Строение технологических систем. Строение производственного процесса как системы. Системный анализ производственного процесса. Граф цели и задач технологической системы.

 

Любое пищевое производство можно рассматривать как химико-технологиче­скую систему, состоящую из совокупности связанных технологическими потоками (связями) машин (аппаратов, агрегатов), в которых осуществляются технологические операции, необходимые для превращения сырья в готовый продукт заданного качества. Аппараты выступают как элементы системы; при системном анализе исследуются те их свойства, которые определяют взаимодействие с другими элементами или влияют на общие свойства системы, а внутренние свойства и структура элемента не изучаются.

Задачи совершенствования технологии решаются методами анализа и синтеза. Анализ технологических процессов проводят на основе изучения природы происходящих при нем явлений, сопоставления различных технологических приемов и режимов. Результаты анализа могут использоваться для последующего синтеза более совершенных технологических процессов, модернизации оборудования, улучшения системы управления процессом. Синтез технологического процесса предусматривает выбор его структуры и связей между элементами этой структуры. Структуру технологического процесса определяют, исходя из его назначения, особенностей сырья, заданных свойств готового продукта или оптимальных показателей эффективности.

При анализе и синтезе технологической системы каждый элемент рассматривается как технологический оператор, преобразующий физические параметры входных материальных и энергетических потоков в физические параметры выходных потоков.

Типовые операторы подразделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся технологические операторы целевого назначения: химических превращений, межфазного массообмена, смешения и разделения. Вспомогательные технологические операторы – нагрева и охлаждения, сжатия-расширения и изменения агрегатного состояния вещества – изменяют энергетическое и фазовое состояние технологических потоков.

Взаимодействие отдельных технологических операторов и внешней среды обозначают в виде определенных технологических связей, а каждой технологической связи соответствует физический технологический (материальный или энергетический) поток. Различают такие основные технологические связи – последовательная, последовательно-обводная (байпасная), параллельная, обратная и перекрестная.

Технологический процесс можно представить в виде графа цели и задач, мысленно разбив его на фрагменты по принципу завершенного этапа, т. е. на подсистемы. Вершины графа показывают цель системы и подсистем, а нижняя часть – задачи, которые поставлены перед соответственными подсистемами.

Цели графа определяются некоторой технологической автономией, которая присуща любому пищевому производству, а задачи характеризуют технологические операции, которые происходят при технологическом процессе для достижения цели.

Систему, в зависимости от цели анализа, можно рассматривать в обоих направлениях: если необходимо усовершенствовать качество продукции, рассматривать процессы следует от выхода к входу, а в случае необходимости сокращения цепи технологических операций, замены оборудования на более функциональное – от входа к выходу.

Подсистемы обозначают А, В и С, начиная с конца, тогда технологический процесс можно представить в виде совокупности трех подсистем:

Системный анализ производственного процесса. Операторная модель: принципы использования, построения. Функционирование технологических систем. Точность, устойчивость во время функционирования, оценка целостности структуры.

 

Задачи совершенствования технологии решаются методами анализа и синтеза. Анализ технологических процессов проводят на основе изучения природы происходящих при нем явлений, сопоставления различных технологических приемов и режимов. Результаты анализа могут использоваться для последующего синтеза более совершенных технологических процессов, модернизации оборудования, улучшения системы управления процессом. Синтез технологического процесса предусматривает выбор его структуры и связей между элементами этой структуры. Структуру технологического процесса определяют, исходя из его назначения, особенностей сырья, заданных свойств готового продукта или оптимальных показателей эффективности.

Технологическая система может быть описана графически с использованием принципа «вход-выход» в виде операторной модели.

При построении операторной модели важное значение имеет выбор ее элемента, в качестве которого целесообразно принять технологическую операцию, являющуюся минимальным носителем специфического качества данной подсистемы. Технологическую операцию составляют один или несколько типовых физико-химических или микробиологических процессов. Этим элементом, объединяющим данные процессы, является технологический оператор.

Таким образом, при анализе и синтезе технологической системы каждый элемент рассматривается как технологический оператор, преобразующий физические параметры входных материальных и энергетических потоков в физические параметры выходных потоков.

Типовые операторы подразделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся технологические операторы целевого назначения: химических превращений, межфазного массообмена, смешения и разделения. Вспомогательные технологические операторы – нагрева и охлаждения, сжатия-расширения и изменения агрегатного состояния вещества – изменяют энергетическое и фазовое состояние технологических потоков.

