Основы рациональной компоновки оборудования

Лекция 1

1. ВВЕДЕНИЕ. СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ КОМПОНОВКИ

КАК ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

Имеет смысл начать с определения понятия компоновки.

Def. Компоновка технической системы: взаимно скоординированное расположение

элементов технической системы в пространстве.

По существу, компоновка - это аппаратное конструирование сложных технических

систем из готовых элементов, являющихся их подсистемами.

Как видно из определения, задача компоновки возникает, когда необходимо создавать сложные технические системы, состоящие из многих элементов: машин, аппаратов, агрегатов - которые необходимо определённым образом разместить в пространстве.

Содержание компоновки как вида (рода, этапа) проектной и конструкторской работы зависит от существа этой работы, т.е. от того, какой объект создают.

При конструировании сложных видов техники задача компоновки заключается преимущественно в нахождении расположения отдельных агрегатов и органов управления в рабочем поле или внутреннем объёме, как правило, весьма ограниченном. Особенность в том, что сами агрегаты обычно не являются законченными, имеющими самостоятельную потребительскую ценность, изделиями (т.е. это именно агрегаты и детали).

Технологическое проектирование химических производств имеет несколько отличные задачи - размещение готовых, могущих иметь разнобразное применение, машин и аппаратов для создания ХТС.

Общим во всех случаях является то, что стоит задача максимально обеспечить надёжность, безопасность и эффективность работы создаваемых технических систем.

Компоновка является органической частью решений по размещению оборудования в существующих или вновь проектируемых помещениях или наружных сооружениях. По своему значению компоновка - один из важнейших этапов технологического проектирования.

Особенность его в том, что именно здесь осуществляется переход от расчётов, выбора оборудования и построения аппаратурной схемы - т.е., от функционального описания ХТС - к её материализации в конкретный технический комплекс. Кстати, только на этом этапе производится окончательный расчёт трубопроводов и других сетей.

Отличие компоновки от размещения заключается в том, что элементы и подсистемы нужно не просто разместить в рабочем пространстве (пусть даже с соблюдением всех требований безопасности), но обязательно так, чтобы было достигнуто максимально функциональное, рациональное, расположение оборудования. Неответственные, мало или редко эксплуатируемые элементы действительно достаточно просто разместить.

По существу, задача рациональной компоновки при проектировании ХТС заключается в том, чтобы разместить оборудование наиболее удобным для работы людей образом. Причина этого кроется в том очевидном, в общем-то факте, что любая техническая система суть система “человек-машина”; причём главной подсистемой её безусловно является человек как главная производительная сила.

Поэтому даже с чисто инженерной, технологической точки зрения все технические системы должно рассматривать именно как системы “человек-машина”; проектировать необходимо с учётом закономерностей деятельности человека в технических системах.

Ну и наконец, решающим гуманитарным фактором является то, что техника существует для Человека, а не Человек для техники.

2. ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА В ХТС ПРОИЗВОДСТВА БАВ.

Действия человека в ХТС и его взаимодействие с подсистемами и элементами ХТС в трудовой деятельности обусловлены рядом факторов.

1. Иерархией ХТС и структурой ХТП;

2. Необходимостью осуществлять не только производственный процесс, но также монтаж, техническое обслуживание, ремонт и демонтаж оборудования;

3. Необходимостью человеку получать, воспринимать, оценивать и использовать информацию о ходе технологического процесса, состоянии используемого оборудования, общей обстановке на производстве и т.д.

4. Необходимостью человеку одновременно с интеллектуальной (информационной) деятельностью осуществлять физические действия по ведению технологического процесса и управлению им (проверка и подготовка оборудования; загрузка сырья и материалов; отбор проб; выполнение анализов и измерений; выгрузка и фасовка продуктов; сбор и удаление отходов и т.д.).

5. Вся интеллектуальная и физическая деятельность человека протекает в соответствии с объективными законами физиологии, биомеханики, психологии и мышления.

Взаимодействие этих факторов формирует три важнейших аспекта проблемы рациональной компоновки оборудования.

1. Получение, восприятие, оценка и использование информации для осуществления технологического процесса.

2. Основные антропометрические, физиологические, биомеханические, психологические и мыслительные характеристики людей и их влияние на трудовую деятельность.

