2. Характеристика производственного процесса
Производственным процессом называется совокупность действий, в результате которых обрабатываемые материалы, полуфабрикаты, заготовки (детали) превращаются в готовые изделия. Производственный процесс включает не только технологические, но и другие вспомогательные процессы, в частности транспортировку, контроль продукции, подготовку производства, эксплуатацию зданий, сооружений, оборудования и др.
Как известно, современное промышленное производство характеризуется чрезвычайным разнообразием видов используемого сырья, методов его переработки и широким ассортиментом получаемой продукции. Так, например, физико-химическими, механическими, микробиологическими и специальными приемами переработки нефтегазового сырья в настоящее время получают продукцию 10000 наименований. Сюда относятся разнообразные сорта и марки жидких и газообразных топлив, растворителей, смазочных масел, консистентных смазок, а также предельные, непредельные и ароматические углеводороды, полимеры, моющие средства, фармацевтические и гормональные препараты, инсектициды и многое другое. Уже сейчас достижения в области микробиологических и биохимических методов переработки углеводородов создают предпосылки для промышленного получения пищевого белка и синтетической пищи. Имеющиеся успехи в производстве и внедрении тугоплавких сверхтвердых соединений и материалов с исключительно высокой прочностью и твердостью произвели революцию в бурении горных пород, механической обработки металлов, создании изделий из искусственных кристаллов.
Современное развитие промышленности идет по пути увеличения масштабов производства, совершенствования технического оснащения существующих предприятий, возникновения новых технологических процессов. Современные заводы представляют собой сложные комбинаты, объединенные для комплексного использования сырья и выпуска различных видов полупродуктов и товарной продукции.
Производства чаще всего комбинируются по общности основных процессов и применяемой аппаратуры. Для развития промышленности на сегодняшний день характерны следующие тенденции: быстрый рост числа производств и видов продукции и все возрастающая типизация процессов. Число производств и видов продукции неуклонно возрастает. Изложение всех видов даже ведущих отраслей промышленности и видов продукции становится невозможным. Успехи науки и техники позволяют в настоящее время установить общие закономерности для большинства технологических процессов, применяемых в промышленности. Взаимосвязь важнейших межотраслевых процессов можно изучать на сравнительно небольшом количестве производств, имеющих наибольшее народнохозяйственное значение.
Например, высокотемпературные процессы производства металлов, строительных материалов, карбидов, фосфора и т. д. основаны на однотипных химических реакциях и происходят в типовой аппаратуре – печах различной конструкции. Электрохимические процессы применяются в металлургии для производства многих металлов (алюминия, магния, натрия, калия, лития и др.), в химической промышленности – для производства щелочей, хлора, органических веществ, электрохимической обработки металлов, нанесения покрытий с целью защиты от коррозии в машиностроении и приборостроении.
При всей сложности и специфичности методов переработки сырья современное многоотраслевое промышленное производство характеризуется использованием часто повторяющихся типовых технологических приемов и операций. К ним относятся: дробление и сортировка измельченных материалов по классам крупности, процессы нагревания и охлаждения, химическое взаимодействие, сушка материалов, механическая обработка и формообразование, изготовление неразъемных соединений, сборка, контроль качества готовой продукции и т. д.
Эти и другие технологические операции в настоящее время стали типовыми процессами для многих производств и отраслей промышленности. Так, например, при формовании химических волокон из смол, пластмассовых прутков и стержней из высокомолекулярных соединений, жгутов из резиновой смеси, макаронных изделий из теста, колбас из фарша используется один и тот же процесс придания изделиям круглого сечения при продавливании сырья, полуфабриката или заготовки через отверстие. Такая однотипность формообразования превращает этот технологический процесс в типовой межотраслевой процесс, характерный для химической, металлообрабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности.
3. Химическое предприятие как сложная система
Любое химическое производство представляет последовательность трех основных стадий: подготовка сырья, собственно химическое превращение и выделение целевых продуктов. Эти три операции реализуются в виде сложной единой химико-технологической системы (ХТС).
Химико-технологические системы, соответствующие химическим производствам (или отдельным их цехам), обладают характерными признаками:
1) существование общей цели функционирования – выпуск продукции;
2) большие размеры системы – велико число элементов, входящих в систему, число связей между ними;
3) большое число параметров, характеризующих работу системы;
4) сложность поведения системы – изменение режима в одном аппарате может влиять на работу всего производства;
5) высокая степень автоматизации процессов управления производством;
6) необходимость создания потоков осведомительной и управляющей информации между элементами химико-технологической системы и управляющими устройствами.
Наличие этих признаков позволяет рассматривать химическое производство как сложную систему.
Система – объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов (аппаратов), взаимосвязанных технологическими потоками (связями) и действующих как единое целое.
