автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Проблемно-ориентированные CALS-системы для автоматизированной разработки химико-технологических производств веществ особой чистоты

На правах рукописи

СТЕПАНОВА Татьяна Игоревна

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ САЬв-СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ВЕЩЕСТВ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология, нефтехимия и биотехнология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005540172

005540172

Работа выполнена в Учебно-научном центре «CALS-химия» Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА») и Отделе системного анализа и информационных технологий Научного центра «Малотоннажная химия» (НЦ «MTX»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бессарабов

Аркадий Маркович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Меньшиков

Владимир Викторович (РХТУ им. Д.И. Менделеева, заведующий кафедрой)

доктор технических наук, профессор Софиев

Александр Эльхананович (ФГБОУ ВПО «МАМИ» заведующий кафедрой)

Ведущая организация: Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Защита состоится « декабря 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.034.01 при ФГУП «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (107076, г. Москва, ул. Богородский вал, д. 3, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ИРЕА».

Автореферат разослан "7-и" ноября 2013 г. Автореферат диссертации размещен на сайте www.irea.org.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.034.01, кандидат технических наук

Жданович O.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на безбумажную электронную технологию разработки и изготовления изделий. Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). Применение CALS-технологий в химической промышленности впервые было предложено во ФГУП «ИРЕА», а затем продолжено в Научном центре «Малотоннажная химия». За последние 15 лет был разработан широкий ассортимент пилотных CALS-проектов для различных областей науки и техники. Однако все работы проводились в программных комплексах PSS Lite или PSS Demo, предназначенных для работы с небольшими объемами данных при тестировании системы. Для разработки промышленных CALS-систем, особенно в такой сложной и наукоемкой отрасли, как промышленность химических реактивов и особо чистых веществ, необходимо использовать трехуровневую информационную систему PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE).

Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке государственных контрактов Минобрнауки России и Минпромторга России.

Степень разработанности темы исследования рассматривается по трем направлениям: особо чистые вещества; проблемно-ориентированные системы автоматизированной разработки химико-технологических производств; CALS-технологии.

Основные теоретические и практические вопросы химии и технологии «особо чистых веществ» рассмотрены в трудах следующих отечественных ученых: Аллахвердова Г.Р., Блюма Г.З., Бромберга A.B., Голуба А.Е., Грибова Б.Г., Гринберга Е.Е., Девятых Г.Г., Ефремова A.A., Иванова М.Я., Рябенко Е.А., Сокола В.А., Факеева A.A., Федорова В.А., Чурбанова М.Ф., Шалумова Б.З. и др.

Создание проблемно-ориентированных систем автоматизированной разработки химико-технологических производств связано с именами следующих советских и российских ученых: Авсеева В.В., Айзина С.М., Белькова В.П., Гарт-мана Т.Н., Глебова М.Б., Гордеева JI.C., Дорохова И.Н., Егорова А.Ф., Кафарова В.В., Кольцовой Э.М., Корнюшко В.Ф., Макарова В.В., Меньшикова В.В., Меньшутиной Н.В., Мешалкина В.П., Перова B.JL, Савицкой Т.В., Софиева А.Э., Фалина В.А. и др.

Разработка и внедрение информационных CALS-технологий в России проводится практически только в оборонной промышленности и отражено в публикациях Барабанова В.В., Давыдова А.Н., Дмитрова В.И., Кабанова А.Г., Овсянникова М.В., Судова Е.В., Шильникова П.С. и др. В химической промышленности работы по CALS-технологиям связаны с именами следующих сотрудников ФГУП «ИРЕА» и НЦ «MTX»: Афанасьева А.Н., Бессарабова A.M., Глушко А.Н., Демьянюка А.Ю., Жданович O.A., Заколодиной Т.В., Квасюка A.B., Кочетыгова A.JL, Полякова A.B., Пономаренко А.Н.

Цель работы.

Разработка на основе программного комплекса PSS-EE проблемно-ориентированных CALS-систем автоматизированного синтеза нормативно-технической документации для химико-технологических производств веществ особой чистоты. При выполнении работы решаются следующие задачи:

1. Разработка архитектуры, алгоритмического и программного обеспечения трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «особо чистые вещества».

2. Разработка баз данных нормативно-технической документации для автоматизированного составления «технологических регламентов» в предметной области «особо чистые вещества».

3. Создание типовых словарей и справочников для автоматизированной разработки нормативно-технической документации на перспективный ассортимент химических реактивов и особо чистых веществ (четыреххлористый углерод, алифатические углеводороды, неорганические кислоты и др.).

4. Реализация разработанного автоматизированного комплекса для смежных предметных областей: теплозащитные материалы, наноматериалы, ионные жидкости и продукты утилизации отходов фосфорной промышленности.

Научная новизна.

Разработана архитектура CALS-системы PSS-EE, состоящей из сервера СУБД (Oracle Server 10g), сервера приложений (Oracle Client 10g & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS) для предметной области «особо чистые вещества». Предложены индексация и структуры информационных таблиц по рассматриваемым направлениям.

Созданы типовые структуры информационных баз данных для основных видов нормативно-технической документации (технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование). Для технологических регламентов проведен системный анализ баз данных на 6 уровнях иерархии: классы, вещества, продукты, документы, разделы, подразделы.

В протоколе применения «технологические регламенты» разработана структура базы данных для технологии получения четыреххлористого углерода особой чистоты, а для технологий алифатических углеводородов и неорганических кислот созданы типовые структуры словарей и справочников по элементам оборудования, свойствам продуктов, конструкционным материалам и др.

Разработанная архитектура комплекса PSS-EE заложена в основу структуры баз данных по показателям качества теплозащитных материалов, отходов фосфорной промышленности, а также в структуры модульных технологических схем получения ионных жидкостей и плазменно-криогенного синтеза нанома-териалов.

Теоретическая значимость.

Результаты работы являются составным элементом дальнейшего развития теории и практики применения концепции CALS в наиболее перспективных секторах науки и техники.

Заложенные в ходе разработки информационной системы методологические

основы позволят создать проблемно-ориентированные CALS-системы для других отраслей химической промышленности (лакокрасочная, полимерная и др.).

Предложенные в работе теоретические обобщения дают возможность более оперативно разрабатывать техническую документацию и исключить влияние «человеческого фактора».

Теоретические подходы систематизации и автоматизации разработки производств особо чистых веществ могут быть использованы при обучении студентов в области кибернетики химико-технологических процессов, информационных технологий, автоматизированного проектирования и др.

Практическая значимость.

Разработано программное обеспечение трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «особо чистые вещества».

На основе международных классификаторов и информации о выпускаемой продукции заполнены базы данных, созданы словари характеристик и справочники для основных видов нормативно-технической документации.

Для предметной области «особо чистые вещества» разработан пилотный CALS-проект технологического регламента на производство четыреххлористо-го углерода особой чистоты. Заполнены базы данных, словари и справочники для классов веществ «алифатические углеводороды» и «неорганические кислоты» (по диссертационной работе аспиранта Казакова A.A.).

На основе созданного программного комплекса разработаны CALS-проекты: компьютерного менеджмента качества теплозащитных материалов, экологического менеджмента отходов фосфорной промышленности; универсальных установок получения ионных жидкостей и наноматериалов.

Программные модули CALS-систем вошли в отчетную документацию по Государственным контрактам Минобрнауки России и Минпромторга России.

Методология и методы исследования.

В работе использованы методология системного, структурного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе CALS -технологий.

Положения выносимые на защиту.

Разработанный трехуровневый программный комплекс PSS-EE для предметной области «особо чистые вещества».

Разработанные базы данных нормативно-технической документации (технологические регламенты, технические условия, исходные данные на проектирование) для рассматриваемой предметной области в СУБД Oracle.

Разработанная методология организации информации по технологии производства особо чистых веществ в программном комплексе PSS-EE на примере четыреххлористого углерода различных квалификаций и ассортиментов алифатических углеводородов и неорганических кислот.

Разработанные словари характеристик и единиц измерения, объектно-понятийные и понятийные справочники, как структурные элементы PSS-EE

применительно к предметной области «особо чистые вещества».

Разработанные практические приложения PSS-EE в смежных предметных областях (наноматериалы, теплозащитные покрытия, ионные жидкости, отходы фосфорной промышленности).

Личный вклад автора.

