автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация структурного синтеза и контроля эксплуатационных дефектов вакуумных систем на основе создания интегрированной базы данных

На правах рукописи

Солодилова Наталья Алексеевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА И КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НАР 2014 005546007

Санкт-Петербург - 2014

005546007

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»).

Научный руководитель: Мещеряков Сергей Владимирович ,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматы», ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», г.Санкт-Петербург

Официальные оппоненты: Попов Дмитрий Иванович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информатика, вычислительная техника и автоматизация в медиаиндустрии», ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова (МГУП)», г. Москва

Пшеничный Данил Андреевич,

кандидат технических наук, старший инженер, ЗАО «Русский Алкоголь»,г.Москва

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

ГИРИКОНД», г. Санкт-Петербург

Защита состоится 1Умая 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»: http://www.madi.ru/135-uchenw-sovet-dissertacionnve-sovetv.html

Автореферат разослан 6 марта 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.126.05, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Появление новых и развитие традиционных высоких технологий повышает требования, предъявляемые к работе вакуумного оборудования и его качеству. В связи с этим сложность его существенно возрастает, в то же время требуемые сроки проектирования непрерывно уменьшаются. Эти противоречивые факторы приводят к необходимости разработки и применения систем автоматизации на максимально большем количестве этапов проектирования вакуумных систем (ВС). Современное состояние вакуумной техники, являющейся одной из наукоемких областей, характеризуется широким диапазоном применяемых технологий вакуумных процессов и большим разнообразием видов и конструкций технологического оборудования.

Структурный синтез является одним из начальных этапов проектирования ВС, на котором закладывается эффективность принимаемых проектных решений. Этот этап является наиболее сложным с точки зрения возможной формализации процесса проектирования и, как следствие, наименее автоматизированным. Решение задач синтеза структуры весьма трудоёмко, что делает проблему автоматизации этого этапа проектирования наиболее актуальной.

Каждый из используемых методов синтеза структуры ВС имеет определённые преимущества и недостатки, однако ни один из них не учитывает опыт эксплуатации на предприятиях технологического оборудования. Располагаемые сведения о количестве и характере эксплуатационных дефектов представляют собой разрозненную и разнородную информацию, поскольку на разных предприятиях используются различные средства автоматизации и форматы данных. Зачастую подобная информация никак не структурирована и хранится в виде отдельных документов.

В этой ситуации внедрение единой базы данных (БД) эксплуатационных дефектов вакуумных установок (ВУ), интегрирующей разрозненные статистические данные, в современную практику автоматизированного проектирования представляется актуальным и позволит специалистам гибко вносить изменения в имеющиеся типовые методики расчета, а также давать научно-обоснованные рекомендации инженерно-экспертным организациям по дополнительному контролю характеристик эксплуатации в целях выявления и устранения причин возникновения дефектов.

Решению различных теоретических и практических проблем по избранной тематике посвятили свои работы Евстигнеев В. А., Кеменов В.Н., Кини P.JL, Львов Б.Г., Норенков И.П., Ope О., Петров A.B., Подиновский В. В., Половинкин А.И., Райфа X., Дж. Рой, Розанов Л.Н., Саати Т., Фролов Е.С., Д.Т. Чанг.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности структурного синтеза ВС и автоматизированного контроля эксплуатационных дефектов на основе создания, анализа и использования интегрированной БД промышленной эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

• системный анализ методов структурного синтеза ВС и программных средств автоматизации для выявления ключевых проблем и путей их решения;

• комплексный анализ БД промышленной эксплуатации на различных предприятиях северо-западного экономического региона РФ, выбор информационной модели их интеграции в единую систему сбора и обработки информации;

• построение и практическая реализация информационной модели эксплуатационных характеристик, интеграция промышленных данных из различных источников в единую БД;

• анализ интегрированной БД, выявление наиболее слабых элементов конструкции промышленных установок, условий эксплуатации и часто встречающихся дефектов;

• корректировка методики проектировочных и проверочных расчётов с целью повышения уровня их достоверности и точности на основе полученных результатов анализа;

• выработка практических рекомендаций промышленным предприятиям по учету и контролю технического состояния технологических систем (ТС) в процессе их эксплуатации;

• внедрение полученных результатов на предприятии, оценка эффективности принятых решений.

Объектом исследования являются ВС и ВУ, эксплуатируемые на промышленных предприятиях.

Предметом исследования являются методы и автоматизированные средства структурного синтеза ВС с использованием БД масштаба предприятия.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, структурного синтеза, экспертных оценок, математического моделирования, средства автоматизированного проектирования. При анализе полученных результатов использованы методы статистической обработки данных.

Научную новизну диссертационной работы составляют методы обработки, интеграции и анализа разнородных данных из разрозненных БД эксплуатационных характеристик ВС, которые позволили выявить ключевые проблемы эксплуатации ВС, на основе этого уточнить методику проверочных расчетов и тем самым повысить эффективность структурного синтеза ВС и их ресурс работоспособности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа методов структурного синтеза ВС и средств автоматизации.

2. Информационная модель интеграции данных об эксплуатационных характеристиках ВС, полученных из разрозненных производственных предприятий.

3. Результаты комплексного анализа типовых эксплуатационных дефектов, выявленных в разное время на различных промышленных объектах.

4. Уточненные методы проверочных расчетов структурных элементов и конструкций ВС.

5. Методика экспертного контроля технического состояния ВУ и эффективного технического обслуживания их на производстве.

Практическая ценность и реализация основных результатов работы.

1. Проведен анализ сведений более чем 100 промышленных предприятий северо-западного региона РФ и ближнего зарубежья об условиях эксплуатации и выявленных дефектах.

2. Даны практические рекомендации эксплуатирующим промышленным предприятиям по учету и контролю технического состояния и техническому обслуживанию ВС.

3. Даны научно-обоснованные рекомендации экспертным организациям по проверке технического состояния и условий безопасной эксплуатации промышленных объектов.

4. Результаты диссертационных исследований можно распространить на другие отрасли и ТС, работающие в вакуумной, химически агрессивной среде и прочих потенциально опасных условиях.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждена:

— используемым аппаратом математической статистики и информационными моделями;

— результатами статистического анализа сведений более чем 100 промышленных предприятий северо-запада России и ближнего зарубежья;

— независимыми исследованиями и публикациями других авторов;

— комплектацией запчастей и составом типовых ремкомплектов согласно каталогов продукции ведущих западных производителей ВС;

— практическим опытом и успешным внедрением на инженерно-экспертном предприятии по обследованию промышленных объектов ЗАО «Ратте» (г. Санкт-Петербург).

