основы проектирования хим произв дворецкий

ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ САПР	251

ра (обработчик события), которая проверяет код клавиши и вызывает нужную реакцию. В RAD имеются средства для удобства разработки обработчиков событий.

5.Окно редактора кода, в котором пользователь записывает создаваемую вручную часть кода.

6.Окно проекта – список модулей и форм в создаваемой программе.

Для написания событийных процедур в Visual Basic используется язык и текстовый редактор одноименного языка, в Delfi – язык и редактор языка Object Pascal. В CASE-системе фирмы IBM, включающей части VisualAge (для клиентских приложений) и VisualGen (для серверных приложений), базовым языком выбран SmallTalk. В среде разработки приложений клиент-сервер SQLWindows оригинальные фрагменты программ пишутся на специальном языке SAL [39].

Помимо упрощения написания пользовательского интерфейса в средах RAD предусматриваются средства для реализации и ряда других функций. Так, в наиболее развитой версии Visual Basic к ним относятся средства выполнения следующих функций:

−поддержка ODBC, что дает возможность работы с различными СУБД;

−разработка баз данных;

−разработка трехзвенных систем распределенных вычислений;

−интерактивная отладка процедур на SQL Server;

−управление версиямипригрупповой разработкепрограммного обеспечения;

−моделирование и анализ сценариев распределенных вычислений.

Для создания сред в RAD в случае сетевого программирования требуется решить ряд дополнительных проблем, обусловленных многоплатформенностью

вгетерогенных сетях, обилием применяемых форматов данных, необходимостью защиты информации и т.п. Решение этих проблем достигнуто в объектноориентированных технологиях на базе языка сетевого программирования Java. Кроме того, с помощью Java удается решить еще одну актуальную для Internet и Intranet задачу – сделать Web-страницы интерактивными.

Платформенная инвариантность в Java достигается благодаря введению виртуальной метамашины с системой команд, максимально приближенной к особенностям большинства машинных языков. Любой Web-сервер при наличии запроса на Java-программу со стороны клиента транслирует (компилирует) эту программу на язык метамашины. Скомпилированный модуль, называемый байткодом, пересылается клиенту. Клиент должен выполнить интерпретацию байткода. Соответствующие интерпретаторы в настоящее время имеются в браузерах всех основных разработчиков Web-технологий.

Java используется двояким образом. Во-первых, как средство «оживления» Web-страниц. В этом случае программный Java-компонент называют аплетом, который встраивается в страницу с помощью специального тега, имеющегося

вязыке HTML. Во-вторых, Java – универсальный язык программирования и может быть использован для написания любых приложений, не обязательно привязанных к Web-технологии.

252 Глава 7. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОФОРМЛЕНИЮ…

Хотя и ранее были известны технологии на базе промежуточных p-кодов, именно технология Java оказалась наилучшим образом приспособленной для использования в гетерогенной сетевой среде. Она последовательно отражает принципы объектно-ориентированного программирования и обеспечивает приемлемую эффективность (производительность) исполнения программ. Эту эффективность можно еще более повысить, если в браузерах заменить интерпретацию на компиляцию.

Для разработки программного обеспечения на языке Java создан ряд инструментальных средств. Основной средой является Java Developer’s Kit, в которой имеются:

1)библиотеки классов, в том числе библиотеки основных элементов языка, часто используемых оболочек (wrapper), процедур ввода-вывода, компонентов оконного интерфейса и др.;

2)инструментальные средства такие, как компилятор байт-кодов, интерпретатор, просмотрщик аплетов, отладчик, формирователь оконных форм и т.п. Развитую RAD-среду – PowerJ – предлагает фирма Sybase.

Появление компонентно-ориентированных технологий вызвано необходимостью повышения эффективности разработки сложных программных систем, являющихся в условиях использования корпоративных и глобальных вычислительных сетей распределенными системами. Компонентно-ориентированные технологии основаны на использовании предварительно разработанных готовых компонентов.

Компиляция программ из готовых компонентов – идея не новая. Уже первые шаги в области автоматизации программирования были связаны с созданием библиотек подпрограмм. Конечно, для объединения этих подпрограмм в конкретные прикладные программы требовалась ручная разработка значительной части программного кода на языках третьего поколения. Упрощение и ускорение разработки прикладного программного обеспечения достигается с помощью языков четвертого поколения (4GL), но имеющиеся системы на их основе являются специализированными и не претендуют на взаимодействие друг с другом.

Современные системы интеграции программного обеспечения построены на базе объектной методологии.

