Содержание к диссертации
Введение
1 Информационный анализ процесса проектирования многоассортиментных производств 20
1.1 Основные сведения об этапах проектирования многоассортиментных производств 20
1.1.1 Этап разработки технологических систем 23
1.1.2 Этап определения аппаратурного оформления производства 25
1.1.3 Этап утилизации отходов производства 26
1.1.4. Этап составления расписания работы производства 27
1.1.5 Этап компоновки производства 28
1.2 Значение этапа компоновки оборудования в общей задаче проектирования многоассортиментных производств 32
1.3 Обзор работ по автоматизированному решению задач компоновки 39
1.4 Современные информационные системы автоматизированного проектирования компоновки оборудования 49
1.5 Постановка задач исследования 53
Выводы к главе 1 56
2 Методологические основы создания автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов 57
2.1 Иерархические системы принятия проектных решений 8
2.1.1 Применение теории сложных систем для решения задач компоновки промышленных объектов J
2.1.2 Основные требования к автоматизированной информационной системе компоновки g2
з
2.2 Системный анализ факторов, влияющих на компоновку объектов технологических систем многоассортиментных производств 65
2.2.1 Выбор типа конструкции цеха и влияние его на компоновку оборудования 66
2.2.2 Способы транспортировки веществ и их влияние на компоновку оборудования 69
2.2.3 Основные правила и требования, предъявляемые к компоновке оборудования 70
2.3 Многокритериальный подход при принятии проектных решений по компоновке промышленных объектов 77
2.4 Разработка математической постановки задачи компоновки промышленных объектов 79
2.4.1 Математическое описание объектов компоновки 80
2.4.2 Критерий задачи компоновки 90
2.4.3 Разработка обобщенной аналитической модели принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов 94
2.5 Методология решения задачи компоновки промышленных объектов 102
Выводы к главе 2 111
3 Аналитические и процедурные модели выбора объемно-планировочных решений цеха 112
3.1 Типовые объемно-планировочные решения производства 112
3.1.1 Требования к промышленным зданиям и их классификация 112
3.1.2 Типизация и унификация промышленных зданий Ц4
3.1.3 Проектирование многоэтажных производственных зданий И6
3.1.4 Проектирование одноэтажных производственных зданий 122
3.2 Постановка задачи выбора оптимальных объемно планировочных решений производственного здания 127
3.2.1 Информационно-логическая модель выбора объемно планировочных решений цеха 130 3.2.2 Критерий оптимальности задачи выбора объемно планировочных решений цеха 134
3.3 Процедура расчета критерия задачи выбора объемно планировочных решений цеха 136
3.3.1 Процедура расчета стоимости строительной конструкции 136
3.3.2 Процедура расчета стоимости технологических трубопроводов 139
3.4 Методика решения задачи выбора объемно-планировочных
решений цеха 148
Выводы к главе 3 157
4 Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по компоновке оборудования технологических систем в многоэтажных производственных помещениях 158
4.1 Постановка задачи оптимальной компоновки оборудования технологических систем в многоэтажных производственных помещениях 165
4.1.1 Аналитическая модель проектного решения задачи размещения оборудования в многоэтажных помещениях 165
4.1.2 Исследование аналитической модели задачи размещения 172
4.1.3 Методы решения задач размещения 176
4.1.4 Алгоритмы решения задач размещения 179
4.1.5 Разработка процедурной модели решения задачи размещения оборудования технологических систем 180
4.1.6 Методика решения задачи размещения оборудования 191
4.2 Постановка задачи оптимальной трассировки трубопроводов технологических систем 192
4.2.1 Аналитическая модель проектного решения задачи трассировки 193
4.2.2 Исследование модели задачи трассировки 201
4.2.3 Методы решения задач трассировки 204
4.2.4 Алгоритмы решения задач трассировки трубопроводов 207
4.2.5 Разработка процедурной модели решения задачи трассировки трубопроводов 209
4.3 Методика принятия проектных решений по компоновке технологического оборудования в многоэтажных цехах 215
Выводы к главе 4 217
5 Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по компоновке оборудования технологических систем в цехах ангарного типа 218
5.1 Постановка задачи оптимального размещения оборудования
технологических систем в цехах ангарного типа 218
5.1.1 Аналитическая модель проектного решения размещения оборудования в цехах ангарного типа 224
5.1.2 Исследование модели задачи размещения оборудования в цехах ангарного типа 233
5.1.3 Критерий выбора оптимального варианта размещения оборудования 237
5.2 Постановка задачи трассировки технологических трубопроводов
в цехах ангарного типа 242
5.2.1 Аналитическая модель проектного решения трассировки трубопроводов в цехах ангарного типа 242
5.2.2 Критерий выбора оптимального варианта трассировки трубопроводов и размещения трубопроводной арматуры 248
5.3 Методика решения задачи компоновки в цехах ангарного типа 253
Выводы к главе 5 270
6 Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений по выбору и размещению трубопроводной арматуры 271
6.1 Автоматизированный выбор трубопроводной арматуры 271
6.1.1 Постановка задачи оптимального выбора трубопроводной арматуры 272
6.1.2 Процедурная модель решения задачи выбора трубопроводной арматуры 275
6.2 Автоматизированное размещение трубопроводной арматуры 280
6.2.1 Постановка задачи автоматизированного размещения трубопроводной арматуры 280
6.2.2 Аналитическая модель проектного решения размещения трубопроводной арматуры 283
6.2.3 Критерий задачи размещения трубопроводной арматуры 288
6.2.4 Процедура решения задачи размещения арматуры 292
Выводы к главе 6 294
7 Аналитические и процедурные модели расчета оптимальных параметров транспортно трубопроводных сетей 295
7.1 Назначение системы расчета транспортно-трубопроводных сетей 295
