«Информационные технологии при проектировании и управлении техническими системами (часть 1) Тамбов 2010 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В.А. Немтинов, С.В. Карпушкин, В.Г. Мокрозуб, С.Я. Егоров, ...»

В.А. Немтинов, С.В. Карпушкин, В.Г. Мокрозуб,

С.Я. Егоров, Ю.В. Литовка, М.Н. Краснянский,

А.Б. Борисенко, Ю.В. Немтинова

Информационные технологии при

проектировании и управлении

техническими системами

(часть 1)

Тамбов

2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.А. Немтинов, С.В. Карпушкин, В.Г. Мокрозуб, С.Я. Егоров, Ю.В. Литовка, М.Н. Краснянский, А.Б. Борисенко, Ю.В. Немтинова Информационные технологии при проектировании и управлении техническими системами Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров 150400 «Технологические машины и оборудование»

В четырех частях Часть Тамбов УДК 54.058(075) ББК Н76я Н Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор кафедры системного анализа МИФИ (Государственного университета) Н.В. Максимов Доктор технических наук, профессор Заведующий кафедрой компьютерного и математического моделирования ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина А.А. Арзамасцев Немтинов В.А., Карпушкин С.В., Мокрозуб В.Г., Егоров С.Я., Литовка Ю.В., Краснянский М.Н., Борисенко А.Б., Немтинова Ю.В.

Н217 Информационные технологии при проектировании и управлении техническими системами (часть 1) / Немтинов В.А., Карпушкин С.В., Мокрозуб В.Г., Егоров С.Я., Литовка Ю.В., Краснянский М.Н., Борисенко А.Б., Немтинова Ю.В. – Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2010.–140с.

ISBN 978-5-94275-482-2.

Учебное пособие охватывает широкий спектр задач математического и программного обеспечения различных подсистем автоматизированного проектирования и управления техническими системами. В частности описаны способы представления технических систем и их типовых элементов в реляционных базах данных; задачи компоновок технических объектов; автоматизированные системы технологических расчетов теплообменного оборудования и составления графиков ремонтов технологического оборудования и др. Наличие в пособии раздела на английском языке позволяет использовать его при двуязычной подготовке.

Данное учебное пособие предназначено для учащихся магистратуры по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование», осваивающих программы «Информационные системы технологических машин» и «Теоретические основы проектирования оборудования нефтегазоперерабатывающих, нефтехимических и химических производств», а также аспирантов, проводящих исследования в области оптимального проектирования и управления техническими объектами.

УДК 54.058(075) ББК Н76я Немтинов В.А., Карпушкин С.В., ISBN 978-5-94275-482-2 © Мокрозуб В.Г., Егоров С.Я., Литовка Ю.В., Краснянский М.Н., Борисенко А.Б., Немтинова Ю.В.

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития проектирования и управления техническими системами предполагает использование информационных технологий на всех этапах жизненного цикла. Основными этапами жизненного цикла технических систем (ТС) являются проектирование, монтаж и эксплуатация, последующая реконструкция или утилизация системы. В процессе проектирования осуществляется поиск функциональных решений, представляемых и документируемых в виде функциональной структуры, которая затем может быть материализована с помощью определенных предписаний. Эти предписания служат для изготовления компонентов системы и составляются таким образом, чтобы все функциональные требования были выполнены. В этом смысле процесс проектирования предполагает получение не только всех необходимых чертежей изделия, но и разработку технологических процессов его изготовления. Целью проектирования является разработка и формирование функций технической системы путем переработки технологической и организационной информации.

Во всех отраслях промышленности установлены следующие стадии разработки конструкторской документации [1]: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация. Часто стадии разработки технического проекта и рабочей документации объединяют в одну. Все перечисленные стадии подготовки технической документации являются результатом выполнения определенных этапов проектирования.

Функционирование ТС требует наличия автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) и системы оперативного управления производством (СОУ). Данные системы ориентированы на применение современной вычислительной техники и разрабатываются, как правило, на базе известных SCADA и ERP систем. Они предназначены для решения задач оперативного контроля состояний технологического процесса и оборудования ТС; управления производственным процессом; формирования плана выпуска продукции и проведения планово-предупредительных ремонтов; решения организационных вопросов и др.

Современный уровень развития информационных и коммуникационных технологий на производстве позволяет активно использовать передовые системы автоматизации технологического процесса и управления выпуском продукции и предприятием в целом. Создание единой информационной системы промышленного предприятия позволяет осуществить комплексное решение задач управления выпуском продукции, опираясь на взаимодействие интегрированных автоматизированных информационных систем.

Предлагаемое учебное пособие включает:

• общие сведения о системах автоматизированного проектирования технологического оборудования (ТО) и геоинформационных системах проектирования и эксплуатации технических • представление структуры ТО и его типовых элементов в информационных системах;

• структуру, функции и приемы работы с автоматизированными информационными системами (АИС) компоновок ТО, технологических расчетов теплообменного оборудования, автоматизированного составления месячных графиков ремонтов ТО;

• приемы использования системы моделирования динамических процессов для оперативного управления промышленного производством;

• методики применения средств мультимедиа при создании АИС обучения персонала предприятий химического и машиностроительного профиля.

Авторы надеются, что данное учебное пособие будет полезно для учащихся магистратуры по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование», осваивающих программы «Информационные системы технологических машин» и «Теоретические основы проектирования оборудования нефтегазоперерабатывающих, нефтехимических и химических производств», а также аспирантов, проводящих исследования в области оптимального проектирования и управления ТО.

Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.740.11.0624 (разделы 1,2,4,5,6,7 ) и проекта НК-421П/32 (раздел 3) Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы"

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Создание промышленных объектов осуществляется в следующей последовательности:

1. Обоснование необходимости создания объекта.

2. Предпроектные научно-исследовательские и опытноконструкторские работы.

3. Конструирование и проектирование объекта.

4. Технологическая подготовка производства.

7. Передача в эксплуатацию (внедрение).

Из всех этапов к проектным относятся третий и четвертый.

В процессе проектирования отыскиваются функциональные решения, представляемые и документируемые в виде некой функциональной структуры, которая затем может быть материализована с помощью определенных предписаний. Эти предписания, служащие для изготовления изделий, составляются таким образом, чтобы все функциональные требования, поставленные перед создаваемым изделием, были выполнены. В этом смысле процесс проектирования предполагает получение не только всех необходимых чертежей изделия, но и разработку технологических процессов его изготовления. Целью проектирования является разработка и формирование функций изделия путем переработки геометрической, технологической и организационной информации; подготовка производства обеспечивает технологическую реализацию превращения исходной заготовки в изделие. Другими словами, этап проектирования отвечает на вопрос: что из себя представляет изделие, а этап технологической подготовки производства - как это изделие сделать.

Во всех отраслях промышленности установлены следующие стадии разработки конструкторской документации [1]: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация. Часто стадии разработки технического проекта и рабочей документации объединяют в одну. Все перечисленные стадии подготовки технической документации являются результатом выполнения определенных этапов проектирования.

Этап эскизного проектирования (опытно-конструкторских работ — ОКР) включает определение основных параметров машины и ее систем, проработку принципиальных конструкторских решений, изготовление и испытание макетов сборочных единиц машины. Эскизный проект содержит соответствующую техническую документацию, включающую, в частности, чертежи общего вида машины, основных сборочных единиц и наиболее сложных деталей [2].

Этап технического (рабочего) проектирования заключается в детальной проработке всех окончательных схемных, конструкторских и технологических решений и включает в ряде случаев, например при серийном производстве изделия, изготовление макета и опытного образца, а иногда и установочной серии машин. Выполнение этих работ позволяет подготовить конструкторскую документацию, необходимую для изготовления всех деталей и сборки машины, для заказа всех комплектующих деталей, сборочных единиц и материалов, а также для эксплуатации, хранения и транспортирования изделия.

1.1. Последовательность проектирования Традиционно проектирование новых объектов осуществляют в следующей последовательности.

а) Анализ объекта проектирования и протекающих в нём технологических процессов.

Прежде всего, необходимо проанализировать связь технологического процесса, свойств перерабатываемого материала и конечного продукта с конструкцией объекта.

Конструирование объекта предполагает наличие технического задания, которое устанавливает назначение изделия и требования, предъявляемые к нему. Обычно подготовка технического задания и, особенно, технического предложения требует изыскания информации, характеризующей свойства перерабатываемого материала, конечного продукта, основные закономерности технологического процесса, а также анализа конструкций аналогичных объектов. С этой целью приходится обращаться к научно-технической литературе (монографиям, периодическим изданиям, публикациям ЦИНТИ, а также научно-техническим отчетам отраслевых НИИ, каталогам, патентно-лицензионной и изобретательской документации). Однако при создании оригинальных видов оборудования или в случаях, когда объект предназначается для обработки новых материалов, как правило, отсутствуют необходимые исходные данные о свойствах этих материалов и о закономерностях, определяющих течение технологического процесса; в этом случае их получают опытным путем.

Свойства исходного перерабатываемого материала и конечного продукта являются определяющими для выбора или расчета параметров и конструкции устройств подачи и отвода материалов, а также рабочих органов объекта.

Всесторонний анализ закономерностей технологического (рабочего) процесса, происходящего в объекте, является основой структурного и параметрического синтеза.

б) Топологическое проектирование (структурный синтез) объекта.

