НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК  004.9.

Тамбовский государственный технический университет

mokrozubv@yandex.ru

be_happyness@mail.ru

egorov@mail.gaps.tstu.ru

Введение

Развитие перерабатывающих отраслей промышленности, в том числе химической и пищевой, является в настоящее время актуальной задачей экономики Российской Федерации.

Проектирование и эксплуатация химического оборудования невозможна без квалифицированного инженерно-технического персонала. Применение современных информационных технологий в учебном процессе при подготовке специалистов различных уровней (бакалавры, магистры, инженеры-специалисты) и направлений (конструкторы, механики, системотехники) требует разработки интегрированных автоматизированных систем (АИС), а именно учебно-промышленных АИС. Причем термин «учебная» понимается не в смысле упрощенная или облегченная, а в смысле, что промышленная система «утяжелена» компонентами, позволяющими производить обучение.

Одним из элементов, разрабатываемой учебно-промышленной АИС автоматизированного конструирования химического оборудования [1, 2], является виртуальный кабинет "Конструирование химического оборудования" [3].

Под виртуальным кабинетом понимаются компоненты информационной системы, предназначенные для студентов, изучающих специализированные учебные курсы по устройству, методам расчета и методам конструирования технологического оборудования.

Функции системы определены тем, что должны знать и уметь студенты для того, чтобы выполнять проекты, максимально приближенные к реальным.

Первая очередь системы позволяет:

- проводить механические расчеты технологического оборудования. Механические (прочностные) расчеты являются обязательными при конструировании технологического (химического) оборудования, так как оно представляет собой объекты повышенной опасности.

- выбирать типоразмеры отдельных элементов технологического оборудовании. Типовое химическое оборудование состоит из стандартных или типовых элементов и узлов (обечайки, крышки, днища, опорные и строповые устройства, фланцы и др.)

- получать справочные данные, необходимые для разработки конструкции (механические свойства материалов, коррозионная стойкость материалов, виды сварных швов и др.);

- по 3D моделям ознакомиться с типовыми конструкциями элементов. Современные графические средства позволяют создавать 3D модели элементов и узлов максимально приближенные к реальным.

Кроме того, система содержит расчетные и курсовые задания по курсу "Конструирование и расчет элементов технологического".

1. Структура виртуального кабинета "Конструирование технологического оборудования"

Описанные функции системы определяют ее структуру. Система состоит из следующих элементов:

- модуль механических расчетов элементов технологического оборудования;

- база применяемости и свойств сталей;

- база типоразмеров элементов технологического оборудования;

- каталоги типового технологического оборудования;

- 3D модели типовых элементов технологического оборудования;

- расчетные и курсовые задания.

Виртуальный кабинет представлен программами и информационными ресурсами, работающими в сети Internet и в локальной сети (включая монопольное использование).

Адрес виртуального кабинета в сети Internetwww.gaps.tstu.ru/kir. На рис. 1 представлена стартовая страница.

Следует учитывать, что кабинет постоянно развивается, поэтому его содержание, включая и стартовую страницу, может изменяться.

Рис. 1. Стартовая страница виртуального кабинета «Конструирование технологического оборудования»

2. Модуль механических расчетов

Механические расчеты элементов технологического оборудования выполняются в среде пакета для математических вычислений MatchCad и не представлены на сайте. Расчеты оформлены в виде электронных книг. В настоящее время составлены следующие книги [4]:

- ГОСТ Р 52857.1-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования;

- ГОСТ Р 52857.2-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек выпуклых и плоских днищ и крышек;

- ГОСТ Р 52857.3-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер;

- ГОСТ Р 52857.4-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений;

- ГОСТ Р 52857.5-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок;

- ГОСТ 52857.6-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках;

- ГОСТ Р 52857.7-2007 Сосуды и аппараты Нормы и методы расчёта на прочность. Теплообменные аппараты;