Элемент – самостоятельная и условно неделимая единица. В химической технологии – это чаще всего аппарат, в котором протекает какой-либо типовой процесс (химический, диффузионный, тепловой и т.п.).
Подсистема – группа элементов (агрегат), обладающая определенной целостностью и целенаправленностью. Это самостоятельно функционирующая часть системы. Как между элементами, так и между подсистемами существуют различные виды связей: материальная, энергетическая, тепловая, информационная.
Связь между элементами осуществляется с помощью потоков и отражает перенос потоком вещества, теплоты, энергии от элемента к элементу. Преобразование же потока происходит в самом элементе. Совокупность элементов и связей образует структуру системы. Основополагающие принципы системного подхода сводятся к двум положениям: 1) представлению объекта как системы; 2) исследованию его именно в том аспекте, в котором он представлен как система. Это означает, что стратегия исследования должна заключаться в направлении от целого – к части, от системообразующих отношений и свойств, от структуры – к элементам (а не наоборот, что имеет место при эмпирическом подходе). При исследовании технологических систем анализируются не внутренние свойства и структура элемента, а такие существенные свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами технологических систем или влияют на свойства системы в целом.
Элементы технологических систем находятся в бесчисленном множестве связей и отношений между собой. Степень интенсивности связи или отношения зависит от их существенности. Задача исследования заключается в том, чтобы определить, какие связи существенные, определяющие систему, а какие – нет.
Описанные два этапа – это лишь начало системного исследования, а собственно системное исследование начинается с момента, когда определяют, какими общесистемными свойствами (так называемыми системными параметрами) характеризуется образованная система, к какому типу она принадлежит, какие общесистемные закономерности действуют в рамках данного типа систем.
Использование общесистемных закономерностей, связь системного подхода с общей теорией систем – важнейшая черта и одно из преимуществ системного исследования. Такой подход позволяет установить и использовать глубокие структурные и функциональные аналогии между системами, принадлежащими различным уровням материи, изучаемым в различных областях науки.
4. Иерархическая структура химического производства
Современное химическое предприятие состоит из большого числа взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения соподчиненности в виде иерархической структуры с тремя основными ступенями (см. рис.1).
-
Х
имическое
предприятие (завод)
-------------------------------------------------------------------------------------
III
-
С
истемы
оперативного управления цехами и
организации производства, планирования
запасов сырья, реализация готовых
продуктов и полупродуктов [АСУП]
-------------------------------------------------------------------------------------
I
1
-
II – 1
I
I
– 2Агрегаты,
комплексы,
[АСУТП]
I I – N
-------------------------------------------------------------------------------------
I
I-11 1
|
|
I-1N |
|
I-21 |
|
I-2К |
Типовые химико-технологи-ческие процессы (механические, тепловые, диффузионные, химические) и локальные системы автоматического регулирования (САР) |
I-N1 N |
|
I- NМ |
Рис. 1. Иерархия химического производства:
I, II, III – ступени иерархической системы
При этом системы, относящиеся к более низкой ступени иерархии и действующие совместно, выполняют все функции подсистемы, принадлежащей следующей, высшей ступени иерархии. Каждая подсистема химического предприятия представляет собой совокупность химико-технологической системы и системы автоматического управления, действующих как одно целое для получения заданного продукта.
Первую, низшую ступень иерархической структуры химического производства образуют типовые процессы химической технологии и локальные системы управления ими. Каждый типовой процесс и взаимосвязанную совокупность типовых процессов рассматривают как систему или подсистему, имеющую некоторые входы и выходы.
На нижней ступени иерархии химического предприятия происходит структурное обогащение информации, характеризующей функционирование подсистем, а задачу управления подсистемами в основном сводят к локальной стабилизации технологических параметров типовых процессов путем создания систем автоматического регулирования (САР).
Основу второй ступени иерархии химического производства составляют цехи, агрегаты, комплексы и т. д., управляемые посредством автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
Отличительной особенностью второй ступени иерархии химических производств является сочетание энергетических и химических узлов в единую энерготехнологическую систему, осуществляющую рекуперацию материальных и энергетических ресурсов. На данной ступени иерархии при управлении подсистемами возникают задачи оптимальной координации работы аппаратов и оптимального распределения нагрузок между ними, привлекаются принципиально новые методы декомпозиции и агрегации подсистем, топологический анализ на основе теории графов, эвристическое моделирование, многоуровневая оптимизация и др.
Третья, высшая ступень иерархической структуры химического предприятия – это системы оперативного управления совокупностью цехов, системы организации производства, планирования запасов сырья и реализации готовых продуктов – автоматизированная система управления предприятием (АСУП). На этой ступени иерархии возникают задачи ситуационного анализа и оптимального управления всем предприятием, для решения которых применяют математические методы системотехники – линейное программирование, теорию игр, теорию информации, исследования операций, теории массового обслуживания и др.