Реферат: Системы химического мониторинга

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИУКРАИНЫ

ТАВРИЧЕСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТ

им. В.И. Вернадского

Химический факультет

Кафедра общей химии

СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

(курсовая работа)

Хомяков Денис Васильевич

студент

V курса

специальности

7.070301–химия

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

доцент Работягов Константин

Васильевич

Симферополь, 200

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

TOC o «1-3» h z

ВВЕДЕНИЕPAGEREF _Toc61515885 h 3

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИСОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГАPAGEREF _Toc61515886 h 4

ОБЗОРИСПОЛЬЗУЕМЫХ И ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМPAGEREF _Toc61515887 h 7

ВЫВОДЫPAGEREF _Toc61515888 h 14

ЛИТЕРАТУРАPAGEREF _Toc61515889 h 16

ВВЕДЕНИЕ

Традиционноработа исследователя сопряжена с изучением печатных и электронных материалов по предмету исследования, что связанос использованием громадного количества данных (печатных, электронных), чтозанимает чрезвычайно много времени. Объемы ежегодно издаваемой научной литературынастолько велики, что их изучение даже в области исследований по временипревышает охватываемый период публикации. И это при наличии всех материалов иотсутствии языкового барьера при их изучении! И не считая финансовой стороны(стоимость материалов), задача оказывается трудноразрешимой. А ведь ещёсуществуют публикации 5, 10, 30-и летней (и более) давности. Их изучение такженеобходимо, чтобы не открывать того, что было открыто значительно раньше. Здесьна помощь человеку приходят ЭВМ, объединённые глобальной сетью

Internet или локальными вычислительнымисетями. Сбор, хранение и доступ к какой-либо информации в Internet значительно облегчаетсяиспользованием систем мониторинга, которые позволяют отслеживать информацию обинтересующем нас объекте в течение конечного промежутка времени.

Системы мониторингапредставляют собой набор средств и инструкций, при помощи которых можно за сравнительно короткий период времениполучить необходимую информацию по интересующему нас предмету, а также вестинаблюдения за объектом в течение конечного промежутка времени, то есть, вконечном счете, призваны значительно снизить время, затрачиваемоеисследователем на поиск необходимой информации по интересующему его объекту. ВУкраине проводится ежемесячный мониторинг состояния рынка химической продукции,данные публикуются в журнале «Химия Украины» [1]. Электронные каталоги химическойпродукции (

Aldrich, Sigma, Fluka, Merck, Lankaster, Avocado,Maybridge, Acros, а также российские «Экрос», «Реактив», «Вектон», «Крезол»)являются прототипом систем химического мониторинга, позволяя отследить ситуациюкак о рынке химических веществ, так и о состоянии разработок в области синтеза[2].

ОСНОВНЫЕТЕНДЕНЦИИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Традиционныйметод поиска необходимого литературного источника заключается в обращении калфавитно-предметному указателю научной библиотеки. Книгам присваиваетсяопределённый код, используя который, можно затребовать необходимый печатныйматериал. Предметно-именной указатель был прообразом используемых в настоящеевремя электронных баз данных. Используя возможности современных ЭВМ, принимаяво внимание возможность хранения громадных объёмов данных на современных носителях,при наличии необходимого материала в электронном виде и при совершенныхалгоритмах поиска последний может быть произведён очень быстро.

Задачасоздания глобальной базы данных, охватывающая все области химии или какой-либоодин раздел, не представляется возможным по разным причинам.

Вопервых, многие разработки представляют коммерческий интерес, и внесение их вглобальную базу означает потерю капитала и технологии.

Во вторых,языковой барьер. Около 60% химических печатных изданий издаётся на английскомязыке, около 20%-на русском и около 10%-на немецком языках. Даже внедрение вбазу лучших систем машинного перевода необлегчает задачи, так как текст перевода не всегда отражает суть исходногодокумента. А наличие мультиязычного интерфейса пользователя на программномуровне довольно затруднительно и дорого [1].

Втретьих, реализация различных алгоритмов поиска. Поиск идеально долженпроизводиться как с использованием текстовых данных, так и химической формулысоединения, в текстовом режиме желательна реализация поиска по не полностьювведённым словам.

Целесообразновыделить две основные группы декларированных ограничений:финансовые и системные. Под финансовыми ограничениями понимаются стоимости (илистоимость) создания и эксплуатации системы. Предполагается, что финансовыеограничения определяющие при проектировании. Действительно, функциональностьсистемы, точность оценок, достоверность прогноза ограничена обычноисключительно финансовыми ограничениями [3].