Структурный синтез объекта — часть процесса конструирования, связанная с выбором варианта схемы объекта и его устройств. Структурный синтез выполняют по блочно-иерархическому принципу. В соответствии с ним на каждом уровне проектирования синтезируется определенный ранг системы: первоначально — общая схема, затем функциональная схема и конструкции функциональных систем (блоками являются сборочные единицы), далее — отдельные функциональные элементы и детали, входящие в сборочные единицы.

Структурный синтез в настоящее время еще недостаточно формализован; в большинстве случаев его выполняют эвристическими методами, опирающимися преимущественно на эрудицию и интуицию конструктора. При этом большую помощь конструктору оказывают различные справочные пособия.

Задачи на данном этапе можно разделить на задачи компоновки, размещения и трассировки.

в) Параметрический синтез.

Параметрический синтез объекта решает задачу определения основных конструкционных (геометрических и механических) параметров объекта в целом, его отдельных механизмов, устройств и рабочих органов.

В большинстве случаев параметрический синтез является задачей оптимизационного типа: параметры машины должны быть определены таким образом, чтобы заданный или выбранный показатель эффективности имел оптимальное значение.

При этом решаются задачи геометрического моделирования. Геометрическое моделирование включает решение позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. К типовым позиционным задачам относят: определение принадлежности точки плоской области, ограниченной замкнутыми контурами; определение координат точки пересечения прямой с криволинейным контуром или поверхностью;

установление пересечения контуров и вычисление координат их точек пересечения; определение взаимного расположения плоских или пространственных областей. На основе типовых позиционных задач решаются следующие конструкторские задачи: определение факта касания или столкновения движущихся деталей, наложения деталей, проверка гарантированных зазоров между деталями, оценка погрешности обработки контуров и поверхностей деталей на станках.

К метрическим задачам относят, например, вычисление длины, площади, периметра, центра масс, моментов инерции.

г) Определение оптимальных технологических режимов.

Исследование технологического процесса позволяет: найти наивыгоднейшие параметры технологического режима (скорости, давления, температуры и т. д.), обеспечивающие его эффективность и высокое качество продукции; получить необходимые сведения для проведения энергетических расчетов; определить нагрузку на рабочие органы и звенья механизмов, что необходимо для их расчета на прочность, жесткость и устойчивость; выбрать конструкционные материалы и правильно сконструировать рабочие органы машины.

д) Расчеты конструкций.

При техническом (рабочем) проектировании выполняют все расчеты, в частности, динамические расчеты, расчеты на прочность, жесткость, устойчивость и, при необходимости, корректируют размеры. При окончательной отработке конструкции необходимо учитывать результаты экспериментальных исследований на макетах, моделях и опытных образцах объекта.

е) Оформление конструкторской документации.

В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Текстовые документы, кроме описательной части, содержат: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов; технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию; спецификации и т. д. К графическим документам относятся чертежи сборочные и деталировочные, графики структурных сеток кинематических цепей, циклограммы и зависимости для выбора параметров режимов работы агрегатов и устройств, схемы структурные, функциональные и принципиальные (электрические, электронные, гидравлические и т. д.).

протекающих в нем технологических процессов В качестве объектов проектирования будем рассматривать технологические машины.

Машины применяют для увеличения производительности общественного труда и облегчения физического труда человека при выполнении технологических процессов или отдельных операций.

Технологическая (или рабочая) машина представляет собой комплекс механизмов, предназначенных для выполнения технологического процесса в соответствии с заданной программой. В ходе технологического процесса под воздействием рабочих органов машины изменяются качественные показатели предмета труда (физические свойства, форма, положение);

при этом затрачивается полезная работа. В машинах химических производств технологический процесс обычно носит сложный характер: на предмет труда помимо механического воздействия может накладываться какой-либо (или совокупность) типовой процесс химической технологии — химическое превращение, межфазный массообмен, нагрев, изменение агрегатного (фазового) состояния вещества и др. Например, в аммонизаторах-грануляторах происходит не только процесс гранулирования окатыванием, т. е. получение сферических гранул из мелкодисперсного материала перемещением его частиц во вращающемся барабане, но и химическая реакция — нейтрализация жидким аммиаком фосфорной кислоты, содержащейся в пульпе, которая подается в гранулятор, а также сушка материала (тепломассообменный процесс).

Другая характерная особенность машин химических производств заключается в том, что технологические процессы в них могут происходить при высоких (или низких) температурах и давлениях; обрабатываемые материалы могут быть токсичными, коррозионно-активными. Это предопределяет необходимость принятия при проектировании ряда специфических конструктивных решений, обусловливающих безопасность эксплуатации оборудования, его экологическое совершенство, высокую эффективность и долговечность.

Машины химических производств представляют собой сложный технический объект, т. е. являются сложной системой, состоящей из большого числа взаимодействующих элементов. Система характеризуется связностью ее элементов, управляемостью, изменяемостью и иерархичностью, т.е. возможностью расчленения на уровни. На высшем уровне рассматривают самые общие свойства объекта; по мере понижения уровня степень подробности рассмотрения элементов возрастает, причем рассматривают не систему в целом, а отдельные блоки. Это позволяет применить при проектировании машины блочно--иерархический подход [3], разделяя сложную проблему создания нового оборудования на ряд последовательно решаемых задач малой сложности.

ГОСТ 2.101—68 [4] устанавливает следующие иерархические уровни по видам изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Заметим, что сборочные единицы также могут иметь различные иерархические уровни. Например, ротор центрифуги (сборочная единица) является элементом центрифуги, сборочной единицы более высокого уровня, которая, однако, может входить в качестве элемента в комплекс — технологическую линию производства определенного продукта.

В общем случае машина имеет, следующие функциональные системы.

1. Корпус — основная несущая конструкция машины, закрепленная на фундаменте или установленная другим способом.

2. Устройства для подачи и отвода основных и вспомогательных материалов.

3. Исполнительные механизмы, рабочие органы которых выполняют необходимые для реализации заданного технологического процесса кинематические и силовые функции, производя полезную работу.

4. Привод машины, включающий двигатели и передаточные механизмы, преобразующие механические параметры двигателя в значения, необходимые для исполнительных механизмов.

5. Системы обогрева или охлаждения рабочих зон машины.

6. Система контроля технологических параметров и управления машиной.

7. Система и устройства смазочные.

В отдельных случаях некоторые из перечисленных систем могут отсутствовать, например, система обогрева.

Общую задачу проектирования машины можно сформулировать следующим образом. Проектирование машины представляет собой комплекс работ по изысканиям, исследованиям, расчетам и конструированию с целью получения всей технической документации, необходимой для создания нового оборудования, в соответствии с требованиями задания.

На данном этапе осуществляется изучение требований к конструкции создаваемого объекта и технологических процессов, протекающих в нём, по техническому заданию, справочной литературе, научно-техническим отчетам. От полноты информации будет в значительной степени зависеть качество выполнения последующих этапов конструирования.

Топологическое проектирование (структурный синтез) объекта Структурный синтез объекта осуществляется при сочетании интеллектуальной, творческой деятельности конструктора и решения ряда вычислительных задач (компоновки, размещения, трассировки) на ЭВМ.

Творческая деятельность конструктора базируется на следующих методах конструирования.

Метод проб и ошибок. Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок. Суть этого метода заключается в том, что на первом этапе формулируется исходное предложение (гипотеза) по разрабатываемой конструкции в виде ее схемы или эскиза. Конструктор лишь интуитивно предполагает, что данный вариант окажется работоспособным. На втором этапе проверяется (например, с помощью моделирования или экспериментальных исследований) качество предложенного варианта.

Обычно после первой пробы не удается получить требуемое проектное решение, тогда формируется второе предложение, которое учитывает ошибки, допущенные в первом предложении, и снова выполняется проверка работоспособности конструкции и т. д.

Метод проб и ошибок часто используется следующим образом: задаются каким-либо значением неизвестного конструктивного параметра, а затем в результате вычисления других конструктивных параметров оценивают приемлемость принятого значения первого параметра. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока не будет найдена совокупность значений конструктивных параметров, соответствующих ограничениям на параметры и качественным показателям конструкции.

Конструктивная преемственность при проектировании выражается в использовании всего опыта, накопленного в машиностроении вообще и в химическом машиностроении в частности. Такой подход оправдан тем, что каждая машина, каждая сборочная единица — как правило, результат творчества нескольких поколений конструкторов, причем в новых конструкциях используют наиболее удачные и прогрессивные решения. По этой причине, например, при выборе общей схемы машины техническое задание обычно ориентирует конструктора на определенный отечественный или зарубежный прототип (аналог), технические показатели которого находятся на высоком уровне.

Конструктивная преемственность предусматривает критический подход проектанта, как к техническому заданию, так и к машинаманалогам, рекомендованным в качестве прототипа. От конструктора требуются глубокие знания по оборудованию данного типа, отрасли, для которой создают машину, условиям, при которых его будут эксплуатировать.

Конструктивная преемственность не является простым или масштабированным переносом той или иной системы конструкции, так как учитывают возможность использования в разрабатываемой конструкции новых, более совершенных технических средств (комплектующих изделий, конструкционных материалов, технологии изготовления, методов упрочнения и пр.).

Метод трансформации и инверсии, предполагающий преобразование или обращение функций системы или ее элементов, широко используют при конструировании оборудования.

