автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическая модель синтеза фуллеренов и программный комплекс тренажера технологического процесса

ПЕТРОВ Дмитрии Нпкифорович

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА ФУЛЛЕРЕНОВ И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ТРЕНАЖЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность: 05.13.18-математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 а ДЕК 2014

Санкт-Петербург 2014

005556867

005556867

ПЕТРОВ Дмитрий Никифорович

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА ФУЛЛЕРЕНОВ И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ТРЕНАЖЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность: 05.13.18 -математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного проектирования и управления

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Чистякова Тамара Балабековна

доктор технических наук, профессор, проректор по инновациям, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования и управления федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета)», СПбГТИ(ТУ).

Яковлев Сергей Алексеевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)».

Ведущая организация:

Литовка Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры систем автоматизированной поддержки принятия решений федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовского государственного технического университета».

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет»

Защита состоится 25 декабря 2014г. в 10.00 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук Д212.230.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке СП6ГТИ(ТУ).

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел: (812) 494-93-75; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан « ~М » _2014г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук,

доктор технических наук, профессор ' В.И. Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Производство углеродных наноматериалов - емкий коммерческий сектор мирового рынка. Исследования, проводимые на базе инновационных центров, НИИ, определили возможные области использования фуллеренов, обусловленные спецификой их физико-химических свойств. Фуллерены являются перспективными наноматериалами для создания новых видов продукции с улучшенными свойствами, которые нашли применение в медицине, фармацевтике, строительстве, энергетике, электронике, машиностроении и др.

Синтез фуллеренов - малотоннажный, потенциально опасный, сложный в управлении химико-технологический процесс, характеризующийся высокой температурой рабочей среды (3,8-4,2)-103 К и низким давлением газовоздушной смеси в реакторе (10-20)-103 Па.

На компонентный состав синтезируемой фуллереновой сажи влияют внешние неконтролируемые возмущения - перепады напряжения в источнике ЭДС, примеси в материале электродов и т.д. При малом отклонении вольт-амперной характеристики изменение температуры дуги приводит к резкому снижению процентного содержания фуллерена в саже, которую заполняют недофуллерены, нанотрубки, «легкие» фуллерены. На следующих стадиях синтеза продукта (растворение, экстракция, сепарация) получают меньшую массу целевого продукта, производительность оборудования снижается при тех же затратах энергии и сырья, ухудшаются показатели эффективности предприятия - рентабельность и конкурентоспособность.

Многие из нештатных ситуаций приводят к остановке и перезапуску процесса, что сопровождается высокими материальными затратами и экономически невыгодно.

Предприятия, синтезирующие углеродные наноматериалы, несут значительные материальные потери при подготовке и повышении квалификации кадров, перенастройке производства на новое оборудование и сырье.

Актуальность темы диссертации обосновывается необходимостью разработки математической модели и программного комплекса для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов. Поэтому в практику обучения управлению процессом синтеза фуллеренов возможно включение дополнительного этапа -подготовки с использованием программного комплекса, математических моделей, имитирующих протекание процесса синтеза фуллеренов, интеллектуальной подсистемы для обучения управлению процессом синтеза фуллеренов при нештатных ситуациях.

Использование предлагаемого программного комплекса способствует повышению квалификации производственного персонала и степени его готовности к устранению нештатных ситуаций, сокращает затраты предприятия на подготовку кадров, а также на перенастройку технологической линии синтеза фуллеренов на различные геометрические характеристики оборудования и электродов, хладагент, буферный газ.

Работа выполнена в рамках прикладных НИР «Информационные технологии для автоматизированного проектирования, обработки информации и управления качеством химической продукции промышленных производств наноматериалов» (по заданию Минобрнауки России, № гос. per. 01201257270, 2012-2013 гг.), «Разработка программы повышения квалификации специалистов предприятий наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области автоматизированных производственных нанотехнологий» (по заданию Фонда инфраструктурных и

образовательных программ группы «РОСНАНО», программа внесена в электронный реестр образовательных программ) при поддержке инновационной компании индустрии углеродных наноматериалов — ЗАО «Инновации Ленинградских Институтов и Предприятий» («ИЛИП», Санкт-Петербург).