Эти два аспекта предопределяют поведение и трудовую деятельность человека в технических системах и являются предметом важной отрасли современной науки о Человеке - инженерной психологии.

3. Построение рабочих зон и зон обслуживания с учётом закономерностей (требований, рекомендаций) инженерной психологии.

Нужно особо отметить, что соотношение функций очень сильно зависит от природы трудовой деятельности.

Так, например в высокоинтегрированных автоматизированных технических и технологических системах человек является оператором, деятельность которого по преимуществу является интеллектуальной. Сюда относятся:

- вождение современных транспортных средств (автомобили, локомотивы, летательные аппараты, суда);

- управление автоматизированными энергоустановками и энергосетями;

- управление автоматизированными технологическими системами в металлургии, переработке керамических и полимерных материалов, химических и биотехнологических производствах; машино- и приборостроении.

В производствах ТОС (в т.ч. производствах БАВ) такие ХТС редки. В большинстве случаев деятельность работников связана как со сложной интеллектуальной работой, так и со значительными физическими нагрузками (передвижение по рабочей зоне, перемещение грузов, управление оборудованием). Такая работа является сложной по существу и затруднённой внешними обстоятельствами.

Поэтому проектирование должно обеспечить максимум удобства работы:

- минимум необходимых перемещений по рабочей зоне и между рабочими зонами;

- компактное расположение оборудования с учетом требований безопасности, монтажа и обслуживания;

- доступность наблюдения и управления оборудованием, средствами автоматизации, трубопроводами;

- максимальная возможность визуального и слухового контроля всей ХТС;

- максимальная быстрота и эффективность действий в нештатных ситуациях.

3. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ.

Для осуществления любой целенаправленной сознательной деятельности необходимо иметь возможно более ясное представление о целях, условиях и возможностях решения стоящих задач. Т.е., надо отражать в сознании реальность или быть информированным.

С философской точки зрения информация есть любые сведения, снижающие нашу неосведомленность, неопределённость в мире; иначе, отражённое многообразие мира.

- 3 -

Именно с этих позиций рассматривает информацию и теория информации, являю-

щаяся важным разделом кибернетики.

3.1. СВОЙСТВА И КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ.

Современная теория информации использует сформулированный К. Шенноном и Н.Винером вероятностно-статистический подход к определению и измерению информации. Суть его в следующем.

Имеется ситуация, в которой возможно много исходов; один из них нас интересует - является решением задачи.

До получения информации мы можем найти этот ответ с априорной вероятностью Р_О. После получения информация часть возможных исходов-ответов отпадёт (возможно, останется лишь один). Апостериорная вероятность нужного исхода-ответа составит P_I.

Информация в таком случае и будет функцией соотношения вероятностей

I = F(P_I/P_O) (1)

Каждое событие богато многогранными деталями. Поэтому для количественной характеристики информации нужно определить, что является элементарным событием (единицей) и на фоне какого множества должно выделять это событие.

Количественной основой информации является энтропия. Энтропия - количественная мера занятия системой всех возможных состояний. Тогда информация определяется как разность априорной и апостериорной энтропий

I = H_О(А) - H_I(A), (2)

где H_О(А), H_I(A) - энтропия до и после получения информации.

Предположим, что в данной системе событие-ответ А наступает с априорной вероятностью р_О, а после получения М сообщений с апостериорной вероятностью р*.

Тогда

H_О(А) = - log₂p_O, (3)

_M

H_I(A) = - p*log₂p* (4)

i =1

_M

I = - log₂p_O + p*log₂p*, (5)

i =1

Из формулы (5) следует и определение единицы информации - бита. Если в системе

возможны лишь два равновероятных исхода, то очевидно:

p_O  1/2

р*  1 (6)

I  1.

Понятно становится и использования двоичного логарифма. Т.е. бит - это количество информации, соответствующее простейшей ситуации типа “да-нет”.

Однако для практики важно не количество информации само по себе, а то насколько она способствует достижению поставленной цели работы. Это отражается понятием ценности информации.

Def. Ценность информации - количественная мера снижения неопределённости в способах действия (способах решения задачи).

По М.М.Бонгарду. В исходной ситуации существует N способов действия; мы получаем сообщение q, содержащее информацию I_q, в результате чего вероятность найти правильный способ составила р*.