Апробация работы. Основные результаты научных разработок, выполненных автором по теме диссертации, представлены в материалах международных и российских конференций: «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПбГПУ, 1996 г.), «Вакуумная техника и технология» (СПбГПУ, 2004 г.), «Машиностроение в условиях

инновационного развития экономики» (СПбГПУ, 2009 г.), «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (СПбГПУ, 2009г.), «XXXIX Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2010 г.), «ХЬ Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2011 г.), «ХП Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2012 г.), а также прошли апробацию на научных семинарах кафедр «Информационные машиностроительные технологии», «Конструкторско-технологические инновации», «Компьютерные технологии в машиностроении» и «Автоматы» СПбГПУ (1996 - 2013 гг.).

Публикации. Общее количество публикаций составляет 20 наименований. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, среди которых 4 статьи из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает перечень сокращений, введение, 5 глав, заключение, библиографию из 106 наименований и 7 приложений. Основное содержание работы изложено на 177 страницах текста, в т. ч. 21 таблица, 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель, в соответствии с которой поставлены задачи исследования, а также приведено краткое содержимое глав диссертации.

В первой главе показана роль ВС в технологическом оборудовании различных областей науки и техники. Показана противоречивость требований, предъявляемых к ВС. Выделены основные классификационные признаки ВС: величина рабочего давления, состав остаточной среды, газокинетический режим, структурно-параметрические особенности, производительность. Сделан вывод о необходимости повышения эффективности структурного синтеза как начального этапа проектирования ВС.

Дан аналитический обзор методов и автоматизированных средств структурного синтеза ВС. Представлена характеристика процесса структурного синтеза ВС. Четко разграничены задачи, решение которых можно «доверить» компьютеру и задачи, в решении которых первенство по-прежнему принадлежит человеку. К последним относятся трудно формализуемые задачи, требующие наличия эвристических способностей. Выбор верного соотношения доли труда вычислительной техники и человека в процессе проектирования напрямую связан с эффективностью принимаемых проектных решений.

Рассмотрена роль информационного обеспечения. Описаны состав, основные функции, способы ведения информационного обеспечения. Выполнен обзор отечественных и зарубежных систем сквозного автоматизированного проектирования ВС. Показана современная тенденция наращивания БД, создания единого информационного пространства.

Выявлены противоречия, препятствующие принятию решения о выборе наилучшего технического решения. Приведена последовательность поиска наилучшего варианта по определённому набору требований.

Сделан важный вывод о том, что сведения о проведенных мероприятиях по техническому обслуживанию и дефектах, выявленных при промышленной эксплуатации ВС, можно и нужно учитывать на ранних этапах структурного синтеза для повышения эффективности процесса проектирования и улучшения качества проектируемых ВС.

Особое внимание уделено накопленной информации об эксплуатации ВС на предприятиях, подчеркнута тенденция к интеграции и актуальность создания единой базы данных технических характеристик ВС, используемой на всех этапах жизненного цикла ВС и ее элементов - от проектирования и изготовления вплоть до окончания промышленной эксплуатации и утилизации. Разработана стратегия создания интегрированной БД промышленной эксплуатации (рис.1).

обаятжяя сшик « т»ж»оз£ЭТм>м

Рис. 1. Интеграция БД промышленной эксплуатации

Во второй главе представлены теоретические методы автоматизированного проектирования ВС.

Сформулирована задача структурного синтеза — этапа, на котором закладывается эффективность принимаемых проектных решений. Для реализации процедур структурного синтеза необходимо формализованное описание знаний об объектах синтеза, о правилах синтеза и порядке их применения. Данные об объектах синтеза могут быть представлены в виде отдельных базовых элементов, макроэлементов, законченных вариантов структур, обобщенных структур.

Представлены следующие способы решения задач структурного синтеза: перебор законченных структур, наращивание (обогащение) структуры, усечение максимального набора элементов.

Метод перебора позволяет выбрать наилучший вариант из существующих законченных структур. Способы создания множества вариантов: выбор из имеющейся библиотеки готовых решений, генерация из элементов и макроэлементов по определённым правилам, частичное изменение одной или нескольких первоначально заданных базовых структур. Описаны особенности однокритериального и многокритериального выбора.

Если возможно выделить набор частных, наиболее важных критериев ^(Х), записывается функция цели:

Ф(Х) = у(Р(Х)) = у№(Х),...,аХ)). (1)

Строится множество Парето и организуется поиск на нем наилучшего решения по глобальному критерию:

П={ХеО: ЗХ°еО:£(Х°)<^(Х), 1=1,ш; Р(Х°)^Р(Х)},

Ф(Х)-> шт, ХеП, (2)

где П — множество Парето, О — множество возможных вариантов, Х° -неулучшаемый вариант решения, Ф(Х) - глобальный критерий.

Описаны особенности применения аддитивных, мультипликативных и минимаксных (максиминных) целевых функций.

Приведены примеры ранжирования критериев оценки при помощи бинарных матриц, при котором после выполнения попарного сравнения критериев рассчитываются весовые коэффициенты Вк, сумма которых равна единице:

Вк = х=гЦ=!-> (3)

к }

где результат попарного сравнения критериев а^ = 1, если к-ый критерий важнее, чем .¡-ый, в противном случае а^=0.

Рассмотрена последовательность реализации методов частичного перебора на примере метода ветвей и границ.

Разобран метод анализа иерархий (МАИ) - реализация метода перебора по результатам экспертных оценок. Приведены примеры реализации МАИ в различных областях и для проектирования структурных моделей различных технических объектов. Принятие решений осуществляется путём взвешивания альтернативных вариантов, удовлетворяющих некоторому набору требований. Требования, параметры и варианты технических решений представляются в виде иерархии. Определение приоритетов параметров нижнего уровня относительно цели сводится к последовательности попарных сравнений. Выбор решения осуществляется на основе приоритетов решений по отношению к иерархии целей и параметров. Относительные веса, 8

задаваемые по шкале от 1 до 5, формируют матрицу попарных сравнений А=ау,3 = 1..п, элементы которой обладают следующими свойствами:

1) если а^ то а^ = 1/Х, Х^О;

2) если важности X; и Xj одинаковы, то ач=1;

3) значение относительной важности при сравнении объекта с самим собой равно 1, т.е. для всех ¡=].

