vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2022-4-165-172vguit-3195Research ArticleХимическая технологияFundamental and Applied chemistry, chemical technologyРазработка программного обеспечения верхнего уровня системы управления процессом получения бентонит-содержащих биполярных мембранDevelopment of top-level software for the process control system for bentonite-containing bipolar membraneshttps://orcid.org/0000-0001-7887-3061НифталиевС. И.NiftalievS. I.

д.х.н., профессор, кафедра неорганической химии и химической технологии, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Dr. Sci. (Chem.), professor, inorganic chemistry and chemical technology department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

sabukhi@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8135-5801КозадероваО. А.KozaderovaO. A.

д.х.н., профессор, кафедра неорганической химии и химической технологии, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Dr. Sci. (Chem.), professor, inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh, Russian Federation, avenue Revolution, 19, Voronezh, 394036, Russia

kozaderova-olga@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6034-9672ИвановА. В.IvanovA. V.

к.т.н., доцент, кафедра автоматизированных систем управления процессами и производствами, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Сand. Sci. (Engin.), associate professor, automated control systems for processes and productions department, Voronezh, Russian Federation, avenue Revolution, 19, Voronezh, 394036, Russia

andrious@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1508-9875КозенкоИ. А.KozenkoI. A.

к.т.н., доцент, кафедра автоматизированных систем управления процессами и производствами, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Сand. Sci. (Engin.), associate professor, automated control systems for processes and productions department, Voronezh, Russian Federation, avenue Revolution, 19, Voronezh, 394036, Russia

kosenko211986@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5564-8267КимК. Б.KimK. B.

к.х.н., доцент, кафедра неорганической химии и химической технологии, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Cand. Sci. (Chem.), associate professor, inorganic chemistry and chemical technology department, avenue Revolution, 19, Voronezh, 394036, Russia

kmkseniya@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0856-2273ИгумновМ. С.IgumnovM. S.igumnov98.wot@mail.ruВоронежский государственный университет инженерных технологийРоссияVoronezh State University of Engineering TechnologiesRussian FederationВоронежский государственный университет инженерных технологийRussian FederationVoronezh State University of Engineering Technologies, Voronezh, Russian FederationRussian Federation202207122022844165172Copyright © Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Иванов А.В., Козенко И.А., Ким К.Б., Игумнов М.С., 20232023Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Иванов А.В., Козенко И.А., Ким К.Б., Игумнов М.С.Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Ivanov A.V., Kozenko I.A., Kim K.B., Igumnov M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/3195

Рассмотрен подход к автоматизации технологического процесса получения бентонит-содержащих ионообменных биполярных мембран. Приведены структуры автоматизированных систем, как с использованием локальных средств автоматизации, так и с применением промышленных контроллеров и рабочих станций. Описаны достоинства и недостатки каждой из структур. Предложена двухуровневая система управления с использованием датчиков, исполнительных механизмов и промышленного контроллера на нижем уровне и рабочей станции на верхнем. Реализована схема комплекса технических средств. Разработана информационная модель программного обеспечения верхнего уровня системы управления, учитывающая особенности технологического процесса. Описана диаграмма потоков данных и предложены принципы функционирования программного обеспечения верхнего уровня. На языке С++ разработан программный модуль, предназначенный как для расчета управляющих воздействий для нижнего уровня управления, так и для моделирования периодического лабораторного биполярного электродиализа раствора сульфата натрия с экспериментальными бентонит-содержащими биполярными мембранами для получения кислоты и щелочи. В ходе работы программного модуля возможно проследить зависимость технологических параметров электродиализа (потока ионов, выхода по току, энергетических затрат на производство целевого продукта) от вида используемого модификатора бентонита (алкилдиметилбензиламмония хлорида (ПАВ) и стеариновой кислоты) и его количества в мембранах (1, 2, 3% по мас.) при различной плотности тока. Программный модуль может быть использован в действующих производствах в рамках функционирующих АСУТП с целю оптимизации режимных параметров при управлении процессами электродиализа.

An approach to automating the technological process of obtaining bentonite-containing ion-exchange bipolar membranes is considered. The structures of automated systems are given, both with the use of local automation tools, and with the use of industrial controllers and workstations. The advantages and disadvantages of each of the structures are described. A two-level control system with the use of sensors, actuators, and an industrial controller at the lower level and a workstation at the upper level is suggested. The scheme of the complex of technical means is implemented. The information model of the upper level software of the control system taking into account the peculiarities of the technological process is developed. The data flow diagram is described and functioning principles of the upper level software are proposed. A software module, that is designed both to calculate control actions for the lower control level and to simulate periodic laboratory bipolar electrodialysis of a sodium sulfate solution with experimental bentonite-containing bipolar membranes to produce acid and alkali, has been developed in C++. During the operation of the software module, it is possible to trace the dependence of technological parameters of electrodialysis (ion flux, current efficiency, energy costs for the production of the target product) on the type of bentonite modifier used (alkyldimethylbenzylammonium chloride (surfactant) and stearic acid) and its quantity in membranes (1, 2, 3% wt.) at different current densities. The software module can be used in existing industries within the framework of functioning process control systems in order to optimize operating parameters during control of electrodialysis processe.