7.2 Постановка общей задачи гидравлического расчета транспортно-трубопроводных сетей 296
7.3 Процедурная модель выбора оптимального способа транспорта 3 7.3.1 Процедура выбора насосов 307
7.3.2 Процедура расчета оптимального диаметра трубопровода 313
7.3.3 Процедура расчета времени опорожнения цилиндрической емкости 317
7.3.4 Процедура расчета скорости движения жидкости в трубопроводе 320
7.4 Проектирование разветвленных трубопроводов 321
7.4.1 Постановка задачи проектирования паропроводов 321 7.4.2 Критерий оптимальности задачи проектирования паропроводов 324
7.4.3 Аналитическая модель расчета паропроводов 325
7.4.4 Процедурная модель решения задачи расчета паропроводов 327
7.4.5 Процедура теплового расчета участка паропровода 330
Выводы к главе 7 333
8 Автоматизированная информационная система поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов 334
8.1 Описание структуры автоматизированной информационной системы компоновки 334
8.1.1 Описание базы данных системы 336
8.1.2 Описание информационных потоков 343
8.2 Примеры решения задач проектирования компоновок промышленных объектов 347
8.2.1 Пример компоновки оборудования в цехах ангарного типа 348
8.2.2 Пример компоновки оборудования в многоэтажных производственных помещениях 355
8.2.3 Пример детализации проекта трубопроводов 356
Выводы к главе 8 358
Основные выводы и результаты 359
Список использованных источников
- Значение этапа компоновки оборудования в общей задаче проектирования многоассортиментных производств
- Многокритериальный подход при принятии проектных решений по компоновке промышленных объектов
- Аналитическая модель проектного решения задачи размещения оборудования в многоэтажных помещениях
- Аналитическая модель проектного решения задачи трассировки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Успешное решение задач проектирования и ввода в кратчайшие сроки в эксплуатацию современных промышленных производств в химической, нефтехимической, биологической и других смежных отраслях промышленности - необходимое условие развития производства на современном этапе Особенно важно оперативное решение задач проектирования при создании новых и реконструкции действующих многоассортиментных производств (МАП) химических красителей, полупродуктов, кинофотоматериалов, синтетических смол и пластических масс, лаков и красок, химических волокон и реактивов, лекарственных препаратов и аналогичных им производств Для этих производств характерны изменяющийся ассортимент малотоннажной продукции, множество видов перерабатываемого сырья, сложность и неоднозначность маршрутов химического синтеза продуктов, различные конструкции аппаратов, в том числе и многофункционального назначения, преимущественно периодические процессы, наличие вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, очистка аппаратов, пуск, останов и др) Эти и другие специфические особенности МАП (периодичность, многоста-дийность и малотоннажность, сложная система технологических коммуникаций, широкое использование самотека материальных потоков, выпуск на одном технологическом оборудовании нескольких продуктов) затрудняют выбор оптимальных проектных решений традиционными ручными методами Следует отметить, создание МАП — творческий, сложный, многообразный и трудоемкий процесс поиска оптимальных инженерно-технических решений на всех этапах проектирования Причем, оптимизация отдельных процессов на том или ином этапе проектирования без учета их взаимосвязи с остальными может привести к неоптимальным значениям показателей эффективности всей системы в целом
Поэтому повышение качества выполняемых работ с одновременным сокращением сроков проектирования возможно только с широким использованием современной вычислительной техники, что, в свою очередь, требует создания проблемно-ориентированных автоматизированных информационных систем (АИС) поддержки принятия проектных решений на всех этапах проектирования МАП Особенно это актуально для этапа компоновки МАП Решения, принятые на этом этапе, оказывают значительное влияние на другие этапы проектирования - выбора и расчета аппаратурного оформления производства, составления календарных планов выпуска продукции, выполнения работ по проектированию систем отопления и вентиляции и др
Вышесказанное позволяет считать, что решение проблемы автоматизации проектных работ МАП на этапе компоновки является важной и актуальной народно-хозяйственной задачей
Выполненная работа посвящена разработке методологических основ и созданию проблемно-ориентированной автоматизированной информационной системы компоновки, используемой при проектировании новых и реконструкции существующих МАП Результаты, полученные автором, базируются на работах ведущих отечественных ученых В В Кафарова, Е Н Малыгина, В П Мешалкина, И П Но-ренкова, Д Ю Зайцева и др
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовской научно-технической программы "Теоретические основы химической технологии" на период 1995 -2000 гг, а также по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Тамбовского государственного технического университета в 1994 - 2003 гг
Объектом исследования в работе являются процедуры принятия проектных решений по компоновке вновь создаваемых и реконструируемых МАП, реализованные в АИС компоновки промышленных объектов
Предметом исследования являются принципы, математические постановки задач, аналитические и процедурные моде чи, лежащие в основе разработки автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов технологических систем (ТС) на примере МАП
Целью работы является создание методологии построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов, позволяющей решить проблему автоматизации проектных работ МАП на этапе компоновки
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи
-
Сформулированы и обоснованы методологические основы построения автоматизированной информационной системы поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов
-