Примеры инверсии. а) изменение на обратные функций деталей конструкции: ведомая деталь делается ведущей, неподвижная - подвижной, направляющая - направляемой, охватывающая-охватываемой, внутренняя-внешней, верхняя - нижней и т. д.; б) изменение способов расположения деталей и элементов конструкции (крепежных, уплотнительных, пружинных, подшипниковых и кулачковых и т. д.): шпонку с вала переносят на ступицу зубчатого колеса, уплотнение - с вала на фланец, подшипники с вала — на колесо, пружину сжатия заменяют пружиной растяжения; в) изменение форм деталей: выпуклую поверхность заменяют вогнутой, наружный конус — внутренним. В результате инвертирования конструкция по сравнению с исходной может приобрести новые эксплуатационные и технологические свойства.

Аналогия опирается на подобие конструкций в природе и технике.

Широко применяется аналогия в роботостроении при разработке механических устройств робота и его «органов чувств». Наименее трудоемким является заимствование конструктивных аналогов из других областей техники.

Метод «мозгового штурма» — метод коллективного генерирования технических решений. Создается группа специалистов — «генератор идей», включающая в себя специалистов смежных, а иногда даже далеких областей науки и техники. Это объясняется тем, что для специалистов отдельной области науки и техники существует «кризис идей», связанный с определенным «избытком информации» и ограничивающий направления совершенствования конструкции, а специалисты из других областей науки и техники могут привнести свежие идеи из своей области. Необходимым условием успеха при использовании этого метода является отсутствие критики высказываемых идей во избежание сковывания творческой инициативы членов группы. Сформированное достаточно большое число решений анализируется специалистами, и наиболее плодотворные технические решения развиваются далее.

Очевидно, что прямая автоматизация с помощью ЭВМ эвристических приемов невозможна, так как описанные процедуры трудноформализуемы. Эффективность использования этих методов в основном определяется интуицией, и, в конечном счете опытом конструктора.

1.3. Автоматизированное решение задач проектирования Рассмотрим некоторые из задач, которые могут быть решены с использованием ЭВМ.

Задача компоновки. Решение задач компоновки конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев наиболее трудоемкая часть конструкторского проектирования, и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Задача компоновки машиностроительных узлов обычно состоит из двух частей: эскизной и рабочей. При решении эскизной части задачи компоновки по функциональной схеме разрабатывают общую конструкцию узла. На основе эскизной компоновки составляют рабочую компоновку с более детальной проработкой конструкции узла.

Если число предлагаемых новых решений (факторов решения) значительно, причем они относятся к различным уровням проектируемого объекта (например, несколько вариантов систем привода, кинематических схем передач, типов рабочих органов, конструкций станины и т. п.), то общее число вариантов конструкции машины становится очень большим.

Количество вариантов может быть существенно сокращено при учете ограничений. Например, при конструировании технологических химических аппаратов, должны выполняться следующие ограничения. Конструкция аппаратов должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, препятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки (для наружного обогрева или охлаждения) допускается выполнять приварными. Аппараты должны иметь круглые люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. Допускаются овальные лазы с размерами по большей оси не менее 400 мм и по меньшей оси не менее 325 мм. Крышки лазов и люков должны быть съемными.

Задача размещения модулей при конструировании машин обычно формулируется следующим образом: в ограниченном объеме необходимо разместить заданное множество элементов, связанных между собой некоторым образом, так чтобы обеспечить оптимизацию условий связи и удовлетворить заданной совокупности ограничений. Такие задачи возникают при размещении электро- и гидроаппаратуры станков и машин.

Основной целевой функцией в этом случае является длина монтажных соединений проводов, трубопроводов или соединительных каналов (в случае модульной компоновки гидроаппаратуры). Ограничения могут быть заданы из условия обеспечения удобства монтажа обслуживания, ремонта и эксплуатации, температурного режима и т.д. Электроаппаратура размещается в электрошкафе, гидроаппаратура - на насосной станции.

Компоновка технологического оборудования [5], а также систем из технологического оборудования (автоматические линии, гибкие производственные системы) производится по критериям компактности, времени обслуживания из условий обеспечения заданного технологического процесса обработки изделия. При нахождении оптимального планировочного решения цеха в качестве элементов будут использоваться найденные компоновочные решения технологических участков, автоматических линий, гибких производственных комплексов. Такого же рода задачи возникают при автоматизации архитектурно-планировочных работ промышленных и жилых зданий.

В наибольшей степени структуре задач размещения и компоновки соответствуют комбинаторные алгоритмы их решения: переборные, последовательные, итерационные, смешанные и эвристические.

Переборные алгоритмы реализуют такую последовательность процедур: генерирование очередного варианта — оценка качества варианта — принятие решения. Генерирование очередного варианта может быть организовано различными способами.

В рассмотренной задаче структурного топологического синтеза, формулируемой как задача целочисленного математического программирования, перебор осуществляется на множестве малой мощности, что допускает даже полный перебор. Но большинство реальных задач структурного синтеза имеет гораздо большую размерность, поэтому при их решении допустим только частичный перебор. Так, количество просматриваемых вариантов L может оказаться экспоненциальной функцией размерности задачи n: L = ken, где k-коэффициент пропорциональности. В силу этого для решения задач компоновки и размещения в САПР применяют главным образом приближенные алгоритмы (последовательные, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные, относящиеся к алгоритмам частичного перебора, смешанные и эвристические).

Рассмотрим основные особенности приближенных алгоритмов при решении задачи разбиения схемы по связности. В случае использования последовательных алгоритмов на каждом этапе выполнения алгоритма в очередной узел добавляется один из элементов схемы. После образования первого узла алгоритм переходит к формированию второго узла и т. д.

Главным достоинством последовательных алгоритмов является их малая трудоемкость и простота реализации. Кроме того, они позволяют легко учесть дополнительные ограничения. Основной недостаток последовательных алгоритмов — локальный пошаговый характер оптимизации, приводящий к достаточно эффективным решениям лишь для схем с относительно невысокой связностью.

В смешанных (параллельно-последовательных) алгоритмах сначала выделяется начальное множество элементов, которые обладают существенными для данной задачи свойствами (число внешних соединений, внутренняя связность, функциональная завершенность). Далее эти элементы распределяют по узлам, что в ряде случаев позволяет получить более равномерные характеристики узлов. Данные алгоритмы являются более сложными, чем последовательные и итерационные, и поэтому применяются в задачах со специальными требованиями.

Последовательные и параллельно-последовательные алгоритмы используются для формирования базового варианта разбиения схемы на узлы. Если его качественные показатели не удовлетворяют поставленным требованиям, то базовый вариант улучшается с помощью итерационных алгоритмов.

Итерационные алгоритмы аналогичны градиентным алгоритмам параметрической оптимизации в том смысле, что на каждой итерации происходит движение в направлении экстремума целевой функции. Приращениям варьируемых переменных в данном случае соответствуют перестановки элементов (парные или групповые) между узлами. Итерационные алгоритмы обеспечивают получение решений, улучшающих характеристики базового варианта. Основной недостаток этих алгоритмов — большие затраты машинного времени по сравнению с затратами машинного времени в последовательных алгоритмах.

Рабочая компоновка — исходный материал для подготовки технического (рабочего) проекта, поэтому необходима простановка основных габаритных, присоединительных, увязочных размеров. Следует также указать размеры посадочных и центрирующих соединений с соответствующими допусками и посадками (ГОСТ 25346—89, СТ СЭВ 144— [6,7],) номера подшипников качения, уровни масла в картерах.

Задача трассировки. Задача трассировки выполняется после решения задачи размещения. Например, при проектировании радиоэлектронной аппаратуры с помощью трассировки определяется геометрия соединений (трасс соединений) элементов, например из условия минимизации суммарной длины соединений.

При решении задачи трассировки исходной будет являться матрица положений элементов B = bij nm, а варьирование матрицы расстояний [d ] будет осуществляться за счет изменения геометрии соединеD= ij nn ний (dij - длина соединения между i-м и j-м элементами печатной платы).

При необходимости в процессе решения задачи трассировки может корректироваться положение (размещение) элементов с целью обеспечения минимума целевой функции - суммарной взвешенной длины соединений:

Здесь D = d ij - матрица расстояний, где dij - расстояние между позициями i и j ; m — число позиций (m n);

B = bij nm - матрица положений, где bij = 1, если элемент xi находится в j-й позиции печатной платы; bij = 0 в противном случае;

A = a ij nu - матрица смежности графа, где n - число модулей; aij число соединений между модулями xi и xj.

Необходимость решения задачи трассировки при проектировании технологического оборудования в основном возникает при конструировании электрических и гидравлических систем, а также при проектировании систем обслуживания, проведении транспортных трасс и т. п.

Задача трассировки электрических и гидравлических систем эквивалентна задачам трассировки проводных соединений в электронных устройствах при менее жестких ограничениях.

Задача трассировки при проектировании систем обслуживания технологического оборудования почти однозначно решается после выполнения этапа размещения оборудования. В некоторых случаях к задачам трассировки сводится конструирование кинематических схем машин.

Задачи трассировки предназначены для определения геометрии соединений, и алгоритмы для решения этих задач назовем геометрическими алгоритмами. Основными алгоритмами в этом случае являются волновые, лучевые, канальные, итерационные и эвристические.