- ГОСТ Р 52857.8-2007.Сосуды и аппараты Нормы и методы расчета на прочность. Cосуды и аппараты с рубашками;

- ГОСТ Р 52857.9-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение напряжений в местах пересечений. штуцеров с обечайками и днищами при воздействии давления и внешних нагрузок на штуцер;

- ГОСТ Р 52857.10-2007 Сосуды и аппараты Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты, работающие с сероводородными средами

- ГОСТ Р 52857.11-2007Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек;

- РДРТМ 26-01-72-82 Расчет валов вертикальных аппаратов с перемешивающими устройствами. Методы расчёта;

- ГОСТ Р 51274-99 Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность;

- ГОСТ Р 51273-99 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий;

- примеры механических расчетов кужухотрубчатого теплообменника, вертикальных и горизонтальных емкостных аппаратов.

Меню вызова электронных книг механических расчетов элементов технологического оборудования представлено на рис. 2. На рис. 3 представлена структура книги MatchCad "Примеры механических расчетов химического оборудования".

Рис. 2. Меню вызова электронных книг механических расчетов оборудования

Рис. 3. Структура книги MatchCad «Примеры механических расчетов химического оборудования

3. База применяемости и свойств сталей

Одним из наиболее ответственных этапов конструирования технологического оборудования является выбор конструкционного материала.

В химической промышленности используются тысячи наименований агрессивных сред и огромное количество конструкционных материалов.

Но для каждого химического производства выбирают конкретный конструкционный материал, который должен быть наиболее выгоден по экономическим характеристикам и обладать наилучшими эксплуатационными показателями, такими как, коррозионная стойкость, минимальные коррозионные потери материала и др.

Физико-механические свойства сталей необходимо знать при выполнении механических и технологических расчетов. Основными физико-механическими свойствами сталей, которые необходимы в первую очередь являются: допускаемое напряжение, МПа; модуль продольной упругости, МПа; коэффициент линейного расширения; предел текучести или условный (0.2 %), МПа; коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С); плотность, кг/см3; временное сопротивление, МПа; удельная теплоемкость, Дж/(кг•°С); предел текучести условный (1 %), МПа.

База данных создана по технологии ОБЪЕКТ-СВОЙСТВО-ЗНАЧЕНИЕ. Объектами являются конкретные марки сталей, например 12Х18Н10Т, свойства (допускаемое напряжение, модуль продольной упругости и др.).

В справочной литературе по химическому машиностроению [5] представлено достаточно много рекомендаций по выбору материала изготовления элементов химического оборудования в зависимости от условий его эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимается среда, температура и давление.

Созданная база не претендует на оригинальность и научную новизну. Ее отличие от существующих в том, что она «заточена» на химическое оборудование, т.е. ее информационное обеспечение позволяет получать данные, необходимые для конструирования химического оборудования (предметная область информационного обеспечения - химическое машиностроение).

В существующей версии база применяемости и свойств сталей пока не представлена в среде Internet.

На рис. 4, 5, 6 представлены примеры с базой данных: физико-механические свойства сталей (рис.4), коррозионная стойкость сталей в различных средах (рис. 5) и результаты выбора стали, из которой можно изготавливать емкости, мерники отстойники для 25 %-ной азотной кислоты (рис. 6).

Рис. 4. Физико-механические свойства сталей

Рис. 5. Коррозионная стойкость сталей в различных средах

Рис. 6. Результат выбора стали для изготовления емкостей, мерников, отстойников

4. База типоразмеров элементов химического оборудования

База типоразмеров элементов технологического оборудования разработана в двух вариантах [6, 7, 8]:

- для локальной сети, в том числе и для монопольного использования;

- для глобальной сети Internet.

База для локальной сети предназначена для организаций, конструирующих технологическое оборудование, а также для обучения студентов. В последнем случае она работает в рамках сети кафедры или университета.

База для монопольного использования (физически она не отличается от базы для локальной сети) предназначена для использования студентами в домашних условиях.