Проведен информационный анализ процесса проектирования МАП
-
Разработана иерархическая структура процесса принятия проектных решений на этапе компоновки объектов МАП
-
Развиты теория и методы автоматизированного решения задач этапа компоновки
-
Разработана универсальная информационно-логическая модель компоновки промышленных объектов
-
Разработаны и исследованы аналитические и процедурные модели процессов выбора объемно-планировочных параметров производственного помещения, компоновки МАП в многоэтажных цехах и цехах ангарного типа, размещения оборудования и прокладки трубопроводов, как внутри многоэтажных производственных помещений из типовых строительных конструкций, так и в цехах ангарного типа на металлоконструкциях, расчета транспортно-трубопроводных сетей, выбора и размещения трубопроводной арматуры
-
Создана комплексная методика автоматизированного синтеза и анализа проектных решений по компоновке промышленных объектов
-
Разработана автоматизированная информационная система поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов МАП
-
Проведена практическая апробации предложенных подходов на примерах компоновки промышленно-важных производств
Научная новизна полученных результатов
1 Сформулированы и обоснованы методологические основы построения АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов Среди них в первую очередь выделены
концепции системного анализа, комплексного моделирования и теории управления сложными системами,
принципы декомпозиции общей задачи компоновки на систему взаимосвязанных задач, постановки каждой задачи как экстремальной, использования методов математического моделирования как инструмента для разработки аналитических и процедурных моделей компоновки промышленных объектов, многоуровневого геометрического описания объектов компоновки, максимального учета факторов, оказывающих влияние на принятие проектных решений по компоновке МАП
2 Развиты теория и методы автоматизированного синтеза оптимальных
проектных решений по компоновке промышленных объектов, включающие мате
матические постановки задач, аналитические модели процессов компоновки с уче
том строительных, технологических и нормативных требований к проекту, мето
дики автоматизированного решения задач
разработана иерархическая структура процессов поддержки принятия проектных решений по компоновке МАП, в максимальной степени отражающая особенности данного класса производств, определены цели и задачи, решаемые на каждом уровне иерархии, а также информационные потоки между ними,
предложен способ многоуровневого описания объектов компоновки, заключающийся в представлении объектов компоновки в виде комплекса простейших геометрических фигур, с возможностью выделения подобъектов, условия размещения в пространстве которых заданы различными видами представления информации,
впервые поставлена задача совместного оптимального проектирования параметров строительной конструкции, размещения технологического оборудования в производственном помещении, трассировки трубопроводов, расчета параметров транспортно-трубопроводных сетей, выбора и размещения трубопроводной арматуры,
разработана обобщенная аналитическая модель принятия проектных решений по компоновке МАП, имеющая следующие отличительные особенности максимальный учет факторов, оказывающих влияние на принятие проектных решений по компоновке объектов МАП, формализованная запись правил, требований и ограничений, которые должны быть выполнены при выполнении проекта компоновки Показана возможность моделирования на основе предложенной модели комплекса процессов по компоновке промышленных объектов, в частности, процессов размещения оборудования и трассировки трубопроводов,
сформулированы необходимые условия проектируемое модели, увязывающие соотношения модели и исходные данные на проектирование и позволяющие значительно снизить время поиска оптимальных решений,
разработана методика расчета длины соединений в задачах компоновки промышленных объектов, позволяющая на основе знаний о размерах области размещения, объектах компоновки и структуре связей между ними найти нижнюю оценку суммарной длины соединений между объектами технологических систем (ТС) МАП любой сложности
-
Осуществлены постановки задач, решаемых с помощью АИС выбора оптимальных объемно-планировочных решений (ОПР) цеха для вновь проектируемого производства, компоновки объектов в многоэтажных и ангарных цехах, размещения оборудования и трассировки трубопроводов, с максимальной полнотой отражающих особенности процессов компоновки МАП При этом разработка аналитических моделей каждой из задач выполнялась на базе обобщенной аналитической модели компоновки
-
Предложены процедурные модели решения задач размещения и трассировки, основанные на использовании модифицированного метода последовательного размещения объектов и метода вектора спада - для размещения оборудования в многоэтажных цехах, метода покоординатного спуска - для размещения в цехах ангарного типа, адаптированных для работы в каналах двухлучевого алгоритма -для трассировки неразветвленных соединений, алгоритма построения кратчайших
связывающих сетей - для трассировки разветвленных трубопроводов в многоэтажных цехах, волнового алгоритма прокладки трасс трубопроводов - для цехов ангарного типа
-
Разработана постановка задачи расчета транспортно-трубопроводных сетей (ТТС), отличающаяся от известных учетом длительности операций загрузки-выгрузки оборудования Предложена методика решения комплекса задач расчета ТТС на этапе проектирования компоновки оборудования МАП с учетом длительности операций загрузки-выгрузки
-
Впервые разработана постановка задачи автоматизированного выбора трубопроводной арматуры по ряду потребительско-эксплуатационных показателей Предложена оригинальная двухшаговая методика автоматизированного решения задачи, основанная на ранжировании потребительско-эксплуатационных показателей Разработана процедурная модель решения задачи
-