Степень проработанности темы. В Российской Федерации вопросами исследования и получения углеродных наноматериалов занимаются небольшие научно-образовательные центры, предприятия малого и среднего бизнеса. Среди них НОЦ «Плазма» (Петрозаводск), ЗАО «ИЛИП». Основные результаты исследований сформированы в монографии «Фуллерены. Синтез, методы получения» (автор -Сысун В.И., научный деятель НОЦ «Плазма»). В данной публикации описаны уникальные свойства фуллеренов, результаты экспериментов, характеристика современных способов синтеза фуллеренов. В обзоре «Плазменный синтез фуллеренов» (автор - Чурилов Г.Н., исследователь способов синтеза углеродных структур) приведены экспериментальные данные и сравнение нескольких режимов работы электродугового способа получения фуллеренов, приведено доказательство эффективности данного способа, основанное на его производительности и безопасности для окружающей среды. В трудах Кречмера В., Зуева В.В., Елецкого A.B., Евдокимова A.A. и др. приведено множество результатов исследований зависимостей количественных и качественных характеристик процесса синтеза фуллеренов электродуговым способом от различных факторов, но отсутствует полноценное математическое описание, учитывающее влияние режимных параметров и физико-химических свойств анода на характеристики целевых компонентов. В многочисленных трудах ученых в области электронного обучения и тренажеростроения, таких как Дозорцев В.М., Чистякова Т.Б., Балакирев B.C., приведены типовые структуры тренажерных комплексов и доказана экономическая эффективность автоматизированных систем обучения управлению сложными химико-технологическими объектами.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели и программного комплекса для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов, использование которого позволит повысить квалификацию кадров, что приведет к повышению безопасности и производительности технологического процесса синтеза фуллеренов.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

■ разработка формализованного описания технологического процесса синтеза фуллеренов как объекта управления и изучения;

■ разработка математической модели синтеза фуллеренов для расчета количественных и качественных показателей процесса синтеза фуллеренов (массы фуллереновой сажи и ее компонентного состава) и показателей безопасности и работоспособности технологического оборудования (критического межэлектродного расстояния и температуры стенки реактора);

■ построение функциональной структуры программного комплекса, необходимого для решения задач обучения персонала и включающего базу данных различных конфигураций реакторов фуллереновой сажи, физико-химических свойств электродов, буферных газов и хладагентов, библиотеку математических моделей, интеллектуальную подсистему, интерфейсы пользователей (администратора базы данных, инженера по знаниям, инструктора и обучаемого);

■ разработка, тестирование и апробация программного комплекса тренажера технологического процесса синтеза фуллеренов на базе промышленного предприятия по синтезу углеродных наноматериалов.

способом^ исследования " процессы синтеза фуллеренов электродуговым

Предмет исследования - математическая модель синтеза фуллеренов и программный комплекс тренажера технологического процесса.

Научная новизна.

1 Получена математическая модель синтеза фуллеренов для расчета количественных и качественных показателей процесса, показателей безопасности и работоспособности оборудования, позволяющая осуществлять обучение управлению процессами синтеза фуллеренов с учетом требований к безопасности и работоспособности оборудования, качеству и количеству целевых продуктов [1,5].

2 Предложена структура программного комплекса, включающая информационное и математическое обеспечение, интеллектуальную подсистему, интерфейсы пользователей для управления данными и знаниями, обучения управлению технологическим процессом синтеза фуллеренов в режиме нештатных ситуаций и в режиме оптимального управления [1, 4, 6, 8].

3 Разработана интеллектуальная подсистема для тренажера технологического процесса синтеза фуллеренов электродуговым способом, позволяющая осуществлять обучение управлению в нештатных ситуациях [2, 7].

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы проектирования баз данных, .математического моделирования, оценки адекватности математической модели, численного поиска экстремума целевой функции, объектно-ориентированного программирования.

Практическая ценность результатов заключается в разработанном программном комплексе для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов, позволяющем осуществлять подготовку кадров в области синтеза углеродных наноматериалов с использованием компьютерных технологий обучения и адаптироваться к различным конфигурациям реакторов фуллереновой сажи, геометрическим характеристикам и физико-химическим свойствам электродов! различным видам буферных газов и хладагентов, что определяет гибкость программного комплекса и его применимость для большинства предприятий, реализующих электродуговой способ синтеза фуллеренов.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», а именно: пункту 2 - «Разработка^ исследование и обоснование математических объектов, перечисленных в формуле специальности»; пункту 6 - «Комплексное исследование научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента»; пункту 9 - «Разработка систем имитационного моделирования».

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждена экспериментальными данными, полученными из литературных источников, а также экспериментов, проведенных на предприятии ЗАО «ИЛИП».

Апробация работы основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях молодых ученых СПбГТИ(ТУ) «Неделя науки - 2013», «Неделя науки - 2014», научно-практической школе для молодежи

«Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий» (Санкт-Петербург, 2013), научных конференциях, посвященных 184-й и 185-й годовщинам образования СПбГТИ(ТУ) (2012, 2013), на кафедре систем автоматизированного управления в Рурском университете по программе им. Л. Эйлера DAAD (Германия, 2014).

Положения, выносимые на защиту:

■формализованное описание процесса синтеза фуллеренов электродуговым способом;

■ математическая модель технологического процесса синтеза фуллеренов электродуговым способом;

■ программный комплекс для подготовки производственного персонала управлению процессами синтеза фуллеренов.

Лично автором структурированы сведения о современных способах синтеза фуллеренов, разработано формализованное описание процессов синтеза фуллеренов элекгродуговым способом, разработана функциональная структура программного комплекса для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов, сформировано информационное и математическое обеспечение, разработана структура интеллектуальной подсистемы, произведена программная реализация, тестирование и апробация тренажера для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 7 публикациях, в т.ч. 2 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.