База для глобальной сети разрабатывается в первую очередь для обучения в дистанционных условиях, но может быть использована и организациями, занимающимися проектированием технологических объектов.

Представленное разделение обусловлено тем, что база для глобальной сети разработана для UnixWEB сервера (требование Internet провайдера Тамбовского государственного технического университета), среда хранения данных MySQL (выбрана потому, что является свободно распространяемой). Использование этой базы в домашних условиях требует дополнительной установки указанных программных сред, что в реальных практических условиях (сотни студентов разной компьютерной подготовки) невозможно.

В качестве среды хранения данных в базе для локальной сети и монопольного использования используется MSAccess, так как эта программная среда, как составляющая MSOffice, имеется практически на всех компьютерах, работающих в среде Windows.

Основными составляющими базы элементов технологического оборудования (рис. 7) являются управляющая программа, дерево типоразмеров, таблицы типоразмеров и библиотека графических элементов.

Функция управляющей программы - формирование интерфейса доступа к дереву типоразмеров, которое представляет собой первичное меню программы (рис. 8), к таблицам типоразмеров и к библиотеке графических элементов.

            Таблицы типоразмеров составляются на основании нормативных документов (ГОСТ, ОСТ, ТУ), действующих на территории Российской Федерации, отдельно для каждого элемента технологического оборудования и содержат полное наименование элемента и все его характеристики (масса, размеры, рабочие параметры), имеющиеся в соответствующем этому элементу нормативном документе.

Рис. 7. Основные составляющие базы типоразмеров элементов оборудования

Рис. 8. Первичное меню базы типоразмеров элементов оборудования

Схема работы модуля типовых элементов технологического оборудования в сети Internet представлена на диаграмме активности, рис. 9.

Для клиента блоки сущности и блоки деятельности отражают его основные действия при работе с системой - отправление запроса к базе данных и получение ответа от нее.

Для базы даннных (БД) блоки сущности и блоки деятельности отражают механизм обработки запроса - получение запроса базой данных, обработка запроса, формирование ответа и отправка ответа на сервер.

Плавательная дорожка сервера содержит блоки сущности и блоки деятельности, позволяющие перенаправить запрос клиента к базе данных, обеспечив подключение к ней:

- принятие запроса пользователя и перенаправление его механизму JSF;

- передача запроса механизмом JSF механизму JDBC;

- преобразование запроса механизмом JDBC в формат, понятный базе данных, и создание подключения к базе данных;

- отправка запроса;

- получение ответа;

- перенаправление ответа механизмом JDBC механизму JSF;

- перенаправление ответа серверу;

- передача ответа от сервера пользователю.

Рис. 9. Диаграмма активности модуля типоразмеров элементов оборудования

Разработанный модуль установлен на Linux-платформе, Web-сервер Apache, JSP/servlet-контейнер Tomcat и СУБД MySQL. Программное обеспечение разработано с использованием языка программирования Java и технологии JSF, языка разметки гипертекста HTML. Адрес в глобальной сети www.gaps.tstu.ru/steto(можно также вызвать с адреса www.gaps.tstu.ru/kir, пункт меню «База типоразмеров элементов»). На рис. 10 представлены пример интерфейса по указанному адресу.

Рис. 10. Примеры интерфейса к базе типоразмеров элементов в сети Internet

5. Каталоги типового технологического оборудования

Здесь представлена информация о существующем оборудовании и его элементах. Эта информация необходима для подбора оборудования при решения задачи определения размеров аппаратов для выпуска заданного объема продукции в заданный период времени, кроме того, она служить отправной точкой при выполнении курсового и дипломного проекта (как аналог задания на курсовой и дипломный проект).

В настоящее время представлены следующие каталоги (рис. 11): теплообменная аппаратура, выпарные аппараты, вертикальные аппараты с внутренними устройствами, соединительные устройства валов, перемешивающие устройства, уплотнения валов вертикальных аппаратов, стойки привода валов вертикальных аппаратов, мотор-редукторы, типовые элементы конструкции теплообменников, фланцы трубопроводов, типы и исполнения корпусов аппаратов, виды сварных соединений.