Разработана новая комплексная методика автоматизированного синтеза проектных решений по компоновке МАП, объединяющая решения ряда задач выбора типа и размеров строительной конструкции, размещения оборудования в объеме цеха, прокладки трубопроводов, расчета оптимальных параметров трубопроводов, выбора и размещения трубопроводной арматуры
Таким образом, методология построения АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке МАП включает в себя совокупность принципов, подходов, аналитических и процедурных моделей процессов компоновки объектов ТС, входящих в состав МАП
На защиту выносятся основные положения:
-
Научно обоснованная методология построения АИС принятия проектных решений по компоновке промышленных объектов
-
Постановка задачи совместного оптимального проектирования параметров строительной конструкции, размещения оборудования в производственном помещении, трассировки технологических трубопроводов, расчета параметров транспортно-трубопроводных сетей, выбора и размещения трубопроводной арматуры
-
Обобщенная аналитическая модель процесса принятия проектных решений по компоновке МАП
-
Аналитические и процедурные модели принятия проектных решений задач выбора ОПР цеха, компоновки оборудования в многоэтажных производственных помещениях, компоновки оборудования в цехах ангарного типа, расчета ТТС, выбора и размещения трубопроводной арматуры
-
Методика определения типа и оптимальных размеров строительной конструкции для вновь проектируемого производства
-
Комплексная методика автоматизированного синтеза проектных решений компоновки объектов ТС МАП, объединяющая решения ряда задач выбора типа и размеров строительной конструкции, размещения оборудования в объеме цеха, прокладки трасс трубопроводов, расчета оптимальных параметров трубопроводов, выбора и размещения трубопроводной арматуры
Методика исследования основана на использовании методов системного анализа, математического моделирования, теории графов, методов линейного, нелинейного, дискретного программирования и методов управления производственными ресурсами
Практическая ценность. На основе предложенной методологии, разработанных аналитических и процедурных моделей принятия проектных решений по
компоновке промышленных объектов создана АИС поддержки принятия проектных решений по компоновке объектов МАП, вктючающая
подсистему компоновки "KOBRA3" - для решения задач размещения оборудования и трассировки трубопроводов,
подсистему детализации трасс трубопроводов "AUTOTRACE" - для детального проектирования трубопроводов и вывода спецификаций,
подсистему "АРМАТУРА" - для выбора и размещения трубопроводной арматуры,
имитационную подсистему "KOBRA2" -для исследования решений, принимаемых в процессе выполнения проекта компоновки,
базу данных проекта (содержащую информацию о строительных конструкциях, оборудовании МАП, трубопроводах, свойствах веществ, трубопроводной арматуре) и базу проектов (содержащую информацию о выполненных проектах)
Реализация работы. Разработанный комплекс программ передан в Тамбовский филиал Московского научно-производственного объединения НИОПиК (в настоящее время ОАО "Экохимпроект"), отдельные пакеты программ - в ОАО "Первомайскхиммаш", ОАО «Тамбовский завод "Комсомолец" им Н С Артемо-ва», а также в вузы страны Тамбовский государственный технический университет, Курганский государственный университет, Ивановский химико-технологический университет
Апробация работы Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на Всесоюзных конференциях "Реахимтехника-2" (г Днепропетровск, 1985 г ), "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г Тамбов, 1986, 1988 гг), "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (г Казань, 1988 г), "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем, научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г Тамбов, 1989 г ), IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1994 г ), II Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-99 (Санкт-Петербург, 1999 г ), I, II Международных конференциях "Математические методы в образовании, науке и промышленности" (г Тирасполь, 1999, 2001 гг), I, II Международных научных конференциях и выставке CAD/CAM/PDM "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (Москва, 2001, 2002 гг), Международной научно-технической конференции "Современные системы управления предприятием — CSBC2001" (г Липецк, 2001 г), Международной научной конференции по телематике и Web-средствам в обучении -"Телематика 2001" (Санкт-Петербург, 2001 г ), XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (г Великий Новгород, 1999 г, Санкт-Петербург, 2000 г , г Смоленск, 2001 г , г Тамбов, 2002 г , г Казань, 2005 г , г Яроспавль, 2007 г ) и др
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 107 печатных работ, в том числе монография, статьи в центральных научных журналах, доклады на конгрессах и конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания В основном все научные результаты получены автором Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений, а также в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов и списка использованной литературы Материал изложен на 409 страницах, в том числе 362 страниц основного текста, содержит 51 рисунок и 12 таблиц Список литературы включает 337 позиций
Значение этапа компоновки оборудования в общей задаче проектирования многоассортиментных производств
На этом этапе решаются задачи: выбора аппаратурного оформления каждой стадии ТС, а также задачи оптимизации параметров конструкции и режимов функционирования аппаратов. Определяются характеристики режима функционирования оборудования каждой из ТС, выбираются определяющие размеры и число основных и вспомогательных аппаратов каждой стадии системы, способ переработки партий продуктов на стадиях, осуществляется поиск оптимальных параметров конструкции и режима функционирования каждого основного и вспомогательного аппарата каждой стадии.