1 а ... а

А =

1/а

1

1/а 1/а

1

(4)

Локальные приоритеты параметров и вариантов решений определяются по формуле:

п

=1/п-^ац-\^,1 = 1...п. (5)

И

Величина влияния параметров т-го уровня иерархии на вершину дерева (глобальные приоритеты) определяются перемножением локальных приоритетов соответствующих вышестоящих в иерархии параметров:

(6)

где Ога| — глобальный приоритет ¡-го параметра, расположенного на уровне иерархии т.

Глобальные приоритеты кандидатов:

(7)

где 1 = 1...П — количество кандидатов выбора, ш — количество параметров на последнем уровне иерархии.

Лучшим считается техническое решение, имеющее наибольшее значение глобального приоритета.

Представлено решение двух задач выбора структурной вакуумной схемы агрегата для получения определённой степени вакуума с использованием МАИ. В качестве кандидатов выбора рассмотрены 9 схем: по две для низкого и среднего вакуума и четыре высоковакуумные. В первом случае выбирается структурная схема высоковакуумного агрегата по критерию экономичности. Во втором случае по критериям: производительность, экономичность и безопасность. Иерархия процесса выбора структурной вакуумной схемы для решения второй задачи представлена на рис. 2.

Достоинство МАИ заключается в том, что веса критериев и субъективные оценки назначаются экспертами не прямо, а на основе попарных сравнений. Удобным и интуитивно понятным является иерархическое представление критериев. Однако некоторую сложность

может вызвать понятие «превосходства в N раз», используемое при попарном сравнении.

1-й уровень

2-й уровень

3-й уровень

4-й уровень

Рис. 2. Иерархическая модель процесса выбора схемы вакуумного агрегата, обладающего высокой производительностью, экономичностью и безопасностью

Суть метода обогащения заключается в постепенном наращивании структуры с оценкой промежуточных частичных решений. Наращивание выполняется путём добавления в предыдущую частичную структуру новых элементов. Метод позволяет получить алгоритмы синтеза, экономичные по затратам машинного времени, однако менее точные по сравнению с алгоритмами перебора.

Метод усечения максимального набора элементов заключается в последовательном исключении элементов из обобщённой избыточной структуры, представляющей совокупность описаний большого числа структур без дублирования одинаковых фрагментов. Синтез допустимых решений заключается в последовательном сравнении условий технического задания с условиями функционирования каждого элемента обобщённой структуры. По результатам сравнения принимается решение о сохранении или исключении элемента из синтезируемой структуры.

Представлен пример синтеза структурной вакуумной схемы. Синтез осуществляется постепенным исключением элементов из обобщенной избыточной структуры вакуумных агрегатов. Обобщенная структура представлена на рис. 3.

Рис. 3. Элементы типовой вакуумной схемы: Хц.. .х„б - элементы проточной части, Уп • • -Упз - вспомогательные элементы.

Наличие специальных требований к проектируемому агрегату отражено в общих правилах. Например, наличие требования «Отсутствие паров масла» приводит к необходимости использования безмасляных средств откачки. Алгоритм синтеза структурной схемы вакуумного агрегата представлен на рис. 4.

Важным этапом проектирования ВС являются проверочные расчёты:

— собственное и суммарное газовыделение ВС;

— распределение давления по участкам ВС;

— построение кривых эффективной быстроты откачки;

— проверку выполнения условий запуска насосов ВС;

— проверку условий совместности работы ВС;

— определение времени откачки вакуумной камеры до заданного давления.

Для автоматизации построения схемы расположения (компоновки) элементов ВС разработана методика формирования вариантов структурно-компоновочных решений из типовых элементов, хранящихся в

графической базе данных. В качестве примера на рис. 5 представлен эскиз участка схемы расположения вакуумного агрегата.

Существующие методы и средства проектирования не учитывают в полной мере данные промышленной эксплуатации. Необходима интеграция с БД эксплуатационных дефектов, дополнение существующих методов новыми метриками для уточнения проектировочных расчетов.

[ Конец ]

Рис. 4. Алгоритм синтеза структурной схемы вакуумного агрегата

Рис. 5. Эскиз участка схемы расположения элементов вакуумного агрегата:

1 - насос паромасляный Н-250/2500;

2 — тройник 63;

3 — датчик ПМТ-6;

4 - клапан ВЭП-63;

5 — патрубок Эу 63;

6 — ловушка сорбционная

низковакуумная ЛСП-63;

7 — переходник;

8- клапан КВУМ-25А;

9 - патрубок Оу 25;

10 — тройник Эу 25

Третья глава посвящена исследованию проблем организации баз данных промышленной эксплуатации. На примере информационной системы (ИС) Киришского НПЗ рассмотрена структура БД промышленной эксплуатации. Возложенные на сотрудников отдела технического надзора (ОТН) функции контроля за состоянием ТС, периодической проверки 12

степени износа, составления планов планово-предупредительных ремонтов требуют информационного обеспечения и создания автоматизированных рабочих мест.

Информационная система ОТН состоит из БД электронных паспортов ТС, справочной подсистемы общезаводского пользования, архива ремонтов, подсистем оперативного ввода данных замеров и технического освидетельствования (ТО), инженерных расчетов, прогнозирования и планирования ремонтов, формирования отчетной документации.

Программно реализованы следующие функции:

1. Ведение электронных паспортов ТС.

2. Поддержка справочной системы, включающей данные общезаводского пользования.

3. Хранение в БД информации о замерах величины физического износа для расчета скорости коррозии, остаточного ресурса работоспособности и на этой основе планирования периодичности ТО и ремонтов.

4. Оперативное ввод информации о проведенных ремонтах, плановых и дополнительных ТО.

5. Формирование отчетной документации.

Использование уточненных методов расчёта позволяет увеличить периодичность ремонтов и ТО, что непосредственно связано со снижением затрат на техническое обслуживание ТС. В существующую методику расчета скорости коррозии и прогнозирования остаточного ресурса работоспособности внесены уточнения:

— наиболее слабым узлом промышленной установки может стать незначительный дефект присоединительных элементов или их стыкового соединения, которые по действующей методике никак не контролируются;

— диагностический контроль степени износа должен выполняться на каждом ответственном конструктивном элементе (учитывая, что основные элементы конструкции в свою очередь могут быть большого размера и монтироваться из различных деталей меньшего размера), включая сварной шов как отдельный элемент;

— не учитываются разные объективные причины возможного появления эксплуатационных дефектов.

Вместо скорости коррозии предложено оперировать более широким определением интенсивность износа

Конструктивные элементы и детали ТС также различаются по видам контрольных измерений. Вместо замеров толщины стенки в общем случае предлагается использовать понятия контрольный замер 8И, проектная величина 8пр, расчетное значение 8рз, предельно допустимое отклонение Д8тах и абсолютная отбраковочная величина Бщах.