Результаты работы представлены в виде программного комплекса «FuIIerDLS», адаптированного к технологической линии предприятия ЗАО «ИЛИП» и внедренного в опытно-промышленную эксплуатацию, что подтвержается актом о внедрении. Программный комплекс используется в рамках дистанционного научно-образовательного центра СПбГТИ(ТУ) «Программные комплексы для высоких химических технологий».

Структура диссертационной работы включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список и приложение. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 34 таблицы. Библиографический список включает 107 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены основные показатели мировой и Российской промышленности углеродных наноматериалов, современные проблемы индустрии фуллеренов, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов, полученных при решении поставленных задач, приведено краткое содержание работы.

В первой главе представлен анализ способов получения фуллеренов, формализованное описание процессов синтеза фуллеренов электродуговым способом как объекта управления и изучения, сформулированы задачи обучения управлению процессами синтеза фуллеренов, приведено описание современных компьютерных сред для разработки дистанционной системы обучения, выполнен обзор систем для автоматизации решения задач обработки эмпирических данных, приведена характеристика современных систем управления базами данных и знаний, представлен анализ сред разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

В современном мире индустрии углеродных наноматериалов известно три основных способа получения фуллереновой сажи: газофазный, который в зависимости от межэлектродного расстояния разделяют на искровой при межэлектродном расстоянии Ье-+ 0, электродуговой (плазменный) при Ье > 0, лазерное испарение графита и пиролиз углеродсодержащих соединений. Многочисленные исследования, описанные в трудах Кречмера В., Зуева В.В., Чурилова Г.Н., Сысуна В.И. и др., доказали, что наиболее производительным и безопасным является электродуговой способ получения фуллереновой сажи, основанный на сжигании графитовых электродов в среде гелия низкого давления. С электродуговым способом синтеза фуллеренов связана АСР температуры дуги, корректирующая межэлектродное расстояние и поддерживающая горение дуги с заданной температурой.

Технологическая схема синтеза фуллеренов электродуговым способом приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Технологическая схема процесса синтеза фуллереновой сажи электродуговым способом

Принятые на рисунке 1 обозначения: А - анод; К - катод; Le - межэлектродное расстояние, м; Ud - напряжение дуги, В; 1д - сила тока дуги, А; Тд - температура дуги, К; Е - источник ЭДС; Gx- расход хладагента, м3/с; Рх - давление хладагента, Па; Т"-начальная температура хладагента, К; Тх- конечная температура хладагента, К; Тст -температура стенки реактора, К; Н - насос; Не - буферный газ; Ог - расход буферного газа, м /с; Рг - давление буферного газа, Па; С - сажесборник; Ф - фильтр.

В электродуговом способе используются механизмы синтеза фуллеренов, разработанные Кречмером и Хаффманом. В результате термического распыления графитового электрода в электрической дуге, горящей в атмосфере гелия, образуется сажа, содержащая фуллерены, главным образом С60 и С70.

Формализованное описание процесса синтеза фуллеренов представлено в векторном виде:

Y = Ф( X,U, F),

где Y = { Q , В } - вектор критериальных показателей процесса синтеза фуллеренов; Q ~ { Fc„ , тСп } - вектор количественных и качественных показателей целевых продуктов; В = { Lek , Тст , Тх , Рг } - вектор показателей безопасности и работоспособности оборудования; X = {К, S, Р}- вектор входных параметров; К =

К = {Ьр, Ор}- вектор характеристик реактора; Б = {рг, сг, Т" , ра , Яуд, А,» Ьа, Т* , Т™, рх , сх} — вектор характеристик сырья; Р = {Тс, Рс} - вектор характеристик внешней среды; и = {Ье, ид, , б,, г^- вектор управляющих воздействий; Р = {Ес, Лу - вектор неконтролируемых возмущений.

Для формализованного описания использованы следующие обозначения: РСп -содержание фуллерена Сп в фуллереновой саже, %; тс„ - масса чистого фуллерена Сп, кг; Ьек - критическое межэлектродное расстояние, м; Ьр - длина реактора фуллереновой сажи, м; йр - внутренний диаметр реактора, м; рг - плотность буферного газа, кг/м3; сг - удельная теплоемкость буферного газа, Дж/(кг-К); Т"-начальная температура газовоздушной смеси, К; ра - плотность материала анода, кг/м3; Яуд - удельное сопротивление материала анода, Омм; Д, - диаметр анода, м; Ьа - длина анода, м; Т™- температура кипения хладагента, К; рх - плотность хладагента, кг/м3; сг - удельная теплоемкость хладагента, Дж/(кг-К); Тс - температура окружающей среды, К; Рс - атмосферное давление, Па; т - время синтеза фуллереновой сажи, с; Ес — перепады напряжения, В; Ыс - содержание примесей в сырье, %.