К числу основных характеристик режима функционирования АО каждой конкретной ТС при выпуске каждого продукта относятся [25, 109, 162, 309, 321, 322, 329, 333]: размер партии продукта (масса его партии, прошедшей все стадии переработки); длительность цикла работы ТС (промежуток времени между моментами начала или окончания процесса переработки двух партий продукта, нарабатываемых одна за другой).
Исходные данные этапа включают наименования и объёмы выпуска продуктов ТС за указанный период, число её аппаратурных стадий и маршруты следования партий продуктов по стадиям, типы и исполнения аппаратов стадий, а также данные регламентов выпуска продуктов: длительности операций, реализуемых на стадиях, удельные производительности основных аппаратов, диапазоны допустимых значений степени заполнения емкостных аппаратов стадий.
В результате решения задач этого этапа определяются: данные об аппаратурном оформлении всех стадий системы и пооперационном расписании циклов обработки партий всех продуктов аппаратами всех стадий ТС, а также, рассчитанные на его основе, значения продолжительностей периодов обработки партий продуктов на стадиях и длительностей циклов работы ТС по продуктам, продолжительностей выпуска продуктов. 1.1.3 Этап утилизации отходов производства
На этом этапе осуществляется выбор способа переработки сточных вод и газовых выбросов, обеспечивающий экологическую безопасность производства, расчеты оборудования ТС, предназначенных для переработки отходов.
Исходные данные этапа содержат информацию о видах и совокупных количествах отходов производства за указанный период, видах и содержании вредных веществ в отходах, фоновых и предельно-допустимых значениях их концентраций, а также графики образования отходов.
Решаются задачи: формирования ТС утилизации отходов производства и задачи выбора и расчета оборудования для каждой ТС.
При решении задачи формирования ТС утилизации отходов производства выбирается технология утилизации каждого вида отходов (наименования стадий утилизации, материальные индексы их операций, рекомендуемые типы основных и вспомогательных аппаратов), определяется число ТС утилизации и виды отходов, обрабатываемые на каждой из них, материальные индексы, типы основных и вспомогательных аппаратов стадий. Цель решения этой задачи -обеспечение возможности приведения отходов в экологически-безопасное состояние с помощью минимального совокупного числа аппаратурных стадий ТС утилизации.
При решении задач выбора и расчета оборудования определяются: число основных аппаратов стадий ТС утилизации, определяющие геометрические размеры основных и вспомогательных аппаратов, обеспечивающих переработку указанных видов отходов в соответствии с графиками их образования при минимальных затратах на технологическое оборудование этих ТС.
Подробное решение вышеперечисленных задач приведено в работах [182-184, 187, 188]. 1.1.4 Этап составления расписания работы производства Этот этап включает разработку календарного плана выпуска продукции — числа выпускаемых партий каждого продукта и календарного срока выпуска каждой партии в течение указанного периода эксплуатации. Разработку календарного плана необходимо увязывать с графиком технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов (ППР) оборудования: техобслуживание и ремонты, по возможности, следует совмещать с периодами технологических простоев оборудования. На основе календарного плана выпуска продукции определяются графики потребления и расходные нормы производства по сырью и энергии - расходы всех видов сырья и энергии (тепло, холод, электричество) на единицу массы готовых продуктов. Здесь также определяется количество, состав и графики образования отходов производства (сточных вод, газовых выбросов в атмосферу).
Исходными данными этапа являются: - размеры партий продуктов, пооперационное расписание циклов их выпуска и значения длительностей циклов работы каждой ТС производства при выпуске каждого продукта; - возможные последовательности выпуска продуктов на каждой ТС (например, с точки зрения цвета) и нормативные длительности очистки оборудования при переходах с выпуска одних продуктов на другие; - плановые сроки, объёмы поставок продуктов в течение указанного периода эксплуатации и запасы продуктов в начале периода; - пробег каждого аппарата каждой стадии каждой ТС на начало периода, периодичность и нормативную продолжительность технического обслуживания, текущих и капитальных ремонтов аппаратов; - виды сырья, необходимые для выпуска каждого продукта, и пооперационные материальные балансы стадий процессов выпуска продуктов;
Многокритериальный подход при принятии проектных решений по компоновке промышленных объектов
Для принятия компоновочных решений большую роль играет выбор конструкции помещений, так как это определяет дальнейший процесс моделирования. Размещение производств может осуществляться на открытых площадках, в многоэтажных зданиях и в зданиях ангарного типа [4, 6, 15, 16].
С точки зрения автоматизации проектирования производств выбор конструкции цеха (ангарный цех, многоэтажный, размещение производств на открытых площадках) существенно влияет на способы решения данной задачи.
Проектирование производств на открытых площадках применяют в особых случаях [6], так как повышается износ оборудования, что вызвано систематическим попаданием на технологическое оборудование осадков, перепадами температур. При проектировании колонного оборудования необходим расчёт на ветровую нагрузку и принятие мер для предотвращения опрокидывания оборудования. Ремонт и обслуживание технологического оборудования и трубопроводов также усложняются. Но такой способ иногда необходим, например, в случаях, когда невозможно обеспечить требования по безопасности производств в закрытом помещении.