По уточненной методике интенсивность износа каждого конструктивного элемента вычисляется по формуле:

ЗбЗ^ДБ,

Wюн=-, (8)

пДТ

где — интенсивность износа контролируемого элемента; ДБ^ -изменение величины контрольного замера в точке 1 за период времени эксплуатации ДТ; ¡ — номер точки контрольного замера; п — количество точек контрольных замеров конструктивного элемента; ДТ - количество дней эксплуатации между контрольными замерами.

При периодичности замеров ДТ=365 дней (один раз в год) формула (8) имеет частный вид:

Wюн=^i, (9)

ди

где 8Пр - первоначальная (проектная) величина контрольного замера (на год ввода ТС в эксплуатацию или год ремонта, если была произведена полная замена дефектного элемента на новый); Б*,- последний контрольный замер степени износа; ДО — возраст элемента ТС на момент последнего контрольного замера, лет.

Максимальное значение интенсивности износа и соответствующий ему наиболее слабый элемент могут быть определены по данным БД в любой момент времени:

\Утах=тах(\У1,\\Г2,...,\\0,

^тах = = ^тах > (Ю)

где ^Утах - максимальная интенсивность износа из всех измеренных элементов; Wl, W2,..., Wn - интенсивность износа соответственно 1,2, ...,п-го конструктивных элементов; 1 - номер конструктивного элемента; п — общее количество конструктивных элементов; ¡та* — наиболее слабый элемент конструкции.

Прогнозируемый ресурс остаточной работоспособности ТС определяется выражением:

в = ■

-'шах

"шах или

" тах

где С — остаточный ресурс работоспособности ТС, лет; Б*, - значение последнего контрольного измерения наиболее слабого элемента; — абсолютная отбраковочная величина для данного элемента; АБ^ -предельно допустимое отклонение для данного элемента; Wmax-наибольшая интенсивность износа наиболее слабого элемента, определяемая по выражению (10). 14

В результате исследования проблемы разрозненности и разнородности данных на различных промышленных предприятиях сделан вывод о том, что интеграция БД - единственно эффективный способ комплексного анализа дефектов промышленной эксплуатации и типовых причин их возникновения.

В рамках концепции интеграции разрозненных БД промышленной эксплуатации в единую систему сбора и обработки информации сделан обоснованный выбор объектно-реляционной модели данных, которая реализована на практике средствами стандартной СУБД MS SQL Server.

Четвертая глава посвящена анализу данных эксплуатационных дефектов в интегрированной БД.

Выполнен анализ статистических данных о проведенных мероприятиях по техническому обслуживанию, выявленных дефектах и их причинах по результатам комплексного обследования 1370 производственных объектов на более чем 100 предприятиях северозападного региона России и ближнего зарубежья в течение 10 лет их промышленной эксплуатации (рис. 6).

Вгоргстпромьшшышых ойъекеоъ.пег 1—I Кол-во обследованных л Кол-во выявленных объектов дефектов

Рис. 6. Количество и сроки эксплуатации промышленных объектов

Общее состояние обследованных ТС оценивалось экспертами по трехбальной системе - исправное, неисправное работоспособное, неработоспособное (рис. 7). Полученные результаты позволили выявить наиболее слабые элементы ТС, их типовые дефекты и причины (табл. 1).

неработоспособное

Ю™ неисправное

Элемент ТС Типовые дефекты Причины Кол-во

Узлы крепления направляющих Деформация конструкции узлов крепления. Разрушение сварного шва. Болты не зафиксированы от самоотвинчивания. Низкое качество сварки. 2980

Клапан предохранительный Произвольное и несвоевременное срабатывание электромагнитного клапана с выпуском рабочей газовой среды Вследствие ослабления жесткости механической пружины, требуется замена пружины 2700

Направляющие Превышение предельно допустимых отклонений. Превышение предельно допустимых нагрузок. Повышенные сроки эксплуатации и интенсивность работы. 2460

Опорные элементы направляющих Превышение предельно допустимых отклонений. Превышение предельно допустимых нагрузок. Повышенные сроки эксплуатации и интенсивность работы. 1059

Уплотнение резинометал- лическое Нарушение герметичности соединения Ослабление скрепления, посторонние включения, частичное разрушение, требуется замена уплотнения с проверкой течи. 661

Прочие замечания Недопустимое расстояние от выступающих частей. Нет площадки обслуживания. Атмосферная коррозия элементов. Нарушение правил устройства и безопасной эксплуатации. 279

Электроподвод Не работает световая сигнализация. Нет видимого заземления. Отсутствует кабелеукладчик. Нарушение правил устройства и безопасной эксплуатации. 237

Плакирующий слой Недостаточная толщина плакирующего слоя. Отсутствует часть плакирующего слоя. 57

Каждый обследованный промышленный объект в среднем имеет 15 дефектов, причем некоторые из них являются следствием повышенного динамического нагружения или вибрации и не всегда обнаруживаются при снятой нагрузке (рис. 8, рис. 9), что приводит к выводу о необходимости оценки динамических свойств ТС на стадии проектирования.

Статистика (рис. 8) наглядно демонстрирует, что с началом внедрения интегрированной БД промышленной эксплуатации количество обнаруженных дефектов значительно снизилось при относительном сохранении того же объема обследований на предприятиях, а также резко уменьшилось количество внеплановых выходов из строя (рис. 10), что подтверждает правильность принятых решений и эффективность примененных подходов.

выявленных дефектов по годам

Рис. 9. Механический дефект стыкового соединения направляющих вследствие повышенной динамической нагрузки и укрепление фундамента опорных элементов откачной установки для защиты от вибрации

ОО&цев количество аварийны* выходов из строя

■ Количество аварийных выходов из строя без остановки установки

□ Количество аварийных выходов из строя с остановкой установки

Год

Рис. 10. Статистика внеплановых выходов оборудования из строя

По статистике Киришского НПЗ, большинство выявленных дефектов вызвано межкристаллитным растрескиванием и коррозионным износом (рис. 11, рис. 12), но не по причине естественной атмосферной коррозии, а в результате изменения внутренних напряжений и структуры металла в особых условиях эксплуатации - химически агрессивная технологическая среда, высокая температура, избыточное или вакуумметрическое давление, интенсивность и непрерывность технологического цикла, невозможность в любой момент остановить работу промышленной установки для ревизии и техобслуживания.