Тогда: априорная энтропия Н_О = - log₂N  (7)

апостериорная энтропия Н* = Н(p*|q) = - log₂ (p*|I_q) 

Ценность информации

I_Ц = Н_О - Н(p*|q) = - log₂N + log₂ (p*| I_q) (8)

В целом значимость, ценность технологической информации изменяется в порядке убывания в такой последовательности.

1. Аварийные сигналы.

2. Тревожные (предаварийные) сигналы.

3. Информация о качестве продукции.

4. Информация об эффективности отдельных стадий и всего производства в целом: выходы продуктов, расход ресурсов, отходы и потери.

5. Отклонение значений важнейших для эффективности процесса технологических параметров от технологических норм.

6. Отклонение значений прочих технологических параметров от технологических норм.

7. Значения важнейших для эффективности процесса технологических параметров в пределах технологических норм.

8. Значения прочих технологических параметров в пределах технологических норм.

3.2. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

По характеру информацию можно разделить на два класса.

3.2.1. “Индикационная” информация.

Это сообщения о факте наступления или ненаступления события. Например, срабатывание звуковой или световой аварийно-тревожной сигнализации; или визуальное наблюдений качественных изменений в состоянии продукта либо в ходе процесса.

Информация таких сообщений обычно невелика: один - несколько бит. А вот ценность может быть чрезвычайной.

Например, если при ведении процесса нуклеофильного галогенирования тионилхлоридом в смотровом фонаре наблюдается прекращение выделения SO₂, то это означает, что либо нужно загрузить в реактор новую порцию реагента, либо, что процесс завершён и нужно осуществлять последующие технологические действия. Т.е. из десятков вариантов действий остаётся два-три: ценность информации достигает десяти бит. Аварийный сигнал вообще предписывает один вариант действий из сотен, тысяч и десятков тысяч возможных- ликвидация аварии: ценность информации составляет десятки бит.

Источники такой информации - органы чувств человека и различные сигнализаторы.

3.2.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ.

Это получаемая с помощью различных средств измерения (СИ) и методик выполнения измерений (МВИ) количественная информация о свойствах веществ и продуктов, состоянии оборудования и внешней среды, о ходе процесса и т.д.

Конкретная измерительная информация всегда характеризует значение одного измеряемого параметра. Для получения информации о контролируемом объекте в целом и для принятия решений требуется измерять многие параметры и сопоставлять, анализировать данные.

Отсюда видно основное отличие измерительной информации: объём её может соста-

влять многие сотни и тысячи бит, но ценность, как правило, не превышает десяти бит.

ИСТОЧНИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Это разнообразные СИ, применяемые согласно соответствующих МВИ. По характе

ру представления данных все источники можно разделить на четыре группы.

1. Аналоговые СИ.

Представляют измеряемую величину неким зримым аналогом: положением и перемещением указателя в поле проградуированной шкалы измерительного прибора (стрелка мано- и вакуумметров; столбик жидкости в жидкостных термометрах; перепад уровней жидкости в коленах U-образных дифференциальных манометров и т.д.).

Показания прибора при этом не обязательно отражают саму измеряемую величину, но иногда однозначно с ней связанный другой параметр. Так, все иономеры измеряют зависящее от концентраций ионов напряжение между электродами, далее градуировку можно сделать и в единицах напряжения и в единицах pI (pH).

Аналоговые СИ имеют непрерывные показания. В химической технике используют как одношкальные приборы, предназначенные для измерения одной величины, так и многошкальные, способные практически синхронно измерять более 10 одно- и разнородных величин. При наличие регистрирующих устройств делают документальную запись значений измеряемой величины в течение длительного времени.

2. Цифровые СИ.

Представляют конкретное численное значение измеряемой величины. В силу этого их показания дискретны. Могут измерять очень много различных параметров одновременно, в том числе с документальной записью значений измеряемой величины в течение длительного времени.

Достоинства цифровых СИ в том, что пользователю не нужно выполнять никаких пересчётов самому - он получает “готовое” значение измеряемой величины. Кроме того, цифровые индикаторы всегда малогабаритны, что позволяет сделать сами приборы компактными и лучше, полнее поместить их в поле зрения человека.

Информативность цифровых СИ: (1...3) бит/параметр.

