Expert system for analytical monitoring of high purity organic solvents

Full Text

Высокочистые органические растворители широко востребованы в таких отраслях промышленности, как микроэлектроника, волоконная оптика, оптическое стекловарение, фармацевтика, тонкий органический синтез и др. К основным направлениям работ при получении органических растворителей относится комплекс аналитических исследований, представляющий собой многопараметрическую и многофакторную задачу. При этом, учитывая разнообразие ассортимента органических растворителей, следует унифицировать по возможности методы аналитического контроля, аналогичные для различных классов соединений, а также принять во внимание то, что некоторые вещества часто присутствуют в других продуктах в виде примесей. Это может позволить сократить время анализа и упростить подготовку персонала, сделав ее более универсальной. При этом необходимо отметить, что при кажущемся разнообразии требований к реактивам по перечню анализируемых примесей и их точности (от качественных испытаний до определения точности содержания с жесткими требованиями к статистической обработке результатов), вполне возможно не только выделение основных групп методов аналитического контроля (катионы металлов методом ISP-MC, газожидкостной хроматографии, жидкостной хроматографии, ионной хроматографии, лазерной дифракции), но и их сочетание. Это позволяет судить о формах состояния примесей, что имеет большое значение при разработке рассматриваемой в данной работе экспертной системы. Для создания экспертной системы (ЭС) аналитического мониторинга были проведены работы по следующим направлениям: классификация и систематизация имеющейся информации; разработка интерфейса, создание и доработка программной оболочки ЭС; выработка системы понятий в рассматриваемой предметной области и определение множества правил для ее описания; заполнение базы знаний. Основными элементами экспертной системы являются базы знаний (БЗ) и некоторая специализированная программа (оболочка системы), позволяющая вносить изменения в базу знаний и проводить консультации на основе имеющихся в ней правил. Оболочка в свою очередь включает четыре основных функциональных элемента: объявление и редактирование объектов, ввод и редактирование правил, проведение консультаций, подсистема объяснений полученных результатов [1]. База знаний состоит из двух частей: перечня объектов и базы правил. Объект – это специфическая единица информации ЭС, соответствующая некоторому понятию или явлению из предметной области и представляемому в машине в виде: объект–атрибут–значение атрибута. Совокупность объектов какой-либо ЭС с некоторыми значениями их атрибутов называется рабочей памятью ЭС и является как бы машинным отображением рассматриваемой предметной области со всеми ее составными частями и их параметрами. В свою очередь база правил – это совокупность правил, описывающих отношения между объектами в рабочей памяти. Прототипами этих правил можно считать взаимоотношение между предметами в реальном мире, закономерности, влияющие на их состояние и т.п. Цель работы ЭС – проведение процедуры логического вывода (или процедура принятия решений). Процедура логического вывода – это процесс применения правил из БЗ к описанным в БЗ объектам. В левой части каждого правила задается условие, связывающее атрибуты объектов с конкретными значениями с помощью знаков >, <, = и логических выражений "и", "или". При истинности условия в левой части выполняется правая часть правила, которая представляет собой некоторое действие (например, изменение значения атрибута одного из объектов, поиск во внешней базе данных, запрос к пользователю, вывод на экран результатов работы). Базы знаний экспертной системы аналитического мониторинга, также называемой системой компьютерного менеджмента качества (КМК-система), разрабатываются в рамках наиболее современной и перспективной системы компьютерной поддержки – CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) [2]. В основе концепции CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации [2]. В предметной области базы знаний включают следующие основные информационные блоки: анализируемое вещество, показатели качества, методы анализа и аналитические приборы [3]. Проведенный системный анализ позволил структурировать эту задачу на основных уровнях иерархии. На верхнем уровне рассматриваются анализируемые вещества, которые группируются по следующим 16 классам: кетоны; алифатические углеводороды; ароматические углеводороды; петролейные эфиры; простые эфиры; сложные эфиры; спирты, ароматические спирты; многоатомные спирты; хлорорганические растворители; ароматические хлорированные углеводороды; амиды; нитрилы; циклоалканы; алициклический амины; бифункциональные растворители. Кроме того на этом уровне некоторые классы растворителей могут включать в себя соответствующие подклассы. Например, бифункциональные растворители группируются по следующим 5 подклассам: эфир/спирт; амин/спирт; кетон/спирт; гетероцикл/амин; гетероцикл/амид. На 3-м подуровне находятся соответствующие анализируемые органические растворители. Например, для эфир/спирта рассматриваются три разрабатываемых нами растворителя: метилцеллозольв, этилцеллозольв и бутилцеллозольв. На втором уровне иерархии проводится структурирование по каждому