Вкачестве системных ограничений выступают требования, которым должнаудовлетворять спроектированная система. В некоторых случаях в качествесистемных ограничений могут выступать допустимая (максимальная) продолжительностьсоздания и допустимая (минимальная) продолжительность эксплуатации. Такжевозможны некоторые технические ограничения использования тех или иных техническихсредств, методов наблюдений, обработки и передачи информации [3].

Дляразработки системы мониторинга, адекватной исследуемому объекту, необходимоиметь математическую модель поведения объекта в конечных условиях, отражающуюреальное поведение объекта. Для этого необходимо иметь результаты наблюдений заобъектом исследования в течение конечного промежутка времени и при конечномдиапазоне исследуемых параметров. Так, желательно на предварительном этапесбора информации для последующего создания математической модели объекта и ядрасистемы организовать параллельные серии наблюдений, которые будут отвечать максимальнымзначениям математических ожиданий наиболее значимых контролируемых параметров.В общем случае, увеличение количества и качества наблюдений приведёт кувеличению стоимости создания системы мониторинга, а уменьшение наблюдений куменьшению степени достоверности результатов мониторинговой деятельности.Вместе с тем, сокращение сети наблюдений при сохранении степени достоверностиможно в определённой степени компенсировать более развитым программнымобеспечением системы и увеличением времени настройки системы на конкретныеусловия. Таким образом, итерационный процесс создания ядра системы призванобеспечить возрастание достоверности прогнозирования и контроля. На каждойитерации выбор варианта ядра системы должен отвечать рассмотренным вышеограничениям [3].

Такженеобходим предварительный контроль выполнения декларированных ограничений,накладываемых на систему мониторинга. Анализу подлежат проекты системы, которыеудовлетворяют системным ограничениям (необходимое, но не достаточное условие).Выбор ядра системы мониторинга из бесконечного разнообразия конфигураций, восновном, основан на экономических критериях. Стоимость создания и эксплуатациисети наблюдений, технических средств, программного обеспечения ядра системымониторинга должны отвечать декларированным ограничениям. То есть, проектированиесистемы мониторинга предполагает разработку нескольких вариантов, удовлетворяющихэкономическим критериям, с последующим выбором варианта, обеспечивающегонаибольшую достоверность мониторинговой деятельности [3].

Крометого, необходимо обеспечение сопряжения с системами химического мониторингаболее высокого уровня, обеспечение сопряжения с системами иных функциональныхназначений, смежных с используемой (если таковые имеются) [3].

ОБЗОРИСПОЛЬЗУЕМЫХ И ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМ

Наибольшее распространение системы химического мониторингаполучили в химической технологии при моделировании технологических процессов.Так, производства нитроглицерина, тротила, аммиачной селитры, фосфатов и другихкрупнотоннажных продуктов химической промышленности полностью автоматизированыещё во второй половине прошлого века. Непрерывный способ производства этих химическихпродуктов экономичен, безопасен (особенно это касается нитроглицерина, вменьшей степени тротила и других взрывчатых веществ). Математические модели технологическихпроцессов создавались на основании работы опытных установок, позднее ихзаменили полупромышленные установки, далее производство переносилось на крупныеагрегаты, управляемые при помощи АВМ. Адекватность поведения системы управленияпроизводительным процессом сравнивалась с многочисленными зарубежными аналогамии впоследствии корректировалась [4]. Однако подобные системы недоступны дляизучения, так как они представляют коммерческую ценность для производителей иохраняются ими от конкурентов.

Математическое моделирование с использованием ЭВМразрабатывается и в научно–исследовательских целях. Коротко рассмотримдоступные в последнее время разработки.

Производствоизопропилбензола

(полупродукткомбинированного синтеза фенола и ацетона по методуСергеева-Удриса-Кружалова-Немцова).Предложен способ усовершенствования стадии ректификации действующегопроизводства изопропилбензола путем снижения энергозатрат на проведениепроцесса. Для достижения поставленной цели реализована эффективная стратегиякомпьютерного моделирования с использованием универсальной моделирующей программыChemCad (моделирует реакторы многих типов, системы электролитов, переработкунефти, теплообмен, ректификацию, абсорбцию, кристаллизацию и др.). Цель расчётовсводилась к снижению энергозатрат при сохранении качества продукции идействующего оборудования. Отличительная особенность предлагаемой процедурыкомпьютерного моделирования состоит в том, что она основана на принципахсистемного анализа химических производств, которые наиболее приемлемы для действующихпроцессов: добавление азеотропного агента для улучшение энергетическихпоказателей производства в целом, обеспечение адекватности компьютерных моделейотдельных процессов, определение оптимального флегмового числа и положениятарелки питания в колонных аппаратах, а также исследование различных вариантоврекуперации тепла в технологической схеме и выбор наилучшего. В результатеанализа различных технологических схем получены технологические параметрыпроцесса, позволяющие снизить потребление тепловой энергии на 46,2% [5].