Проведены системные исследования с целью дальнейшей разработки и внедрения CALS-комплекса PSS-EE. Разработана структура, алгоритмическое и программное обеспечение CALS-систем в промышленности химических реактивов и особо чистых веществ. Созданы компьютерные протоколы применения по основным видам нормативно-технической документации на примере новых технологий получения четыреххлористого углерода, алифатических углеводородов и неорганических кислот. Проведены работы по созданию пилотных CALS-проектов в смежных предметных областях (теплозащитные материалы, ионные жидкости; наноматериалы и фосфорсодержащие отходы).

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системы компьютерной поддержки (CALS-технология), методов системного и структурного анализа, а также практической реализацией результатов работы.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах «Chemical Engineering Transactions», «Chemical and Petroleum Engineering», «Химическая промышленность сегодня», «Химическое и нефтегазовое машиностроение», «Ремонт, восстановление, модернизация», «Вестник Казанского технологического университета», «Наукоемкие технологии», «Энциклопедия инженера-химика», «Все материалы. Энциклопедический справочник», сборниках научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 5th International Conference on Safety & Environment in Process Industry, CISAP-5 (Milan, Italy, 2012); 15 th, 16 th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, PRES'2012, PRES'2013 (Prague, Czech Republic, 2012; Rhodes, Greece, 2013); 9th European Congress of Chemical Engineering, ECCE-9 (Hague, Netherlands, 2013); I Ith International Conference on Chemical & Process Engineering, ICheaP-11 (Milan, Italy, 2013); XXV и XXVI Международные научно-технические конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011; РЕАКТИВ-

2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012); XXVI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-26), (Н.Новгород,

2013); VIII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012» (Москва, 2012); XII Международная научная конференция «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2012); 2-й Симпозиум «Новые высокочистые материалы» (Н.-Новгород, 2013).

Публикация результатов исследования.

По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, из них 17 статей (13 в журналах, рекомендуемых ВАК), 7 тезисов докладов на международных конференциях. Общий объем опубликованных работ — 8,5 печатных листа.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (135 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 142 страницах, включая 36 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Впервые в данной работе создание проблемно-ориентированных CALS-систем для химической промышленности проводится на основе современного трехуровневого программного комплекса PSS-EE.

Глава 1. Разработка на основе PSS-EE проблемно-ориентированной CALS-системы для предметной области «особо чистые вещества»

Международный стандарт ISO 10303 STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) регламентирует логическую структуру базы данных (БД), номенклатуру информационных объектов, их связи и атрибуты. Типовые информационные объекты (технологический регламент, технические условия и др.), независимые от характера описания изделия, называются в стандарте «интегрированными ресурсами», на основе которых в данной работе построена схема баз данных об изделии для конкретной предметной области — особо чистые вещества.

Однако стоит отметить, что до настоящего времени работы проводились в программных комплексах PSS Lite или PSS Demo. Lite-версия — это полноценный клиент PSS и собственный сервер БД (Lite сервер), работающий с собственной встроенной СУБД. Конфигурация PSS Lite имеет двухуровневую архитектуру «Клиент-сервер». В качестве сервера выступает модуль Локальный сервер БД, входящий в дистрибутив клиентского модуля PSS. Любой компьютер, на котором установлен клиент PSS, может выступать в роли Lite-сервера БД. Данная конфигурация предназначена для работы с небольшими объемами данных при тестировании системы, отработке процедур работы с PSS, отладке приложений, написанных на PSS API.

Построение CALS-проектов в данной работе впервые предлагается на основе программы PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE), на которую нами приобретена лицензия (APL-3451631-01). PDM STEP Suite представляет собой трехуровневую информационную систему, состоящую из сервера СУБД (Oracle Server 10g), сервера приложений (Oracle Client 10g & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS). Клиентский модуль обеспечивает диалоговое взаимодействие с БД через сервер приложений. Трехуровневая архитектура обеспечивает эффективное распределение вычислительной нагрузки при одновременной работе большого числа пользователей.

Функциональность программного комплекса PSS-EE разделена на несколько уровней. Первый уровень - это извлечение, преобразование и загрузка дан-

ных. С системно-технической точки зрения данный уровень представлен локальной вычислительной сетью, объединяющей пользователей и поставщиков данных. Клиентская часть системы PSS осуществляет первичное структурирование информации, которая является рабочей для повседневной деятельности различных подразделений. Перед загрузкой в хранилище вся эта информация должна быть согласована, чтобы обеспечить целостность и непротиворечивость аналитических данных. Дальнейшая обработка данных происходит на серверах реляционной (SQL - ориентированной) базы данных Oracle, которая функционирует на базе компьютеров под управлением Windows либо UNIX.

СУБД Oracle также является ядром хранилища данных PSS и представляет второй уровень системы. Третий уровень - это уровень анализа данных, связанных с рассматриваемой предметной областью «особо чистые вещества» (рис. 1).

Система автоматизированного проектирования (САР/САМ/САРР)

Система интегрированной логистической поддержки (ИЛП)

Сервер БД ORACLE

Физический уровень

Файлы восстановления Пое-файлы) |

Файлы данных

Управляющие файлы

Логический уровень "1

Табличное пространство (PSS-EE)

Т

Табличное пространство (ORACLE)

С

Таблицы

"Г

D С

Представления

D С

Индексы

Таблица Таблица Таблица Таблица 1 класса 1 ID

«Классы» «Вещества» «Продукты» «Квалификаций» вещества

Рис. 1. Архитектура системы «сервер (Oracle Server 10g) - клиентский модуль (PSS)» для предметной области «особо чистые вещества»

В СУБД Oracle введенные данные представлены в виде таблиц «своего» табличного пространства. Каждое поле таблицы рассматриваемого табличного пространства имеет уникальное имя и ID-код, благодаря которым система безошибочно отображает сведения, запрашиваемые пользователем. Обращение к конкретному документу, хранящемуся в БД, происходит через серию SQL-запросов.

Для предметной области «особо чистые вещества» предложена структура базы данных (рис. 2), включающая следующие таблицы: «Классы», «Вещества», «Продукты» и «Квалификации». В систему занесена информация о производимых химических веществах различных квалификаций. В окне программы PSS вся информация представлена пользователю в виде раскрывающегося дерева папок, обеспечивая точность и инвариантность перехода от соответст-

вующего класса к веществу и т.д.

Систематизация веществ по классам осуществлялась в соответствии с Межгосударственным классификатором стандартов. На верхнем уровне систематизации выделены 2 класса химических соединений: «Неорганические химические вещества 71.060» (ID класса = 01) и «Органические химические вещества 71.080» (ID класса = 02). В классе «Неорганические вещества» выделено 5 групп: химические элементы (ID вещества = 01), оксиды (ID вещества = 02), кислоты (ID вещества = 03), основания (ID вещества = 04) и соли (ID вещества = 05).

На следующих уровнях иерархии для всех исследуемых веществ выделены конкретные продукты (азотная, борная, серная и другие для рассматриваемого подкласса «Кислоты») и категории чистоты - квалификации продуктов: технический «тех» (ID квалификации = 1), чистый «ч» (ID квалификации = 2), чистый для анализа «чда» (ID квалификации = 3), химически чистый «хч» (ID ква-

Рис. 2. Структура БД в предметной области «особо чистые вещества»

Созданная на базе PSS-EE и Oracle прикладная система позволяет оперативно решать задачи, представляющие первостепенный интерес. Одной из важнейших задач в рассматриваемой предметной области является автоматизированная разработка современной нормативно-технической документации.

Глава 2. Автоматизированная разработка нормативно-технической документации в технологии химических реактивов и особо чистых веществ

В разработанной БД заложены основные типы нормативно-технической документации (НТД) для производства химических реактивов и особо чистых веществ: технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование. Наибольшее внимание в работе уделено технологическим регламентам, в основе информационной структуры которых лежит «Положение о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса». Это «Положение» устанавливает состав, порядок разработки, оформления и утверждения технологических регламентов производства продукции химического комплекса на предприятиях независимо от их организационно-правовой формы собственности.

Для постоянных, временных и разовых технологических регламентов в базу данных (рис. 3) занесены следующие 14 основных разделов: общая характери-

стика производств; характеристика производимой продукции; характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов; описание технологического процесса и схемы; материальный баланс; нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов; нормы образования отходов производства; контроль производства и управление технологическим процессом; возможные неполадки в работе и способы их ликвидации; охрана окружающей среды; безопасная эксплуатация производства; перечень обязательных инструкций; чертеж технологической схемы производства; спецификация основного технологического оборудования и технические устройства, включая оборудование природоохранного назначения. Каждому разделу регламента поставлен в соответствие свой уникальный ГО-код таблицы «Разделы регламента».