Бракпроектирования Механическое разрушение Брак ремонта Нарушение правил эксплуатации Брак изготовления Коррозионное растрескивание Коррозионный износ

01234567

Рис. 11. Главные причины дефектов

Главные причины дефектов ВС

□ 2008 □ 2007 ■ 2006 02005

Рис.12. Межкристаллитное коррозионное растрескивание глубиной 2 мм (Киришский НПЗ, АВТ-6) и эскиз сварного шва при устранении дефекта

При 5 < 30 мм а = 10-12°, при 8 >30 мм а= 15-20°

Анализ типовых эксплуатационных дефектов в интегрированной БД позволил выработать практические рекомендации промышленным предприятиям и организациям технадзора:

1. Рекомендуются дополнительные параметры учета условий промышленной эксплуатации: уровень вибрации, рабочая температура, рабочее давление, интенсивность использования, степень нагружения, агрессивность технологической среды и т. д.

2. Точки замеров степени износа компонентов технологического оборудования должны располагаться на каждом конструктивном элементе, включая новые присоединительные элементы, установленные в процессе ремонта и их сварные швы, которые на практике могут стать наиболее слабыми элементами конструкции ТС.

3. Результаты замеров степени износа по каждому элементу ТС рекомендуется сохранять в интегрированной БД по предложенной информационной модели для последующего анализа.

4. После каждого цикла замеров необходим уточняющий расчет интенсивности износа каждого элемента ТС и прогнозирование остаточного ресурса работоспособности по наиболее слабому элементу с наибольшей степенью и интенсивностью износа.

Выполнение данных рекомендаций позволит повысить надёжность и безопасность эксплуатации промышленных установок, снизить издержки на их техническое обслуживание и продлить ресурс работоспособности.

Пятая глава описывает результаты внедрения автоматизированной ИС учёта технического состояния и комплексного обследования ТС на инженерно-экспертном предприятии ЗАО «Ратте» (г. Санкт-Петербург),

специалисты которого проводят ТО промышленных объектов на предприятиях северо-запада России и в ближнем зарубежье.

ИС программно реализована в объектно-реляционной СУБД MS SQL Server по технологии «клиент-сервер». Клиентские приложения разработаны средствами MS Visual Studio, MS Office и Visual Basic for Applications.

Структура интегрированной БД эксплуатационных дефектов представлена на рис. 13.

Рис.13. Структура интегрированной БД эксплуатационных дефектов

Электронные паспорта ТС и их элементов образуют внутреннюю иерархию объектов, глубина вложенности которой не ограничена. Помимо общей технической информации об объекте, в БД хранятся чертежи общего вида и спецификации элементов ТС, выполненные в векторном формате AutoCAD, которые обновляются после каждого цикла замеров степени износа и проведенных ремонтных мероприятий. Управление графической средой AutoCAD и документами MS Office (Word, Excel) из внешних клиентских приложений также автоматизировано.

Значения фактических замеров степени износа элементов ТС вводятся в БД экспертом в абсолютных единицах измерения и автоматически пересчитываются в относительные величины для последующих проверочных расчетов остаточного ресурса работоспособности элементов ТС (рис. 14).

Рис. 14. Экранная форма фактических замеров степени износа элементов ТС и автоматически сгенерированная диаграмма отклонений от предельно допустимых значений в формате MS Excel

Отклонения фактических измерений от предельно допустимых нормативных значений рассчитываются в каждой точке замера отдельно по каждому конструктивному элементу ТС. По результатам расчетов автоматически генерируются графики и сводные таблицы замеров. Описания всех элементов объекта обследования и выявленных дефектов фиксируются в интегрированной БД (рис. 15). На основании выполненных замеров и расчетов отклонений от норматива автоматически формируется акт комплексного обследования ТС с ведомостью дефектов (рис. 16) и сопроводительной чертежной документацией, которые направляются на промышленное предприятие для устранения замечаний и дальнейшей эксплуатации в зависимости от экспертного заключения.

Использование интегрированной БД эксплуатационных дефектов и автоматизированной ИС комплексного обследования промышленных объектов специалистами ЗАО «Ратте» позволило значительно снизить трудоёмкость подготовки и повысить качество выдаваемых экспертных заключений.

Рис. 15. Экранная форма с перечнем элементов ТС, описанием выявленных дефектов и экспертными заключениями об их устранении

Рис. 16. Автоматически сгенерированная ведомость дефектов на ремонт элементов ТС в формате MS Word

w МкоюгоН W<a«J - « 43/81»

J^Ö^aiw* Щав^а Щъ ЦДОм*» % - - ^ \ ' Д,

' D<*B #[*?'".» " • BOSU A Va

3 *" in»• Ж Л Ч Ж и ш ■ I. ; * IW

L2BCEÏ

»Iii» >■ «i iE * - -

д.- ш и

1-й- 1-Х-'"Ш

ВЕДОМОСТЬ ДЕФЕКТОВ

Орг»инмик«-вл»д<а«и - 211 КЖЕИ - филиал ОАО ТУОВ".

В ходе iipooe^oiworo >9 w** 20Ш г. айЖаЯИКввОйК» о<хлс-.ло*»>ж* комиссией Ин^епсрио-и* по обеяедежлкюо прояыдая^имх об*с>т>и ЗАО "PATTE" *шжвж»ш

Заключен« с о

"В £ Описание дефе*ла I 1 яеооходаше«ж и

.дефекта

f Опорные .-».тементы | оллок (колонны) 1. Разрушение защитного оетшшого слоя в нижнем сечении колонн: - .Vs4 и №5. расположенных по оси 41; - ШИЪ, расяояожф«»« ао <*сы 42. Устранить при очередном ТО.

1 Узды сгыжовкн оадок Дефектов не о!жаруже«0.

1 Промежуточада* 5 с,креп.я«»ия г. Уетлдоспше треашиы по сварным приварки стал*** w о бруса: - Ni>6 ядкивй « Д»У* стерли; - Ш1 дайной Жаа* Yctpju««*» течение мвезша.

„......—

у

В приложениях приведены фотографии фактически обследованных промышленных установок, статистика и фотографии выявленных типовых дефектов, примеры коррозионной карты, акта обследования и дефектной ведомости, а также акт о внедрении результатов исследований.

ВЫВОДЫ

Результаты и научные положения диссертации вносят существенный вклад в дальнейшее развитие эффективных методов автоматизированного проектирования вакуумных систем на основе интегрированной базы данных промышленной эксплуатации, что имеет теоретическую и практическую значимость на всех этапах жизненного цикла ВС для различных предприятий — проектных, экспертных, при изготовлении, эксплуатации и техническом обслуживании на производстве.