Многие задачи трассировки сводятся к задаче дискретного динамического программирования.

Волновой алгоритм включает в себя два этапа. Этап 1. Построение числовой волны от начальной точки трассы, которая находится в некоторой прямоугольной площадке. Как только числовая волна достигнет конечной точки трассы, процесс распространения числовой волны заканчивается. Каждой площадке присваивается весовое значение, определяющее расстояние от этой площадки до начальной точки трассы.

Этап 2. Непосредственное проведение соединительной трассы с учетом запретных зон на монтажном поле и ограничивающих условий. Перебор прямоугольных площадок начинается от конечной точки трассы так, что на каждом шаге выбирается прямоугольная площадка, имеющая наименьший вес.

Волновой алгоритм связан со значительными затратами машинного времени, причем 90 % времени затрачивается на распространение волны и лишь 10 % на проведение трассы.

Лучевые алгоритмы обеспечивают сокращение затрат машинного времени за счет того, что просматриваются не все прямоугольные площадки, как это делается в волновых алгоритмах, а только те, которые расположены по некоторым направлениям (лучам).

В канальных алгоритмах трассы прокладываются не по дискретным площадкам рабочего поля, а по системе вертикальных и горизонтальных каналов. Эти алгоритмы состоят из двух этапов.

Этап 1. Распределение соединений по каналам и оптимизация.

Этап 2. Расположение соединений на магистралях каналов.

В итерационных алгоритмах трассировка сначала проводится без учета взаимного влияния трасс, затем удаляются трассы, которые не удовлетворяют заданным ограничениям по длине, числу пересечений и перегибов. Проводится повторная трассировка с учетом расположения других трасс до тех пор, пока не будут выполнены все ограничения.

Наибольшее быстродействие имеют эвристические алгоритмы трассировки, которые в отличие, например, от волновых алгоритмов трассировки, просматривающих все трассы для выбора оптимальной, сразу стремятся проложить трассу по кратчайшему пути. Обход препятствий осуществляется по определенным правилам.

Как уже говорилось выше, параметрический синтез объекта решает задачу определения основных конструкционных (геометрических и механических) параметров объекта в целом, его отдельных механизмов, устройств и рабочих органов.

В алгоритмах геометрического проектирования фигурируют геометрические объекты, являющиеся исходными данными, промежуточными и окончательными результатами конструирования. Детали и узлы конструкции имеют самые разнообразные геометрические характеристики. Например, поверхность детали характеризуется микрогеометрией (шероховатостью поверхности, отклонением формы, размеров) и макрогеометрией (параметрами, определяющими форму и положение в пространстве).

Через геометрические характеристики детали вычисляются исходные геометрические параметры для функциональных моделей: масса, центр масс, моменты инерции, жесткость и демпфирование. Геометрические параметры определяют конструктивные элементы детали (шпоночный паз, канавку, лыску, фаску, взаимодействие деталей и т. д.). Кроме того, эти параметры связаны с технологическими характеристиками, необходимыми для изготовления детали и сборки узла.

Геометрическая модель — совокупность сведений, однозначно определяющих форму геометрического объекта. Геометрические модели могут быть представлены совокупностью уравнений линий и поверхностей, алгебро-логическими соотношениями, графами, списками, таблицами, описаниями на специальных графических языках. Теоретической основой создания геометрических моделей являются аналитическая геометрия, теория множеств, дифференциальная геометрия, теория графов, алгебра логики.

При геометрическом проектировании геометрические модели применяются для описания геометрических свойств объекта конструирования (формы, расположения в пространстве); решения геометрических задач (позиционных и метрических); преобразования формы и положения геометрических объектов; ввода графической информации; оформления конструкторской документации.

Различают геометрические модели аналитические, алгебрологические, канонические, рецепторные, каркасные, кинематические и геометрические макромодели.

Аналитические геометрические модели представляются уравнениями, описывающими контуры или поверхности деталей. Например, общее уравнение кривой второго порядка на плоскости в прямоугольной системе координат F(x, y)=ax2+2bxy+cy2+2dx+2ey+g= Поверхность вращения описывается уравнением F(x, y, z)=a(x2+y2)+bz2+2cz+d=0, где x, y, z - оси координат: a, b, c, d, e, g - постоянные коэффициенты.

Аналитические модели служат основой для описания элементарных геометрических объектов, на основе которых могут быть получены составные геометрические объекты. Таким образом, каждый участок составной геометрической модели или контура описывается своим уравнением, а описание общей модели становится кусочно-аналитическим.

Алгебрологические геометрические модели обеспечивают задание плоских фигур и трехмерных тел, в которых геометрический объект описывается логической функцией условий, выражающих принадлежность точки тем или иным пространственным областям.

Канонические геометрические модели применяют в тех случаях, когда в геометрических объектах удается выделить параметры, которые однозначно определяют их форму. Например, для окружности такими параметрами являются координаты центра и радиус окружности.

Рецепторные геометрические модели в своей основе имеют приближенное представление геометрического объекта в плоскости или пространстве рецепторов. В области рецепторов строится прямоугольная решетка или сеть. Каждая клетка сети или решетки рассматривается как отдельный рецептор, который может иметь состояние 0 или 1. Рецептор считается возбуждённым (значение 1), если он включается в контур плоской или пространственной области. Каждый плоский или пространственный геометрический объект может быть описан двухмерной или трехмерной матрицей, состоящей из нулей или единиц. На основе рецепторных матриц при геометрическом проектировании решается большое число задач.

Каркасные геометрические модели используют при описании поверхности в прикладной геометрии. Дискретный каркас поверхности может быть построен в виде сетки кривых, которая разбивает исходную поверхность на совокупность топологически прямоугольных порций. Каждая порция поверхности аппроксимируется, например, поверхностями третьего порядка (поверхностями Безье, или сплайнами).

Позиционные задачи геометрического моделирования. К наиболее важным позиционным задачам относятся определение принадлежности точки замкнутой плоской или трехмерной области, определение пересечения или касания плоских или объемных тел (деталей) в процессе их движения, оценка минимального или максимального расстояния и т. д.

Метрические задачи геометрического моделирования. Основными параметрами деталей, вычисляемыми при решении метрических задач геометрического моделирования, являются площади, массы, моменты инерции, объемы, центры масс и т. д. Для определения этих параметров исходный геометрический объект разбивается на элементарные геометрические объекты. Например, в плоской фигуре выделяются секторы (если в контуре имеются дуги окружности), треугольники и трапеции. Приведем формулы для вычисления метрических параметров некоторых элементарных геометрических объектов. Площадь k-го сектора радиуса rk где Координаты центра масс k-го сектора где xko, yko - координаты центра k-й окружности; k, k - полярные углы для начальной и конечной точек k-й дуги контура.

Таким же образом по известным формулам можно вычислить центробежный момент инерции трапеции, моменты инерции сектора, координаты центра масс геометрического объекта, его центральные и главные моменты инерции и т. д.

Вычисление геометрических характеристик пространственных геометрических объектов производится также с помощью их разбиения на простые (типовые) области, для которых известны формулы, определяющие эти характеристики. В некоторых случаях, например при использовании алгебрологических геометрических моделей, для вычисления характеристик деталей применяют метод статистических испытаний, который достаточно просто реализуется на ЭВМ. Однако при повышенных требованиях к точности расчетов этот метод требует больших затрат машинного времени.

Геометрический синтез деталей. Большую группу задач геометрического синтеза составляют задачи синтеза рациональных форм деталей.

При этом варьируемой переменной является форма детали (задаваемая, например, координатами опорных точек). В качестве критерия могут выступать технико-экономические показатели и технологические переменные. Например, задача синтеза формы кузова автомобиля, при которой сопротивление воздуха будет минимальным. Или задача синтеза формы причальной стенки, при которой затраты на её возведение будут минимальными при выполнении ограничений (защита берега от волн).

Технология визуальной параметризации.

Технология визуальной параметризации заключается в том, что в процессе построения чертежа автоматически формируется математическая геометрическая модель, в которой фиксируются следующие параметры: 1) отношения между линиями - параллельность, перпендикулярность, касание и т.д.; 2) размеры - расстояние, радиус, угол и т.д.; 3) элементы оформления чертежа - размеры, штриховки, допуски, обозначения шероховатостей, тексты и т.п. Таким образом, параллельно с графическим изображением чертежа формируется его математическая модель.

При изменении параметров происходит изменения конфигураций деталей, взаимные перемещения деталей в сборках, выполняются различные расчеты, может изменяться состав изделия (моделируются варианты исполнений). Инструменты параметризации позволяют избежать ошибок, а значит, повышают эффективность работы.

На параметрическом чертеже при перемещении линий построения или изменении их параметров (расстояний, радиусов и т.д.) линии изображения, размеры, штриховки и т.д. следуют за вспомогательными линиями, изменяя облик чертежа. За несколько минут можно получить десятки рабочих чертежей разных типоразмеров изделия.

Необходимо создавать чертеж с взаимосвязанными видами, когда изменение параметров на одном виде приведет к соответствующим изменениям на других видах. Это исключает ошибки в проектировании.

Большой эффект может принести использование баз данных, позволяющих реализовывать в одном чертеже целые каталоги изделий. Это позволяет создавать элементы конструкций в полуавтоматическом режиме, задавая их параметры из баз данных.