Постановка задачи обучения оптимальному управлению: для заданного вектора входных параметров X варьированием управляющих воздействий £/ в регламентных

диапазонах 1е<Ьек, 1/™"<ид<иГ, <, О?" <Ог<С™,

гтл <т< т^ найти такой вектор управляющих воздействий иор1 = {Ье, Щ, , б* ,т),

который обеспечивает максимальное содержание фуллерена Сп в фуллереновой саже при условии выполнения следующих критериальных ограничений: тСп > м3;

Тст ТХ<Т™\ Р?" йРг< Ргтах, где и"'"1, ЦТ- минимальное и максимальное

напряжение дуги, В; С"'", минимальный и максимальный расход хладагента,

м3/с; О"'", минимальный и максимальный расход газовоздушной смеси, м3/с; Ттт > Ттах ~ минимальное и максимальное время непрерывного синтеза фуллереновой сажи, с; т3 - требуемая заказчиком масса фуллерена С„, кг; Т™^ -

максимальная температура стенки реактора, К; Р"'", минимальное и

максимальное давление газовоздушной смеси в реакторе, Па.

Постановка задачи обучения управлению в нештатных ситуациях: для заданного , вектора входных параметров Хна основе описания нештатных ситуаций, связанных с выходом показателей безопасности и работоспособности оборудования В за допустимые пределы, и причин их возникновения, связанных с выходом технологических параметров за регламентные ограничения, определить наиболее вероятную причину возникновения нештатной ситуации и направление изменения управляющих воздействий и для ее устранения.

Выполненный обзор современных обучающих прикладных систем позволил сформировать требования к функциональной структуре программного комплекса и определить виды обеспечений, необходимых для решения задач подготовки кадров. При анализе современных компьютерных сред разработки систем дистанционного обучения установлена оптимальная с точки зрения стоимости, гибкости и простоты сопровождения среда разработки электронной системы обучения - свободная система

управления контентом Joomla. При обзоре сред для автоматизации решения задач регрессионного анализа учитывались особенности и возможности современных сред в результате чего выбор сделан в пользу пакета Oakdale Datafit 9.0. В качестве ядра информационного обеспечения и организации базы данных и знаний выбрана реляционная система управления базами данных MySQL Server по критериям безопасности и скорости обработки данных. При выборе среды разработки пользовательских интерфейсов для управления данными и знаниями и обучения учитывалась необходимость интеграции подсистем в программный комплекс и развитие программного продукта для мультисистемного применения. В итоге выбор сделан в пользу среды разработки Delphi.

Во второй главе приведена функциональная структура программного комплекса с описанием компонентов, в том числе видов обеспечений -информационного, математического, лингвистического, программного. Представлена структура интеллектуальной подсистемы, библиотеки математических моделей, алгоритм оперативной идентификации и локализации нештатных ситуаций, UML-диаграмма прецедентов использования и матрица распределения прав.

Функциональная структура программного комплекса тренажера технологического процесса синтеза фуллеренов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная структура программного комплекса для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов

Принятые при описании функциональной структуры обозначения:

А - коэффициенты модели, D - персональные данные пользователей, Eq -уравнения математической модели, Ех - данные для транзакции, Hs - данные о работе обучаемого, М - прямой доступ к базе данных и её обслуживание, OL - знания об объекте, ТМ - теоретический материал, Т - тесты, TQ - ответы на тесты, Mes сообщение оператору, US - пользовательские настройки интерфейсов, V - табличные и графические данные.

Формализованное описание процессов синтеза фуллеренов элекгродуговым способом является основой для построения системы уравнений, описывающей зависимость количественных и качественных показателей Q от режимных параметров процессов синтеза фуллеренов U, свойств сырья S, геометрических характеристик оборудования К, а также для получения зависимостей для расчета показателей безопасности и работоспособности оборудования В.

Для расчета критериальных показателей Y в зависимости от управляющих воздействий U, характеристик реактора К, свойств сырья S предложена математическая модель: Y = Ф (X, U, А ), где А={ао-.аз, Ьо—Ьб, с^.сз, db d2, е0..е5, Хь.Хз, Р1..Р3, е> аг> а*} - вектор эмпирических коэффициентов модели, где е - степень черноты излучающего тела; аг - коэффициент теплоотдачи от газовоздушной смеси к стенке реактора, Вт/(м2-К); ах - коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к хладагенту, Вт/(м2-К).

При синтезе математической модели проанализированы работы в области углеродных наноматериалов таких ученых, как Зуев В.В., Сысун В.И., Чурилов Г.Н., Кречмер В., Карнацевич В.Л., Чарыков Н.А., Елецкий А.В. и др., а также работы в области построения математических моделей химико-технологических процессов таких ученых, как Холоднов В.А., Колесов Ю.Б., Зарубин B.C., Советов Б.Я. и др.

В реакторе фуллереновой сажи Кречмера протекают массообменные процессы в результате образования фуллереновой сажи из испаряемого электрической дугой графитового анода, теплообменные процессы, заключающиеся в передаче теплоты от горящей дуги к газовоздушной смеси, от газовоздушной смеси к стенке реактора, от стенки реактора к хладагенту.