При компоновке оборудования в многоэтажных производственных зданиях к строительной конструкции предъявляются следующие требования [43, 231, 233]: - иметь в плане форму прямоугольника; - монтироваться из унифицированных железобетонных конструкций с шагом сетки колонн 6 6 или 9 9 м (рисунок 1.4); - высота этажей должна быть кратной 0.6 м, но не менее 3 м; - ширина многоэтажного здания должна быть не менее 18 м: - количество этажей определяется характером производства , а также зависит от плана застройки и может меняться; - для монтажа и демонтажа оборудования в строительной конструкции должны быть предусмотрены постоянные или временные монтажные проёмы. Одним из недостатков применения многоэтажных цехов является экономическая неэффективность при проектировании производств малой мощности. Часто проектным организациям приходится сталкиваться с проблемой размещения производств в существующих помещениях, изначально проектируемых под производства других отраслей промышленности.
При проектировании производств в ангарных цехах отсутствует дискретность при размещении технологического оборудования, что, с одной стороны, увеличивает число возможных вариантов компоновки, и, следовательно, даёт возможность найти более оптимальное решение при проектировании, но, с другой стороны, требует использование новых, более сложных методов и алгоритмов нахождения оптимального решения задачи. Появляются такие подзадачи, как определение конфигураций этажерок, лестниц. Так как в ангарных цехах только небольшая часть трубопроводов проходит в специальных каналах, то появляется необходимость решать совместно задачи размещения технологического оборудования и трассировки технологических трубопроводов. При этом необходим учет возможности прохождения трубопроводов по стенам, под площадками обслуживания, под оборудованием и в ряде других мест, нахождение трасс в которых позволяет осуществить технологический процесс, выдержать все требования нормативной документации, а также обеспечить возможность обслуживания, монтажа и ремонта оборудования и трубопроводов. Общая последовательность размещения оборудования в закрытом варианте следующая: -в начале определяют этажность здания (решающие факторы - условия застройки и технология производства); -затем в масштабе 1:100 изображаются планы каждого этажа, наносится сетка колонн и наружные контуры аппаратов. При этом в процессе компоновки обсуждаются различные варианты планов и определяется оптимальный вариант размещения.
Размещение оборудования начинается с выделения групп аппаратов, объединённых определёнными признаками. Установив группу, переходят к расстановке отдельных аппаратов.
Сгруппированное и размещённое оборудование вместе со строительными конструкциями образовывают производственные отделения.
В общем случае различают три вида производственных помещений и отделений: - основные производственные (аппаратурное отделение, компрессорное и насосное отделения, теплопункт, водо и паро-коллекторные отделения); - вспомогательные производственные отделения (вентиляционные камеры, прицеховые электрические подстанции, распределительные пункты); - обслуживающие отделения (прицеховые ремонтные мастерские, кладовые, бытовки, административные помещения).
С точки зрения пожароопасности [232], в зависимости от перерабатываемых веществ [200], производственные помещения подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г, Д.
В зависимости от категории строительные конструкции цехов также имеют те или иные особенности. Например, на случай аварии для уменьшения разрушений в помещениях категорий А и Б перекрытия этажей должны иметь взрывные проёмы. Помещения этих категорий лучше размещать у наружных стен. 2.2.2 Способы транспортировки веществ и их влияние на компоновку оборудования
При проектировании производств одной из важнейших задач является обеспечение транспорта веществ между отдельными аппаратами технологической схемы. Выбор способа транспорта веществ и типа устройств зависит от физико-химических свойств и агрегатного состояния транспортируемой среды, от времени, за которое необходимо произвести транспортировку, от режима работы аппаратов (периодический, непрерывный), а также от экономической целесообразности. Большую роль при выборе способа транспортировки веществ играет обеспечение безопасности производства. Так, например, во взрывопожа-роопасных производственных помещениях всегда, когда возможно, транспорт обеспечивают самотёком. Насосное оборудование в таких производствах должно иметь электродвигатели с соответствующим исполнением, что значительно увеличивает его стоимость, в то время как самотёчный способ транспорта не требует энергозатрат и является наиболее безопасным.
Газообразные вещества, такие как водяной пар, воздух и т.д., подаются из компрессорных установок, теплопунктов, котельных. Транспортировка осуществляется под действием избыточного давления, создаваемого компрессором или в коллекторах и котельных. Транспорт газообразных веществ может также осуществляться без искусственно создаваемого избыточного давления в результате разности плотностей транспортируемых веществ и окружающего воздуха (например вытяжка С02 при брожении). Особенности осуществления транспортировки газообразных и парообразных веществ заключаются в необходимости съёма конденсата из трубопроводов, также в осуществлении мер безопасности для трубопроводов, работающих под высоким давлением и при транспортировке веществ с высокой температурой.
Жидкие вещества транспортируют самотёком, при помощи насосов или избыточного давления, создаваемого в аппарате нагревом, вводом инертного газа или пара (передавливание). Выбор способа транспорта жидких веществ производится по нескольким параметрам, таким как свойства жидкости (вязкость, плотность, наличие твёрдых частиц, токсичность и т.д.); допустимость растворения в жидкости газов или паров, использующихся при передавливании; необходимое время транспорта и допустимая скорость жидкости в трубопроводе; экономическая целесообразность применения того или иного способа транспорта.