Рис. 11. Каталоги технологического оборудования и его элементов

Некоторые каталоги содержат векторные чертежи аппаратов (рис. 12). Чертежи выполнены в формате dwf (Autocad) и для их просмотра необходимо установить свободно распространяемую программу WHIP.

Рис. 12. Пример векторного чертежа теплообменного аппарата

6. 3D модели типовых элементов технологического оборудования

Одним из эффективных способов изучения конструкций химического оборудования является использование 3D моделей этих конструкций. Современные средства создания 3D моделей позволяют создавать очень реалистические виртуальные образы конструкций. Имеются так же свободно распространяемые средства визуализации 3D моделей, в том числе и в глобальной сети Internet. В качестве формата хранения 3D моделей, предназначенных для визуализации в сети Internet, выбран формат easm. Для визуализации используется свободно распространяемая программа EDrawing, которую можно установит с сайта фирмы SolidWorks www.solidworks.com. Данная программа позволяет вращать 3D модель, выполнять различные сечения (рис. 13), видеть структуру сборочной единицы (рис. 14).

В настоящее время разработаны 3D модели следующих элементов:

- перемешивающие устройства;

- соединительные муфты валов перемешивающих устройств;

- привода аппаратов с перемешивающим устройством;

- барабанный аппарат и его элементы;

- фланцевые соединения аппаратов;

- элементы колонных аппаратов;

- элементы кожухотрубчатого теплообменника;

- опорные и строповые устройства емкостного оборудования.

Рис. 13. Пример сечения 3Dмодели

Рис. 14. Пример структуры сборочной единицы

Вызов соответствующей модели осуществляется из меню, в котором использованы изображения элементов в формате jpg (рис. 15, 16)

Рис. 15. Меню конструкций перемешивающих устройств

Рис. 16. Меню элементов привода

Заключение

Описанный виртуальный кабинет курсового и дипломного проектирования используется при обучении студентов специальности "Машины и аппараты химических производств" и магистров направления "Информационные системы технологического оборудования" на кафедре Автоматизированное проектирование технологического оборудования Тамбовского государственного технического университета.

Авторы готовы рассмотреть вопрос о бесплатной передаче представленного программного обеспечения по принципу «как есть» заинтересованным организациям.

ЛИТЕРАТУРА

1. Малыгин Е.Н., Карпушкин С.В., Мокрозуб В.Г., Краснянский М.Н. Cистема автоматизированного расчета и конструирования химического оборудования // Информационные технологии. 2000. № 12. С. 19-21.

2. Мокрозуб В.Г., Мариковская М.П., Красильников В.Е. Методологические основы построения автоматизированной информационной системы проектирования технологического оборудования // Системы управления и информационные технологии. 2007. № 1.2 (27). С. 259-262.

3. Виртуальный кабинет конструирования технологического оборудования. Версия 2 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010610139 11 января 2010 г. / Мокрозуб В.Г., Беликов А.И, Черепахина С.А., Луканов Д.А.

4. Механические расчеты элементов химического оборудования. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №9125 от 28 сентября 2007 года. Номер гоcударственной регистрации 50200702125 от 15 октября 2007 года / Мокрозуб В.Г.

5. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2002. 825с. 

6. Мокрозуб В.Г., Немтинов В.А., Морозов С.В., Коновалова А.С. База данных стандартных и типовых элементов технических объектов // Радиотехника. 2010. № 12. С. 29-32.

7. Егоров С.Я., Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г., Милованов И.В. Опыт разработки электронной графической справочной системы по технологическому оборудованию и ее использование в учебном процессе // Информационные технологии. 1999. № 8. С. 35-37.

8. Мокрозуб В.Г. Таксономия в базе данных стандартных элементов технических объектов // Информационные технологии. 2009. № 11. С. 18-22.