Каждый из 14 разделов регламента включает иерархическую структуру подразделов 2-го, 3-го и т.д. уровня. Например, категория «характеристика производимой продукции» (ТР-2) включает следующие 5 подкатегорий 2-го уровня: техническое наименование продукта в соответствии с НТД; наименование государственного или отраслевого стандарта, технических условий, стандарта предприятия, в соответствии с требованиями которых выпускается продукция, с перечислением технических требований; основные свойства и качество выпускаемой продукции, физико-химические свойства и константы: внешний вид, плотность, растворимость, температуры застывания или плавления, кипения, упругость паров, вязкость, электропроводность, диэлектрическая постоянная и другие показатели; область применения (основная); сведения о регистрации информационных карт потенциально опасных химических и биологических веществ (карт ПОХВ); сведения о регистрации паспортов безопасности (ПБ) веществ (материалов). __

ID класса Наименование класса

01 Неорганические химические вещества: 71.060

02 Органические химические вещества: 71.080

г

ID продукта Шдок-та Наименование док-та

0028 01 Технические условия

0028 02 Технологический регламент

0028 03 Лабораторный регламент

0028 04 ИДП

ID класса ID вещества Наименование вещества

02 01 Алифатические углеводороды 71.080,10

02 02 Ароматические углеводороды 71.080.15

02 03 Галотензаметценные углеводороды 71.080.20

02

02 10 Фенолы 71.080.90

ID ЛОК-Т.1 Ю раздела Наименование раздела

02 01 Общая характеристика производств

02 02 Характеристика производимой продукции

02 03 Характеристика исходного сырья и материалов

02

02 13 Чертеж технологической схемы производства

02 14 Спецификация основного оборудования

1D продукта

0001

Наименование продукта

1.2-Дихлорэтан «хч»

ЧХУ "ос.ч 18-4"

ЧХУ "ос.ч ОП-3"

ID раздела Ш подраздела Наименование подраздела

02 01 Техническое наименование продукта

02 02 Наименование ГОСТ, ОСТ, ТУ, СТП

02 03 Основные свойства и качество продукции

02 04 Сведения о регистрации инф. карт ПОХВ

02 05 Сведения о регистрации ПБ веществ

Рис. 3. Структура базы данных «Технологический регламент»

Пользователь программы Р8Б может получить всю необходимую информацию по любому подразделу регламента, занесенную в БД. Выбрав класс (например, органические химические вещества - ГО = 02) и необходимое наименование

вещества, - например, галогензамещенные углеводороды (ГО = 04), а также требуемый продукт - например, ЧХУ квалификации «ос.ч ОП-3» (ГО = 0028), - и вид нормативно-технической документации - технологический регламент (ГО = 02), - в окне программы Р88 отображается перечень подразделов регламента в виде раскрывающегося дерева папок, вложенными файлами в которых могут являться тексты нормативно-технической документации (ГОСТ, ОСТ, СТП, ТУ), таблицы свойств и характеристик и др. (рис. 4). В папке может располагаться несколько вложенных документов различного формата: чертежи, рисунки, текстовые документы и таблицы. При необходимости вложенные файлы могут быть открыты в отдельном окне соответствующей программы.

Каждый из подразделов регламента содержит связанные документы и характеристики, отображающие технологию производства. Так подраздел №02.2 «Наименование ГОСТ, ОСТ, ТУ, СТП...» содержит файл технических условий на рассматриваемый продукт - ЧХУ «ос.ч ОП-3» (рис. 4-а).

В системе собрана информация по 9 различным квалификациям четырех-хлористого углерода. В рассматриваемой папке «Особой чистоты» представлены два наименования ЧХУ: «ос.ч 18-4» и «ос. ч ОП-3». ЧХУ марки «ос.ч 18-4» предназначен для очистки и обезжиривания деталей в электронике и радиотехнике. ЧХУ квалификации «ос.ч ОП-3» применяется в ИК- и ЯМР-спектроскопии. В папке «Химически чистый» представлены 5 наименований ЧХУ: «хч БХС», «хч», «хч для УФ», «хч для ЭВС» и «хч для хроматографии», -а в папках «Чистый для анализа» и «Чистый» - по одному наименование ЧХУ: «чда» и «ч». Область применения каждого продукта определяет, какими показателями будет лимитироваться конкретный вид ЧХУ.

Рис. 4. СЛЬЭ-проект технологического регламента получения ЧХУ особой чистоты (а - титульный лист технических условий на ЧХУ «ос.ч ОП-3»)

В созданной ранее системе компьютерного менеджмента качества для аналитического мониторинга ЧХУ (разработчики: к.х.н. Трохин В.Е. и аспирант Трынкина Л.В.) были структурированы и описаны все показатели качества для каждого рассматриваемого реагента. В рассматриваемой в данной работе системе все показатели качества структурированы в папке «Основные свойства и качество выпускаемой продукции» раздела ТР-02 технологического регламента.

Для удобства отображения важнейших параметров того или иного изделия или документа в системе имеется возможность присоединения «характеристик». В разрабатываемых САЬЭ-проектах на особо чистые химические вещества в качестве характеристик выбраны следующие параметры: массовая доля основного вещества и примесей, внешний вид, физические свойства и др. Перечень возможных характеристик может легко дополняться при помощи специального модуля «Настройка словарей».

Словари характеристик. Нами разработаны следующие словари характеристик: химические свойства, физические свойства, материалы и прочие, а также словарь единиц измерений (рис. 5). Словарь «Химические свойства» содержит набор характеристик, отображающих химический состав реактива: содержание основного вещества, содержание примесей кислот, катионов металлов, углеводородов и других компонентов в зависимости от рассматриваемого продукта. Важным атрибутом характеристики является тип, с помощью которого одна и та же характеристика может присоединяться к изделию на разных стадиях жизненного цикла (ЖЦ). Например, для таких характеристик веществ, как «Внешний вид», «Цвет» в качестве типа выбирается «описательная»

і: Химические свойства .

13 ^ Отмена

їв

Хгачтаескмй состав

Процентное ГЬоиеитное содержание Процентное содержание

фосген Содержание фосгена внешн... Внеимйвид

Рис. 5. Модуль «Настройка словарей» для основных характеристик технологии получения ЧХУ особой чистоты

К каждой характеристике в программном модуле РБЗ-ЕЕ предусматривается наличие единицы измерения (ЕИ). Предварительно был создан словарь единиц измерения, в который вошли все ЕИ, необходимые для описания характеристик, введенных в БД. При создании новой ЕИ пользователю предлагается выбрать вид характеристики из следующего списка: единица измерения СИ, контекстно-зависимая, производная, вычисляемая, описательная, заданная списком значений, денежная, точка во времени, агрегатная, ссылочная или табличная.

В выбранной предметной области для характеристик веществ и аппаратов нами использовались, главным образом, единицы измерения СИ, производные, вычисляемые и описательные. Для характеристик, рассмотренных в системе химических веществ (массовые доли основного вещества и примесей), единицей измерения является «Процентное содержание».

Глава 3. Разработка конструкторской документации в предметной области «особо чистые вещества» на основе концепции CALS

Конструкторское электронное описание в соответствии со стандартом ISO 10303 STEP содержит структуру категорий, документы, статусы, группы изделий с их версиями, свойствами, классификациями и др. Благодаря прямой интеграции с CAD-системами, такими как SolidWorks, SolidEdge и AutoCAD, пользователь PSS-EE получает возможность редактировать различные документы.

Так, например, раздел № 13 технологического регламента содержит чертеж технологической схемы (в формате AutoCAD), а также чертежи и блок-схемы различных стадий производства, которые могут быть открыты для просмотра и изменения в окне AutoCAD. На рисунке приведен элемент CALS-проекта технологического регламента получения ЧХУ «ос.ч ОП-3». Технологическая схема (рис. 6-а) состоит из двух стадий - предварительной и точной ректификации. Вся совокупность применяемого оборудования занесена в CALS-проект в соответствующие папки.

Рис. 6. Элемент САЕ8-проекта по ТР-13 (а - технологическая схема ЧХУ ос.ч ОП-3; б - модуль предварительной ректификации; в - куб ректификационной колонны)

При работе с программным комплексом РвЭ-ЕЕ нами были использованы такие объекты, как «папка», «документ», «изделие», «версия изделия», «харак-

теристика», «статус» и некоторые другие. Одним из основных информационных объектов в РББ является изделие. Согласно ГОСТ Р ИСО 10303 изделие -это объект или вещество, полученные естественным или искусственным путем. Все перечисленные аппараты каждой стадии представлены в системе именно в виде «изделий». С изделием ассоциируется различного рода информация, которая накапливается на протяжении всего ЖЦ: характеристики, документы, статусы (результаты согласований), технологическая информация. Для разделов №13-14 технологических регламентов (ТР-13 и ТР-14) в основные разделы БД занесено все используемое оборудование.