электродиализбиполярная мембранамодифицированиебентонитсульфат натрияавтоматизациясистема управленияпромышленный контроллеррабочая станцияelectrodialysisbipolar membranemodificationbentonitesodium sulfateautomationcontrol systemindustrial controllerworkstationВоронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, РоссияReferencesAl-Dhubhani E., Pärnamäe R., Post J.W. et. al. Performance of five commercial bipolar membranes under forward and reverse bias conditions for acid-base flow battery applications // J. Memb. Sci. 2021. V. 640. P. 1–12. doi: 10.1016/j.memsci.2021.119748Al-Dhubhani E., Pärnamäe R., W. Post J. et. al. Performance of five commercial bipolar membranes under forward and reverse bias conditions for acid-base flow battery applications. J. Memb. Sci. 2021. vol. 640. pp. 1–12. doi: 10.1016/j.memsci.2021.119748Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Ким К.Б. Применение биполярного электродиализа с модифицированными мембранами при очистке хромсодержащих сточных вод гальванического производства // Экология и промышленность России. 2021. Т. 25. № 10. С. 4–9. doi: 10.18412/1816–0395–2021–10–4–9Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B. Application of bipolar electrodialysis with modified membranes for the purification of chromic wastewater from galvanic production // Ecology and Industry of Russia. 2021. vol. 25. no. 10. pp. 4–9. doi: 10.18412/1816–0395–2021–10–4–9 (in Russian).Козадерова О.А., Нифталиев С.И., Ким К.Б. Применение биполярных мембран МБ2, модифицированных гидроксидом хрома (III), для конверсии сульфата натрия // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2019. Т. 62. № 3. С. 30–36. doi: 10.6060/ivkkt201962fp.5811Kozaderova O.A. Electrochemical characterization of an MB2 bipolar membrane modified by nanosized chromium (III) hydroxide // Nanotechnologies in Russia. 2018. V. 13. № 9–10. P. 508–515. doi: 10.1134/S1995078018050075Kozaderova O.A., Niftaliev S.I., Kim K.B. Application of bipolar membranes MB2 modified by chromium (III) hydroxide for sodium sulfate conversion process ChemChemTech. 2019. vol. 62. no. 3. pp. 30–36. doi: 10.6060/ ivkkt201962fp.5811 (in Russian).Kozaderova O.A., Kim K.B., Belousov P.E. et. al. Electrodialysis of a sodium sulphate solution with experimental bentonite-modified bipolar membranes // Condensed Matter and Interphases. 2021. V. 23. №. 4. P. 518–528. doi: 10.17308/kcmf.2021.23/3670Kozaderova O.A. Electrochemical characterization of an MB2 bipolar membrane modified by nanosized chromium (III) hydroxide. Nanotechnologies in Russia. 2018. vol. 13. no. 9–10. pp. 508–515. doi: 10.1134/S1995078018050075Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Ким К.Б. и др. Получение бентонит-модифицированных биполярных ионообменных мембран и изучение их электрохимических характеристик // Вестник ВГУИТ. 2021. Т. 83. № 3. С. 216–225. doi: 10.20914/2310–1202–2021–3–216–225Kozaderova O.A., Kim K.B., Belousov P.E. et. al. Electrodialysis of a sodium sulphate solution with experimental bentonite-modified bipolar membranes. Condensed Matter and Interphases. 2021. vol. 23. no. 4. pp. 518–528. doi: 10.17308/kcmf.2021.23/3670Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Ким К.Б. и др. Влияние гидрофобизатора на свойства экспериментальных бентонит-содержащих биполярных мембран // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. № 10. С. 120–127. doi: 10.6060/ivkkt.20226510.6686Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B. Obtaining bentonite-modified bipolar ion-exchange membranes and study of their electrochemical characteristics. Proceedings of VSUET. 2021. vol. 83. no. 3. pp. 216–225. doi: 10.20914/2310–1202–2021–3–216–225 (in Russian).Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И., Островский Г.М. Интегрированное проектирование энерго-и ресурсосберегающих химико-технологических процессов в системе управления: стратегия, методы и применение // Теоретические основы химической технологии. 2008. Т. 42. № 1. С. 29–30.Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B. et al., Influence of a water repellent on the properties of experimental bentonite-containing bipolar membranes. ChemChemTech. 2022. vol. 65. no. 10. pp. 120–127. doi: 10.6060/ ivkkt.20226510.6686 (in Russian).Егошина О.В., Большакова Н.А. Разработка системы контроля и управления водным режимом с учетом влияния нарушений химико-технологических процессов // Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии (Бенардосовские чтения): материалы международной научно-технической конференции. Иваново, 2019. С. 139–141.Dvoretsky D.S., Dvoretsky S.I., Ostrovsky G.M. Integrated design of energy and resource-saving chemical-technological processes in the control system: strategy, methods and application. Theoretical foundations of chemical technology. 