Биохимическаяочистка сточных вод

(используется3Dмоделирование с применением геоинформационной системы Arcinfo). Данныйспособ очистки сточных вод широко внедрён в процессы очистки и доочисткипромышленных и коммунально-бытовых сточных вод ввиду хороших показателейстепени и скорости очистки вод от основных органических загрязнителей. Одним изнаиболее существенных недостатков этого метода является необходимостьстроительства и эксплуатации сложных и дорогостоящих гидротехническихсооружений (технологические отстойники, песколовки, аэротенки, хлораторные ит.д). В зависимости от конкретных географических условий (расположениеприродных водоёмов-приёмников очищенных сточных вод, магистральныхтрубопроводов, ЛЭП и т.п.) и возможности реализации санитарных разрывов междуразличными коммуникациями и между коммуникациями и объектами возможно различноемоделирование строительства новых и реконструкции действующих очистныхсооружений. Рассмотрены вопросы автоматизированного размещения объектов,входящих в состав сооружений биохимической очистки, на генеральном плане.Приведены постановка задачи, алгоритм решения и программный комплекс для еереализации [6].

Созданиеавтоматизированного производства субстанций фармацевтических препаратов

. Обобщен опыт проектирования и создания комплекса по производствусубстанций фармацевтических препаратов (активных фармацевтическихингредиентов), введенного в эксплуатацию на северо-западе России в конце 2001года. Показаны потенциальные возможности объекта и обозначены проблемы,препятствующие его эффективному функционированию [7].

Планированиеэксперимента при получении железосодержащей соли полиакриловой кислоты

(используется в медицине-препарат«феракрил», в качестве основного компонента закалочной среды (ПК-2)). Соли получаются полимеризацией акриловой кислоты в воде вприсутствии редокс-системы (соль Мора-персульфат калия), в состав этогополимера входит химически связанное железо (0,5-2,5%). С целью определенияоптимальных условий синтеза на опытно-промышленной установке была установленаоптимизация метода синтеза железосодержащей соли с применением метода математическогопланирования. Методом крутого восхождения найдены оптимальные условия синтезажелезосодержащей соли полиакриловой кислоты [8].

Оценка работоспособности химико-технологическихсистем.

Предложен метод количественнойоценки работоспособности химико-технологических систем (ХТС), апробированный напроекте действующих производств серной кислоты из серного колчедана методомдвойного контактирования и двойной адсорбции (ДКДА). Анализом объективнонайдены узкие места данной технологии и в работе аппаратов. Все полученныерезультаты оценки и анализа работоспособности рассмотренного технологическогопроцесса совпали с информацией о недостатках работы производственных линийДКДА. Этот метод может использоваться для экспертизы надежности аналогичныхсистем (пищевые, нефтехимические или подобные с поточными технологиями) иоценки возможности их инвестирования с помощью единойхарактеристики-вероятности безотказности работы, т.е. вероятности работоспособностиХТС [9].

Математическая модель процесса пуска установкикаталитического риформинга.

Каталитический риформинг бензинов(КРБ) является важнейшим процессом современной нефтепереработки и нефтехимии.Он служит для одновременного получения высокооктанового базового компонента автомобильныхбензинов, ароматических углеводородов-сырья для нефтехимического синтеза иводородосодержащего газа-технического водорода, используемого в гидрогенизационныхпроцессах нефтепереработки.

КРБ является в настоящее время наиболее распространеннымметодом каталитического облагораживания прямогонных бензинов. Процесс пуска иостанова установки каталитического риформинга как объект управления и изученияотличаются нестационарностью, высокой пожароопасностью, разнообразиемфракционного состава сырья (в зависимости от месторождения нефти), качествомполучаемого бензина и тяжелыми условиями работы персонала (высокая ответственностьв принятии решений по управлению, температура и т.д.). В процессе пуска иостанова различными способами контролируют около 150 параметров, в том числе 20параметров-лабораторным способом и визуально.