Часто приходится осуществлять транспортировку веществ, находящихся в твердом состоянии, а именно - сыпучие материалы. Сырье, некоторые компоненты и конечный продукт часто представляют собой сыпучие материалы, гранулы, порошки и т.д. Транспортировку сыпучих материалов осуществляют гравитационным, пневматическим и гидравлическим способами. Выбор способа транспорта сыпучих материалов осуществляется исходя из его физико-химических свойств, допустимости контакта с жидкостями и газами, применяемыми для гидравлического и пневматического транспорта, допустимости ударов при гравитационном спуске материалов, а также исходя из экономической целесообразности.
Аналитическая модель проектного решения задачи размещения оборудования в многоэтажных помещениях
При решении задачи выбора ОПР цеха размещение оборудования: координаты xap.,yap.,zap. аппаратов еще не известны, поэтому при расчете длины
соединений {fihfii) между аппаратами ХТС используются нижние оценки длины соединений между размещаемыми объектами, которые зависят от размеров строительной конструкции, сложности соединений оборудования ХТС и определяются по методике описанной ниже.
Для получения оценки минимальной суммарной длины связей в рассматриваемой задаче для большей наглядности представим размещаемые объекты и связи между ними в виде графа G=(X,U), где X - множество размещаемых объектов (вершины графа), U - множество технологических связей (ребра графа), причем X=N, U=L. Пусть также задана сетка Gr с шагом равным 1, число узлов которой п больше или равно N. В частности, можно считать, что n=N, т.к. всегда можно расширить множество X путем добавления новых (фиктивных) вершин, т.е. будет выполняться равенство n=N. Тогда ребра графа будут иметь длины 1,2,... к. Если Gr имеет размеры mxl, то максимальная длина ребра в графе к=т+1-2.
Введем понятие стандартного графа Од=(Хд,ид) для графа G=(X,U), отображенного в сетку Gr. Граф GA имеет Хд=Х, UA=U.
Основная идея нахождения нижней оценки суммарного веса ребер произвольного графа G=(X,U) заключается в следующем. Сначала подсчитывается число вершин и ребер графа G. Далее в координатной сетке Gr строится стандартный граф GA=(XA,UA), имеющий такое же число вершин и ребер, как и граф G. Построение ведется путем последовательного помещения в сетку сначала всех ребер GA, длина которых равна 1. Если число ребер графа Од с длиной 1 равно или больше числа ребер графа G, то процесс построения заканчивается. В противном случае, последовательно добавляются ребра с длинами 2, 3 и далее до тех пор, пока общее число ребер графа GA не станет равным числу ребер графа G. Затем производится ранжирование ребер графа G по весам таким образом, что р(Щ p(Ui +1) V/ = l,/, где ср (Ui) - вес Urro ребра, длина которого равна 1 и эти веса приписываются ребрам графа GAB соответствии с порядком построения его ребер.
Тогда, подсчитав суммарную стоимость ребер графа GA, получим нижнюю оценку минимальной суммарной длины для графа G: т\ ml тк 1(ОА)=Еф( ) + 22ф(ит1 ) + Л:1ф(ит1+1112+...+шк.1+]), (3.23) 7 = 1 7=1 7=1 где т, - число ребер графа GA, длина которых равна і, i=l,2,.. .,k. Из приведенных рассуждений следует следующая теорема. Теорема 1. Минимальный суммарный вес произвольных графов с N вершинами и L ребрами не может быть меньше суммарного веса ребер соответствующего стандартного графа GA.
Доказательство теоремы следует из построения стандартного графа. Рассмотрим пример. Пусть дан граф G=(X,U), изображенный на рисунке 3.11. В этом графе Х=6, U=10. Обозначим 0(U)={(p(Ui)z = 1,10} - веса ребер. Положим Ф(и)={2,4,6,8,10,12,14,16,18,20}. Для подсчета нижней оценки веса ребер графа G построим стандартный граф GA по описанному выше правилу (рисунок 3.12).
Учитывая, что расстояние dy между двумя произвольными вершинами в графе GA определяется по формуле : dyHmi-mjMli-ljl, где mi, nij, Ij, lj - координаты вершин xi?Xj є GA в сетке GT с координат 142 ными осями m и 1, а шаг сетки равен 1, получим, что в данном примере ребра Uj, і= 4Д0 имеют длину 1, а ребра Ui,U2,U3 - длину 2. Упорядочив веса ребер графа G в порядке их убывания, и, приписав их ребрам графа вд в порядке его построения, получим по формуле (3.23) нижнюю оценку веса ребер графа G.
Очевидно, что построенный граф Єд в общем случае не изоморфен графу G, т.к. структура связей в графе GA не тождественна G и, следовательно, приведенная выше оценка является весьма грубой.
Другой, более точный способ оценки нижней границы веса ребер графа G, отображенного в сетку Gr, основан на подсчете веса ребер графа с учетом структуры связей и расположения вершин графа в сетке.