Единая структурированная информация в интегрированной базе данных аккумулирует опыт многочисленных промышленных предприятий (более 100) за достаточно длительный период времени (12 лет) и безусловно является более объективной и достоверной, чем разрозненные и разнородные сведения об эксплуатации, полученные из отдельных источников.

В диссертации представлены следующие новые теоретические и практические результаты:

1. Проведен системный анализ теоретических методов структурного синтеза и средств автоматизации проектирования вакуумных систем, их применение позволило выявить узкие места и неавтоматизированные функции.

2. Выполнен комплексный анализ сведений об условиях эксплуатации, о проведенных технических обследованиях и выявленных дефектах на более чем 100 промышленных предприятиях северо-западного региона РФ и ближнего зарубежья.

3. Построена информационная модель интеграции баз данных промышленной эксплуатации в единую систему сбора и обработки информации, которая реализована на практике и внедрена в инженерно-экспертной организации по комплексному обследованию промышленных объектов.

4. На основе анализа интегрированной информации выявлены наиболее слабые элементы вакуумных систем и их конструкций, а также типовые и хронические дефекты, которые наблюдаются на разных технологических установках и промышленных объектах.

5. По результатам проведенных исследований скорректированы методики проектировочных расчетов с учетом динамических нагрузок и различных условий эксплуатации.

6. Выработаны практические рекомендации производственным предприятиям по дополнительным критериям контроля технического

состояния и обслуживания вакуумного основного и вспомогательного оборудования технологических установок и их конструкций.

7. Даны практические рекомендации экспертной организации по комплексному обследованию промышленных объектов с использованием интегрированной базы данных обследованных объектов и выявленных дефектов.

Диссертационные исследования выполнены применительно к вакуумным системам и их элементам, используемым на производственных предприятиях различных отраслей экономики. Однако используемые методы и полученные результаты можно распространить на другие отрасли и промышленные объекты, работающие при избыточном или вакуумметрическом давлении, при повышенной или пониженной температуре, в химически агрессивной среде, при динамической нагрузке, интенсивном цикле эксплуатации и прочих промышленных условиях, контролируемых органами Ростехнадзора и регламентированных ГОСТ, СНиП и другими нормативными документами.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Розанов JI.H., Печатников Ю.М., Солодилова H.A. Автоматизация проектирования структурной вакуумной схемы. // Вакуумная техника и технология. 1997, Том 7, №3, С. 33-40.

2. Розанов JI.H., Солодилова H.A. Автоматизация проектирования структурных вакуумных схем методом усечения // Вакуумная техника и технология, 2001, Том 11, №4, С. 183-188.

3. Солодилова Н. А., Челпанов И. Б. Трёхмерное отображение элементов схем // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и Образование - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. -№2 (123).- С. 156 - 162.

4. Бортяков Д.Е., Мещеряков C.B., Солодилова H.A. Обеспечение качества автоматизированного проектирования металлоконструкций технологических систем на основе распределенной базы данных эксплуатационных дефектов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - № 4 (176). - С. 87-94.

Публикации в других изданиях

5. Дзельтен Г.П., Мещеряков C.B., Печатников Ю.М., Розанов JI.H., Розанов С.Л., Солодилова H.A. Разработка методов автоматизированного проектирования и анализа вакуумных систем: Отчет о НИР, № ГР 0196.0002132.- СПб: СПбГТУ, 1995.

6. Солодилова H.A., Мещеряков C.B. База данных элементов вакуумного оборудования // Прогрессивные конструкции и технологии в

машиностроении: Сб. науч. работ студентов и аспирантов, № 7.— СПб: СПбГТУ, 1996.

7. Розанов JI. Н., Печатников 10. М., Солодилова Н. А. Экспертный метод проектирования вакуумных схем // Тез. докл. III Междунар. науч.-метод. конференции "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки." — СПб., 1996.

8. Розанов JI.H., Ильин Ю.П., Печатников Ю.М., Солодилова H.A.. Моделирование изделий машиностроения методом иерархических экспертных оценок // Математическое моделирование в машиностроении: Сб. науч. тр. СПбГТУ. - СПб.: СПбГТУ, 1997-С. 73-81.

9. Солодилова H.A. Автоматизация структурного синтеза вакуумного технологического оборудования // Материалы научно-технического семинара «Вакуумная техника и технология» - СПб. - 2004. - С. 7073.

10. Розанов Л. Н., Донская М. М., Солодилова Н. А., Цыганов Ю. И. Автоматизация проектирования в машиностроении средствами программного комплекса систем «Компас» // Машиностроение в условиях инновационного развития экономики: сборник тезисов и докладов научно-методической конференции. — СПБ.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. с. 90 - 94.

П.Донская М. М., Маркова Т. В., Солодилова Н. А. Автоматизация проектирования в машиностроении средствами программного комплекса автоматизированных систем КОМПАС // Материалы XVI Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке».: -СПб.: Изд-во Политехи, ун-а, 2009.

12. Густов В. В., Солодилова Н. А. Использование средств мультимедиа программного комплекса автоматизированных систем компас // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. 4.IV. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.

13. Кнутарев A.C., Солодилова H.A. Трёхмерное представление элементов кинематических схем // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. 4.IV. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011,- С. 60 - 61.

14. Кнутарёв A.C., Солодилова H.A. Сравнительный анализ создания, редактирования и обзора 3D моделей в САПР КОМПАС - 3D и PRO/ENGINEER // XLI Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. 4.4 — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. — С. 39 - 40.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

БД-база данных

ВС — вакуумная система

ВУ — вакуумная установка

ИС - информационная система

МАИ — метод анализа иерархий

НПЗ — нефтеперерабатывающий завод

ОТН — отдел технического надзора

СУБД — система управления базами данных

ТО - техническое освидетельствование

ТС — технологическая система

Подписано в печать: 05.03.14 Тираж: 100 экз. Заказ № 1091 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

04201457201

Солодилова Наталья Алексеевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА И КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., доц. Мещеряков С. В.