При разработке математического обеспечения приняты следующие допущения:

■ сопротивление анода не зависит от температуры дуги, т.к. при нагреве анода от 3800 К до 5000 К его сопротивление изменяется незначительно;

■ стержень изготовлен из однородного по физико-химическим параметрам графита, т.к. требования к чистоте графита для производства стержней га = 99,9999%;

■ стержень имеет форму цилиндра с длиной La, т.к. при вытачивании стержней используют сверхточные токарные станки, позволяющие производить детали правильной цилиндрической формы;

■ потери теплоты через внешнюю стенку реактора в окружающую среду не учитываются, т.к. рабочей температурой внешней стенки реактора является температура 290-340 К, а в реакторном зале температура лежит в интервале 300-305 К;

■ тепловые процессы, происходящие в реакторе Кречмера, являются установившимися во времени, т.к. время полного прогрева реактора после розжига дуги, не превышающее 2 мин, пренебрежительно мало по сравнению с временем синтеза фуллереновой сажи г > 4 ч.

Математическая модель синтеза фуллеренов включает следующие уравнения: уравнение для расчета процентного содержания фуллерена в зависимости от температуры дуги и давления газовоздушной смеси:

FCn=b0+tbrTj+b6-ln(Pz), (1)

м

где

Ъ = «о + i а, ■ и J + £ с, • Z1' + Z • ид ■ (я + • Z + Хз • ид), (2)

м ¡=1

(3)

Ка

уравнение для расчета массы фуллерена Сп в зависимости от общей массы

синтезированной сажи и содержания в ней фуллерена Сп:

р

тс„=т(4)

Сп с 100> )

где

тс=ид-т-тгп, (5)

ud = dred^-, (6)

уравнение для расчета критического межэлекгродного расстояния LeK, соответствующего разрыву дуги, в зависимости от диаметра анода и максимальной силы тока 1тах, выдаваемой источником ЭДС:

+ (7)

|=1 /=3 Ua Ua

уравнения теплового баланса, описывающие теплообмен между электрической дугой, газовоздушной смесью и хладагентом и необходимые для расчета температуры стенки реактора Тст и конечной температуры хладагента Тх:

Рг-Ъ-сг-Т;-рг-Сг .сг-Тг+е-<г0-8д-т;-аг -Scm -(Тг-Тст) = 0, (8)

cc1Scm<Ti-Tcm)-ax.Scm-(Tcm-T:,) = 0, (9)

рх ■ Gx ■ сх ■ Т? - рх ■ Gx ■ сх ■ Тх + а, ■ • (Гш - Тх) = 0. (10)

В уравнениях (1)-(10) использованы следующие обозначения: Z=ln(/<)); Ra=fi(Ryd> Da) ~ резистивное сопротивление анода, Ом; тс - масса фуллереновой сажи за время горения дуги, кг; vd - скорость сгорания анода, кг/с; тг„=/2(гпа) - масса газообразных примесей, кг; ma=f3(La, Da, ра) - масса анода, кг; J=ln(Imax); с0 _ постоянная Стефана - Больцмана, Вт/(м2-К4); Sd — площадь поверхности излучающего тела, м2; Scm - площадь теплопередающей поверхности стенки реактора, м2; Тг -конечная температура газовоздушной смеси, К.

Уравнение (1) получено путем обработки результатов экспериментов, заключающихся в синтезе фуллереновой сажи при варьировании температуры дуги (в пределах 1500-6000 К), давления газовоздушной смеси в пределах (13-20)-103 Па и последующем хроматографическом анализе сажи. Давление газовоздушной смеси определяется в зависимости от ее расхода: Рг=/4((5г).

С использованием промышленного пирометра, измеряющего температуру наиболее светлой части горящей дуги в области формирования углеродных кластеров в фуллерены, и варьированием напряжения Ud на электродах и силы тока дуги 1д получены экспериментальные данные, обработка которых позволила построить

уравнение (2). При разрыве дуги (1д = 0) сажа не синтезируется, поэтому температура дуги по уравнению (2) не вычисляется.

Уравнения (1)-(10) описывают процессы, протекающие в реакторе Кречмера, и определяют зависимость критериальных показателей процессов синтеза фуллеренов 7 от характеристик оборудования К, сырья 5 и управляющих воздействий II.

Оценка адекватности математической модели выполнена для исходных данных, приведенных в таблице 1.

Результаты статистической обработки экспериментальных данных, подтверждающие адекватность математической модели реальному объекту, приведены в таблице 2. Результаты расчета характеристик процесса по математической модели представлены в таблице 3.

Таблица 1 - Исходные данные для проверки адекватности математической модели

Оборудование Электроды Буферный газ Хладагент

Реактор фуллереновой сажи: 1р=0,6 м; £,=0,47 м; Источник ЭДС: /„^=350-600 А. Материал: графит ра=2200 кг/м3; га=99,9999%; Д^=8,5-10"3 Ом'м; ¿„=0,34 м; Д,=0,02 м. Гелий: рг=2Ш кг/м3; сг=5200 Дж/(кг-К). Вода: ¿>/=1000 кг/м3; с,=4200 Дж/(кг'К).