Сопоставим каждой вершине X; звездный граф Vi, который состоит из множества U; є U ребер, имеющих своим концом вершину Xj. Под стоимостью ребра Uj будем понимать величину (uj) = dj (uj), где dj - длина ребра Uj. Под стоимостью y/(Vj) звездного графа будем понимать суммарную стоимость его ребер, т.е. v/(Vi)= 2 (Uj). (3.24) Относительно любой вершины Xj остальные, смежные ей, можно расположить так, чтобы y(Vj) имела минимальное значение. Сумма минимальных стоимостей звездных графов и будет нижней оценкой множества всех решений А, т.е. минимальной стоимостью соединений, которая определяется как: ICA IXVj) (3.25) Сумма делится на два, т.к. каждое ребро входит в состав двух звездных графов. Для каждого множества ребер Ц строится упорядоченный вектор их весовФі-(ф?( )А: = 1,2,...,Д.;ф?(м;) Ф?"1(му);иу- є С/,.), где ф (иу) - вес ребра U: Є Ui С ПОРЯДКОВЫМ НОМерОМ /С В ВеКТОре ФІ5 Dj=Ui.
Аналитическая модель проектного решения задачи трассировки
Для трассировки соединений предложено много алгоритмов, отличающихся скоростью и требуемым объёмом памяти при реализации на ЭВМ, а также качеством результата: волновой алгоритм и его модификации, алгоритмы трассировки по магистралям и каналам, лучевые, а также ряд эвристических комбинированных алгоритмов.
Рассмотрим основные понятия и определения, используемые в перечисленных выше алгоритмах.
Можно выделить значительную группу алгоритмов, основанных на идеях волнового алгоритма, предложенного Ли [307]. Этот алгоритм представляет собой развитие алгоритмов построения кратчайших путей в сети и позволяет находить соединения, оптимальные по ряду показателей. Трассировка с помощью волнового алгоритма требует больших затрат машинного времени, причём для генерирования волны используется 90% вычислений, а для прокладки трассы - только 10%. Для выполнения трассировки соединений несложной конфигурации целесообразным является применение лучевых методов.
Лучевой алгоритм отличается высоким быстродействием, однако при его применении могут возникнуть ситуации, когда некоторое число трасс может оказаться нереализованным.
Существует ряд модификаций волновых (лучевых) алгоритмов, основанных на представлении рабочего поля трассировки в виде макро 208 ячеек [1, 308] с определенными признаками. Эти алгоритмы позволяют существенно сократить ресурсы ЭВМ при трассировке.
Эвристические алгоритмы трассировки обычно характеризуются высоким быстродействием и небольшими затратами памяти ЭВМ. Эвристические алгоритмы не позволяют получить оптимальное решение задачи трассировки, т.к. в их основу заложен некоторый постоянный порядок построения трассы и обхода препятствий. Поэтому эти алгоритмы применяют в тех случаях, когда главным требованием является время выполнения трассировки.
Представляют интерес эвристические алгоритмы [197, 269], ориентированные на прокладку трасс с минимумом поворотов. Эти алгоритмы "просматривают" лишь незначительную часть соединений простой конфигурации и обладают высоким быстродействием.
В работах [50, 133] рассмотрены алгоритмы трассировки по магистралям, которые объединены в специальные сети, что приводит к сокращению числа рассматриваемых магистралей.
В рассмотренных выше алгоритмах трассировка осуществляется последовательно, без учёта возможности прокладки последующих трасс. Это приводит к затруднениям, в ряде случаев непреодолимым, при прокладке последних трасс. В этом плане наиболее удачна одна из последних модификаций волновых алгоритмов - "гибкая" трассировка [8]. Поле трассировки разбивается на зоны, в пределах которых решена проблема очерёдности проведения трасс. Однако в целом эта задача не решена, т.к. не решена проблема очерёдности проведения трасс по зонам.
В связи с недостатками последовательных алгоритмов были предложены параллельные методы, основанные на одновременном исследовании трасс [202, 336]. Наиболее эффективно идеи параллельной трассировки воплощены в алгоритмах, использующих представление о каналах [133, 167]. Любое соединение элементов осуществляется путем использования определённых участков магистралей, принадлежащих опреде 209 лённым каналам. Обычно используют два слоя прокладки соединений в каналах с возможностью переходов в точках сопряжения горизонтальных и вертикальных отрезков соединений. Так в работе [291] процесс трассировки разбивается на два этапа: предварительная трассировка, в результате чего все трассы распределяются по каналам, и окончательная трассировка, в процессе которой уточняется расположение соединений на магистралях каналов. Несомненным преимуществом алгоритмов, использующих представление о каналах, является их быстродействие.
Учитывая, что при решении задачи трассировки трубопроводов ТС, естественным образом может быть выделена сеть горизонтальных и вертикальных каналов (трассы прокладываются по заданным уровням - ограничение (4.47); участки трасс трубопроводов ортогональны друг другу - условие (4.46)), можно сделать вывод о том, что прокладку технологических трубопроводов наиболее целесообразно осуществлять с помощью алгоритмов, использующих представление о каналах.
В математическое обеспечение системы компоновки включены следующие алгоритмы трассировки: двухлучевой - для реализации соединений простых связей и алгоритм построения кратчайшего связывающего дерева (КСД) - для разветвлённого ТП. Оба алгоритма ориентированы на представление пространства трассировки в виде системы ортогональных каналов, внутри которых осуществляется прокладка трасс трубопроводов. Формирование каналов осуществляется в соответствии с правилами трассировки ТП. Вдоль цеха - продольные каналы (под ригелями на отметке от 2,5 до 4 м), поперёк цеха - поперечные каналы (в зоне ригелей 210 от 4 до 5,5 м). Ёмкость (размеры) каждого канала определяются в зависимости от плана расположения оборудования, зон ремонта и т. д.