На основании особенностей и физико-химических закономерностяхпроцесса каталитического риформинга предложена математическая модель пуска иостанова установки для адаптивных систем управления. Модель описывает основныефизико-химические закономерности процесса, отражает его нелинейность, учитываетнестационарность, включает настройку структуры и параметров модели на заданнуюмодификацию установки, позволяет учитывать процессы регенерации катализаторов,а также позволяет моделировать нештатные ситуации, возникающие во время пуска иостанова установки. [10].

Системауправления производством субстанций лекарственных препаратов сперенастраиваемой технологией.

Разработан программный комплекс системы управления многоассортиментнымпроизводством субстанций лекарственных препаратов с перенастраиваемойтехнологией, включающий подсистемы моделирования наиболее важных стадий производствасубстанций. Комплекс является адаптивным по отношению к характеристикам сырья,оборудования, выбранной технологической схеме и виду выпускаемой продукции, егоприменение для управления многоассортиментным производством субстанцийлекарственных препаратов позволяет повысить эффективность (за счет настройки наразличную номенклатуру), безопасность (за счет рекомендаций оператору поведению процесса) и качество (за счет выбора оптимальных воздействий)управления. Необходимость обеспечения штатного (безаварийного) функционированиясложного производства обуславливает использование современных систем HMI (Human Machine Interface–человеко-машинный интерфейс) и SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition–диспетчерское управление и сбор данных)систем в составе комплекса автоматизации. Для контроля и управлениятехнологическими процессами используется SCADA система WinCC от Siemens. Выбор именно этой системы обусловлен ее функциональными возможностями,модульной открытой архитектурой и поддержкой распространенных средств и технологийразработки.

WinCC,оперирующая в среде

Microsoft Windows95/98/NT, поддерживает многие современные стандарты межпрограммноговзаимодействия. Для обмена данными с приложениями пользователя используютсямеханизмы OLE (Object Linking and Embedding–связывание и внедрение объектов) иDDE (Dynamic Data Exchange–динамический обмен данными). Доступ к даннымпроекта WinCC, которые хранятся в формате СУБД Sybase, осуществляется при помощиинтерфейса ODBC (OpenDataBase Connectivity–открытый интерфейс доступа к базам данных).Кроме того, WinCC полностью поддерживает протокол OPC (OLE for Process Control–OLE для управления процессами) и может работать как в режимесервера, так и в режиме клиента. Встроенные средства разработки, такие какредактор Global Script позволяют на языке С программировать отклик на системныесобытия, а поставляемый пакет ODK (Open Development Kit–открытый наборразработки)– предоставляет разработчику полный интерфейс программированияWinCC. Таким образом, множество проблем может быть решено с использованиемвстроенных средств. Система внедрена в опытную эксплуатацию внаучно-производственном комплексе «Капитолово Кемикалз» закрытого акционерногообщества «Фармсинтез» [11].

Рассмотренныевыше системы химического мониторинга в основним представляют интерес дляхимической промышленности, либо так или иначе привязаны к действующимтехнологическим процессам. Наиболее универсальной из них является CHEMCAD фирмыCHEMSTATIONS Ltd (США). Кроме того, стоимость программного обеспечения этихсистем при условии приобретения лицензионного пакета делает их недоступными длябольшинства предприятий и лабораторий.

ВЫВОДЫ

Дляисследователя более рационален мониторинг с использованием информации поинтересующему его соединению или группе соединений. Помощь в этом вопросе могутоказать патентные архивы, так как почти все разработки, представляющиекакой-либо коммерческий интерес, патентуются. Наиболее информативны:

·

ISI'sReactionCitationIndex-охватывает мировые патенты и международные журналыорганической химии с 1980, обеспечивая доступ к больше чем 500,000 реакций[12];

·

База данных (БД) ВИНИТИ-одна изкрупнейших в России баз данных по естественным, точным и техническим наукамвключает материалы РЖ (Реферативного Журнала) ВИНИТИ с 1981 г. Общий объемБД-более 20 млн. документов, БД формируется по материалам периодическихизданий, книг, фирменных изданий, материалов конференций, тезисов, патентов,нормативных документов, депонированных научных работ, 30% которых составляютроссийские источники. БД ВИНИТИ пополняются ежемесячно, а БД Химия-2 раза вмесяц. Документы БД ВИНИТИ содержат библиографию, ключевые слова, рубрики и рефератпервоисточника на русском языке [13].