Постоянные условия внешней среды и расход хладагента: 7^=295 К, Рс= 102-Ю3 Па, йх-=8,8-Ю"4 м3/с

Таблица 2 - Результаты статистической обработки экспериментальных данных

Параметр Условия эксперимента Результаты статистической обработки

ч НГм о¥ 10 м /»»> А ид, В 4, А п К 103 Па ?2 с2 ост Р"расч р0,95 табл СКО, %

Ть 4,38,5 2,1 400 1230 3090 - 120 497,37 18,36 27,09 19,41 4,8

ек 6,3 1,82,4 350600 22 30110 05000 120 26,34 3,56 7,40 3,78 1,4

РС60 4,210,5 2,1 400 22 3090 25005500 100500 30,13 5,37 5,61 3,07 0,5

Тст 4,210,5 2,1 400 22 3090 25005500 120 26,14 4,29 6,10 2,44 5,1

Таблица 3 - Результаты расчета характеристик процесса по математической модели___

Зависимость температуры дуги от вольт-амперной характеристики

Зависимость критического межэлектродного расстояния от диаметра анода и максимальной генерируемой силы тока

и*, Ю-2

Оа,Ю-2и

Продолжение таблицы 3

Зависимость выхода фуллерена Сбо от давления газовоздушной смеси и температуры дуги

Зависимость температуры стенки реактора от температуры дуги

700т Топ, К

Зависимость выхода фуллерена Сбо от температуры дуги

Зависимость выхода фуллерена Сбо от давления газовоздушной смеси

•Л Па

• •*Рст{Рг)жсп, Па ~ рсб0(рг)расч> Па

2хЮ3 4хЮ3 6х103 8х103

Па

~рС60(Рг)расч> Па

Графики иллюстрируют данные экспериментов и соответствующие им полученные по математической модели зависимости. На температуру душ оказывает влияние вольт-амперная характеристика. При увеличении напряжения дуги Ud возрастает ее температура. Сильное воздействие на температуру дуги оказывает изменение силы тока дуги 1д. В процессах синтеза фуллеренов 1д - наиболее нестабильная характеристика. Увеличение диапазона варьирования межэлектродного расстояния Le возможно при большем диаметре анода и большей максимальной силе тока 1тах источника ЭДС, т.к. возрастает критическое межэлектродное расстояние Lek. При снижении давления газовоздушной смеси Рг создается благоприятная среда для образования фуллеренов, но снижение давления увеличивает риск разгерметизации реактора. В зависимости выхода фуллерена Сво от температуры дуги наблюдается максимум выхода FC6o> соответствующий температуре дуги , но при слишком высокой температуре дуги процентный выход фуллерена ассимптотически снижается, что означает появление в саже большего содержания примесей. При увеличении

температуры дуги образуется больше теплоты, передающейся газовоздушной смеси, стенке реактора и хладагенту, поэтому при управлении реактором следует устанавливать температуру дуги, при которой будут выполняться требования к безопасности и работоспособности оборудования В.

Подтверждение адекватности математической модели свидетельствует о ее достаточной для задач обучения управлению точности и возможности использования в рамках программно-алгоритмического тренажерного комплекса для процессов синтеза фуллеренов.

Структура библиотеки математических моделей позволяет интегрировать данные о различных описаниях процессов синтеза фуллеренов электродуговым способом. Таким образом, использование библиотеки математических моделей позволяет адаптировать процесс обучения под различные геометрические характеристики оборудования К, геометрические характеристики анода, физико-химические свойства хладагента и буферного газа 5, достигается гибкость и универсальность математического ядра для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов.

Задача обучения управлению процессами синтеза фуллеренов требует включения в структуру программного комплекса гибридной интеллектуальной подсистемы. Термин «гибридная» означает использование подсистемой различных моделей:

« информационных - для описания технологической линии производства фуллеренов;

• математических - для описания связей входных параметров, управляющих воздействий и выходных параметров процессов синтеза фуллеренов;

" моделей представления знаний - для описания на псевдо естественном языке условий управления процессами синтеза фуллеренов, а также экспертные знания, необходимые для управления.

Все из вышеперечисленных моделей являются структурно-лингвистическими.

Фрейм-пример устранимой нештатной ситуации приведен в таблице 4.