Взаимодействие отдельных технологических операторов и внешней среды обозначают в виде определенных технологических связей, а каждой технологической связи соответствует физический технологический (материальный или энергетический) поток. Различают такие основные технологические связи – последовательная, последовательно-обводная (байпасная), параллельная, обратная и перекрестная.

В графическом изображении технологических систем в виде операторных моделей, когда система разделена до подсистем по признакам, а задачи обозначены как операторы, и заложен системный подход к изучению и усовершенствованию технологических процессов. Структура такой технологической системы в виде операторной модели и будет основой для расчета уровня целостности.

Операцию технологического процесса можно представить в виде следующей последовательности символов:

F = (DPNSU), (1) где D – действие;

P – объект, на который направлено действие;

N – начальное и конечное состояние объекта действия;

S – способ выполнения действия;

U – условие и ограничение при выполнении действия.

После проведения системного анализа процесса производится описание его структуры (табл.1). Далее приводится общая функциональная схема технологического процесса (рис.1).

Таблица 1

Уровни структурного описания

Уровень 1	Уровень 2
1	2
1. Подача подвижного состава под погрузку	1.1. Маневрирование и фиксация транспортного средства относительно грузового фронта. 1.2. Подготовка транспортного средства к погрузке
2. Формирование пакета на складе	2.1. Укладка груза на поддон. 2.2. Скрепление груза в транспортном пакете
3. Погрузка пакета в кузов транспортного средства	3.1. Захват, перемещение и укладка пакета в кузове автомобиля

Окончание табл. 1

1	2
4. Транспортирование пакета к месту назначения
5. Подача подвижного состава под выгрузку	5.1. Маневрирование и фиксация транспортного средства относительно грузового фронта. 5.2. Подготовка транспортного средства к разгрузке. 5.3. Захват, перемещение и укладка пакета на складе

Схема технологического процесса

Рис. 1. Общая функциональная схема технологического процесса

В будущем почти все исследования будут выполняться на основе системного анализа. Предлагаемый нами метод многоступенчатого системного анализа, развивая существующие методы, позволяет анализировать системы без особых затруднений. Этому способствовал анализ плодотворных результатов исследований многих ученых и полученные мной со своими учениками ряд оригинальных решений. Они отразились в 8 докторских и 40 кандидатских диссертациях, более 10 книгах и 300 опубликованных научных работах.

Предлагаем своеобразную формулу системного анализа [12]. По предложенной нами методике, первоначально, на основе процесса, происходящего в системе, определяются показатели — входные, выходные и другие параметры системы. Затем, рассматриваемая система (элемент) расчленяется на составляющие элементы, уточняется процесс и его параметры для выбранного элемента. И так далее. Расчленение элемента (системы) на последующие системы не ограничены. Оно осуществляется по степени необходимости и возможности исследования для принятия решения.

Понятие системного анализа имеет большую историю. Вначале технологический объект рассматривался как одинарная система, в последующем появилось определение макрокинетики и микрокинетики процесса в выбранной системе. Далее предложено множество способов и методов системного анализа. Они направлены на комплексное исследование системы, отображая ее и происходящие в ней процессы в мысленных, физических, математических или компьютерных моделях.

С одной стороны, системный анализ способствует выбору и принятию правильных решений, если имеется выборка, т.е. множество предложений для принятия решения [1]. С другой стороны, желание рассмотреть одновременно все процессы и анализировать все варианты приводит к сложным ситуациям. Наметились две тенденции развития методов системного анализа:

1. Система рассматривается как совокупность элементов [2]. Первичным является система (элемент), вторичным процесс. Поиск решений осуществляется анализом как бы межсистемных (межэлементарных) процессов.

2. Системный анализ процессов. Например, предлагался [3] системный анализ процессов химической технологии, принимая пятиуровневую физико-химическую систему. Желание одновременно охватить процессы, происходящие во всех пяти уровнях, усложнило задачу.

Нами используется метод последовательного углубления в систему или переходу вверх к боле широким системам. Многоступенчатый системный анализ обычно выполняется вглубь рассматриваемой системы, т.е. сверху вниз. Иногда может быть случай движения вверх из рассматриваемой системы, к более крупным системам. Необходимо отметить, что процесс происходит в системе. Здесь, совместное рассмотрение системы (элемента) и процесса, проходящего в ней, позволяет определить более правильное решение. Взаимодействие между системами происходит по их параметрам, на основе процессов, происходящих в каждой системе. В каждой системе (элементе) происходит множество процессов. Например: физические, химические, технологические, экономические, экологические, политические и др. Из множества процессов необходимо выбирать те процессы, которые необходимы для правильного решения задачи.

Для удобного представления новой методики, приводим разъяснения для технологической системы.