Кромевышеупомянутой

(БД) ВИНИТИ поиск информации о выбранном объектемониторинга может быть осуществлен на серверах:

·

ChemSourcesTM-специализированный сервер для поиска химических веществ и ихпроизводителей и поставщиков [14];

·

ChemFinderDatabasesSearch-поискхимических соединений по базам данных Всемирной Паутины (более чем 100химических информационных страниц, индексированных в ChemFinder WebServer)[15];

·

MDLInformationSystems-базаданных, содержащая более 100,000 соединений [16];

·

ChemFinderWebServer-это база данных CambridgeSoft, обеспечивает связи сweb-страницами, содержащим данные для большого количества химическихсоединений. Реализован поиск по имени, молекулярному весу, молекулярнойформуле, CAS номеру или структуре (отправка в формате SMILES). Поиск наиболее результативен с использованиемпрограммных продуктов CambridgeSoft (ChemDraw Net, Chem3D Net, ChemDraw Net Plugin, ChemOffice Net)[17].

Крометого, существенную роль играет аппаратное обеспечение процесса мониторинга.Ввиду того, что основу парка ЭВМ Вузов Украины и нашего университета составляютмашины с мощными процессорами

III и IV поколений (для процессоров Intel) и VI и VII поколений (для процессоров AMD), а также учитывая высокиепропускные способности существующих линий связи на основе технологии Ethernet и оптоволоконных линий, нааппаратном уровне работа систем мониторинга легко реализуется.
ЛИТЕРАТУРА

1.

On-line версия журнала «Химия Украины» доступна поссылке: www.business.dp.ua/ruschem/xu.htm

2.

Доступ к каталогам удобен с использованием навигационной системыХим РАР (www.chemrar.ru/catalogs/main.htm).

3.

В.Колодкин«Создание системы экологического мониторинга в зоне антропогенных воздействийот объектов химико-технологического профиля», журнал «Химическаяпромышленность», 2002г., № 11, стр. 27-30; электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2002_r/11_02/kolod.pdf

4.

Е.Ю. Орлова«Химия и технология бризантных взрывчатых веществ», М., 1976г.

5.

Гартман Т.Н.,Малиновский В.А. " Компьютерное моделирование узла ректификации впроизводстве изопропилбензола с целью экономии энергозатрат", журнал«Химическая промышленность», 2002г., № 10, стр. 1-19;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2002_r/10_02/gartman.pdf.

6.

Е.Н.Малыгин,В.А.Немтинов, С.Я.Егоров " Автоматизированное проектирование генеральногоплана сооружений биохимической очистки сточных вод", журнал «Химическаяпромышленность», 2002г., № 12, стр. 1-7;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2002_r/12_02/malygin.pdf

7.

В.А.Островский,М.А.Гетьман, А.А.Малин, М.Б.Щербинин, Ю.В.Островский, Т.Б.Чистякова " Опытсоздания гибкого автоматизированного производства субстанций фармацевтическихпрепаратов в соответствии с нормами gmp", журнал «Химическаяпромышленность», 2003г., № 1, стр. 4-18; электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2003/01_03/ostrov.pdf

8.

П.А. Подкуйко,Л.Я. Царик, Н.В. Зайцев " Планирование эксперимента при получениижелезосодержащей соли полиакриловой кислоты", журнал «Химическая промышленность»,2003г., № 1, стр. 30-34;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2003/01_03/podku.pdf

9.

Н.Н.Прохоренко, Н.Б. Кондуков, Н.Ю. Шовкопляс " Оценка работоспособностихимико-технологических систем", журнал «Химическая промышленность»,2002г., № 8, стр. 1-10; электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2002_r/08_02/prohor.pdf

10.

Т.И. Белая, Т.Б. Чистякова " Математическаямодель процесса пуска установки каталитического риформинга–ядро интеллектуальноготренажера", журнал «Химическаяпромышленность», 2003г., № 2, стр. 41-45;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2003/02_03/belaya.pdf

11.

Ю.В. Островский, Т.Б. Чистякова, А.А. Малин" Система управления производством субстанцийлекарственных препаратов с перенастраиваемой технологией",журнал «Химическая промышленность»,2003г., № 5, стр. 4-18;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2003/05_03/ostrov.pdf

12.

www.chemweb.com/databases/rci/html/welcome.htm

13.

www.viniti.msk.su

14.

http://www.chemsources.com

15.

www.chemfinder.com

16.

www.mdli.com

17.

chemfinder.cambridgesoft.com