книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

изводства (АСТПП), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и т. д.

Таким образом, применение системного подхода к решению ра­ нее названных задач требует широкого использования ЭВМ. Сис­ темный подход является междисциплинарным. В связи с этим для его применения в настоящее время развиваются три области сис­ темных исследований:

Оразвитие системного анализа - набора методологических приемов для решения сложных задач со слабовыраженной структурой.

При этом для решения конкретных задач, например при со­ здании технологии, выделяют четыре основные этапа системного исследования:

®анализ изучаемой технологии и определение иерархической структуры, т. е. выделение уровней элементов и взаимосвязей между ними на основе фундаментальных знаний, экспе­ риментальных данных и опыта;

©формализация знаний о рассматриваемой технологии и ее эле­ ментах, принятие разумных упрощений с целью получения ма­ тематического описания;

®реализация математического описания с использованием средств вычислительной техники в виде комплекса приклад­ ных программ;

©идентификация математических моделей, т.е. установление степени соответствия результатов, полученных на модели и на реальном объекте.

При синтезе химико-технологической системы (ХТС) особую роль играют эффекты, связанные с оптимальным выбором струк­ туры и элементов системы. Экономический эффект от оптималь­ ной структуры ХТС на порядок выше эффектов оптимальной орга­ низации отдельных элементов или управления процессом.

Для того чтобы решать задачи, связанные с выбором оптималь­ ного варианта ХТС на основе системного подхода, следует знать все понятия, используемые в нем. Кроме того, необходимо дока­

32 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

зать, что установка, для которой разрабатывается технологическая схема, представляет собой целостную систему.

ПРОИЗВОДСТВО КАК СЛОЖНАЯ СИСТЕМА

Современное крупное предприятие основного органического и нефтехимического синтеза почти всегда состоит из нескольких про­ изводств. Предприятие представляет собой функциональную систе­ му, а производственные подразделения, входящие в нее, - функци­ ональные подразделения, подсистемы. К подсистемам можно отнести любой узел системы: установку, аппаратурно-процессорную единицу или типовой химико-технологический процесс. При этом функциональная система рассматривается как совокупность узлов, каждый из которых соответствует некоторому типовому химико-тех­ нологическому процессу, представляющему простой элемент систе­ мы. Все элементы связаны между собой технологическими потока­ ми или коммуникациями. Способ соединения элементов в большой степени определяет качество продуктов и затраты на их получение.

К простым элементам относятся такие химико-технологические объекты, которые нельзя расчленить, они обладают определенными известными свойствами. К слож ны м хи м и ко -технологи чес­ ким объектам относятся, соответственно, такие, которые могут быть расчленены на более простые.

Таким образом, любой химико-технологический объект должен быть рассмотрен как часть сложной ф ункциональной системы .

Под сложной химико-технологической системой (СХТС) понимает­ ся совокупность процессов и аппаратов, объединенных материальными

иэнергетическими потоками, для выполнения единойтехнологической цели

вусловиях внешних и внутреннихвозмущающих воздействий. Следователь­ но, СХТС свойственны все характерные признаки больших или слож­ ных систем, обусловливающие задачи анализа и синтеза и требующие разработки специальных методов и средств решения этих задач на ос­ нове применения вычислительной техники.

Разработка, проектирование и управление СХТС должны ба­ зироваться на использовании системного подхода к анализу и син­ тезу технологических схем производства.

Система и ее составные части

При рассмотрении многих объектов применяется системный подход. Этот подход в общем виде рассмотрен В. Г Афанасьевым.

34 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

ница подчиняется законам причинно-следственных связей, а единство отношений и связей отдельных частей, обусловливающих выполнение определенной сложной функции, которая и возможна лишь благодаря структуре и большому числу взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом элементов».

Необходимо отметить, что имеется не только большое число определений понятия «системы», но и большое число клас­ сификаций систем, в основу которых положены различные при­ знаки, принципы и основания. В. Г Афанасьев, в частности, делит все системы на четыре класса.

Кпервому классу относятся системы, которые существуют в объ­ ективной действительности, живой и неживой природе, обществе.

Во второй класс входят системы концептуальные, идеальные,

сразличной степенью полноты и точности, в той или иной мере отражающие реальные системы. Эти системы часто называются аб­ страктными.

Ктретьему классу относятся системы, которые спроек­ тированы, сконструированы и созданы человеком в определен­ ных, нужных для него целях. Эти системы называются ис­ кусственными.

Четвертый класс систем —«смешанные» системы, в которых органически слиты элементы, являющиеся продуктом естествен­ ной или общественной природы, и элементы, «придуманные», со­ зданные человеком.

Мы будем рассматривать только системы третьего класса, так как все производства основного органического и нефтехимического синтеза разработаны, спроектированы и смонтированы человеком.

Вдальнейшем мы будем рассматривать как общие свойства сис­ тем, так и свойства, присущие системам третьего класса.