Санкт - Петербург - 2014

Оглавление

Перечень сокращений.........................................................................................5

Введение...............................................................................................................7

1. Состояние вопроса и задачи исследования................................................12

1.1. Характеристика вакуумных систем как объекта исследований.........12

1.2. Анализ существующих средств автоматизации проектирования......15

1.2.1. Проектирование как автоматизированный процесс......................16

1.2.2. Роль информационного обеспечения..............................................19

1.2.3. Повышение эффективности проектных решений при автоматизированном проектировании......................................................22

1.3. Выводы.....................................................................................................29

2. Теоретические методы автоматизированного проектирования вакуумных схем.................................................................................................30

2.1. Метод перебора законченных структур...............................................32

2.1.1. Критерии выбора...............................................................................33

2.1.2. Методы частичного перебора..........................................................37

2.1.3. Метод анализа иерархий..................................................................38

2.1.4. Синтез структурной вакуумной схемы методом анализа иерархий.......................................................................................................41

2.2. Метод обогащения исходной структуры.............................................52

2.3. Метод усечения максимального набора элементов............................52

2.3.1. Средства описания обобщённых структур.....................................53

2.3.2. Реализации метода усечения...........................................................55

2.3.3. Синтез структурной вакуумной схемы методом усечения..........57

2.4. Информационная система вакуумного оборудования и материалов...............................................................................................68

2.5. Автоматизация проверочного расчёта вакуумных систем.................73

2.6. Автоматизированная компоновка вакуумных систем........................77

2.7. Использование трёхмерного графического отображения элементов схемы.....................................................................................79

2.8. Выводы.....................................................................................................85

3. Исследование баз данных промышленной эксплуатации на предприятиях.....................................................................................................86

3.1. Информационно-управляющая система Киришского НПЗ...............86

3.2. Использование БД в задачах контроля технического состояния вакуумного оборудования......................................................................91

3.3. Прогнозирование остаточного ресурса вакуумного оборудования

на основе БД промышленной эксплуатации........................................94

3.4. Проблемы разрозненности и разнородности данных на промышленных предприятиях.............................................................100

3.5. Объектно-реляционная модель интеграции баз данных промышленной эксплуатации..............................................................104

3.6. Выводы...................................................................................................113

4. Анализ интегрированной базы данных эксплуатационных дефектов ..115

4.1. Выявление типовых дефектов в интегрированной БД.....................115

4.2. Уточнение существующих методик проектировочных и проверочных расчетов..........................................................................123

4.3. Практические рекомендации промышленным предприятиям по контролю технического состояния объектов эксплуатации.............129

4.4. Выводы...................................................................................................136

5. Внедрение результатов исследований на предприятии..........................138

5.1. Информационная система комплексного обследования промышленных объектов.....................................................................138

5.2. Выводы...................................................................................................145

Заключение......................................................................................................147

Список использованных источников............................................................149

Приложение 1. Фотографии обследованных промышленных установок. 160

Приложение 2. Пример коррозионной карты аппарата (КИНЕФ)............165

Приложение 3. Фотографии типовых дефектов..........................................166

Приложение 4. Эскизы сварных швов при устранении дефектов.............171

Приложение 5. Примеры акта обследования и дефектной ведомости......172

Приложение 6. Выборка статистики типовых дефектов

из интегрированной БД..................................................................................175

Приложение 7. Акт о внедрении...................................................................177

Перечень сокращений

АЕС — Architectural, Engineering and Construction CAD — Computer Aided Design

CAE — Computer Aided Engineering CAM — Computer Aided Manufacturing ECAD —Electronic CAD MCAD — Mechanical CAD SQL - Structured Query Language VBA - Visual Basic for Applications АРМ - автоматизированное рабочее место AC - автоматизированная система

АСНИ - автоматизированная система научных исследований АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства

АСУП - автоматизированная система управления производством

БД - база данных

ВО - визуальный осмотр

ВС — вакуумная система

ВУ - вакуумная установка

ГИ - гидравлические испытания

ГОСТ - Государственный Стандарт

ИО - информационное обеспечение

ИС - информационная система

КР — капитальный ремонт

МАИ - метод анализа иерархий

НСПД - нормативно-справочная проектная документация ОТН - отдел технического надзора

ООП - объектно-ориентированный подход ПО - программное обеспечение

САПР - система автоматизированного проектирования СНиП - система норм и правил СР - средний ремонт

СУБД - система управления базами данных

ТЗ - техническое задание

ТО - техническое освидетельствование

TP - техническое решение

Т/Р — текущий ремонт

ТС - технологическая система

ТУ - технические условия

3D - трёхмерный

ЭС — экспертная система

Введение

Появление новых и развитие традиционных высоких технологий повышает требования, предъявляемые к работе вакуумного оборудования и его качеству. В связи с этим сложность его существенно возрастает, в то же время сроки проектирования непрерывно уменьшаются. Эти противоречивые факторы приводят к необходимости разработки и применения систем автоматизации на максимально большем количестве этапов проектирования вакуумных систем (ВС). Современное состояние вакуумной техники, являющейся одной из наукоемких областей, характеризуется широким диапазоном применяемых технологий вакуумных процессов и большим разнообразием видов и конструкций технологического оборудования.

Структурный синтез является одним из начальных этапов проектирования ВС, на котором закладывается эффективность принимаемых проектных решений. Этот этап является наиболее сложным с точки зрения возможной формализации процесса проектирования и, как следствие, наименее автоматизированным. Решение задач синтеза структуры весьма трудоёмко, что делает проблему автоматизации этого этапа проектирования наиболее актуальной.

Каждый из существующих методов синтеза структуры имеет определённые преимущества и недостатки, однако ни один из них не учитывает опыт эксплуатации на предприятиях технологического оборудования. Сведения о количестве и характере эксплуатационных дефектов представляют собой разрозненную и разнородную информацию, поскольку на разных предприятиях используются различные средства автоматизации и форматы данных. Зачастую подобная информация никак не структурирована и хранится в виде отдельных документов.

В этой ситуации внедрение единой базы данных (БД) эксплуатационных дефектов, интегрирующей разрозненные статистические данные, в современную практику автоматизированного

проектирования представляется актуальным и позволит специалистам гибко вносить изменения в имеющиеся типовые методики расчета, а также давать рекомендации инженерно-экспертным организациям по дополнительному контролю характеристик эксплуатации в целях выявления причин возникновения дефектов вакуумных установок (ВУ).