Таблица 4 - Фрейм-пример устранимой нештатной ситуации

Реакггор Целевой продукт Параметр Нижнее предава-рийное значение Минимальное значение Оптимальное значение Максимальное значение Верхнее предава-рийное значение Интервал опроса при нормальных условиях Интервал опроса при аварии Текущее значение

РФС-01 Сбо Рг pminpv ,г р°Р' гг max Гг maxpv "г . п Alp Д tp *

с2 Описание Разъяснение

Высокое давление газовоздушной смеси в реакторе Текущее давление Рг = ?сг Па вне регламентного диапазона [ Р™1" - р™0* ] для производства фуллерена С^

Описание Информ-е описание Разъяснение Р Рекомендации

п, Переход реактора в стационарный режим работы после нагрева При нагревании реактора давление внутри него возрастает Pi Уменьшить давление в реакторе до Р°р' Па откачкой газовоздушной смеси

пг Неисправность клапана вакуумирования -> Up dt Клапан вакуумирования негерметичен Р, Остановить реактор перекрытием рабочего газа и напряжения

Рг Заменить клапан вакуумирования

Опытно-промышленная эксплуатация клиентской части программного комплекса проведена на предприятии ЗАО «ИЛИП» при сформированной серверной части на базе СПбГТИ(ТУ) с использованием данных технологической линии предприятия, описанных в таблице 1.

В таблице 5 представлены характеристики разработанного программного комплекса.

Таблица 5 - Характеристики программного комплекса тренажера технологического процесса синтеза фуллеренов электродуговым способом__

Информационное обеспечение Система управления базами данных - MySQL Server; тип используемых таблиц: innoDB; число таблиц базы данных: 41; нормальная форма: третья; используемые переносимые типы данных: counter, integer, char(x), varchar(x), text, double(x,x); объём базы данных на 09.10.2014: 407 Кб; число записей в базе данных о процессах синтеза фуллеренах: 211; среднее время обработки запросов типа INSERT / UPDATE: 13 мс.

Программное обеспечение Среда разработки: CMS Joomla, Borland Delphi; язык программирования: php, object Pascal; число интерфейсов: 4; число модулей: 17; число классов: 112; число структур данных: 14; число входных переменных: 74; число выходных переменных: 38; среднее время расчета по математической модели на ЭВМ с минимальными техническими характеристиками: 11 мс; максимальный занимаемый объем ОЗУ: 52 Мб, занимаемый объем дискового пространства: 13 Мб.

Используемые средства информационной безопасности Алгоритм шифрования данных RSA х32, алгоритм хеширования MD5, программная и аппаратная защита пользовательских интерфейсов от несанкционированного доступа.

Минимальные технические и системные требования к автоматизированному рабочему месту обучаемого CPU Intel Atom, 1.5 ГГц, 2 ядра, 1 поток на ядро, разрядность: 64 бит; 1024 Мб ОЗУ, 512 Мб видеопамять, монитор: 1024x768x32; сетевой интерфейс: 100 Base-T Ethernet; периферийные устройства: IBM-совместимая клавиатура, манипулятор «мышь». Операционная система Microsoft Windows не ранее 5.1, Microsoft Office не ранее 2003, веб-браузер, Adobe Flash Player Plugin.

В третьей главе представлен процесс тестирования и апробации программного комплекса на примере данных технологической линии синтеза фуллеренов (таблица 1).

Оператор получает в задании на управление технологическим процессом значения режимных переменных и, требования к безопасности и работоспособности оборудования В, требования к качеству и количеству целевого продукта д. Инструктор формирует сценарий обучения, настраивая генератор нештатных ситуаций таким образом, чтобы предоставить возможность обучаемому столкнуться с типовыми нештатными ситуациями в режиме обучения при нештатных ситуациях (рисунок 3), моделируя неконтролируемые возмущения К Действия оператора по выводу моделируемого процесса в рабочий режим протоколируются.

Рисунок 3 - Возникновение устранимых нештатных ситуаций на моделируемом процессе в режиме обучения управлению при нештатных ситуациях

В режиме обучения оптимальному управлению оператор управляет воздействиями, обеспечивающими решение задачи оптимизации, описанной в главе 1. Система решает задачу поиска максимального процентного содержания фуллерена

в саже при выполнении ограничений I рода: £„ < Ь„

< вх < , <ог<а^,

Т . гркип

■*■ V V 1

и?"<ид<иг,

7min ^<Гтах

ртах *ст >

ртт < р < ртах

рода:

и II рода: тСп > т„ Тст<Т"„

В отчете об обучении оптимальному управлению фиксируется результат работы метода оптимизации и результат поиска обучаемым максимального процентного содержания целевого продукта.

Преподаватель, анализируя протокол обучения, делает вывод о соответствующем уровне компетенции обучаемого и его способности к безопасному и оптимальному управлению процессом синтеза фуллеренов.

Четвертая глава описывает результаты нагрузочного тестирования и апробации программного комплекса с целью выявления конфликтов с системным программным обеспечением, ошибок при функционировании, несоответствий требованиям эргономики и выявления минимальных аппаратных и программных требований автоматизированного рабочего места обучаемого для работы с программно-алгоритмическим комплексом. Исходными для тестирования являются данные, представленные в таблице 1.

При нагрузочном тестировании программного комплекса и исследовании характеристик потоков данных при различных факторах - количестве обучаемых, характеристиках сети и оборудования - установлены зависимости сетевого трафика от числа одновременно обучаемых в различных режимах обучения, среднего времени обработки SQL-запросов от режима обучения и числа одновременно обучаемых, загрузки веб-сервера и сервера базы данных от числа одновременно обучаемых в различных режимах обучения.