1.5. Функции, характеристики и примеры CAE/CAD/CAM-систем Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D — получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей.

Среди CAD-систем различают “легкие” и “тяжелые” системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универсальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей.

Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC — Numerical Control), расчет норм времени обработки.

Наиболее известны следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения. “Тяжелые” системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Siemens PLM Software); Pro/Engineer (PTC — Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

“Легкие” системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), TFlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. C ростом возможностей персональных ЭВМ грани между “тяжелыми” и “легкими” CAD/CAMсистемами постепенно стираются.

Перечислите основные этапы создания промышленных объектов.

Какие стадии разработки конструкторской документации вы Раскройте содержание структурного и параметрического синтеза промышленных объектов?

В чем суть блочно-иерархического подхода при создании Каковы основные стадии конструирования машин и аппаратов с использованием ЭВМ?

Этапы автоматизированного решения задач компоновки промышленных объектов. Приведите примеры задач компоновки.

Методы и алгоритмы решения задач трассировки технологических коммуникаций.

Геометрические модели и способы их представления..

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ

1. ГОСТ 21.101–97. СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации (введен в действие Постановлением Госстроя РФ от29.12.1997 № 18–75).

2. ГОСТ 2.119-73 Единая система конструкторской документации.

Эскизный проект 3. Месарович, М. Теория иерархических многоуровневых систем / М.

Месарович, Д. Мако, И. Такахара. – М. : Мир, 1973. – 344 с.

4. ГОСТ 2.101-68 Единая система конструкторской документации.

Виды изделий 5. Егоров, С.Я. Аналитические и процедурные модели компоновки оборудования промышленных производств: монография / С.Я. Егоров. – М.: "Издательство Машиностроение-1", 2007. – 104 с.

6. ГОСТ 25346-89 Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОНОВОК

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Одним из перспективных направлений повышения эффективности функционирования химических производств в т.ч. производств с гибкой технологией (производства кино-фотоматериалов, лекарственных препаратов, красителей и добавок к материалам) является интенсификация использования средств вычислительной техники в процессе проектирования. В частности это касается этапа компоновки оборудования. Ряд отличительных особенностей производств данного класса: периодичность технологии, многостадийность и многоассортиментность производств, сложность химических реакций, широкое использование самотека материальных потоков, совмещенность наработки различных продуктов на одном технологическом оборудовании делают этот этап одним из самых трудоемких в процессе проектирования.

Выбор оптимальных объемно-планировочных решений по компоновке оборудования невозможен традиционными ручными методами.

Повышение качества проектных работ с одновременным сокращением сроков проектирования возможно только на основе широкого использования современной вычислительной техники в процессе поиска оптимальных проектных решений, что в свою очередь невозможно без разработки моделей, методов и алгоритмов для решения соответствующих задач.

Кроме того, решение задач компоновки требует наличия обширной базы данных, содержащей справочную информацию о конструктивных решениях оборудования, используемого в производствах данного класса, а также информацию о типоразмерах труб и трубопроводной арматуре, что в свою очередь усложняет поиск оптимальных проектных решений.

В учебном пособии рассмотрены вопросы автоматизированного проектирование наиболее сложного и трудоемкого этапа проектирования химических производств - этапа определения рациональной компоновки производства, включающего в себя определение размеров цеха, а также оптимального расположения в нем оборудования ХТС и трасс трубопроводов. Овладение студентами основами автоматизированного проектирования химических объектов поможет им применить полученные знания в реальной работе на производстве.

2.1. Основные сведения о этапах проектирования Проектирование химических производств – творческий, сложный, многообразный и трудоемкий процесс поиска оптимальных инженернотехнических решений в условиях неполной информации, представляющий собой взаимосвязанную совокупность нескольких организационных и инженерно-технических стадий [36].

Проектирование новых производств осуществляют на основе решений, принятых в утвержденных технико-экономических обоснованиях (ТЭО) или технико-экономических расчетах (ТЭР), в две организационные стадии: проект; рабочая документация или рабочие чертежи. Проектирования тиражируемых объектов выполняют, как правило, в одну стадию – рабочий проект.

Проектирование химических производств включает две взаимосвязанные инженерно-технические стадии: 1) технологическое, или функциональное проектирование; 2) конструкционное, или монтажнотехническое проектирование.

В проекте подробно разрабатывают основные технические решения, принятые в техническом задании (ТЗ) на проектирование, в ТЭО (ТЭР) и в технологическом регламенте (ТР). Для проектируемого производства определяют его технико-экономические показатели и его сметную стоимость. В результате создания проекта разрабатывают технологическую схему производства; выбирают и рассчитывают все виды оборудования;

составляют калькуляцию себестоимости готовой продукции и сметы на строительство проектируемого объекта; разрабатывают проекты вспомогательных сооружений.

В рабочем проекте определяют окончательные формы и размеры оборудования; осуществляют объемно-планировочное решение производства; разрабатывают всю техническую документацию по которым ведется изготовление оборудования, монтаж и строительство объекта.

Основными задачами технологического, или функционального проектирования химических производств являются: обоснование района строительства производства; разработка оптимальной технологической схемы; определение оптимальных технологических и конструкционных параметров аппаратов, а также выбор оптимальных технологических режимов, которые обеспечивают на спроектированном объекте выпуск заданного количества химических продуктов в соответствии со стандартами и технологическими условиями. Кроме того, на стадии технологического проектирования разрабатывают принципы автоматического управления отдельными процессами и производством в целом, а также методы аналитического контроля химико-технологических процессов.

Задачи технологического проектирования решают инженерытехнологи в основном при создании проекта.

Основные задачи конструкционного, или монтажно-технического проектирования: выбор оптимального объемно-планировочного решения (компоновка) производства; выбор и разработка конструкций и чертежей технологического оборудования; оптимальное размещение оборудования в заданном объеме (или с его определением) производства; выбор конструкций и разработка трасс и чертежей технологических трубопроводов и инженерно-транспортных коммуникаций; разработка чертежей производственных и жилищно-хозяйственных зданий, а также составление монтажно-технологической документации, необходимой для строительства и пуска в эксплуатацию проектируемого объекта.

Компоновка, или объемно-планировочное решение производства – операция конструкционного проектирования химического производства, в результате которой определяют состав производственных помещений, их размеры и рациональное взаимное расположение, а также выполняют в определенном масштабе чертежи поэтажных планов и разрезов.

Важной операцией конструкционного проектирования является монтажная проработка производства, в результате которой решаются задачи размещения оборудования и трассировки внутрицеховых трубопроводов, создаются чертежи всех технологических трубопроводов и чертежи трубопроводной обвязки технологического оборудования проектируемого производства.

Задачи конструкционного проектирования решают инженеры различных специальностей (механики, конструкторы, строители, энергетики, электрики, сантехники, экономисты и др.) при активном творческом сотрудничестве с инженерами-технологами.

оборудования в общей задаче проектирования производств Как было отмечено выше задача нахождения оптимального варианта объемно-планировочных решений при проектировании производств является одной из наиболее трудоемких. Причем нахождение оптимального варианта предусматривает выбор наилучшего с точки зрения того или иного критерия отбора из всех допустимых, но на практике часто оказывается проблематичным найти хотя бы одно или несколько допустимых решений задачи в связи с множеством ограничений. Задачи компоновки технологического оборудования и трассировки технологических трубопроводов тесно связаны со многими задачами, входящими в общую цепочку проектирования производств (Рис.2.1).

Так, для задач компоновки технологического оборудования и трассировки трубопроводов исходными данными являются результаты решения задач синтеза технологической схемы и расчета аппаратурного оформления, полученные на предшествующих этапах. Выходными данными после решения задачи компоновки являются габаритные размеры цехов, координаты расположения оборудования и конфигурация трубопроводов, конфигурация площадок обслуживания и этажерок, а также расположение трубопроводной арматуры и контрольно-измерительных приборов. На основании этих данных разрабатывается монтажнотехнологическая схема, электротехническая часть проекта, части водопровода и канализации, отопления и вентиляции, архитектурностроительной части и др.

При решении задачи компоновки технологического оборудования необходимо обеспечить условия функционирования технологической схемы, что в основном сводится к обеспечению транспортировки материальных потоков, а так же условия монтажа и обслуживания оборудования и трубопроводов. Это обстоятельство делает особенно важными для решения задачи компоновки технологического оборудования вспомогательные расчеты, такие как гидравлические, прочностные и тепловые.

Рис. 2.1. Место этапа компоновки оборудования при проектировании химических производств.

Гидравлические расчеты необходимы для выбора способа транспорта или оценки возможности транспортировки материальных потоков заданным способом (самотек, передавливание, насос), а так же непосредственно для подбора насосов или компрессоров. Задача расчета технологических трубопроводов широко рассматривается в работах [36,38,45,47].

Прочностные и тепловые расчеты необходимы для проверки трубопроводов на прочность при нагрузках от тепловых перепадов, подбора тепловой изоляции, определения тепловыделений в производственные помещения, подбора опор и крепежа для трубопроводов, расчета металлоконструкций под аппараты и т.д.

2.3. Монтажно-технологическая документация проекта Включает в себя ряд текстовых и графических документов, разрабатываемых в процессе выполнения проекта.

Основными исходными данными для разработки монтажнотехнологической части проекта являются:

а) техническая записка;

б) технологическая схема.

