Введение к работе
Актуальность темы
При проектировании современных технически сложных систем и оборудования широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). Основными функциями этих систем являются- автоматизация выполнения различных проектных процедур с целью нахождения оптимальных вариантов проектируемого объекта, автоматизация выбора схемы или конструкции, автоматизация составления проектной и технической документации и т.д.
САПР, ориентированные на конкретную предметную область, требуют разработки специальных методов, алгоритмов и программ, оригинальных математических моделей (ММ), учитывающих специфические качества объектов проектирования Вместе с этим желательно, чтобы разработанное математическое обеспечение (МО) можно было многократно использовать при проектировании различных элементов оборудования Важной вехой создания МО является выбор способа математического моделирования объектов в САПР Эффективность использования САПР во многом зависит от универсальности и возможностей, которыми располагает применяемый математический аппарат.
Большое значение в функционировании современных САПР имеет техническое обеспечение (ТО), на базе которого реализованы конкретные системы ТО САПР основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, персональных компьютеров и рабочих станций Есть примеры применения метафреймов
МО САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта и т д.
Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, работающих по управлением операционных систем Unix, Windows-95/NT, Windows ХР, Wmdows Vista; разработанные на языках программирования С, C++, Java и других, и использующие в качестве хранилищ данных реляционные и объектно-ориентированные базы данных
В качестве предметной области диссертационного исследования была выбрана область разработки САПР систем холодоснабжения
Это обусловлено, в первую очередь, тем, что на сегодняшний день холодоснабжение находит широкое применение на предприятиях пищевой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, причем затраты на производство умеренного холода составляют значительную часть общей суммы затрат на все технологическое производство (до 25 %).
Высокий уровень технического прогресса привел к созданию технологических процессов, агрегатов большой единичной мощности, что предопределило резкое увеличение холодопотребления предприятий
Производство умеренного холода на целом ряде производств сочетается с процессами низкопотенциального теплоснабжения в соответствующем диапазоне температур, что приводит к дополнительному усложнению систем хладоснабжения. Сложность взаимосвязей внутренних параметров, процессов и характеристик отдельных элементов системы хладоснабжения предопределяет необходимость совершенствования научных, инженерно-технических и технико-экономических решений, обеспечивающих возможность значительного снижения капитальных и энергетических затрат на производство холода и сокращение сроков проектирования Существенное повышение качества проектирования систем хладоснабжения возможно за счет интенсификации и координирования научно-исследовательских работ, направленных на создание перспективных и надежных систем хладоснабжения и рациональных способов их регулирования, ускорение разработки их математического описания с целью последующего использования в процессах проектирования При этом возникает необходимость решения научно-технических проблем в сфере холодильной техники, связанных с разработкой современных методов автоматизированного проектирования (АП) с помощью ЭВМ, обеспечивающих возможность проведения оптимизационных проектных исследований систем хладоснабжения и координирование результатов этих исследований с результатами исследований других подсистем технологического производства с целью достижения оптимальности общего решения.
Сложные системы хладоснабжения разрабатываются кооперацией отдельных проектных и проектно-конструкторских организаций, подразделений и отделов. Методические положения по координации многоуровневых процессов АП отдельных подсистем или узлов в настоящее время практически отсутствуют. Используемый метод ите-
рационного последовательного согласования технических решений не позволяет получать оптимальных решений без строгих координирующих воздействий, при разработке которых имеются значительные затруднения как научного, так и организационного характера.
Наибольшие трудности возникают при проектировании сложных систем большой мощности, когда предполагается создание специального оборудования для работы в переменных условиях эксплуатации.
Развитие вычислительной техники создает условия для перехода к новому этапу автоматизации процесса проектирования, а именно к созданию САПР систем холодоснабжения путем сопряжения локальных вычислительных комплексов, обеспечивающих проектирование отдельных узлов и элементов. При этом необходима разработка таких методов структурно-параметрической оптимизации указанных систем и отдельных ее подсистем, которые обеспечили бы возможность построения единого алгоритма всего процесса проектирования при реализации произвольной задачи (проектирование новых и реконструкция действующих систем, оценка эффективности применения новых схемных решений, конструкций, процессов и т. д.).