Для описания рассматриваемых аппаратов создан словарь размеров и технических характеристик («объем», «высота», «диаметр», «конструкционный материал» и др.), для каждой из которых предусмотрено наличие своей единицы измерения. Например, для характеристики объема емкостных аппаратов используют единицу измерения «литр». Для создания такого поля в словаре единиц измерения выбирают вид «производная» и задают множитель 10Л(-3) для единицы СИ (м3). Для характеристики диаметров царг ректификационных колонн используют «миллиметр». Данная единица измерения создается в словаре в разделе единиц СИ указанием префикса к стандартной ЕИ «метр». С помощью созданных словарей характеристик каждый занесенный в БД аппарат описывается точно и однозначно, что позволяет проводить анализ и выбор необходимого оборудования.

Управление информацией. Благодаря встроенной функции «Сравнение изделий» пользователь Р88 может выводить сравнительную таблицу выбранных изделий и их характеристик, что позволяет оценить возможность замены одного изделия другим. Кроме функции «Сравнение изделий» в клиентском модуле предоставляется возможность осуществлять быстрый или расширенный поиск в БД (рис. 7). Таким образом, пользователь может вывести в одном списке все интересующие его изделия, документы или папки.

.............лг

Рис. 7. Экранная форма расширенного поиска в БД. Поиск ректификационных колонн (а - режим ввода запроса на языке вТОЬ)

При осуществлении расширенного поиска нами реализована возможность задавать отдельные характеристики интересующих изделий, осуществлять дис-

кретный, аналоговый или дискретно-аналоговый поиск. В случае дискретного поиска задается требуемый элемент: например, определенный вид технологического оборудования, - при реализации аналогового поиска подборка ведется по заданным характеристикам. Особый интерес представляет осуществление дискретно-аналогового точечного или интервального поиска. Рассмотрим в качестве примера поиск по БД сборников из нержавеющей стали объёмом от 100 до 300 литров. Для решения такой задачи необходимо создание сложного запроса: в окне «Найти» задается необходимый тип объекта — «Изделие». Далее необходимо заполнить одно или несколько полей, характеризующих изделия «Сборник»: это могут быть поля «Обозначение» или «Наименование», поскольку они наиболее точно определяют вид искомого изделия. Для осуществления аналогового поиска по характеристикам необходимо выбрать интересующие параметры в окне «Характеристики». Для рассматриваемого примера это «Материал» и «Объем». Значение характеристики «Материал» задано списком значений, поэтому из раскрывающегося списка пользователю предлагается выбрать интересующий материал («Нержавеющая сталь»); в то время как значение характеристики «Объем» задается в интересующем интервале вручную (интервальный поиск) с помощью операторов «равно», «не равно», «больше», «больше или равно» и др. Результат поиска — список занесенных в БД сборников из нержавеющей стали объемом от 100 до 300 л - сохраняется в отдельном элементе дерева папок. Каждому запросу можно присвоить имя или номер; по умолчанию сохраненные результаты запросов называются «Запрос №_».

Если не задавать конкретный тип объекта при создании запроса, в результатах поиска будут отображены все изделия, удовлетворяющие заданным условиям по типам характеристик и их значениям. Таким образом, пользователь получит список оборудования, в который войдут сборники, мерники, емкости и любое другое оборудование, с заданными параметрами.

Справочники. Одной из задач технологического процесса получения особо чистых веществ является выбор оборудования. Для создания интегрированной базы по технологическому оборудованию, использующемуся на различных рассмотренных производствах, в системе РБЗ-ЕЕ были сформированы справочники по видам аппаратов: емкости, колонны, реакторы и др. (рис. 8.). Пользователь может создавать неограниченное количество справочников, группируя различные объекты. Создание справочников проводится нами только для объектов, имеющих определенный неизменный набор характеристик или связанных документов: аппараты химических производств, шаблоны НТД, инструкции и др.

Ю справочника Наименование справочника

01 Емкости

02 Колонны

03 Реакторы

04 Теплообменники

05 Фильтры

ГО справочника ГО изделия Наименование изделия

02 01 НС1: АК-1 Колонна абсорбционная

02

02 08 ЧХУ: РК-8_Колонна ректификационная

ГО группы хар-к ГО хар-ки Наименование хар-ки ГО изделия ГО группы хар-к Наименование группы хар-к

1 1 Диаметр царги і- 08 1 Характеристики царги

1 2 Высота царги ■»-' 08 2 Характеристики насадки

1 3 Материал царги

1 4 Количество царг

Рис. 8. Структура БД. Справочники по технологическому оборудованию

К каждому элементу справочника присоединяются характеристики: материал, из которого изготовлено оборудование, составные детали, прочностные характеристики. Объекты в справочник добавляют как из уже имеющихся в БД записей, так и создавая новые. При добавлении в справочник объектов из БД они сохраняют присоединенные характеристики и документы, а при создании нового объекта характеристики и документы присоединяют из созданных ранее словарей. При раскрытии изделия в дереве папок показаны справочники, в которые входит данное изделие, а также имеется возможность полностью просмотреть сам справочник, что позволяет оперативно найти замену нужному изделию.

В поле «Характеристики» отображаются все присоединенные характеристики, в поле «Документы» - присоединенные файлы чертежей, спецификаций и др. Так, например, рассматриваемое изделие - ректификационная колонна «ЧХУ-РК-2», использующаяся на стадии предварительной ректификации при получении ЧХУ особой чистоты, имеет следующие 2 группы характеристик: характеристики царги и насадки. В свою очередь в группы «Характеристики царги» объединены: материал изготовления - стекло вилах (обозн. «материал», диаметр (обозн. ЭЦ) - 200 мм, высота (обозн. НЦ) - 1 м., количество (обозн. ЫЦ) - 2 шт. В группе «Характеристики насадки» представлены 3 показателя: вид, материал и размер насадки.

Справочник может быть отображен в отдельном окне в виде таблицы или раскрывающегося дерева (рис. 9). В окне РвБ дерево справочников расположено сразу под деревом папок и раскрывается из корневого каталога «Справочники». Добавление самих изделий в справочник производится из режима табличного отображения. В отдельном окне «Изделие» отображаются все характеристики и присоединенные файлы, соответствующие каждому входящему в справочник изделию. В этом же окне, а также в окне табличного отображения справочника можно добавлять или удалять характеристики и документы, относящиеся непосредственно к изделию. Впоследствии, отобразив изделие в дереве папок, мы имеем уже «обновленный» перечень характеристик и документов.

ФЛІЛ Прмкл Вид Пмгв НасіроЛаі <ХнО АРМы ? ГТромты

> я л »>-> ¡и. -

( Колонны ректифнкащк>жыо___

Е5> чертеж «¿СУ-ЙЙ:? '+І • Характеристики насадки

(© Характеристики иарги 8 Ч>У-РК-8 : Рвктифмсациотая колонна 8 «лУВ-РК-3: Ректификацисміаяколона • 8 ал У8-РК-9 : Ректифи* кисл-РК-Б: Ректиф.1

он».

Рис. 9. Справочники по технологическому оборудованию (а - характеристики изделия «ректификационная колонна»: РК-2)

В технологии получения алифатических углеводородов (пентан, гексан, гептан, изооктан, нонан, декан) выделено пять стадий: адсорбции, химической очист-

ки, предварительной, точной и финишной ректификации. Аппаратурное оформление каждой стадии также отображено в созданном справочнике. Аналогичный принцип был применен для технологического оснащения стадий производства ассортимента неорганических кислот (азотная, плавиковая, соляная, хлорная). Уникальное обозначение каждого аппарата (например, «ал УВ-РК-3», «ЧХУ-РК-2 и др.) однозначно определяет, из какой технологической схемы был взят аппарат.

