Автоматизированные Системы Научных Исследований

в химии и химической технологии (АСНИ), системы, в к-рых для повышения эффективности научных исследований ряд процедур получения, анализа, передачи и накопления информации, связанных с использованием в ходе изысканий метода мат. Моделирования, формализован и выполняется автоматизированно. Задачи, к-рые можно решать с помощью АСНИ. 1) сократить сроки исследований, 2) повысить точность моделей и получить качественно новую информацию, 3) повысить эффективность использования оборудования, 4) сократить вспомогат. Персонал изыскательских групп. Автоматизация исследований требует прежде всего расчленения изучаемой сложной системы на составные части (уровни строения) с целью установления закономерностей процессов на каждом уровне.

На основе знания св-в каждого уровня предсказываются характеристики разл. Вариантов еще не существующих (гипотетических) хим. И химико-технол. Систем, а глубокое понимание физ.-хим. Механизмов явлений позволяет целенаправленно искать наиб. Эффективные элементы и структуры разрабатываемых систем. В мировой практике созданы и эксплуатируются сотни АСНИ для изучения на разных уровнях сложных химико-технол. Систем. Обобщенная структура важнейших подсистем при автоматизации хим. И химико-технол. Исследований приведена на рисунке. Осн. Классы формализуемых процедур для выполнения их автоматически техн. Ср-вами АСНИ распределяются по подсистемам след. Образом. 1. В автоматизир. Подсистеме исследовательских стендов (АСИС). Стабилизация режимных параметров процессов в объектах эксперимента (дозирование в-в, стабилизация т-ры, давления и др.

Параметров в микрореакторах, фрагментах аппаратов или химико-технол. Схемах) для уменьшения неконтролируемых возмущений (шумов). Программное управление во времени и пространстве режимными параметрами (создание контролируемых изменений независимых переменных объекта эксперимента по заданному плану). Логич. Управление устройствами для измерения отклика объекта на контролируемые возмущения (автоматич. Отбор проб на анализ, переключение режимов работы приборов, перемещение датчиков в объекте и др.). Экспресс-анализ результатов измерений отклика объекта на возмущения (первичная обработка данных спектрального типа). Экспресс-анализ опытов (оценки материальных и тепловых балансов по всем параметрам, определяющим состояние объекта эксперимента).

Обобщенная структура автоматизир. Системы научных исследований. АСИС, АСМ, АС'ЭИ-автоматизир. Системы соотв. Исследовательских стендов, моделирования гипотетич. Систем и управления эксперим. Исследованиями. КМ-константы моделей (оценки). СИ-сигналы измерения. СМ-структуры моделей. СУ-сигналы управления. 2. В подсистеме управления экспериментами (АСУЭ) автоматизируются. Качественный и численный анализ априорных мат. Моделей для конструирования исследовательских стендов, включая анализ для выбора типа объектов эксперим. Изысканий, методик измерения и управления ими. Выявление наиб. Информационных опытов для данной модели или неск. Ее вариантов (планирование экспериментов). Определение статистич. Оценок констант моделей сравнением вычисленных по модели значений отклика "объекта на контролируемые возмущения с измеренными значениями по заданным критериям оценки (обратные задачи моделирования).

3. В подсистеме моделирования гипотетич. Систем (АСМ) автоматизируются. Синтез вариантов мат. Моделей гипотетич. Систем и расчеты отклика моделей (прямые задачи моделирования) на основе априорной информации об элементах синтезируемой системы на первых этапах исследований и скорректированных моделей по эксперим. Данным. Оптимизация характеристик синтезируемых гипотетич. Систем и сравнение их с заданными целями изысканий. Анализ оценок гипотетич. Систем для уточнения познавательных задач, решаемых в подсистеме эксперим. Исследований (АСЭИ), образуемой сочетанием подсистем АСИС и АСУЭ. Анализ чувствительности оценок гипотетич. Систем к параметрам элементов моделей для определения направления поиска более эффективных элементов.

При объединении подсистем АСЭИ и АСМ образуется АСНИ. Главный принцип создания техн. И программных ср-в АСНИ-модульное построение систем с обеспечением сопряжения пользователем отдельных модулей в систему без спец. Дополнит. Разработок (стандартизация интерфейсов, создание унифицир. Магистралей для подключения цифровых приборов в систему). Важнейшее условие эффективного функционирования АСНИ-обеспечение возможности для исследователя активно контролировать все выполняемые АСНИ процедуры и управлять ими. Для этого создаются системы программ, обеспечивающие исследователям связь АСНИ через дисплеи в режиме диалога на языке в терминах химиков-экспериментаторов без знаний спец. Вопросов программирования. В результате комплексной автоматизации ряда процедур в АСНИ сроки исследований сокращаются в 3-5 раз, а точность данных повышается в 2-3 раза.

Широкое использование физ. Методов измерений позволяет на основе изучения динамики процессов получать в АСНИ качественно новую информацию для более глубокого понимания разл. Механизмов процесса и выбора оптимальных инженерных решений. С целью исследований на молекулярном уровне создаются АСНИ для выявления структуры и расположения атомов в молекулах полученных соединений. В ЭВМ синтезируются модели гипотетич. Молекул и на базе кван-товохим. Представлений рассчитываются спектры этих молекул. Сравнением вычисленных и измеренных спектров подбираются самые вероятные структуры молекул. Из выбранных структур более точными расчетами и дополнит. Исследованиями уточняется пространственное расположение атомов в молекуле.

