемов данных, то целесообразно для этих целей хранения и доступа к данным применить механизмы работы с базами данных.

Основной набор функций АСНИ реализовывается на сервере, а основные возможности формирования запросов и визуализации данных относятся к клиентскому модулю.

При выборе платформы для реализации всех этих элементов рекомендуется исходить из следующих принципов:

• минимальная стоимость использования;

• широкий набор компонентов для взаимосвязи между различными

подсистемами АСНИ;

• доступность справочных данных.

После завершения комплекса работ по фактической реализации комплекса выполняются отладка программного обеспечения и пробные пуски системы.

Выявление, трассировка и исправление возможных ошибок является важным этапом. Основные ошибки при реализации модулей устранимы на этапе отладки приложения.

Некорректно функционирующий модуль, искажающий реальные показатели процесса, может привести к большим потерям времени и неоправданным денежным затратам.

На текущий момент в России начинает формироваться рынок коммерческих автоматизированных систем лабораторных исследований [9-18]. Это вызвано тем, что подобные системы позволяют автоматизировать большинство из вышеперечисленных задач, а также упростить доступ к накопленной информации.

Большинство системных интеграторов предлагают комплексный подход, подразумевающий полную автоматизацию процессов и предполагающий

значительные инвестиции как в оборудование, так и в услуги по установке, наладке и обучению сотрудников.

Отрицательной стороной использования подхода является то, что он оправдан только при внедрении на больших предприятиях или в крупных научных центрах, где ведется производство в крупном объеме и эффект от внедрения комплексной системы мог бы значительно повысить качество продукции или более эффективно использовать ресурсы предприятия [5].

К наиболее известным на сегодняшний день системам автоматизации лабораторий, присутствующим на российском рынке, относятся StarLIMS от компании «Аврора-ИТ» и LAB WARE LIMS от компании Lab Ware [17-25].

Обе системы предлагают комплексный подход, подразумевающий полную автоматизацию процессов со значительными инвестициями в оборудование и услуг