Выше приведены примеры библиотек классов, применяя которые прикладные программисты могут создавать субклассы в соответствии с возможностями наследования, заложенными в используемые объектно-ориентированные языки программирования. При этом интероперабельность компонентов в сетевых технологиях достигается с помощью механизмов, подобных удаленному вызову процедур RPC.

Преимущества использования готовых компонентов обусловлены тщательной отработкой многократно используемых компонентов, их соответствием стандартам, использованием лучших из известных методов и алгоритмов.

В то же время в компонентах библиотек классов спецификации интерфейсов не отделены от собственно кода, следовательно, использование библиотек клас-

ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ САПР	253

сов непрофессиональными программистами проблематично. Именно стремление устранить этот недостаток привело к появлению компонентно-ориентированных технологий разработки программного обеспечения.

Возможны два способа включения компонентов (модулей) в прикладную программу – модернизация (reengineering) или инкапсуляция (wrapping).

Модернизация требует знания содержимого компонента, интероперабельность достигается внесением изменений собственно в сам модуль. Такой способ можно назвать способом «белого ящика». Очевидно, что модернизация не может выполняться полностью автоматически, требуется участие профессионального программиста.

Инкапсуляция выполняется включением модуля в среду с помощью интерфейса – его внешнего окружения (оболочки – wrapper). При этом компонент рассматривается как «черный ящик»: спецификации, определяющие интерфейс, выделены из модуля, а детали внутреннего содержимого скрыты от пользователя. Обычно компоненты поставляются в готовом для использования виде скомпилированного двоичного кода. Обращения к модулю возможны только через его интерфейс. В спецификации интерфейса включаются необходимые для интероперабельности сведения о характеристиках модуля – модульная абстракция. В состав этих сведений могут входить описания всех входных и выходных для модуля данных, структура командной строки для инициализации процедур, сведения о требуемых ресурсах.

Компонентно-ориентированные системы построены на основе инкапсуляции компонентов. В архитектуре этих систем можно выделить следующие части:

1)прикладная программа (клиент), создаваемая для удовлетворения возникшей текущей потребности;

2)посредник (брокер или менеджер), служащий для установления связи между взаимодействующими компонентами и для согласования их интерфейсных данных;

3)множество компонентов, состоящих каждый из программного модуля (объекта), реализующего некоторую полезную функцию, и оболочки (интерфейса).

В спецификации интерфейса могут быть указаны характеристики модуля, реализуемые методы и связанные с модулем события.

Собственно интерфейс представляет собой обращения к функциям модуля, называемым в CBD-технологиях методами. Эти обращения переводятся в двоичный код, что обеспечивает при их использовании независимость от языка программирования. Один и тот же модуль может реализовывать несколько разных функций, поэтому у него может быть несколько интерфейсов или методов. Каждый новый создаваемый интерфейс обеспечивает доступ к новой функции и не отменяет прежние возможно еще используемые интерфейсы.

Схематично взаимодействие компонентов можно представить следующим образом. Клиент обращается с запросом, выраженным на языке IDL, на выполнение некоторой процедуры. Запрос направляется менеджеру. В менеджере имеется предварительно сформированный каталог (реестр или репозитарий) интерфейсов

254 Глава 7. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОФОРМЛЕНИЮ…

процедур с указанием компонентов-исполнителей. Менеджер перенаправляет запрос соответствующему исполнителю. Исполнитель может запросить параметры процедуры. После выполнения процедуры полученные результаты возвращаются клиенту.

В большинстве случаев реализуется синхронный режим работы, заключающийся в приостановке процесса клиентапосле выдачи запроса до полученияответа.

Наиболее популярными в настоящее время являются следующие CBDтехнологии [39]:

OpenDoc – технология, основанная на спецификациях CORBA, разработанных в начале 90-х гг. ХХ в. В OpenDoc реализуется технология распределенных вычислений на базе программ-посредников ORB.

Common Object Model – технология, развиваемая корпорацией Microsoft на базе механизмов OLE. Сетевой вариант этой технологии (для распределенных вычислений) известен под названием DCOM (в частности, объекты, которые можно вставлять в HTML-документы или к которым можно обращаться из Webбраузеров) известны под названием компонентов ActiveX. В COM/DCOM, как и в OpenDoc, можно использовать компоненты, написанные на разных объектноориентированных языках программирования. Но в отличие от OpenDoc в COM/DCOM остается естественная для Microsoft ориентация только на операционные системы Windows (реализация DCOM предусмотрена в ОС Windows NT 4.0). Технология ActiveX обеспечивает интерфейс для управления объектами одного приложения из другого. В общем плане ActiveX – технология интеграции программного обеспечения фирмы Microsoft. Например, используя эту технологию, можно в среде VBA организовать доступ к объектам AutoCAD.