Выходные текстовые документы включают:

а) спецификацию технологического оборудования по ГОСТ 21.110-95 [11];

б) ведомость трубопроводов (ТП), с характеристикой по участкам по ГОСТ 21.401-88 [12] ;

в) сводные спецификации ТП, арматуры и деталей ТП по ГОСТ 21.109-80 [23];

г) монтажно-пояснительную записку (расчеты и пояснения);

д) сметную документацию.

В состав выходной графической документации входят:

а) компоновочные чертежи производства;

б) монтажно-технологическая схема (МТС);

в) монтажные чертежи (МЧ);

г) деталировочные чертежи;

д) чертежи неметаллических трубопроводов;

е) эскизы креплений трубопроводов;

ж) установочные чертежи;

Техническая записка (ТЗ) - служит основным источником сведений для проектирования монтажно-технологической документации.

В основных разделах ТЗ содержатся сведения:

режима и методах их стабилизации.

На основе этих сведений и заданной производительности рассчитывают основное и вспомогательное оборудование. Результаты расчетов помещают в раздел “Расчет и выбор технологического оборудования”.

Из расчета емкостного оборудования проектировщик узнает: объем аппарата; теплопередающую поверхность греющих элементов; тип и характеристику перемешивающих устройств. Если это существенно, приводится указание о желаемом соотношении между высотой (длиной) аппарата и его диаметром.

В расчете должны также содержаться сведения об агрессивности рабочей среды, о давлении и температуре в аппарате и греющем элементе.

Из расчета теплообменной аппаратуры получают: размеры теплопередающей поверхности; принятую схему теплообмена; конечные температуры и т.д. Например, для кожухотрубчатых теплообменников определяют: диаметр кожуха; диаметр, длину и количество трубок, их размещение; число ходов и давление в трубном и межтрубном пространстве;

температуру стенок кожуха и трубок; рабочее положение аппарата и т.д.

Во всех случаях в ТЗ должна быть приведена характеристика веществ по их токсичности, взрыво и пожаро-опасности [6].

Технологическая схема (ТС) является иллюстрацией к ТЗ и дает наглядное представление о новом процессе. Она служит основой для разработки системы контроля и автоматизации отдельных узлов и всего производства, а также главным техническим материалом для монтажной проработки.

Разработку и вычерчивание схемы целесообразно вести в указанной ниже последовательности.

1. Вычерчивается оборудование с основными внутренними устройствами (теплообменными трубками, барботажными тарелками и т.д.) [16На 1-й лист схемы наносятся все вводы и выводы, т.е. участки ТП, соединяющие оборудование с внешними коммуникациями.

3. Проводятся общецеховые газовые и жидкостные коллекторы.

4. Аппараты и машины соединяются линиями основных технологических потоков, одновременно расставляется вся необходимая арматура.

5. Совместно со специалистами по автоматике на схему наносятся все первичные элементы и исполнительные механизмы КИП (бобышки манометров термопар, диафрагмы расходомеров, ротаметры, регулирующие клапаны).

6. Изображаются все вспомогательные линии: дренажные, продувочные, загрузочные, от предохранительных клапанов и др.

7. Составляются экспликации оборудования и приборов контроля и автоматики.

8. Показываются условные обозначения, принятые в данной схеме.

При выполнении схемы рекомендуется все аппараты вычерчивать в масштабе 1:100. Нанести условные линии отметок этажей и при вычерчивании оборудования учесть его высотное взаимное расположение. Основные технологические потоки выделить жирными линиями. Высотные размеры, влияющие на технологический процесс (например, расстояния между выводами разделяемых жидкостей из флорентинского сосуда, высоту гидравлического затвора и т.п.) обязательно проставить на схеме.

Внизу листа оставить 15 см под КИП.

При вычерчивании схемы необходимо также отобразить мероприятия, улучшающие условия труда, например, расположить распределительные гребенки и отдельные вентили, задвижки как можно ниже.

Для удобства чтения схемы газовые коллекторы рекомендуется изобразить в верхней, а жидкостные - в нижней её части.

На ТС должны быть проставлены позиции аппаратов и машин, условные проходы труб, позиции приборов контроля и автоматики, наименования и направления продуктовых потоков, марка основной трубопроводной арматуры по каталогу.

Монтажно-технологическая схема (МТС) должна отражать особенности технологического процесса трубопроводной обвязки оборудования. Эта схема разрабатывается для того, чтобы показать двустороннюю связь основных и вспомогательных технологических узлов со схемой контроля и автоматики, показать все элементы, обеспечивающие бесперебойную работу производства и возможность применения индустриальных методов монтажа, а также с целью облегчить чтение монтажных чертежей.

Исходными данными для разработки МТС являются: технологическая схема технического проекта; чертежи технологического оборудования и монтажной проработки.

В свою очередь МТС служит для: окончательного оформления монтажных чертежей; составления характеристики ТП по участкам; составления сводных спецификаций деталей ТП; составления задания для разработки проекта теплоизоляции.

МТС - является ключом к чтению монтажных чертежей.

Особенности выполнения МТС:

- Изображение аппаратов на МТС должно строго соответствовать их чертежам. В частности, должны быть показаны все штуцеры и люки независимо от того, используются ли они в данном производстве.

- Высотное расположение должно быть выполнено в принятом масштабе.

- Все трубопроводы должны изображаться в пределах тех отметок, на которых они находятся в действительности.

- Вся схема в целом плоскостная. Лишь вводы в цех можно изображать под углом 450.

- Удобно сосредоточить все группы вводов на одном месте схемы (схеме вводов), сделав на каждом участке указание, к какому аппарату или к какой группе аппаратов направлен данный ТП.

- Схема коллекторов выполняется в виде отдельной части общей МТС и представляет собой вычерченное в условной аксонометрии изображение всех основных и промежуточных коллекторов и групп вводов.

На этом же чертеже можно разместить и экспликацию продуктов.

- Порядок присоединения отдельных отводов к коллекторам (а также размещение первичных приборов и запорной арматуры на МТС) должен точно соответствовать компоновочным чертежам.

Последовательность выполнения МТС в основном сходна с последовательностью разработки ТС.

Выполнение схемы следует начать с вычерчивания схемы коллекторов (рис. 1.2). Сначала намечаются линии коллекторов, идущих от схемы вводов, а затем от возможных промежуточных коллекторов (например, объединяющих воздушки нескольких аппаратов). Все трубопроводы маркируют. Затем переходят к изображению отдельных аппаратов.

Начертив первый технологический аппарат, показывают ТП, входящие в его обвязку, регулирующую и запорную арматуру, расходомеры, предохранительные клапаны и т. п. При этом изображение различных гребенок должно максимально совпадать с их конфигурацией на монтажных чертежах. Арматура и гребенки наносятся в пределах истинных отметок (по высоте).

Сделав обвязку 1-го аппарата, делают заготовки для маркировки участков ТП, отмечают стрелками направления потоков и лишь затем переходят к следующему аппарату.

После обвязки всех аппаратов приступают к маркировке. Маркируя каждый участок, необходимо тут же заполнять соответствующие столбцы журнала трубопроводов табл. 1.1.

Кроме участков ТП, на МТС должны быть обозначены размеры труб (наружный диаметр и толщина стенки для металлических труб, наружный и внутренний диаметр - для неметаллических), материал труб (кроме изготовленных из углеродистой стали), марка по каталогу и условный проход всей трубопроводной арматуры, условные обозначения таких деталей и устройств, как переходные патрубки, компенсаторы, смотровые фонари, бобышки и штуцеры для установки первичных приборов контроля и автоматики.

Рис. 2.2. Фрагмент монтажно-технологической схемы.

МТС – является ключем к чтению монтажных чертежей. Все трубопроводы на МТС маркируются. Существуют различные способы маркировки ТП. Один из них – две цифры заключенных в кружок: 1-я цифра шифр продукта, транспортируемого по ТП; 2-я - порядковый номер участка ТП.

Начальным может служить участок, связанный с межцеховой эстакадой, или отходящий от аппарата, в котором образовался новый продукт.

Журнал трубопроводов содержит все сведения о ТП, которые не могут быть отражены на МТС и МЧ: категория ТП, рабочие параметры транспортируемых веществ, условия испытаний ТП, материал всех его деталей, включая материал фланцев, прокладок, крепежных изделий, отводов, а так же термоизоляции отдельных участков.

Обозначение участка ТП …….

Испытания проводят на прочность и герметичность (графа – “Вид”).

Возможные способы испытания: гидравлический и пневматический.

Испытание на прочность ТП проводят, как правило, гидравлическим способом. При испытании на герметичность в графе “Дополнительные указания” указывается время испытания и величина падения давления.

Вторая часть журнала содержит перечень изделий составляющий ТП, так называемая “Ведомость ТП” по ГОСТ 21.401.88 [12]. На основе журнала ТП составляются все заказные спецификации труб, арматуры и изделий.

Сводные спецификации составляются по ГОСТ 21.109-80 [23] и содержат: спецификации на трубы и детали ТП; спецификации на не стандартизированные детали ТП; сводные спецификации креплений ТП;

сводные заказные спецификации на арматуру; спецификации материалов по тепловой изоляции.

Сметная документация включает: стоимость материалов деталей ТП в узле; стоимость монтажа деталей ТП в узле; стоимость арматуры и ее монтажа; затраты на дополнительные работы при монтаже и испытаниях ТП.