Фактически необходимо создание скоординированной системы, обеспечивающей возможность не только проектирования, но и оперативной оценки воздействия от реализации любой идеи на эффективность комплекса холодоснабжения с помощью численного приближенного исследования. Очевидно, что создание такого механизма исследований возможно только при наличии методов структурной и параметрической оптимизации установок с произвольным схемным решением и учетом особенностей эксплуатации и надежности, методов математического моделирования отдельных элементов и элементарных процессов, методов описания свойств рабочих тел, методов автоматизации построения ММ сложных систем
При соответствующем техническом и организационном обеспечении этой системы сроки внедрения разработок значительно сокращаются, резко повышается качество проектных работ. Причем разработанное математическое и программное обеспечение (ПО) должно быть использовано не только для проведения проектных исследований, обработки экспериментальных данных, численных экспериментов, но и для создания подсистем для оценки технического состояния и автоматического управления холодильных установок.
Таким образом, исходя из вышесказанного, тема диссертационной работы является актуальной.
Цель диссертационной работы является разработка САПР, позволяющей сократить временные и материальные затраты при проектировании основных элементов системы холодоснабжения в зависимости от заданных исходных параметров и конкретных условий эксплуатации
Задачи диссертационного исследования
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи
Разработка методики АП систем холодоснабжения.
Разработка математического обеспечения САПР холодильных установок
Разработка ПО САПР систем холодоснабжения.
Разработка проектных процедур построения систем холодоснабжения исходя из заданного количества входных параметров и принимаемых условий эксплуатации системы
Разработка методики выбора исходных данных для корректного расчета системы хладоснабжения
Разработка ММ системы автоматизированного расчета и оптимизации систем холодоснабжения
Выбор критериев оптимизации проектирования, позволяющих производить автоматизированные расчеты с минимально возможными отклонениями расчетных параметров системы холодоснабжения от номинальных
Разработка программных средств, позволяющих производить АП систем холодоснабжения, и имеющих возможность дальнейшего расширения в процессе появления новых типов оборудования и применения иных схемных решений.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использованы теория и методы, автоматизированного проектирования, системного анализа, построения САПР, организации баз данных (БД), объектно-ориентированного, системного и структурного программирования, линейной алгебры, принятия решений, математического моделирования
Научная новизна исследований
Научная новизна обусловлена-
1 Разработанной методологией проектирования систем холодоснабжения, необходимой для осуществления возможности создания САПР систем холодоснабжения,
2. Разработанным и реализованным математическим и программным обеспечением САПР систем холодоснабжения
Основные положения, выносимые на защиту
1 Методология АП холодильных систем.
2. Разработка проектной процедуры, включающей функции выбора технического и схемного решения в зависимости от начальных параметров и конечных условий эксплуатации.
3 Разработка алгоритма автоматизированного расчета систем холодоснабжения.
Практическая ценность результатов
Созданная на базе общего алгоритма расчета холодильной установки модель системы и ПО для расчета параметров и оптимизации системы холодоснабжения позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся ресурсы проектной организации Приведенные в рамках описания экспериментов примеры выполнения расчетов по выбору схемы установки наглядно демонстрируют применение результатов работы в реальных условиях и являются ценными с практической точки зрения.
Достоверность основных положений
Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается результатами проведенных исследований и компьютерным моделированием. Научные и практические результаты, отраженные в диссертации, использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных на базе рабочего проекта в проектно-конструкторской компании ООО «Ист Реф Oy»/East Ref Оу в период с 2004 г. по 2007 г
Результаты работоспособности разработанной в диссертационной работе системы подтверждаются актом о внедрении САПР на указанном выше предприятии.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение научной общественности на 6 международных и всероссийских конференциях и семинарах - Ш и 3TV Межвузовских конференциях молодых ученых, Международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы» (AIS'05 и AIS'06), а также на Международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005 и CAD-2006)
Актуальность исследований, проводимых в рамках диссертационной работе, подтверждается победой в конкурсе персональных грантов для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга в 2007 г
Публикации Результаты работы, полученные в диссертации, нашли отражение в 7 научных работах по теме диссертации, в том числе входящие в Перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций
Структура и объем работы