JavaBeans – сравнительно новая технология, в которой используются компоненты, написанные на языке Java.

Основные идеи компонентно-ориентированной (объектной) технологии с созданием расширенных специализированных библиотек компонентов реали-

зованы в системе CAS.CADE (Computer Aided Software / Computer Aided Design Engineering) фирмы Matra Datavision. Система CAS.CADE состоит из несколь-

ких частей. Основными частями являются библиотеки классов и инструментальная среда для создания программного обеспечения технических и научных приложений.

Библиотеки (Object Libraries) в CAS.CADE представляют собой специализированные наборы заранее разработанных компонентов на языке С++. Совокупность библиотек имеет иерархическую структуру. Базовые компоненты соответствуют классам объектной методологии. Примерами компонентов являются строки, списки, точки, матрицы, линии, поверхности, деревья, решатели уравнений, операторы сортировки, поиска на графах и т.п. Классы группируются в пакеты, пакеты – в наборы, наборы – в домены.

В CAS.CADE выделено несколько библиотек. Во-первых, это библиотеки 2D- и 3D-моделирования, включающие компоненты для определения, создания и

ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ САПР	255

манипулирования геометрическими моделями. Во-вторых, ряд библиотек предназначен для связи с ОС и управления данными, обмена с внешними CAD системами, создания сеточных моделей и др. Необходимо отметить, что основные приложения, на которые ориентирована CAS.CADE, – это приложения машинной графики и геометрического моделирования, поэтому в системе наиболее развиты библиотеки графических и геометрических компонентов.

С помощью CAS.CADE создают специализированные САПР при сравнительно малых затратах времени и средств.

* * *

Компьютерные технологии моделирования позволяют, таким образом, в ходе проектирования, расчета и конструирования ХТС оценить качество проекта, не прибегая к изготовлению экспериментальных образцов, что позволяет ускорить процесс совершенствования разработки ХТС до требований, предъявляемых заказчиком.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите источники неопределенности при проектировании ХТС.

2.Сформулируйте одноэтапную задачу интегрированного проектирования

сжесткими ограничениями в условиях неопределенности. Запишите дискретный аналог этой задачи.

3.Запишите алгоритм решения одноэтапной задачи интегрированного проектирования с жесткими ограничениями в условиях неопределенности.

4.Сформулируйте одноэтапную задачу интегрированного проектирования

смягкими ограничениями в условиях неопределенности. Запишите дискретный аналог этой задачи.

5.Запишите алгоритм решения одноэтапной задачи интегрированного проектирования с мягкими ограничениями в условиях неопределенности.

6.Сформулируйте одноэтапную задачу интегрированного проектирования со смешанными ограничениями в условиях неопределенности. Запишите дискретный аналог этой задачи.

7.Запишите алгоритм решения одноэтапной задачи интегрированного проектирования со смешанными ограничениями в условиях неопределенности.

8.Сформулируйте двухэтапную задачу интегрированного проектирования

сжесткими ограничениями в условиях неопределенности. Запишите дискретный аналог этой задачи.

9.Запишите алгоритм решения двухэтапной задачи интегрированного проектирования с жесткими ограничениями в условиях неопределенности.

10.Опишите наиболее известные программные продукты САПР.

11.Охарактеризуйте техническое обеспечение САПР.

12.Охарактеризуйте информационное обеспечение САПР.

13.Охарактеризуйте лингвистическое обеспечение САПР.

256

8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ

глава ПРОИЗВОДСТВ

Типичными представителями многоассортиментных химических производств являются малотоннажные производства органических полупродуктов и красителей, лакокрасочных материалов, реактивов и особо чистых веществ, химикофармацевтических препаратов, пестицидов, масел и смазок, отдельных видов пластических масс и изделий из них. Многоассоортиментные химические производства характеризуются обширным ассортиментом продукции непостоянной номенклатуры, многообразием видов перерабатываемого сырья, возможностью получения одного и того же продукта из сырья разных видов, сложностью и многостадийностью ХТС, возможностью получения одного и того же продукта разными способами, множеством связей по сырьевым и полупродуктовым потокам.

8.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХТС

По мнению академика В. В. Кафарова термин, обозначающий гибкие автоматизированные производственные системы (ГАПС) химической технологии, должен отражать способность ХТС изменять свою структуру и цель функционирования в зависимости от изменяющейся обстановки во внешней среде и требований потребителей с обязательным использованием для достижения этого средств автоматизации, робото- и вычислительной техники [40, 41].