Аналоговые приборы почти всегда информативнее: их информативность в среднем (2...4) бит/параметр; многошкальные приборы дают до 20 бит. Дело в том, что зримое положение указателя на шкале показывает не только значение измеряемой величины, но и её соотношение со всем диапазоном изменения, а часто также - направление и быстроту изменения (в том числе приближение к опасным значениям и их превышение).

Поэтому в хтс с ручным управлением, доминирующих в ТОС, для управления по месту предпочтительнее аналоговые СИ. В автоматизированных ХТС всегда есть рациональное соотношение аналоговых и цифровых СИ.

3. Методы количественного химического анализа (МКХА).

Имеют совершенно исключительное значение для установления выходов и качественных показателей промежуточных и конечных продуктов производства, материальных балансов, состава реакционных сред и т.д.

В конечном итоге это базовые, экспертные методы измерения в любом химическом производстве. Информативность - десятки и сотни байт. Ценность этой информации - на уровне аварийных сигналов.

Недостаток МКХА - длительность, неоперативность измерений. Иногда анализ выполняется в течение десятков минут и даже часов, что порой больше времени проведения контролируемой технологической операции. Это значительно ограничивает возможности применения МКХА для технологического контроля.

4. Компьютерные автоматизированные измерительно-вычислительные системы

(АИВС).

Это наиболее совершенные СИ. Они воплощают достоинства цифровых и аналоговых СИ и МКХА. Позволяют с максимальной быстротой и точностью перерабатывать огромные потоки и массивы информации с представлением данных в любой необходимой форме (в т.ч. трёхмерных многоцветных изображений, графиков, таблиц, формул) в необходимой последовательности и связи.

4. ТРУДОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.

Трудовые возможности человека определяются физическими данными с одной стороны и информационно-аналитическими с другой. При этом очевидно, что проектировщик должен создавать ХТС в расчёте на то, что работать будут обычные, не имеющие особой спортивной подготовки люди разных возрастов, образованности, состояния здоровья.

4.1. АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И

ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СПОСОБНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.

Сюда относятся: размеры тела человека; возможность принимать и удерживать определённые позиции головы, корпуса и конечностей; двигаться с определённой скоростью по разным траекториям.

Практически важны данные о большей части (80...90)% людей.

Таблица 1

Основные антропометрические показатели людей

Показатель	Значение
	Мужчины	Женщины
Рост, см	160...195	150...175
Высота в талии, см	100...120	90...100
Размах рук, см	160...190	150...175
Нормальная ширина шага по горизонтали, см	80...100	70...85
Нормальная ширина приставного шага, см	70...85	60...75
Нормальная высота подъёма стопы над полом, см	20...30	15...25
Угол наклона в талии вперёд, град	45	45
Угол наклона в талии вбок, град	15	15
Угол поворота головы, град	60	60
Угол поворота корпуса, град	45	45

Положения и движения рук - особо важный аспект двигательной активности.

75^О | 75^О

|

60^О | 60^О

| ХХХ - основной

| сектор;

| //////// - дополнительный

| +45^О внешний сектор.

|

-----------------------------------------------------

|

|

|

|

| - 45^О

|

|

Рис.1. Нормальные положения рук для длительной работы.

Наиболее удобные положения рук, как видно из рис.1, находятся на уровне от пояса до плеч по вертикали и в секторе 60^О по горизонтали. Кроме того, существует своеобразный “внешний сектор”, охватывающий голову по вертикали до уровня +45^О и в секторе горизонтальных углов 75^О.

Таблица 2

Основные двигательные показатели людей для длительной непереутомляющей работы

Показатель	Значение
	Мужчины	Женщины
1. Скорость движения шагом, м/с	1,5...2,2	1,5...2
2. Скорость движения бегом, м/с	5...7	4...6
3. Скорость поступательного движения руки, м/с	1...4	1...4
4. Скорость углового движения руки, град/с	60...90	60...90
5. Скорость поворота головы, град/с	60...75	60...75
6. Скорость поворота корпуса, град/с	20...30	20...30
7. Развиваемая механическая мощность, Вт	45	45
- нормальная для длительной работы	20...40	10...30
- форсированная на несколько минут	100...200	70...150
- предельная на (1...20) секунд	до 1000	до 700

Поле зрения человека также характеризуется существованием двух секторов - рис.2. Центральный - сектор острого зрения охватывает угол (45...60)^О по горизонтали и от - (45...60)^О до +(20...30)^О по вертикали.