рассматриваемому веществу с целью группировки по кластерам анализируемых примесей. Нами проведена интеграция индикаторов качества с областями применения высокочистых растворителей. Например, для такого растворителя, как ацетон (подкласс – кетоны) рассматриваются 3 области применения: микроэлектроника, тонкий органический синтез и лакокрасочная промышленность. Для каждого потребителя существует свои требования к примесным характеристикам: микроэлектроника лимитируется катионами металлов на уровне 10–7–10–8 % масс.; тонкий органический синтез – анионами 1-5·10-4 % масс.; лакокрасочная промышленность альдегидами и фенолами 10-4 % масс. Последний 3-й уровень иерархии связан с аналитическим контролем соответствующих примесей (групп примесей). Для аналитического контроля качества органических растворителей особой чистоты применяется современное аналитическое оборудование. Для его выбора используется база данных аналитических приборов, используемых в технологии получения химических реактивов и особо чистых веществ. Совокупность рассматриваемых приборов нами структурирована по следующим 4-м основным кластерам показателей качества: содержание основного вещества, катионы металлов, анионы и взвешенные частицы [4]. Основными методами определения основного вещества в особо чистых материалах являются газовая хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография и хромато-масс-спектроскопия. Все эти 3 метода являются подкатегориями CALS-системы, по которым сгруппированы соответствующие им аналитические приборы (рисунок 1). Газовая хроматография – метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. Этот метод можно использовать для анализа газообразных, жидких и твёрдых веществ с молекулярной массой меньше 400, которые должны удовлетворять определённым требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность, лёгкость получения. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют, как правило, органические вещества (органические растворители), поэтому газовую хроматографию широко используют как серийный метод. Высокоэффективная жидкостная хроматография – наиболее эффективный метод анализа органических проб сложного состава. Отличительной особенностью ВЭЖХ от остальных методов жидкостной хроматографии является применение высокого давления при пропускании подвижной фазы через колонку (<250 бар) и микрозернистого сорбента (размер частиц порядка мкм) для разделения вещества в колонке длиной от 2 до 30 см. Рисунок 1 – CALS-система базы данных аналитических приборов. Хромато-масс-спектрометрия: а – Shimadzu-QP2010S; б – масс-спектр н-нонана Хромато-масс-спектрометрия – метод анализа смесей, главным образом органических веществ, и определения следовых количеств веществ в объеме жидкости, основанный на комбинации двух самостоятельных методов: хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго – идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»). Все приборы в базе данных хромато-масс-спектрометров также разбиты по подкатегориям: «Страна производитель/Фирма» (рисунок 1). Из всей совокупности разработчиков только 2 производителя предлагают серии приборов: Япония (Shimadzu) – QP2010S (рисунок 1-а), GCMS-QP2010; Россия (Кристалл) – Хроматэк-Кристалл 5000» с масс-спектрометрическим детектором (МСД) DSQII, Хроматэк-Кристалл МС. Все остальные 5 из рассматриваемых основных приборов производятся в США различными фирмами: Thermo Scientific «DFS», TSQ QUANTUM XLS™, ITQ™, ISQ™, FINNIGAN FOCUS DSQ. Принципиальная совместимость масс-спектрометра с газовым хроматографом обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10-5–10-6 Па). Для понижения давления используют молекулярный сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим – с ионным источником масс-спектрометра. Молекулярный сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основную часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре. Экспертная система разрабатывалась на основе PDM STEP Suite, представляющей собой трехуровневую информационную систему, состоящую из сервера СУБД (Oracle Server 8.i), сервера приложений (Oracle Client 8.i & PSSOraSrv) и клиентского модуля (PSS). Клиентский модуль обеспечивает диалоговое взаимодействие с БД через сервер приложений. Трехуровневая архитектура обеспечивает эффективное распределение вычислительной нагрузки при одновременной работе большого числа пользователей. Применение концепции CALS при разработке экспертной системы существенно сокращает время аналитических исследований и повышает качество проводимых научных работ. Выбранная информационная технология позволяет создать не только эффективную систему контроля качества особо чистой продукции, соответствующую международным стандартам, но и успешно интегрироваться в систему управления производством на всех этапах жизненного цикла продукта с учетом специфики технологии особо чистых веществ (многоассортиментность, мало- и микротоннажность и т.д.).

About the authors

A. M Bessarabov

Science centre “Low-tonnage chemistry"

Dr. Eng., Prof.

L. V Trynkina

Science centre “Low-tonnage chemistry"

V. E Trokhin

Science centre “Low-tonnage chemistry"

Ph.D.

A. G Vendilo

Science centre “Low-tonnage chemistry"

Ph.D.

E. L Gordeeva

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

References

Supplementary files