Предварительно определим, что же представляют собой основ­ ные части любой системы. Так, ком п он ен т —это часть системы, вступающая в определенные отношения с другими ее частями. Ком­ понентами могут служить любые подсистемы и элементы.

П одсистем а —такая часть системы, которая сама образована из компонентов, имеющих аналогичные свойства. Следовательно, это тоже система, входящая в систему более высокого порядка.

И наконец, элемент —это часть системы, являющаяся преде­ лом членения в рамках данного качества системы. Он не состоит из компонентов и представляет собой нерасчленяемый далее, эле­ ментарный носитель данного качества.

Внашем случае, в зависимости от уровня анализа производства,

вкачестве элемента может рассматриваться отдельный аппарат (ре­ актор, теплообменник, ректификационная колонна, насос и т.д.), если рассматривается в качестве системы производство, цех, отде­ ление, т. е. любая часть технологии. Если же в качестве системы рас­ сматривается аппарат, то его элементами будут отдельные детали.

Вдальнейшем мы будем рассматривать только членение до отдель­ ного аппарата.

Свойства и характеристики систем

Наиболее важной характеристикой системы является ее струк­ тура, представляющая внутреннюю организацию целостной систе­ мы и специфический способ взаимосвязи, взаимодействия образу­ ющих ее компонентов.

При разработке оптимальной технологии структура системы имеет очень большое значение, так как от взаимосвязи аппаратов в значительной степени зависит качество переработки сырья и рас­ ход энергии на производство продуктов. Именно благодаря струк­ туре набор элементов превращается в единое целое, в систему, где каждый элемент оказывается связанным с другими элементами. При этом свойства элементов могут быть выявлены только с учетом всех их связей в системе.

Необходимо также отметить, что структура может периодичес­ ки меняться во времени. Следовательно, ее необходимо рассмат­ ривать в пространственно-временном аспекте.

Целостным системам свойственны специфические связи и от­ ношения. Наиболее характерными из них являются координация и субординация. К оординация выражает пространственную, го­ ризонтальную упорядоченность компонентов системы, т. е. отра­ жает взаимодействие компонентов одного уровня организации.

С убординация —вертикальная упорядоченность, предусмат­ ривающая подчинение и соподчинение, т. е. отражает взаимо­ действие компонентов разного уровня организации.

Для оценки принадлежности любой части производства к сис­ темам необходимо знать свойства системы. К числу основных свойств системы можно отнести наличие:

1.Подсистем или элементов;

2.Взаимосвязей и отношений между элементами и средой;

3.Разнотипных связей;

4.Существенных связей;

36 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

5.Структуры отношений и взаимосвязей;

6.Цели, которая достигается функционированием системы;

7.Среды, в которой функционирует система;

8.Единства функции и структуры (т.е. структура определяет функцию, и наоборот —наблюдается диалектическое един­ ство);

9.Организации внутри структуры (иерархия);

10.Целенаправленности поведения;

11.Способности сохранять цель;

12.Способности к эволюции;

13.Самоорганизации;

14.Способности к выбору цели;

15.Способности к самосознанию.

Любая техническая система может обладать только первыми одиннадцатью свойствами. При этом если любая техническая ус­ тановка (или производство) имеет отмеченные свойства, то она представляет собой систему. И тогда к ней применимы все систем­ ные закономерности, в том числе и методология их создания.

Рассмотрим приведенные выше свойства по отношению к производствам основного органического и нефтехимического синтеза.

1.Любое производство может быть разделено на подсистемы

идаже элементы. В частности, если мы рассматриваем за­ вод, то подсистемой может быть цех или отдельная технологическая установка. Элементами в данном случае могут быть аппарат, машины и т. д.

2.Между цехами и даже отдельными аппаратами (элементами) существуют материальные, энергетические и инфор­ мационные связи. Эти связи особенно наглядно просматри­ ваются в непрерывных производствах. Такое производство связано с другими системами, одни из которых поставляют сырье, энергию, воду и т.д., а другие потребляют продукты

иотходы. Эти системы отображают среду, в которой сущест­ вует рассматриваемое производство.

3.Как уже отмечалось, связи между элементами и под­ системами могут быть разными: материальные, энергетиче­ ские, информационные и др. При этом одни из связей (материальные и энергетические) являются главными, так как разрыв одной из них может привести к прекращению

38Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

11.Если установка непрерывная, то она длительное время (до уничтожения) будет выпускать единожды заданные про­ дукты. Периодические установки также будут выпускать только определенные продукты, но дискретно во времени.

12.Все существующие технологические установки могут совер­ шенствоваться и, следовательно, изменяться, сохраняя пер­ воначально поставленную цель. При этом, как правило, изменения в одной подсистеме или элементе повлекут за собой изменения в других взаимосвязанных элементах или подсистемах.

Следовательно, все 12 свойств полностью относятся к любому подразделению отрасли и поэтому они могут быть отнесены к сис­ темам.