2008. vol. 42. no. 1. pp. 29–30. (in Russian).Alekseev M.V., Kudryashov V.S., Gavrilov A.N. et al. Development and research of a digital control system for juice consumption after the diffusion apparatus in sugar production // International Conference on Production and Processing of Agricultural Raw Materials (P2ARM 2021). 2022. V. 1052. P. 1–7. doi: 10.1088/1755–1315/1052/1/012140Egoshina O.V., Bolshakova N.A. Development of a system for monitoring and managing the water regime, taking into account the impact of violations of chemical and technological processes. Proceedings of the international scientific and technical conference "The state and prospects for the development of electrical and thermal technologies (Benardos readings)". Ivanovo. 2019. pp. 139–141. (in Russian).Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н. и др. Геоинформатика. М.: МАКС Пресс, 2001.349 с.Alekseev M.V., Kudryashov V.S., Gavrilov A.N. et al. Development and research of a digital control system for juice consumption after the diffusion apparatus in sugar production. International Conference on Production and Processing of Agricultural Raw Materials (P2ARM 2021). 2022. vol. 1052. pp. 1–7. doi: 10.1088/1755–1315/1052/1/012140Харазов В.Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами. СПб.: Профессия, 2009. 592 с.Ivannikov A.D., Kulagin V.P., Tikhonov A.N. etc. Geoinformatics. Moscow, MAKS Press, 2001.349 p. (in Russian).Кудряшов В.С., Иванов А.В., Алексеев М.В. и др. Поиск оптимальной тарелки питания колонны ректификации в производстве этилбензола при вариации расхода и состава питания // Автоматизация в промышленности. 2022. № 3. С. 32–37. https://doi.org/ 10.25728/avtprom.2022.03.05Kharazov VG Integrated control systems for technological processes. St. Petersburg, Profession, 2009. 592 p. (in Russian).Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.Kudryashov V.S., Ivanov A.V., Alekseev M.V. Search for the optimal feed plate of the distillation column in the production of ethylbenzene with variations in the flow rate and composition of the feed. Automation in industry. 2022. no. 3. pp.32–37. doi: 10.25728/avtprom.2022.03.05 (in Russian).ГОСТ Р ИСО 10303–43–2002. Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Ч. 43. Интегрированные обобщенные ресурсы. Представление структур. М.: Госстандарт России, 2003. 12 с.Tsvetkov V.Ya. Geoinformation systems and technologies. Moscow, Finance and statistics, 1998. 288 p. (in Russian).ГОСТ Р 50.1.031–2001. Рекомендации по стандартизации. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Ч. 1: стадии жизненного цикла продукции. М.: Изд-во стандартов, 2004. 18 с.GOST R ISO 10303–43–2002. Production automation systems and their integration. Presentation of product data and exchange of this data. Part 43. Integrated generalized resources. Representation of structures. Moscow, Gosstandart of Russia, 2003. 12p. (in Russian).Свойства мембран. URL: http://www.ralex.eu/Membrany/Uvod.aspxGOST R 50.1.031–2001. Recommendations for standardization. Information technologies for product life cycle support. Terminological dictionary. Part 1: stages of the product life cycle. Moscow, Publishing house of standards, 2004. 18p. (in Russian).Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Ким К.Б., Иванов А.В. и др. Программный модуль для расчета технологических параметров конверсии сульфата натрия с экспериментальными бентонит-модифицированными биполярными мембранами. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022664621. 2022.. Properties of membranes. Available at: http://www.ralex.eu/Membrany/Uvod.aspx (in Russian).Pärnamäe R., Mareev S., Nikonenko V., Melnikov S. et al. Bipolar membranes: A review on principles, latest developments, and applications // Journal of Membrane Science. 2021. V. 617. P. 118538. doi: 10.1016/j.memsci.2020.118538Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B., Ivanov A.V. et al. Software module for calculating technological parameters of sodium sulfate conversion with experimental bentonite-modified bipolar membranes. Certificate of state registration of the computer program. no. 2022664621. 2022. (in Russian).Oener S.Z., Foster M.J., Boettcher S.W. Accelerating water dissociation in bipolar membranes and for electrocatalysis // Science. 2020. V. 369. №. 6507. P. 1099-1103. doi: 10.1126/science.aaz1487Pärnamäe R., Mareev S., Nikonenko V., Melnikov S. et al. Bipolar membranes: A review on principles, latest developments, and applications. Journal of Membrane Science. 2021. vol. 617. pp. 118538. doi: 10.1016/j.memsci.2020.118538Oener S.Z., Foster M.J., Boettcher S.W. Accelerating water dissociation in bipolar membranes and for electrocatalysis. Science. 2020. vol. 369. no. 6507. pp. 1099-1103. doi: 10.1126/science.aaz1487Oener S.Z., Foster M.J., Boettcher S.W. Accelerating water dissociation in bipolar membranes and for electrocatalysis. Science. 2020. vol. 369. no. 6507. pp. 1099-1103. doi: 10.1126/science.aaz1487

The authors declare that there are no conflicts of interest present.