В результате тестирования доказана полная совместимость программного комплекса с операционными системами семейства Windows версий не ранее 5.1, ошибок при функционировании программного комплекса не обнаружено.

несоответствия требованиям эргономики не выявлены, сформированы минимальные для работы программного комплекса требования к аппаратному и программному обеспечению автоматизированного рабочего места обучаемого.

ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертационной работы:

1) на основании анализа рынка индустрии углеродных наноматериалов и тренажерных комплексов сформулированы требования к разрабатываемому программному комплексу для решения задач подготовки кадров в области синтеза углеродных наноматериалов;

2) выполнен обзор процессов синтеза фуллеренов и их сравнительная характеристика для выбора наиболее производительного и безопасного для окружающей среды способа синтеза фуллеренов, реализации его математической модели и тренажера;

3) разработано формализованное описание процесса синтеза фуллеренов элекгродуговым способом;

4) выполнен обзор современных средств разработки дистанционной системы обучения и тестирования, средств автоматизации регрессионного анализа данных, исследованы современные системы управления базами данных и среды для разработки прикладного проблемно-ориентированного программного комплекса с целью определения основных программных сред для разработки программного комплекса тренажера электродугового способа синтеза фуллеренов;

5) предложена функциональная структура программного комплекса, включающая информационное, математическое, программное обеспечение, гибридную интеллектуальную подсистему, библиотеку математических моделей для решения задач подготовки кадров по управлению процессом синтеза фуллеренов;

6) разработана математическая модель процесса синтеза фуллеренов элекгродуговым способом, отличающаяся полнотой описания и отражающая зависимость критериальных показателей У, как от управляющих воздействий и, так и от характеристик сырья 5 и геометрических характеристик оборудования К;

7) адекватность математической модели процесса синтеза фуллеренов подтверждена с использованием критерия Фишера и среднеквадратического отклонения;

8) выполнена программная реализация тренажерного комплекса, являющегося гибким инструментом для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов при различных геометрических характеристиках оборудования К, различных характеристиках анодов, буферного газа и хладагента 5 с учетом параметров внешней среды Р и неконтролируемых возмущений Р;

9) тестирование программного комплекса на примере данных производственной линии ЗАО «ИЛИП» подтвердило его работоспособность для технологических линий синтеза фуллеренов элекгродуговым способом и возможность внедрения на аналогичные предприятия по синтезу углеродных наноматериалов (ОАО «НеоТекПродакг» (Петродворец)), а также в учебный процесс химико-технологических ВУЗов для подготовки специалистов по исследованию и управлению процессами синтеза углеродных наноматериалов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых научных журналах перечня ВАК

1 Петров, Д. Н. Программно-алгоритмический комплекс для обучения управлению процессами синтеза фуллереновой сажи / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков // Известия МГТУ «МАМИ». - 2013. - №3, т. 2. - С. 138-146.

2 Петров, Д. Н. Гибридная интеллектуальная подсистема для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова // Вестник АГТУ. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика». -2014.-№3,-С. 30-39.

Заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ

3 Программно-алгоритмический комплекс для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов («РиНегБЬЗ»): заявка 2014612816 Рос. Федерация / Петров Д. Н., Чистякова Т. Б., Чарыков Н. А.; заявитель С.-Петерб. гос. технол. ин-т (техн. ун-т). -Заявл. 15.10.14.

В сборниках тезисов научных конференций

4 Петров, Д. Н. Программный комплекс для дистанционного обучения управлению процессами синтеза фуллереновой сажи / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков // Материалы науч.-практ. конф., посвящ. 184-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ). - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2012. - С. 152-153.

5 Петров, Д. Н. Автоматизированное управление температурой дуги в электродуговом способе синтеза фуллеренов с использованием компьютерных средств / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков // Материалы IV научно-техн. конф. молодых ученых «Неделя науки-2013», 2-4 апреля 2013 г. - СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2013. - С. 157.

6 Петров, Д. Н. Программно-алгоритмический комплекс для обучения управлению процессами синтеза фуллереновой сажи / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков // Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий : сборник трудов научно-практ. школы для молодежи, 13-15 мая 2013 г. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - С. 45-50.

7 Петров, Д. Н. Интеллектуальная подсистема для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков // Материалы науч.-практ. конф., посвящ. 185-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ). -СПб.: Изд-во СПбГТЩТУ), 2013. - С. 289-290.

8 Петров, Д. Н. Программно-алгоритмический тренажерный комплекс для обучения управлению процессами синтеза фуллеренов / Д. Н. Петров, Т. Б. Чистякова, Н. А. Чарыков И Материалы IV научно-техн. конф. молодых ученых «Неделя науки-2014», 31 марта-1 апреля 2014 г. - СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2014. -С. 254.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'Лб Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Зак. № 176.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ (ТУ), тел. 49-49-365