Периферический - внешний сектор зрения охватывает угол (60...80)^О по горизонтали и от - (55...65)^О до +(30...45)^О по вертикали.

80^О | 80^О

|

60^О | 60^О

| ХХХ - центральный

//////////////////////////////|//////////////////////////////// +45^О сектор;

////////////////////////////////////////////////////////////// //////// - периферический

///////хххххххххххxxxххххххххххххx/////// +30^О сектор.

///////x | x///////

-----------------------------------------------------

//////x | x///////

//////x | x///////

///////x | x///////

///////x | x///////

///////xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx//////// - 45^О

///////////////////////////////////////////////////////////////

///////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////////////////////// - 60^О

Рис.2. Поле зрения человека.

Особо надо учитывать то, что знаки размером менее 5 см, в которых обычно представляют зрительную информацию, человек отчётливо различает на расстояниях до (5...8) м при нормальном и до (2...4) м при пониженном освещении.

Поле слуха является практически кольцевым по горизонтали, а в вертикали охватывает сектор 60 градусов.

4.2. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.

Нужно ещё раз подчеркнуть, что здесь речь идёт не о творческих способностях людей, особенно высокоодарённых, которые действительно безграничны. Инженерная психология изучает деятельность обычных людей в сложных технических системах. Этой деятельности присущ ряд важных особенностей (о которых большинство т.н. “творческих” людей не имеет и - что много хуже - не желает иметь ни малейшего представления).

1. Необходимость воспринимать, запоминать и использовать разнообразную по содержанию, форме представления и значению информацию.

2. Неравномерность поступления информации во времени: в периоды спокойной работы поток информации может быть равен долям бит/с, а в экстренных случаях он достигает десятков и сотен бит/с; т.е. изменяется на два-три порядка.

3. В работе на производстве человек действует почти всегда на обширных пространствах, занятых разнообразным оборудованием, причём относящимся не только к тому участку, где данный работник занят. Кроме того, человек действует в контакте с другими людьми. Вследствие этого он вынужденно воспринимает не только полезную, относящуюся к его работе (или отдыху), информацию; но также разнообразные посторонние сигналы: свет, звуки, разговоры и прочее. Эти внешние факторы создают активные помехи нормальной деятельности человека.

4. Очень часто человеку на производстве необходимо одновременно выполнять физические трудовые действия (загрузку сырья, материалов и реагентов, подготовку и обслуживание оборудовани, отбор проб) и вести контроль процесса. Физические действия резко ограничивают возможности визуального контроля, что, в частности, делает более значимыми звуковые сигналы.

5. Работник вынужден принимать все решения и производить необходимые действия в условиях жёсткого лимита времени, особенно в нештатных ситуациях.

Например, процесс получения диоксидина путем каталитического метанолиза хиноксидина:

О O

N CH₂OAc MeONa/MeOH N CH₂OH

| || | ------------------------- | || | (I)

N CH₂OAc (234)^OC; pH=(91) N CH₂OH

O O

Здесь загрузка раствора метилата натрия, отбор пробы, измерение рН и коррекция должны быть выполнены не более, чем за 6 минут. Дело в том, что эта реакция за час практически заканчивается [X=(95...99)%]. Поэтому, если за указанное время рН реакционной среды не будет нормализован, побочные реакции внутримолекулярных перегруппировок приведут к резкому снижению выхода или получению брака.

Вообще есть общее правило управления: время, необходимое для управляющих воздействий должно быть по крайней мере в пять раз меньше, чем время существенного изменения состояния объекта.

Все эти факторы настоятельно требуют учитывать при проектировании реальные информационно-аналитические возможности человека в следующих взаимосвязанных аспектах.

1. Восприятие информации.

2. Возможности памяти человека.

3. Реакция, точность и скорость действия человека.

4. Способность человека к длительной безошибочной (безотказной) работе, т.е. показатели надёжности человека.

4.2.1. восприятиЕ информации.

Восприятие информации включает четыре этапа:

- процесс раздражения (физический);

- процесс возбуждения (физиологический);

- процесс субъективного ощущения сигнала (психологический);

- процесс выведения суждения о сигнале (логический);

Такая совокупность факторов порождает следующие аспекты.