Основные виды рабочих чертежей:

Заглавный лист - включает в себя: перечень текстовой и графической информации; перечень справочной информации; чертежи общих комплектов оборудования (масштаб 1:400) с изображением вводов внешних сетей и примечания по всему проекту.

Компоновочные чертежи (КЧ) -это масштабное изображение архитектурно - строительных конструкций и расположение в плане всех аппаратов с указанием осевых линий фундаментов, контуров и расположение сооружений, зданий. Масштаб исполнения 1:50, 1:100, 1:200 или 1:400. На КЧ вертикальные оси обозначают заглавными буквами русского алфавита, заключенными в кружок, а горизонтальные – цифрами.

Монтажные чертежи (МЧ) — это масштабное изображение планов, продольных поперечных размеров с нанесенными на них оборудованием и ТП. МЧ разрабатываются на основе МТС и КЧ. Наиболее часто используется масштаб чертежей 1:100. Монтажные чертежи составляют 60% всего объема рабочих чертежей.

Исходные данные для МЧ: МТС; чертежи монтажной проработки;

строительные чертежи; чертежи проекта отопления и вентиляции.

Последовательность выполнения МЧ следующая:

- Определяются количество планов и разрезов. Для 1го и 2го этажа чаще всего приходится делать 2 плана. Количество разрезов определяют из расчета, чтобы каждый аппарат попал хотя бы в один разрез.

- Тонкими линиями вычерчиваются заготовки планов и разрезов (заготовки — изображения строительных конструкций в масштабе 1:100). В них должны быть показаны все элементы, которые могут повлиять на прокладку труб: ригели, балки, ребра плит, связи, монорельсы, колонны, фундаменты под колонны. Кроме того, наносятся сечения воздуховодов систем вентиляции. Показываются сечения коллекторов (на планах) и стояков (на разрезах).

- Указывают величину предварительного растяжения (сжатия) компенсаторов.

- Вычерчиваются проекции аппаратов и машин (тонкими линиями).

Показывают так же контуры фундаментов на котором оно стоит.

- С чертежей монтажной проработки переносятся все обвязочные и магистральные ТП. Порядок обратный : вначале локальные ТП, затем магистральные. Термоизоляция изображается отдельными оборванными участками.

- Наносятся условные обозначения креплений ТП.

- Проставляются все необходимые размеры: привязка оборудования и ТП к строительным осям; расстояние между осями, рядами; обозначение ТП и аппаратов; направление потоков и уклон труб, величину условного диаметра и материал труб; допустимые монтажные нагрузки на перекрытия и строительные конструкции.

Деталировочный чертеж (ДЧ) — это изображение общего вида каждой линии ТП в аксонометрической проекции без масштаба для блоков, узлов и ТП. На общем виде линии ТП показывают:

- габаритные размеры линии, высотные отметки, привязки к строительным конструкциям, размеры для врезок, нумерацию элементов (или гнутых участков), номера узлов и их границы, положения штуцеров, арматуры, направление потока продукта;

- дают указания, к каким линиям или аппаратам подключаются линии;

- наносят схематично опоры и номера сварных стыков.

Кроме этого, на общем виде указывают габаритные размеры линии ТП, патрубков, арматуры и др. Дают наименование объекта, номер линии, блока, узла, рабочие параметры и специальные требования к испытаниям, номера монтажных чертежей, по которым производится деталировка данной линии ТП.

Монтажно-пояснительная записка (МПЗ) состоит из трех частей:

общие положения; монтаж оборудования; монтаж трубопроводов.

МПЗ содержит описание: способов и средства подвода оборудования к строительной площадке; порядок размещения оборудования перед монтажом; необходимые монтажные средства; последовательность монтажа отдельных видов оборудования; характеристики цеховых подъемнотранспортных механизмов и приспособлений.

Большинство из перечисленных выше графических и текстовых документов разрабатываются при монтажно-техническом проектировании в ходе решения задач размещения оборудования, прокладки трасс трубопроводов и детализации проекта трубопроводов, что еще раз подтверждает необходимость автоматизации поиска оптимальных проектных решений на этих этапах и автоматизации выдачи проектной документации при проектировании промышленных предприятий.

2.4. Факторы, влияющие на компоновку оборудования При монтажно-техническом проектировании производств необходимо учитывать комплекс факторов, которые в итоге формируют окончательный вариант компоновки оборудования и объемно-планировочных решений.

К таким факторам в первую очередь относятся условия функционирования схемы. Такими условиями могут быть требования перепада высот между отдельными единицами оборудования, особенности транспортировки материальных потоков, необходимые уклоны трубопроводов и самотеков для транспортировки жидких и сыпучих материалов. Условия функционирования технологической схемы формируются, прежде всего, на основе технологического регламента данного производства и норм технологического проектирования для данного производства, а так же на основе экспертных данных институтов и предприятий занимающихся разработкой технологий данных производств.

Следующая группа факторов влияющих на компоновочные решения – это комплекс нормативной документации, которая разрабатывается головными институтами данной отрасли промышленности.

Комплекс нормативной документации служит для обеспечения безопасной и удобной работы людей на производстве, обслуживания ремонта и монтажа оборудования и трубопроводных систем, а также меры по охране окружающей среды от загрязнений.

При проектировании производств существенную роль играет выбор типа конструкции производственных помещений, который определяется спецификой размещаемых производств, их производительностью и экономической целесообразностью.

Большое значение для нахождения оптимального варианта компоновки оборудования и трассировки технологических трубопроводов имеют гидравлические, тепловые и прочностные расчеты. Проведение этих расчетов при комплексной оптимизации компоновки оборудования позволит подобрать оптимальные гидродинамические режимы транспортировки веществ, устройства для транспортировки, тепловую изоляцию и конструкции для установки оборудования, крепежа трубопроводов и вспомогательного оборудования.

2.4.1. Выбор типа конструкции цеха и влияние его на 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 [14,24,48].

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 [2], так как повышается износ оборудования, что вызвано систематическим попаданием на технологическое оборудование осадков, перепадами температур. При проектировании колонного оборудования необходим расчет 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 [14,52]:

• монтироваться из унифицированных железобетонных конструкций с шагом сетки колонн 6*6 или 9*9 м (рис. 1.4);

• ширина многоэтажного здания должна быть не менее • 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 проемы.

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.

Рис. 2.3. Типовые элементы строительных конструкций.

При проектировании производств в ангарных цехах отсутствует дискретность при размещении технологического оборудования, что с одной стороны увеличивает число возможных вариантов компоновки, а следовательно дает 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, объединенных определенными признаками. Установив группу переходят к расстановке отдельных аппаратов.

Сгруппированное и размещенное 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 пароколлекторные отделения);

- вспомогательные производственные отделения (вентиляционные камеры, прицеховые электрические подстанции, распределительные пункты);

- обслуживающие отделения (прицеховые ремонтные мастерские, кладовые, бытовки, административные помещения).

С точки зрения пожароопасности [53] в зависимости от перерабатываемых веществ [6,7,8,42] производственные помещения подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г, Д.

В зависимости от категории строительной конструкции цехов также имеют те или иные особенности. Например, на случай аварии для уменьшения разрушений, в помещениях А и Б перекрытия этажей должны иметь взрывные проемы.

Таблица 2.2. Степень огнестойкости зданий химической 2.4.2. Способы транспортировки веществ и их влияние на При проектировании производств одной из важнейших задач является обеспечение транспорта веществ между отдельными аппаратами технологической схемы. Выбор способа транспорта веществ и типа устройств зависят 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 взрывопожароопасных производственных помещениях, всегда, когда возможно, транспорт обеспечивают самотеком. Насосное оборудование в таких производствах должно иметь электродвигатели с соответствующим исполнением, что значительно увеличивает его стоимость, в то время как самотечный 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 СО2 при брожении). Особенности осуществления транспортировки газообразных и парообразных веществ заключаются в необходимости съема конденсата из трубопроводов, также в осуществлении мер безопасности для трубопроводов, работающих под высоким давлением и при транспортировке веществ с высокой температурой.

Жидкие вещества транспортируют самотеком, при помощи насосов или избыточного давления создаваемого в аппарате нагревом, вводом инертного газа или пара (передавливание). Выпор способа транспорта жидких веществ производится по нескольким параметрам, таким как свойства жидкости (вязкость, плотность, наличие твердых 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 в сыпучие материалы. Сырье, некоторые компоненты и конечный продукт часто представляет 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.

2.4.3. Основные правила и требования, предъявляемые к Приведенные ниже правила размещения оборудования отражают неформальный характер требований к размещению оборудования, вытекающих из требований технологии, правил техники безопасности, обслуживания оборудования и др. [36,41,45,47,56] Для удобства они объединены в отдельные блоки правил.

Группировка оборудования по отделениям - Однотипные аппараты одинакового производственного назначения (например, нитраторы, сульфураторы, выпарные и другие аппараты), выполняющие сходные технологические функции целесообразно объединить в специализированные агрегаты. Это обеспечивает взаимную заменяемость аппаратов и удобство их обслуживания (загрузка из одних мерников, однотипность контроля и обслуживания аппаратов работниками одинаковой квалификации).