Помимо справочника объектов и понятий в системе PSS существует возможность создания справочника понятий, где могут храниться необходимые сведения о любом объекте БД. Добавление элементов в справочник понятий происходит аналогично добавлению элементов в справочники объектов. Был создан справочник понятий, включающий в себя виды неисправностей, которые могут возникнуть на производстве. Справочник структурирован по нескольким элементам: виды неисправностей, причины неисправностей и способы устранения. Так, например, в элементе справочника, посвященном проведению ремонта ректификационных колонн, информация структурирована по нескольким основным направлениям работ, проводимых при ремонте колонн: пропарка, продувка и чистка; отсоединение коммуникаций; демонтаж царг вместе с тарелками; дефектация царг, тарелок и колпачков; ремонт тарелок; сборка тарелок и царг; монтаж колонны и испытание колонны. Большое внимание в элементе справочника по способам устранения неисправностей уделено наиболее часто встречающейся неполадке в работе колонны - выход из строя уплотнительного материала. Анализируя данные, занесенные в справочник, можно выделить наиболее часто встречающиеся на конкретном производстве неисправности и рационально спланировать график плановых ремонтов и регламентных работ, фиксировать всю историю проводимых работ и изменений.

Обработка информации. Архитектура системы CALS является расширяемой. Она позволяет использовать как встроенные функции, так и функции внешних компонент - в первую очередь возможности хранилища данных (СУБД). Одной из актуальных задач управления жизненным циклом продукта является задача обработки данных. Поскольку в CALS используется СУБД Oracle, то это делает доступным широкие возможности обработки данных. Основная сложность для переноса обработки данных на уровень СУБД заключается в необходимости учитывать схему хранения данных, которую использует CALS.

В нашей работе используется несколько моделей обработки данных на уровне Oracle. Одна из них - специальные представления (view), которые в момент чтения данных формируют из них свое содержимое. На основе справочников, которые автоматически сохраняется БД при внесении информации через клиентский модуль, создаются дополнительные представления, содержимое которых динамически вычисляется на основании данных, находящихся в реальных таблицах БД. Изменение данных в реальной таблице БД немедленно отражается в содержимом всех представлений, построенных на основании этой таблицы. Представления могут быть редактируемыми, как и обычные физические таблицы СУБД. При выполнении команд редактирования, добавления или удаления для такого представления сервер СУБД преобразует эти команды в соответствующие команды для физической таблицы-источника.

Кроме того, на уровне самой СУБД Oracle осуществляется возможность создавать взаимосвязанные поля таблиц, что реализовано нами, в частности, для таблиц характеристик ректификационных колонн. Значение поля таблицы, соответствующего присоединенной характеристике «Высота колонны» (НК), является зависимым от значений полей таблицы, соответствующих присоединенным характеристикам «Высота царги» (НЦ) и «Количество царг» (ЫЦ). То есть, значение характеристики «НК» является вычисляемым: НК=ЫЦ*НЦ. Причем данный подход реализуется для расчета высоты ректификационных, адсорбционных и абсорбционных колонн и может быть применен к любым аппаратам колонного типа (составленных из царг).

Еще одним примером осуществления обработки информации на уровне СУБД Oracle может служить взаимосвязь таких характеристик, как «Содержание основного вещества» и «Содержание воды», а также характеристик, отображающих примесный состав для алифатических углеводородов. Так, например, значение поля, соответствующего характеристике «Содержание основного вещества» для декана определяется по формуле: W0B = 100 - £Wi, где Wj - это содержание в декане примесных компонентов (н-нонан, изодекан, 3-метилоктан и др.). Значения же параметров Wi определяются из таблицы данных Oracle, отображающей соответствующие характеристики.

Применение концепции CALS в рассмотренной предметной области позволяет существенно сократить время и повысить качество выполняемых работ. С помощью современного программного комплекса PSS-EE разработана информационная система, содержащая всю необходимую информацию для генерации технологических регламентов производства особо чистой продукции. В систему занесены такие важные индикаторы, как показатели качества продукции, образцы НТД, чертежи и схемы производства и др. Созданы словари характеристик на особо чистую продукцию, а также справочники используемого в производстве технологического оборудования, структурированные по видам аппаратов. Это позволяет осуществлять комплексный подход к выбору аппаратурного оформления каждой стадии производства с учетом возможности замены узлов.

Глава 4. Реализация программного комплекса PSS-EE в перспективных проектах предметной области «химическая технология»

Учитывая универсальность разработанных методологических принципов построения систем на основе PSS-EE, практическое приложение основных типовых протоколов осуществлялось не только для предметной области «особо чистые вещества», а также для ряда перспективных инновационных проектов ФГУП «ИРЕА» и НЦ «MTX». По направлению «Нанотехнология» нами создан CALS-проект установки плазменно-криогенного синтеза наноматериалов. Был разработан CALS-проект временного технологического регламента установки для производства ассортимента ионных жидкостей. В рамках госконтракта с Минобр-науки России разработан информационно-аналитический комплекс для создания новых облегченных теплозащитных покрытий (ТЗП). По направлению «Экология» работы велись по утилизации отходов фосфорной промышленности.

CALS-проекг плазменно-криогенной установки для синтеза наноматериалов.

На основе концепции CALS нами проведена разработка процесса синтеза нано-дисперсного кремния в плазмохимическом реакторе с криогенной закалкой. В базу данных занесена вся необходимая информация для составления регламента получения нанодисперсного кремния (рис. 10).

ID класса Наименование класса

01 Неорганические химические вещества: 71.060

02 Органические химические вещества: 71.080

ID продукта Юдок-та Наименование док-та

0028 01 Технические условия

0028 02 Технологический регламент

0028 03 Лабораторный регламент

0028 04 ЦДЛ

1D класса 1D вещества Наименование вещества

01 1 Химические элементы 71.060 10

01

01 5 Соли 71.060.50

1D лок-та 1D раздела Наименование раздела

02 01 Общая характеристика производства

02

02 13 Чертеж технологической схемы производства

02 14 Спецификация основного оборудования

ID вещества ID продукта Наименование продукта

1 001 Водород

1

1 014 Кремний

1

1D раздела 1D хар-ки Наименование характеристики

01 01 Мощность установки

02 02 Рабочая частота

ID раздела ID Наименование позиции

13 01 Трубка для ввода порошка

13 02 Внутренняя разрядная камера

13 03 Внешняя камера

13 04 Индуктор

13 05 Устройство дли подачи жидкого аргона

13 06 Дюар с жидким аргоном

13 07 Трубопровод для подачи аргона

13 08 Трубопровод для подачи охлаждающей воды

Рис. 10. Структура базы данных по плазмохимическому синтезу наноматериалов

В разработанную БД криогенно-плазмохимической установки занесены следующие основные узлы: трубка для ввода порошка (01); внутренняя разрядная камера (02); внешняя камера (03); индуктор (04); устройство для подачи жидкого аргона (05); дюар с жидким аргоном (06); трубопровод для подачи аргона (07); трубопровод для подачи охлаждающей воды (08). Согласно структуре технологических регламентов в каждом разделе приведена информация, характеризующая определенную стадию или процесс. Так, например, в разделе ТР-01 в качестве присоединенных характеристик приведены «Мощность установки» и «Рабочая частота».

САЬБ-проект установки для производства ионных жидкостей. Под руководством к.х.н. Вендило А.Г. для синтеза ассортимента ионных жидкостей (ИЖ) была разработана структура базы данных для временного технологического регламента (рис. 11) и создан САЬЗ-проект совмещенной опытно-промышленной установки.

1D класса Наименование класса

01 Неорганические химические вещества: 71.060

02 Органические химические вещества: 71.080

Т.

ID продукта Юдок-та 1 Іаимеиование лок-та

05 01 Технические условия

05 02 Технологический регламент

05 03 Лабораторный регламент

05 04 идп

1D класса 1D вещества Наименование вещества

02 01 Органические вещества в иелом 71.080.01

02

02 05 Органические азотные соединения 71.080.30

1)2

02 12 Органические вещества прочие7|.080.99

ID продукта

Наименование продукта

ИЖ 1: [BM1M]TFES

ИЖ 3: [BMIMHBF1.

Ш лок-та 1D раздела 1 Іаименование раздела

02 01 Общая характеристика производств

02 02 Характеристика производимой продукции

02 03 Характеристика исходного сырья и материалов

02 04 Описание технологического процесса

02

02 13 Чертеж технологической схемы производства

02 14 Спецификация основного оборудования

1D раздела ID подраздела Наименование подраздела

04 1 Синтез ИЖ

04 2 Фильтрация Xsl

04 3 Отгонка растворителя 1

04 4 Химическая очистка

04 5 фильтрация №2

04 6 Отгонка растворителя 2

Рис. 11. Структура БД. Временный технологический регламент получения ИЖ

В САЬБ-проект были занесены все 14 основных разделов регламента, а также все данные о технологическом оснащении производства: перечислены и подробно описаны основные аппараты и технологические линии, приведен чертеж технологической схемы.