Решению различных теоретических и практических проблем по избранной тематике посвятили свои работы Евстигнеев В. А., Кеменов В. Н., Кини P.JL, Львов Б.Г., Норенков И.П., Ope О., Петров А.В., Подиновский В. В., Половинкин А.И., Райфа X., Дж. Рой, Розанов JI.H., Саати Т., Фролов Е.С., Д.Т. Чанг.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности структурного синтеза ВС и автоматизированного контроля эксплуатационных дефектов на основе создания, анализа и использования интегрированной БД промышленной эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

• системный анализ методов структурного синтеза ВС и программных средств автоматизации для выявления ключевых проблем и путей их решения;

• комплексный анализ БД промышленной эксплуатации на различных предприятиях северо-западного экономического региона РФ, выбор информационной модели их интеграции в единую систему сбора и обработки информации;

• построение и практическая реализация информационной модели эксплуатационных характеристик, интеграция промышленных данных из различных источников в единую БД;

• анализ интегрированной БД, выявление наиболее слабых элементов конструкции промышленных установок, условий эксплуатации и часто встречающихся дефектов;

• корректировка методики проектировочных расчётов с целыо повышения уровня их достоверности и точности на основе полученных результатов анализа;

• выработка практических рекомендаций промышленным предприятиям по учету и контролю технического состояния технологических систем (ТС) в процессе их эксплуатации;

• внедрение полученных результатов на предприятии, оценка эффективности принятых решений.

Объектом исследования являются ВС и ВУ, эксплуатируемые на промышленных предприятиях.

Предметом исследования являются методы и автоматизированные средства структурного синтеза ВС с использованием БД масштаба предприятия.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, структурного синтеза, экспертных оценок, математического моделирования, средства автоматизированного проектирования. При анализе полученных результатов использованы методы статистической обработки данных.

Научную новизну диссертационной работы составляют методы обработки, интеграции и анализа разнородных данных из разрозненных БД эксплуатационных характеристик ВС, которые позволили выявить ключевые проблемы эксплуатации ВС, на основе этого уточнить методику проверочных расчетов и тем самым повысить эффективность структурного синтеза ВС и их ресурс работоспособности. Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа методов структурного синтеза ВС и средств автоматизации.

2. Информационная модель интеграции данных об эксплуатационных характеристиках ВС, полученных из разрозненных производственных предприятий.

3. Результаты комплексного анализа типовых эксплуатационных дефектов, выявленных в разное время на различных промышленных объектах.

4. Уточненные методы проверочных расчетов структурных элементов и конструкций ВС.

5. Методика экспертного контроля технического состояния ВУ и эффективного технического обслуживания их на производстве. Практическая ценность н реализация основных результатов

работы.

1. Проведен анализ сведений более чем 100 промышленных предприятий северо-западного региона РФ и ближнего зарубежья об условиях эксплуатации и выявленных дефектах.

2. Даны практические рекомендации эксплуатирующим промышленным предприятиям по учету и контролю технического состояния и техническому обслуживанию ВС.

3. Даны научно-обоснованные рекомендации экспертным организациям по проверке технического состояния и условий безопасной эксплуатации промышленных объектов.

4. Результаты диссертационных исследований можно распространить на другие отрасли и ТС, работающие в вакуумной, химически агрессивной среде и прочих потенциально опасных условиях.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждена:

— используемым аппаратом математической статистики и информационными моделями;

— результатами статистического анализа сведений более чем 100 промышленных предприятий северо-запада России и ближнего зарубежья;

— независимыми исследованиями и публикациями других авторов;

— комплектацией запчастей и составом типовых ремкомплектов согласно каталогов продукции ведущих западных производителей ВС;

- практическим опытом и успешным внедрением на инженерно-экспертном предприятии по обследованию промышленных объектов ЗАО «Ратге» (г. Санкт-Петербург).

Апробация работы. Основные результаты научных разработок, выполненных автором по теме диссертации, представлены в материалах международных и российских конференций: «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПбГПУ, 1996 г.), «Вакуумная техника и технология» (СПбГПУ, 2004 г.), «Машиностроение в условиях инновационного развития экономики» (СПбГПУ, 2009 г.), «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (СПбГПУ, 2009г.), «XXXIX Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2010 г.), «ХЬ Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2011 г.), «ХЫ Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, 2012 г.), а также прошли апробацию на научных семинарах кафедр «Информационные машиностроительные технологии», «Конструкторско-технологические инновации», «Компьютерные технологии в машиностроении» и «Автоматы» СПбГПУ (1996 - 2013 гг.).

Публикации. Общее количество публикаций составляет 20 наименований. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, среди которых 4 статьи из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает перечень сокращений, введение, 5 глав, заключение, библиографию из 106 наименований и 7 приложений. Основное содержание работы изложено на 177 страницах текста, в т. ч. 21 таблица, 47 рисунков.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Характеристика вакуумных систем как объекта исследований

На сегодня вакуум в качестве технологической среды применяется во многих областях современной жизни. Невозможно представить без использования вакуумного оборудования и различные отрасли промышленности, и медицину, и, даже в быту вакуумная техника надёжно заняла своё место.

Ниже перечислены основные области науки и техники, в которых находит своё применение вакуумное оборудование:

- электронная техника;

- радио и связь;

- приборостроение;

- химическая промышленность;

- металлургия;

- космическая техника;

- медицина;

- атомная техника;

- оборона;

- физические исследования;

- легкая промышленность;

- пищевая промышленность;

- транспорт.

Основной частью вакуумного технологического оборудования является вакуумная система. Именно ВС определяет свойства и характеристики вакуумного оборудования, создаёт и поддерживает необходимые условия вакуумной среды.

Требования, которые предъявляются к ВС, напрямую зависят от технологического процесса и состава вакуумного оборудования вовлеченного в этот процесс. Собственно эти требования и составляют техническое задание (ТЗ) на разработку ВС. Лишь правильно

сформулированное, неизбыточное и непротиворечивое ТЗ позволит избежать в дальнейшем ошибок в реализации проектных решений, выбрать оптимальное решение из ряда подобных [12]. ТЗ, как правило, содержит следующие сведения [35, 85]:

- назначение, основные количественные характеристики технологического процесса;

- характеристики подготовительного и рабочего циклов;

- допустимое давление остаточного газа и его состав, а также диапазон возможных изменений парциальных давлений компонентов остаточного газа;

- кинетика газового потока в камере;

- допустимые конструкционные материалы вакуумной камеры и арматуры, применяемой в данном технологическом процессе;

- описание тепловых и электрических процессов, возникающих при эксплуатации ВС, влияющие на её параметры;

- требуемые приборы контроля и управления ВС;

- требуемые условия эксплуатации оборудования;

- требования, предъявляемые к надёжности ВС;

- предполагаемая укрупненная схема монтажа ВС и её массогабаритные характеристики;

- возможные специальные требования к ВС, вытекающие из особенностей технологического процесса и эксплуатации.

Исходя из состава требований, предъявляемых к ВС в процессе работы и характеристик существующей элементной базы вакуумного оборудования, выделяют следующие типы ВС [51, 85] :

по величине рабочего давления:

- форвакуумные;

- высоковакуумные;

- сверхвысоковакуумные;

по