Типовая ХТС многоассортиментного производства химических продуктов состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки продуктов. Практически все стадии представляют собой совокупность разнообразных технологических процессов, классифицируемых в соответствии с их фи- зико-химической природой. Типовыми процессами химической технологии являются механические, гидромеханические, тепловые, диффузионные, химические, микробиологические.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХТС	257

Приведем основные понятия и определения.

Технологическая операция – типовой физико-химический процесс, осуществляемый в машине, аппарате, агрегате (например, нагревание, химическое превращение, массообмен, теплообмен, перемешивание и т.п.).

Технологическая стадия – совокупность отдельных технологических операций (типовых физико-химических процессов), объединенных единым циклом функционирования и представляющих технологический процесс преобразования сырья (полупродукта) в промежуточный (конечный) продукт.

Партия продукта – количество продукта, выгружаемого из последнего аппарата химико-технологической системы.

Технологический цикл стадии химико-технологической системы – интервал времени между началом (окончанием) производства следующих друг за другом партий продукта.

Лимитирующая стадия – самая медленная стадия производства, определяющая технологический цикл работы схемы при производстве одной партии продукта.

Материальный индекс (расходный коэффициент) – параметр, характери-

зующий нормы расхода сырья или полупродуктов для производства единицы продукции.

Технологический маршрут – последовательность обработки материальных потоков при производстве конечного продукта.

Диаграмма Гантта – представление во времени технологического цикла работы аппаратов ХТС при производстве конечного продукта или полупродукта.

Расписание – представление во времени графика выпуска многоассортиментной продукции (времени и последовательности выпуска продуктов ассортимента).

В многоассортиментных химических производствах преобладают периодические процессы, для которых характерны: строгая последовательность технологических операций и стадий во времени, обособленность технологических процессов и аппаратов в пространстве, инвариантность технологических процессов относительно их аппаратурного оформления. Большинство периодических технологических процессов реализуется в стандартных аппаратах. В аппаратах периодического действия, работающих в циклическом режиме, технологический процесс представляет собой упорядоченную последовательность технологических операций, имеющих конечную продолжительность и заканчивающихся конечным состоянием аппарата. Упорядоченная последовательность операций образует технологический цикл работы аппарата периодического действия, а сум-

K

марное время операции равно времени его технологического цикла τ = ∑τk , где

k =1

τk − продолжительность операции; K − число операций, образующих технологическую стадию.

258 Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Технологическая операция

1		τ1					τ1
2				τ2				τ2
					τ3				τ3
3
						τ4				τ4
4
5						τ5				τ5
0			t1	t2	t3	t4	t5			t, ч

Рис. 8.1. Временной график функционирования аппарата периодического действия (t – текущее время)

Продолжительность технологических операций в аппарате периодического действия изображают в виде временных графиков Гантта (рис. 8.1).

Абсцисса является осью времени, а на ординате представлены номера технологических операций. Каждой операции соответствует прямая, параллельная оси времени, а длина расположенного на ней отрезка – длительности операции. Соответственно границы отрезка изображают моменты начала и окончания операции.

На рисунке 8.1 изображены два последовательных цикла аппарата периодического действия, каждый цикл которого образован последовательностью пяти операций: 1 – загрузка реагента; 2 – нагревание реакционной массы; 3 – осуществление основного технологического процесса; 4 – охлаждение реакционной массы; 5 – выгрузка содержимого из аппарата.

Технологические операции в аппарате периодического действия делятся на основные и вспомогательные. К основным относят операции, в результате которых образуется новый продукт, изменяется состав системы или ее агрегатное состояние, к вспомогательным – подготовка аппарата и его содержимого к основным операциям.

Аппараты периодического действия характеризуются тем, что транспортные операции (загрузка реагентов и выгрузка продуктов) и основные технологические операции разделены во времени. Таким образом, основной технологический процесс в аппарате периодического действия прерывается вспомогательными операциями.

Иногда в многоассортиментных ХТС применяют аппараты непрерывного и полунепрерывного действия.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХТС	259

Ваппарате непрерывного действия основной технологический процесс совмещен во времени с транспортом вещества через аппарат, т.е. на вход аппарата непрерывно поступает поток реагентов, а на выходе также непрерывно отводится поток продуктов.