САЬв-система по теплозащитным покрытиям. Под руководством к.х.н. Емельяновой О.Н. был разработан информационно-аналитический комплекс для создания нового поколения облегченных композитных теплозащитных покрытий (ТЗП). Работы проводились по трем различным направлениям (анализ сырьевой базы, анализ информационных и патентных источников), по каждому из которых был создан свой пилотный САЬ5-проект.

В базе данных по теплозащитным покрытиям (рис. 12) для класса «Наполнители» выделено 3 основных подкласса, на которые можно условно разделить вещества, входящие в состав ТЗП в качестве наполнителей: порошкообразные наполнители, армирующий волоконный материал и добавки.

Рис. 12. Элемент структуры базы данных по теплозащитным покрытиям

Для каждого вида материала в систему занесены примеры с характеристиками и необходимой сопроводительной документацией. Таблицы, относящиеся к словарям характеристики и единиц измерения, выделены пунктиром (рис. 12).

САЬв-система утилизации отходов фосфорной промышленности. Разработка СЛЬБ-систем для утилизации фосфорного шлама проводилась к.т.н. Заколодиной Т.В. В продолжение этих работ нами совместно с проф. Жекеевым М.К. проведены исследования переработки фосфорсодержащих отходов (фос-фогипса и фосфорного шлака) промышленности России и Казахстана. Перспективным способом обращения с отходами фосфорной промышленности является производство дорожно-строительных материалов (асфальтобетона). Однако исследования показали, что фосфорсодержащие отходы включают такие вредные элементы, как Бг, Сё, Аэ, Мп, Ті, и имеют радиационный фон. Для комплексной оценки содержания указанных примесей в фосфорном шлаке и фосфогипсе в разработанную САЬБ-систему (рис. 13) занесены аналитические исследования по редким тяжелым металлам, радиоактивным элементам, содержащимся в данных видах отходов фосфорной промышленности.

& HSE ионеджмшг.бУ ~ PSH

тп Правка Вид Настро&и ?

е- а а • m а ■ з

Цавнгатар

f| Н5Е ШНвДЗКЯ&НТ уТ1Щ<34ЦШ отхо.

лЧ»м»Р1еск»5с н рздшктмышх кодет ь «маке и

" щ

Ш I 4U 212 ¿580

I эффемшнлг» удеаьта | ! ¡«КШВНОСП. Л'.'фф, I

Гж-кг

174-231

Щ Фосфогнпс: Фжфсяяыи ш&ак: i 1.2. Показатели жопсгт

»¡salmi

Ш (¡р Ф0СфсрМЬ»Ч|1таС5 Ш t. Характеристики асфапьтоС

Готово

• Щ ФосФ*>рмого ишака " фосфоптса Г ,. I Нал t мелок амне 1

. .....................О.ХОД»............... I 1191"»"

| фосфо}>1а.1|'г шпак

" [ 2 I Фосфогнпс г;»Ш| * ta <J

Рис. 13. CALS-проект «Характеристики исходного сырья» (а - содержание химических и радиоактивных веществ; б - показатели экологической загрязненности)

Были разработаны информационные категории, включающие результаты исследований по содержанию радиоактивных и химических загрязняющих веществ в фосфорном шлаке и фосфогипсе, а также значения индикаторов экологической загрязненности.

Выводы.

1. Для предметной области «особо чистые вещества» разработана архитектура, алгоритмическое и программное обеспечение CALS-системы PSS-EE, состоящей из сервера СУБД (Oracle Server 10g), сервера приложений (Oracle Client 10g & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS). В системе разработана индексация и широкий набор информационных таблиц.

2. Разработаны информационные базы данных для основных видов НТД (технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование). Для технологических регламентов проведена систематизация информации в созданных базах данных на шести уровнях иерархии: классы, вещества, продукты, документы, разделы, подразделы.

3. В протоколе применения «технологические регламенты» разработаны базы данных и CALS-проекты для технологии получения четыреххлористого углерода особой чистоты. В рассматриваемой предметной области для кластеров «алифатические углеводороды» и «неорганические кислоты» созданы типовые структуры словарей характеристик и справочников по элементам оборудования, свойствам продуктов, конструкционным материалам и др.

4. Разработанная методология заложена в созданные CALS-проекты по показателям качества теплозащитных материалов, отходов фосфорной промышленности, а также в структуры модульных технологических схем получения ионных жидкостей и плазменно-криогенного синтеза наноматериалов.

5. Программные модули CALS-систем вошли в отчетную документацию по Государственным контрактам Минобрнауки России и Минпромторга России.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи перечня ВАК, включенные в системы цитирования Web of Science и Scopus:

1. Bessarabov A., Zhekeyev M., Sandu R., Kvasyuk A., Stepanova T. Development of HSE management CALS-system for waste utilization of phosphoric industry of Russia and Kazakhstan // Chemical Engineering Transactions. 2012. V.26. P. 513-518. DOI: 10.3303/CET1226086

2. Trokhin V.E., Vendilo A.G., Bessarabov A.M., Kazakov A.A., Stepanova T.I. Use of the CALS concept for development of equipment modules producing reagent-quality aliphatic hydrocarbons // Chemical and Petroleum Engineering. 2012. Vol. 48, № 5-6. P. 271277. DOI: 10.1007/sl0556-012-9609-0

3. Kvasyuk A., Koltsova E., Bessarabov A., Bulatov I., Stepanova T. // CALS-technology for production of dibasic lead phosphite in phosphoric sludge utilization // Chemical Engineering Transactions. 2012. V. 29, part 2. P. 853-858. DOI: 10.3303/CET1229143

4. Bessarabov A., Ivanov M., Kvasyuk A., Stepanova T., Vendilo A. Plasma-cryogenic synthesis of the high purity nanomaterials // Chemical Engineering Transactions. 2013. V. 32. P. 2281-2286. DOI: 10.3303/CET1332381

5. Trokhin V., Bessarabov A., Sevastyanov D., Trynkina L., Stepanova T., Vendilo A. Determination of oil products in waste and natural waters using tetrachloromethane // Chemical Engineering Transactions. 2013. V. 35. P. 1411-1416. DOI: 10.3303/CET1335235

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

6. Степанова Т.И., Бессарабов A.M., Гришин М.А., Поляков А.В., Стоянов О.В., Заиков Г.Е. Автоматизированная разработка технологических регламентов производства веществ особой чистоты на основе информационных CALS-технологий // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 14. С. 218-225.

7. Трынкина Л.В., Бессарабов A.M., Трохин В.Е., Вендило А.Г., Степанова Т.И., Стоянов О.В. Модернизация системы аналитического мониторинга органических растворителей особой чистоты на основе концепции CALS // Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. № 6. С. 15-21.

8. Трохин В.Е., Бессарабов A.M., Трынкина Л.В., Степанова Т.И., Вендило А.Г., Стоянов О.В. CALS-технология компьютерного менеджмента качества четыреххлористого углерода различных квалификаций // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 5. С. 288-293.

9. Бессарабов A.M., Емельянова О.Н., Степанова Т.И., Поляков А.В., Заиков Г.Е, Стоянов О.В. Разработка нового поколения облегченных композитных теплозащитных материалов на основе концепции CALS // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 12. С. 83-88.

10. Трохин В.Е., Вендило А.Г., Бессарабов A.M., Казаков А.А., Степанова Т.И. Разработка на основе концепции CALS аппаратурных модулей для производства алифатических углеводородов реактивной квалификации Н Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. Т. 48, № 5. С. 4-9.

И. Вендило А.Г., Бессарабов A.M., Ковалева Н.Е., Попов К.И., Степанова Т.И., Стоянов О.В. Разработка технологии получения ассортимента ионных жидкостей на основе информационного CALS-стандарта // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 21. С. 158-163.

12. Бессарабов A.M., Иванов МЛ., Вендило А.Г., Степанова Т.И., Стоянов О.В. Информационный CALS-проект плазмохимического синтеза нанопорошков особой чистоты // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15, № 23. С. 162-165.

13. Емельянова О.Н., Кудрявцева Е.П., Степанова Т.И., Квасюк А.В., Санду Р.А., Бессарабов A.M. Факторный анализ составов сухих смесей при разработке теплозащитных покрытий для летательных аппаратов // Химическая промышленность сегодня. 2011. №12. С. 31-35.