Для изучения химико-технологических процессов создаются АСНИ, специализированные на задачах анализа кинетики каталитич. Хим. Р-ций. Элементы исследуемого объекта - реакционноспособные фрагменты молекул и активные центры катализатора. Осн. Задача-выбор эффективных каталитич. Системы и режима работы катализатора. Для решения этой задачи синтезируются варианты гипотетич. Маршрутов хим. Р-ций, по к-рым в ЭВМ автоматически составляются системы дифференц. Ур-ний, представляющих собой мат. Модели кинетики р-ций. Число вариантов моделей ограничивается по результатам предварит. Экспериментов. На основе анализа входных и выходных расходов и концентраций потоков, т-р и давлений в исследуемых реакторах (в контролируемых условиях тепло- и массообмена внутри реакц.

Слоя) оцениваются константы скоростей и энергии активации в ур-ниях кинетики. Анализ особенностей кинетич. Ур-ний дает возможность планировать последующие эксперименты для сокращения числа гипотез и выбора оптимальных условий использования каталитич. Системы. Выявление лимитирующих стадий процесса позволяет найти направление совершенствования катализатора. Принципиальное улучшение исследований данного класса стало возможным на базе изучения кинетики хим. Р-ций в динамич. Режимах и благодаря слежению физ. Методами (ЭПР, диэлькометрия и др.) за состоянием активных центров катализатора в ходе р-ций. С целью исследований тепло- и массообмена в технол. Аппаратах созданы АСНИ для изучения аэро-и гидродинамики потоков.

Важнейшая задача-выбор конструктивного оформления аппаратов, обеспечивающего оптимальную организацию потоков в-ва и тепла. Поведение системы прогнозируется на основе решения ур-ний аэро-и гидродинамики (в частных производных). На отдельных этапах исследований используются модельные идеализиров. Представления гидродинамики (модели идеального вытеснения и смешения, многофазные циркуляционные модели), для к-рых из эксперимента определяются статистич. Оценки коэф. Диффузии, межфазного обмена и др. Принципиальное улучшение исследований достигнуто в результате одновременного измерения локальных характеристик потоков (полей скоростей, давлений, концентраций специально вводимых в-в). Для решения задач на уровне отдельных видов оборудования созданы АСНИ, в к-рых элементы системы представлены в виде мат.

Моделей элементов того или иного аппарата (слой катализатора, теплообменник, распределит, устройство и др.). Одна из главных задач -изучение и прогнозирование поведения катализаторов в пром. Условиях. В таких АСНИ общий объем экспериментов значительно сокращается за счет поиска оптимальных решений на моделях гипотетич. Аппаратов, а стоимость опытных установок-в результате уменьшения масштабов изучаемых фрагментов аппаратуры. При этом используются данные из АСНИ аэро- и гидродинамики и АСНИ кинетики хим. Р-ций. На уровне исследования химико-технол. Схем элементами изучаемой системы служат аппараты (реакторы, абсорберы и др.), связанные потоками в-ва и энергии в единый комплекс. Главная задача - обнаружение коллективных эффектов, возникающих в химико-технол.

Системе и не проявляющихся при раздельном анализе ее элементов. К таким эффектам относится, напр., накопление в циркуляционных контурах микропримесей, отравляющих катализатор или вызывающих полимеризацию полупродуктов с осаждением в-в на конструктивных элементах аппаратов и др. Повышение чувствительности и применение наиб. Универсальных аналит. Приборов (напр., хромато-масс-спектрометров) позволяет обнаруживать в АСНИ коллективные эффекты в исследоват. Стендах лаб. Масштабов и существенно сокращать затраты ср-в и времени на стр-во эксперим. Установок. Одновременно применение в АСНИ на уровне химико-технол. Схем мат. Моделей аппаратов, полученных в АСНИ др. Уровней, дает возможность сокращать время на опыты за счет изучения и выбора на моделях оптимальных режимов и экспериментов до начала опытных работ и оперативной коррекции хода исследований.

Дальнейшее развитие АСНИ в химии и хим. Технологии связано с организацией отдельных систем в единую иерар-хич. Отраслевую систему, к-рая позволила бы специалистам разл. Профиля оперативно обмениваться информацией (коллективный интеллект) для макс. Сокращения затрат ср-в и времени на реализацию в пром-сти результатов научных исследований. Лит. Египко В. М., Организация и проектирование систем автоматизации научно-технических экспериментов, К., 1978. Аронина С. Е., Штраль И. Я., Автоматизация химико-технологических исследований, М., 1979. Тимошенко В. И. [и др.], "Хим. Пром-сть", 1979, №3, с. 44(172)-48(176). Химическая промышленность. Сер. Автоматизация химических производств, 1980, в. 1. Френкель Б. А., Автоматизация экспериментальных установок, М., 1980.

Эляшберг М. Е., Грибов Л. А., Серов В. В., Молекулярный спектральный анализ и ЭВМ, М., 1980. Автоматизация исследований состава, структуры и свойств веществ на основе ЭВМ. Обзорная информация, в. 4, М., 1981. М. Г. Слипъко, Ю. М. Лужков, И. Я. Штраль..