Промежуточное положение занимают аппараты полунепрерывного действия. Они функционируют в непрерывном режиме только в пределах интервала времени, необходимого для переработки некоторой конечной порции сырья или промежуточного продукта. В этих пределах на вход аппарата непрерывно поступают реагенты, а с выхода отводятся продукты. Между интервалами времени работы аппарат находится в режиме ожидания.

Вмногоассортиментных химических производствах преобладают аппараты периодического действия. Наряду с ХТС, состоящими только из аппаратов периодического действия, функционируют также системы, содержащие оборудование как периодического, так и полунепрерывного действия. Небольшое число технологических процессов, в основном крупно- и среднетоннажных, организовано по непрерывному способу.

Гибкие автоматизированные системы химической технологии создаются главным образом на базе оборудования периодического действия. Поэтому специалист, имеющий дело с проектированием и эксплуатацией гибких ХТС, должен прежде всего обладать методикой моделирования, анализа, синтеза и управления ХТС, основным элементом которых является аппарат периодического действия. Поэтому в дальнейшем в главе рассматриваются вопросы моделирования как отдельных аппаратов, так и ХТС периодического действия, а также их синтез, управление ими и создаваемые на их основе гибкие автоматизированные производственные системы химической технологии.

Технологическое оборудование делится на основное, предназначенное для проведения основных технологических процессов (химический синтез, выделение продуктов и т.п.), и вспомогательное, предназначенное для временного хранения исходных реагентов, промежуточных и конечных продуктов, осуществления транспортных операций и т.п.

Косновному оборудованию относятся химические реакторы, ректификационные колонны, адсорберы, абсорберы, экстракторы, выпарные аппараты, кристаллизаторы, аппараты для разделения суспензии – фильтры и центрифуги, сушильное оборудование, аппараты для измельчения, диспергирования, гранулирования, смесители и др. К вспомогательному оборудованию относятся мерники, сборники, насосы, компрессоры, теплообменники и т.п.

Впоследние годы постоянно расширяется и обновляется ассортимент продукции, растут требования к качеству продукции, появляются новые технологические процессы и нетрадиционные виды сырья. Современный уровень химического производства требует высокоэффективных, селективных технологических процессов, сокращения технологической цепочки для уменьшения потерь про-

260 Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

межуточных продуктов, быстрой переналадки оборудования и, следовательно, разработки нового оборудования по направлениям:

−оборудование для нетрадиционных высокоинтенсивных процессов;

−совмещение разных процессов в одном аппарате (унификация, многофункциональность);

−создание блочно-модульной аппаратуры.

Наряду с традиционными процессами – химическим синтезом под действием тепла – все большую роль играют процессы химического синтеза под действием нетрадиционных источников энергии. В последние годы ряд ценных химических продуктов в промышленном масштабе начали получать с использованием фотохимических, радиационно-химических, плазмохимических, звукохимических реакций, под воздействием лазерного излучения, увеличивается удельный вес микробиологического синтеза и других прогрессивных химико-технологи- ческих процессов.

Для уменьшения числа аппаратурных стадий и, следовательно, общего числа технологических аппаратов в ХТС используют многофункциональные аппараты, в которых совмещают различные технологические процессы. Такое совмещение может быть организовано как во времени (процессы протекают одновременно), так и последовательно. Например, часто совмещают процесс химического синтеза с его выделением.

Совмещение технологических процессов в одном аппарате позволяет значительно сократить число стадий многостадийной ХТС и, следовательно, уменьшить число транспортных операций, а также связанные с ними потери промежуточных продуктов. Использование комбинированных аппаратов приводит к снижению материалоемкости конструкции, энергетических затрат, упрощению аппаратурного оформления технологических процессов и их обслуживанию.

В комбинированных аппаратах новых конструкций совмещают процессы химического синтеза с выделением целевого продукта, химического синтеза с транспортными операциями, выпаривания и кристаллизации, упаривания и сушки, фильтрования, отжима и сушки, сушки и механического измельчения продукта. В производстве пластических масс применяют многофункциональные аппараты, в которых осуществляются стадии перемешивания, пластификации и гранулирования полимерных материалов. Разработаны комбинированные сушилки кипящего слоя для сушки и гранулирования термолабильных и гигроскопических солей; сушильные установки, в которых одновременно с процессом сушки осуществляется механическое измельчение с получением высокодисперсных порошкообразных материалов. В производстве азокрасителей и пигментов применяют турбулентные трубчатые реакторы для осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза – диазотирования и азосочетания.

Большое внимание уделяют комбинированным аппаратам многофункционального назначения в производстве химических реактивов и особо чистых хи-