Публикации в других научных изданиях:

14. Емельянова О.Н., Кудрявцева Е.П., Степанова Т.Н., Квасюк A.B., Санду P.A., Бессарабов A.M. Факторный анализ составов сухих смесей при разработке теплозащитных покрытий // Материалы XXIV Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011), Уфа, 6-8 декабря 2011 г., с. 147-149.

15. Санду P.A., Степанова Т.И., Кочетыгов А.Л., Поляков A.B., Бессарабов A.M. Внедрение информационного CALS-стандарта ISO 10303 STEP в технологии химических реактивов и особо чистых веществ // Материалы XXIV Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011), Уфа, 6-8 декабря 2011 г., с. 179-180.

16. Степанова Т.И., Квасюк A.B., Гафитулин М.Ю., Бессарабов A.M. Разработка CALS-технологии для получения фосфорсодержащих продуктов при утилизации фосфорного шлама // Тезисы докладов XXVI Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2012), Минск, 2-4 окт. 2012 г., с. 85.

17. Степанова Т.И., Трохин В.Е, Кочетыгов А.Л., Гафитулин М.Ю., Бессарабов A.M. Экспертная система по выбору конструкционных материалов в технологии химических реактивов и особо чистых химических веществ // Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии»: РХТУ им. Д.И. Менделеева. Москва.

2012. T. XXVI, № 1.С. 84-87.

18. Вендило А.Г., Степанова Т.Н., Попов К.И., Бессарабов A.M. Разработка многоассортиментного производства для получения ионных жидкостей // Материалы XII Международной научной конф. «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа, 3-4 декабря 2012 г., с. 14-16.

19. Вендило А.Г., Бессарабов A.M., Попов К.И., Степанова Т.И., Стоянов О.В. Ап-паратурно-технологическое оформление совмещенного производства для получения перспективного ассортимента ионных жидкостей // Энциклопедия инженера-химика.

2013. №4. С. 41-48.

20. Трынкина Л.В., Бессарабов A.M., Трохин В.Е., Вендило А.Г., Степанова Т.И., Стоянов О.В. Компьютерный менеджмент качества органических растворителей особой чистоты // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. № 4. С. 46-54.

21. Степанова Т.И., Поляков A.B., Вендило А.Г., Бессарабов A.M. Структура типовых информационных CALS-проектов в технологии химических реактивов и особо чистых веществ // Сборник трудов XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-26), Ангарск, 9-13 сентября 2013 г., ч. 1, с. 168-170.

22. Бессарабов A.M., Степанова Т.И., Трынкина Л.В., Трохин В.Е. Анализ и диагностика химических реактивов и особо чистых веществ на основе концепции CALS // Тезисы докладов 2-го Симпозиума «Новые высокочистые материалы», Нижний Новгород, 29-30 октября 2013 г., с. 93-94.

23. Бессарабов A.M., Степанова Т.И., Гришин М.А., Вендило А.Г. Компьютерный анализ и диагностика веществ особой чистоты на основе CALS-технологий // Тезисы докладов 2-го Симпозиума «Новые высокочистые материалы», Нижний Новгород, 29-30 октября 2013 г., с. 94-95.

24. Степанова Т.Н., Поляков A.B., Гафитулин М.Ю., Бессарабов A.M. Разработка технологических регламентов производства химических реактивов и особо чистых веществ на основе концепции CALS // Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии»: РХТУ им. Д.И. Менделеева. Москва. 2013. T. XXVII, № 1. С. 86-90.

л

Подписано в печать: 14.11.2013 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 218 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)_

На правах рукописи

04201451083

Степанова Татьяна Игоревна

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ САЬ8-СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ВЕЩЕСТВ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология, нефтехимия и биотехнология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, проф. Бессарабов A.M.

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

Глава 1. Разработка на основе PSS-EE проблемно-ориентированной CALS-системы для предметной области «особо чистые вещества»....................... 10

1.1. Разработка и внедрение CALS-технологий в России и за рубежом......... 12

1.2. Разработка и внедрение CALS-технологий в химическом комплексе 20

1.2.1. Разработка CALS-проектов для исходных данных на проекти-пование . ... .................................................................. 21

1.2.2. Разработка CALS-проектов для систем компьютерного менеджмента качества ........................................................................................ 24

1.3. Построение проблемно-ориентированной CALS-системы на базе PSS ЕЕ 26

1.3.1. Преимущества электронного представления данных........................ 26

1.3.2. Основные достоинства и функции системы PDM STEP Suite..... 28

1.3.3. Построение CALS-системы для предметной области «особо чистые вещества»................................................................................................................. 35

Глава 2. Автоматизированная разработка нормативно-технической документации в технологии химических реактивов и особо чистых веществ........ 39

2.1. Разработка структуры базы данных нормативно-технической докумен- 40

2.1.1. Разработка CALS-проектов для технических условий................ 42

2.1.2. Разработка CALS-проектов для технологических регламентов.. 51

2.2. Организация информации в PSS на примере раздела ТР-2 технологического регламента получения ЧХУ «ос.ч ОП-3».............................................. 60

2.3. Словари для показателей качества............................................................ 64

Глава 3. Разработка конструкторской документации в предметной области «особо чистые вещества» на основе концепции CALS..................................... 69

3.1. Организация информации в PSS на примере раздела ТР-13,14 технологического регламента получения ЧХУ «ос.ч ОП-3»....................................... 71

3.2. Разработка справочников и словарей для конструкторской докумен- 74

3.2.1. Разработка словарей характеристик для технологического оборудования............................................................................................................... 74

3.2.2. Разработка понятийных и объектно-понятийных справочников 76

3.3. Обработка и управление информацией в РБ8 ЕЕ.................................... 85

3.4. Разработка структуры БД для технологических регламентов производства ассортимента алифатических углеводородов и неорганических кислот «ос.ч»............................................................................................................... 93

Глава 4. Реализация программного комплекса Р88-ЕЕ в перспективных проектах предметной области «химическая технология».................................. 99

4.1. САЦЗ-проект плазменно-криогенной установки для синтеза нанома-териалов................................................................................................................... 99

4.2. САЦВ-проект установки для производства ионных жидкостей............. 105

4.3. САЬ8-система по теплозащитным покрытиям........................................ 108

4.4. СЛЬБ-система утилизации отходов фосфорной промышленности....... 115

Выводы.................................................................................................................... 121

Список литературы........................................................................................... 123

Приложение...................................................................................................... 139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на безбумажную электронную технологию проектирования и изготовления изделий. Проектно-конструкторские данные об изделии (технология, оборудование) занимают значительную часть в объеме информации, используемой в ходе его жизненного цикла. Публикации последнего времени говорят о том, что, несмотря на широкое применение компьютерных технологий, преимущества электронного представления информации практически не используются. В небольшом количестве проектных работ, использующих автоматизированные системы проектирования, полученные результаты все равно переводятся из электронного вида в форму бумажных документов.

Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). Концепция CALS определяет набор правил, регламентов, стандартов, в соответствии с которыми строится информационное («электронное») взаимодействие участников процессов проектирования, производства, обслуживания и т.д.

Применение CALS-технологий в химической промышленности впервые было предложено во ФГУП «ИРЕА», а затем продолжено в Научном центре «Малотоннажная химия». За последние 15 лет был разработан широкий ассортимент пилотных CALS-проектов для различных областей науки и техники, в которых рассматривались как общие вопросы химической технологии и экологии, так и конкретные перспективные направления: биотехнология, нанотехнология и др. Однако все работы проводились в программных комплексах PSS Lite или PSS Demo, предназначенных для работы с небольшими объемами данных при тестировании системы. Для разработки промышленных CALS-систем, особенно в такой сложной и наукоемкой отрасли, как промышленность химических реактивов и особо чистых веществ, необходимо использовать трехуровневую информационную систему PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE).

Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке государственных контрактов Минобрнауки России и Минпромторга России, контрактов и договоров с отраслевыми научными организациями и научными организациями РАН.

Степень разработанности темы исследования рассматривается по трем направлениям: особо чистые вещества; проблемно-ориентированные системы автоматизированной разработки химико-технологических производств; CALS-технологии.

Основные теоретические и практические вопросы химии и технологии «особо чистых веществ» рассмотрены в трудах следующих отечественных ученых: Аллахвердова Г.Р., Блюма Г.З., Бромберга A.B., Голуба А.Е., Грибова Б.Г., Гринберга Е.Е., Девятых Г.Г., Ефремова A.A., Иванова М.Я., Рябенко Е.А., Сокола В.А., Факеева A.A., Федорова В.А., Чурбанова М.Ф., Шалумова Б.З. и др.