- В одном помещении не следует объединять оборудование с различными по категориям выделениями. В противном случае приходится, например, насос, перекачивающий воду, но расположенный рядом с углеводородным насосом, снабжать более дорогим взрывобезопасным электродвигателем.

- Вибрирующее оборудование (компрессоры (особенно поршневые), вентиляторы, насосы, дробилки и другие машины, а также аппараты, в которые подается острый пар или большие потоки газа) объединяют и размещают на массивных фундаментах, тщательно изолируемых от соседних строительных конструкций.

Общие требования к размещению оборудования - Обеспечить возможность монтажа и демонтажа оборудования в монтажные проемы или временные монтажные проемы в окнах.

- Аппараты должны быть снабжены обслуживающими площадками с тех сторон, откуда ведется обслуживание аппарата, в том числе для обслуживания штуцеров КиП и другой трубопроводной арматуры.

- Над всеми провисающими аппаратами должны быть размещены монорельсы, даже если в аппарате нет привода.

- Над штуцерами КиП, где вытаскиваются гильзы, пьезотрубки, повторители давления необходимо предусматривать закрытые монтажные проемы.

- Технологическое оборудование, создающее на рабочих местах вибрацию и шум, рекомендуется устанавливать на специальных фундаментах или амортизаторах.

- Аппараты с высоко расположенными люками, штуцерами, перемешивающими устройствами, крышками, обслуживание которых ведется со специальных площадок, должны размещаться так, чтобы их можно было использовать в качестве опор для этих площадок. Лестницы на площадки обслуживания должны устанавливаться под углом 45 град.

- В качестве основных проходов и проездов в цехе целесообразно использовать перекрытия каналов, проходящих вдоль по цеху.

Правила компоновки, вытекающие из требований ремонта - Чистка составляет основную часть ремонтных работ. Теплопередающие поверхности чистят от накипи, шлака, смол; реакционные котлы от остатков переработанных веществ; ректификационные колонны, сборники, отстойники также подлежат периодической чистке. В процессе чистки приходится разбирать оборудование, открывать люки, извлекать трубы что требует соответствующей производственной площади.

Поэтому при компоновке необходимо предусмотреть достаточную рабочую площадь вокруг аппаратов, а также соответствующие подъемники нужной грузоподъемности (монорельсы с талями, кран-балки).

- Устранение неплотностей во фланцах, муфтах, сальниках движущихся частей машин, запорной и регулирующей арматуре, припуски из-за нарушения развальцовки трубок в трубных решетках, разрушение оболочек и стенок труб в следствии коррозии - все эти мелкие работы по ремонту проводят, как правило, на месте, что тоже требует места.

- Восстановление изоляционных и антикоррозионных покрытий (гуммировка, футеровка, окраска, термоизоляция) требует зачастую подвоза большого количества материалов, что заставляет выносить такие аппараты на край цеха и обеспечивать их удобными подъездными путями для автокранов и машин.

Влияние агрессивности среды на размещение оборудования - Емкостная аппаратура с агрессивными, токсичными и горючими жидкостями, расположенная в цехе должна иметь устройство для слива этих жидкостей в аварийную емкость (независимо от возможности откачки их насосом).

- Для аппаратов, из которых в процессе работы выделяются вредные пары, газы и пыль необходимо предусматривать изолированные помещения, со своим выходом наружу или выходом через тамбуры-шлюзы.

- Емкости и аппаратура с горючими или едкими жидкостями должна располагаться на поддонах или на глухой части перекрытия, ограниченной бортом высотой не менее 150 мм.

Условия, определяющие размещение оборудования по этажам цеха - На первом этаже обычно устанавливают сырьевые емкости, аппараты для растворения и подготовки сырья, здесь же располагается отделение упаковки готовых продуктов. Сырьевые емкости, как правило, тяжелые аппараты и должны устанавливаться на фундаментах. Размещение таких аппаратов на верхних этажах требует увеличения прочности строительной конструкции и следовательно, ведет к ее удорожанию.

- На верхних этажах устанавливают, как правило, реакционную аппаратуру, размещая ее на междуэтажных перекрытиях или с провисанием через перекрытие.

- Часть аппаратов размещается непосредственно друг под другом, что вызвано характером транспортировки веществ между этими аппаратами (транспортировка твердых и пастообразных веществ).

- Кожухотрубчатые теплообменники длиной до 2 метров нельзя провешивать в перекрытии, т. к. штуцеры теплообменника попадают в перекрытие и доступ к ним затруднен.

- Все крупногабаритное тяжелое оборудование должно быть установлено как можно ниже. С этой целью иногда целесообразно менять самотечную систему подачи орошения на принудительную, размещая дефлегматоры на первом или втором этаже.

- Оборудование, нуждающееся в частом ремонте, чистке, регулировки также желательно размещать на 1-2 этаже.

Требования к размещению на этажах - Размещаемые аппараты должны образовывать вертикальные и горизонтальные ряды с одним или несколькими проходами.

- Не рекомендуется выдвигать аппараты из общего ряда т. к. это может помешать прокладке пучков труб, подвешиваемых под перекрытием (особенно на нулевой отметке).

- Расстояния между аппаратами должны быть не менее 1,5м по фронту обслуживания; не менее 1м между выступающими частями оборудования (с учетом лап, теплоизоляции и ограждающих бортиков), не менее 0.8 м от стен цеха (если нет обслуживания). Исключение составляют агрегаты: два насоса на одном фундаменте; аппарат и мерники; аппарат и теплообменник; колонна и куб.

- Необходимо предусматривать свободные площадки для узлов КиП и оборудования смежников (ОиВ, ВКТМ).

- Предусматривать проезды электропогрузчиков к аппаратам (ширина проезда - 2,1 м, высота 2,5-3 м, разворот 360 град).

- Следить, чтобы эвакуационные проходы были бы прямолинейными и не загромождались оборудованием.

- Не забывать про тамбуры, отделяющие помещение с разными категориями.

- Машины расположенные против дверей, должны находиться от них на расстоянии не менее 2 м.

- Через каждые 40-50 м (в длинном цехе) рекомендуется предусматривать монтажные площадки длинной 6-12 м, на которых впоследствии можно будет установить дополнительное оборудование.

- При установлении ширины проходов необходимо, с учетом действующих норм, создать возможность свободного маневрирования напольного и подвесного транспорта в цехе.

- Предусмотреть площади для хранения сырья и промежуточных продуктов, деталей аппаратов (на время ремонта). Резервные площади предусматриваются при необходимости последующего увеличения мощности производства.

- Следует учитывать обвязку аппаратуры трубопроводами и установки КИП и средств автоматики. При большом числе реализующих клапанов и запорной арматуры с механическими приводами площадь, занимаемая обвязкой, иногда составляет 40-50% общей площади производственного помещения.

- Аппараты, в которых осуществляется визуальный контроль качества продукции, предпочтительно устанавливать в зонах с естественной освещенностью достаточной для произведения такого контроля.

- Закрытые монтажные проемы задавать во всех отделениях с размерами по максимальным габаритам аппаратов.

- При установке аппарата ориентировать его по расположению люка для осмотра.

- При установке колонной аппаратуры необходимо следить чтобы фланцы, люки осмотра, штуцеры не попадали в перекрытия. Если люки не обслуживаются с этажа, то надо предусматривать площадки для их обслуживания.

- Над барабанно-вакуумными фильтрами давать два монорельса по цапфам фильтра и предусматривать место для ремонта барабана.

- При установке аппаратов, работающих под давлением следует руководствоваться “Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением”[17]. Установка аппаратов должна исключать возможность их опрокидывания; должен быть обеспечен доступ ко всем частям аппарата; для удобства обслуживания, осмотра и ремонта должны быть установлены площадки и лестниц, которые не должны нарушать устойчивость аппарата.

Эти и множество других правил и требований, которые надо учесть в процессе компоновки оборудования носят трудно формализуемый характер, что значительно затрудняет решение задачи размещения с использованием ЭВМ.

2.5. Современные системы автоматизированного проектирования компоновки оборудования В настоящее время существует ряд программных средств предназначенных для автоматизации инженерного проектирования объектов химической промышленности [31-34]. Среди них можно выделить следующие системы: PDS (Integraph); PDMS (Cadcentre); CADPIPE (ЛЕС Design Group); CADWORX (COADE); AutoPLANT (Rebis); PLANTD (CEA Technology).

CADWORX фирмы COADE и CADPIPE (разработка АЕС Design Group) сложны в освоении и не могут быть адаптированы на российском рынке без вмешательства разработчиков. Тоже относится и к системе PlantSpace (Jacobus Technology), работающей на основе Microstation.

PDS и PDMS фирм Integraph и Cadcentre - мощное программное обеспечение, позволяющее проектировать с учетом не только стандартов, но и СНиП. Однако, сложная адаптация систем может растянуться на годы, не принося никакой отдачи. А высокая стоимость PDS и PDMS делает их в российских условиях практически неокупаемыми.

Среди наиболее подходящих для российского пользователя остаются AutoPLANT (Rebis) и PLANT-4D (CEA Technology) - в общих чертах функциональные возможности этих систем схожи. Рассмотрим более подробно одну из них -PLANT-4D.

Разработчиком PLANT-4D является голландская компания CEATechnology. Ее центральный офис находится в Роттердаме. Компания существует более 12 лет. В России и на территории стран бывшего СССР все права на распространение PLANT-4D принадлежат российской компании Consistent Software.