Создание проблемно-ориентированных систем автоматизированной разработки химико-технологических производств связано с именами следующих советских и российских ученых: Авсеев В.В., Айзин С.М., Бельков В.П., Гартман Т.Н., Глебов М.Б., Гордеев JI.C., Дорохов И.Н., Егоров А.Ф., Кафаров В.В., Кольцова Э.М., Корнюшко В.Ф., Макаров В.В., Меньшиков В.В., Менынутина Н.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л., Савицкая Т.В., Софиев А.Э., Фалин В.А. и др.

Разработка и внедрение информационных CALS-технологий в России проводится практически только в оборонной промышленности и отражено в публикациях следующих специалистов: Барабанова В.В., Давыдова А.Н., Дмитрова В.И., Кабанова А.Г., Овсянникова М.В., Роткова С.И., Судова Е.В., Шильникова П.С. и др. В химической промышленности работы по CALS-технологиям связаны с именами следующих сотрудников ФГУП «ИРЕА» и НЦ «MTX»: Афанасьева А.Н., Бессарабова A.M., Глушко А.Н., Демьянюка А.Ю., Жданович O.A., Заколодиной Т.В., Квасюка A.B., Кочетыгова А.Л., Полякова A.B., Пономаренко А.Н.

Цель работы.

Разработка на основе программного комплекса PSS-EE проблемно-ориентированных CALS-систем для автоматизированного синтеза нормативно-

технической документации для химико-технологических производств веществ особой чистоты. При выполнении работы решаются следующие задачи:

1. Разработка архитектуры, алгоритмического и программного обеспечения трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «Особо чистые вещества».

2. Разработка баз данных нормативно-технической документации для автоматизированного синтеза «технологических регламентов» по предметной области «Особо чистые вещества».

3. Создание типовых баз данных нормативно-технической документации, словарей и справочников для автоматизированной разработки наиболее перспективного ассортимента химических реактивов и особо чистых веществ (четырех-хлористый углерод (ЧХУ), алифатические углеводороды, неорганические кислоты и др.).

4. Реализация разработанного автоматизированного комплекса для следующих смежных предметных областей: теплозащитные материалы, наноматериалы,

ионные жидкости и продукты утилизации отходов фосфорной промышленности.

\

Научная новизна.

Разработана архитектура CALS-системы PSS-EE, состоящей из сервера СУБД (Oracle Server 10g), сервера приложений (Oracle Client 10g & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS) для предметной области «Особо чистые вещества». Предложены индексация и структуры информационных таблиц по рассматриваемым направлениям.

Созданы типовые структуры информационных баз данных для основных видов нормативно-технической документации (технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование). Для технологических регламентов проведен системный анализ баз данных на 6 уровнях иерархии: классы, вещества, продукты, документы, разделы, подразделы.

В протоколе применения «технологические регламенты» разработана структура базы данных для технологии получения четыреххлористого углерода особой чистоты, а для технологий алифатических углеводородов и неорганических ки-

слот созданы типовые структуры справочников и словарей по элементам оборудования, свойствам продуктов, конструкционным материалам и др.

Разработанная архитектура комплекса PSS-EE заложена в основу структуры баз данных по показателям качества теплозащитных материалов и отходов фосфорной промышленности, а также в структуры модульных технологических схем получения ассортимента ионных жидкостей и плазменно-криогенного синтеза на-номатериалов.

Теоретическая значимость.

Результаты работы являются составным элементом дальнейшего развития теории и практики применения концепции CALS в наиболее перспективных секторах науки и техники.

Заложенные в ходе разработки информационной системы методологические основы позволят создать проблемно-ориентированные CALS-системы для других отраслей химической промышленности (лакокрасочная, полимерная и др.).

Предложенные в работе теоретические обобщения дают возможность более оперативно разрабатывать техническую документацию и исключить влияние «человеческого фактора».

Теоретические подходы систематизации и автоматизации разработки производств особо чистых веществ могут быть использованы при обучении студентов в области кибернетики химико-технологических процессов, информационных технологий, автоматизированного проектирования и др.

Практическая значимость.

Разработано программное обеспечение трехуровневой проблемно-ориентированной системы для предметной области «Особо чистые вещества».

На основе международных классификаторов и информации о выпускаемой продукции заполнены базы данных, созданы словари и справочники для основных видов нормативно-технической документации.

Для предметной области «Особо чистые вещества» разработаны пилотные CALS-проекты технологического регламента на производства четыреххлористого углерода особой чистоты. Заполнены базы данных, словари и справочники для

классов веществ «алифатические углеводороды» и «неорганические кислоты» (по диссертационной работе аспиранта Казакова A.A.).

На основе созданного программного комплекса разработаны CALS-проекты: компьютерного менеджмента качества теплозащитных материалов, экологического менеджмента отходов фосфорной промышленности; модульных технологий получения ионных жидкостей и наноматериалов.

Программные модули CALS-систем вошли в Государственные контракты Минобрнауки России и Минпромторга России, договора ОАО «НИИТЭХИМ», ОАО «НИИОСЧМ» и др.

Методология н методы исследования.

В работе использованы методология системного, структурного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе CALS-технологий.

Положения выносимые на защиту.

Разработанный трехуровневый программный комплекс PSS ЕЕ для предметной области «Особо чистые вещества».

Разработанные базы данных нормативно-технической документации (технологические регламенты, технические условия, исходные данные на проектирование) для рассматриваемой предметной области в СУБД Oracle.

Разработанная методология организации информации по технологии производства особо чистых веществ в программном комплексе PSS ЕЕ на примере че-тыреххлористого углерода различных квалификаций и ассортиментов алифатических углеводородов и неорганических кислот.

Разработанные словари характеристик и единиц измерения, объектно-понятийные и понятийные справочники, как структурные элементы PSS ЕЕ применительно к предметной области «Особо чистые вещества».

Разработанные практические приложения PSS ЕЕ в смежных предметных областях (наноматериалы, теплозащитные покрытия, ионные жидкости, отходы фосфорной промышленности).

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системой компьютерной поддержки (CALS-технология), методов системного и структурного анализа, а также практической реализацией результатов работы.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах Chemical Engineering Transactions, Chemical and Petroleum Engineering, Химическая промышленность сегодня, Химическое и нефтегазовое машиностроение, Ремонт, восстановление, модернизация, Вестник Казанского технологического университета, Вестник Саратовского государственного технического университета, Известия МГТУ «МАМИ», Наукоемкие технологии, Энциклопедия инженера-химика, «Все материалы. Энциклопедический справочник», сборниках научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 5th International Conference on Safety & Environment in Process Industry, CISAP-5 (Milan, Italy, 2012); 15 th, 16 th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, PRES'2012, PRES'2013 (Prague, Czech Republic, 2012; Rhodes, Greece, 2013); 9th European Congress of Chemical Engineering, ECCE-9 (Hague, Netherlands, 2013); 11th International Conference on Chemical & Process Engineering, ICheaP-11 (Milan, Italy, 2013); XXV и XXVI Международные научно-технические конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011 ; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012); XXVI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-26), (Н.Новгород, 2013); VIII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012» (Москва, 2012); XII Международная научная конференция «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2012); 2-й Симпозиум «Новые высокочистые материалы» (Н.-Новгород, 2013).

Глава X. Разработка на основе PSS-EE проблемно-ориентированной CALS-системы для предметной области «особо чистые вещества»

Наиболее перспективным направлением повышения экономической эффективности промышленных производств является применение современных информационных технологий (ИТ) на всех этапах жизненного цикла продукции и ее компонентов. Жизненный цикл (ЖЦ) продукта, как его определяет международный стандарт ISO 9004-1, - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта [1]. Существуют различные модели жизненного цикла продукции, часть из которых регламентирована, другие же носят методический характер. В рамках проводимых работ, концепция ЖЦ была рассмотрена нами в несколько упрощенном варианте, содержащем, тем не менее, все основные стадии: маркетинг; проектирование и разработку (включая технологическую подготовку производства); производство (включая закупки и испытания); поставку продукции (включая упаковку, хранение, доставку и монтаж) и эксплуатацию (включая техобслуживание, ремонт и утилизацию).

С появлением различных систем автоматизированного проектирования (САПР) наиболее остро встала проблема стандартизации в области обмена данными, поскольку различные САПР использовали разные принципы генерации моделей и обмена данными с другими системами [2]. Информация об изделии, формируемая при его проектировании, производстве, эксплуатации, техническом обслуживании и утилизации, используется для