Иногда рассматриваются и другие свойства систем: наличие большо­ го количества элементов, сложность, стохастическая природа входных воздействий на системы, наличие конкурентных ситуаций и др. Доста­ точно легко можно показать, что и эти свойства относятся к производст­

вам основного органического и нефтехимического синтеза.

А. И. Кухтенко рассмотрены некоторые другие признаки: многомер­ ность, многообразие структуры системы (сети, деревья, иерархические структуры и т. д.); многосвязность элементов системы (взаимосвязанность подсистем в одном уровне и между различными уровнями иерархии); мно­ гообразие природы элементов (машины, аппараты, автоматы, люди-опе­ раторы), многократность изменения состава и состояния системы (пере­ менность структуры связей и состава системы); многокритериальность системы; многоплановость в научном отношении. Из них главенствую­

щими являются многомерность и многосвязность. ___

Все технологические системы, в том числе и производства 0 0 и НХС, обладают характеристическими свойствами. К их числу от­ носятся: надежность, чувствительность, управляемость, устойчи­ вость, помехозащищенность, эмерджентность, интерэктность и др. Рассмотрим кратко каждое из этих свойств.

Под чувствительностью обычно понимают свойства систе­ мы изменять технологические режимы функционирования под вли­ янием изменения собственных параметров системы и внешних воз­ мущающих воздействий.

У правляемость —это свойство системы достигать желаемой цели (заданного состава продукта, производительности в каждой

подсистеме и т. д.) при тех ограниченных ресурсах управления, ко­ торые имеются в реальных условиях эксплуатации.

П ом ехозащ ищ енность^, е. способность системы эффектив­ но функционировать в условиях действия внутренних и внешних помех.

Устойчивость - это способность системы возвращаться в пер­ воначальное состояние после прекращения действия возмущений.

В отрасли основного органического и нефтехимического син­ теза, имеющей дело с многотоннажными производствами, а также аппаратами и технологическими линиями большой единичной мощ­ ности, наиболее важной характеристикой ХТС является ее надеж ­ ность. Это свойство системы характеризуется частотой отказов от­ дельных ее элементов выполнять и сохранять заданные функции, выпускать требуемую продукцию в заданных пределах времени.

До сих пор мы рассматривали характеристики, которые от­ носятся как к системе в целом, так и к отдельным ее подсистемам или элементам. Вместе с тем, имеются характеристики, которые от­ носятся только к системам. Это эмерджентность и интерэктность. Под эм ердж ентностью понимают способность системы приоб­ ретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов, образующих эту систему. И н тер эк тн о сть —спо­ собность элементов, образующих систему, взаимодействовать между собой в процессе ее функционирования.

Таким образом, технология производства основного органи­ ческого и нефтехимического синтеза представляет целостный ком­ плекс взаимосвязанных элементов (аппаратов), обладающий оп­ ределенной структурой, допускающий вычленение иерархии элементов, в том числе и комплексов. Взаимодействуя со средой, т. е. с другими частями производства, любая технологическая ус­ тановка может рассматриваться как элемент высшей, более ши­ рокой системы (например, цех, завод). В свою очередь эти систе­ мы могут быть подсистемами еще больших систем —комбинатов, компаний, корпораций.

Следовательно, такие производства обладают многоэтапной иерархичностью.

Системное представление производства

Взависимости от целей анализа каждое производство может быть представлено в виде некоторой совокупности систем или их состав­ ляющих. Можно рассматривать производство с точки зрения физи­

40 Часть /. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

ческих, кибернетических, экономических и социальных систем. Анализ технологии как кибернетической системы, представляю­ щей совокупность управляемой и управляющих подсистем, свя­ занных потоками информации, применяется при больших объе­ мах производства.

Однако его представление как физической и кибернетической системы является неполным, особенно когда необходимо решать во­ просы (например, расширения предприятия), влияющие на объем, номенклатуру, качество продукции и выходящие за пределы функ­ ционирования технологического процесса. Это можно учесть, если рассматривать производство и как экономическую систему. Вхо­ дом такой системы являются капитальные затраты на разработку, проектирование и строительство, а также текущие затраты произ­ водства. Выходом является стоимостная оценка выпускаемой про­ дукции. Следовательно, если основной задачей производства, рас­ сматриваемого в виде физической системы, является выпуск наибольшего количества продукции при заданном расходе сырья и трудовых ресурсов, то при рассмотрении его как экономической системы —максимальная прибыль за счет реализации готовой про­ дукции при заданных затратах. Как правило, эти две задачи не про­ тиворечат друг другу, но имеют различные формы. Производство как экономическая система, в отличие от физической, имеет дело не с реальными процессами и объектами, а с их изоморфными отобра­ жениями в экономической области. Это означает, что, регулируя эко­ номические показатели технологии, можно в определенных преде­ лах изменять экономические характеристики производства в целом.

Производство может рассматриваться как экологическая под­ система, характеризующаяся отношением к окружающей среде.

И наконец, производство необходимо рассматривать как социальную систему. Это особенно важно для таких крупнотоннажных химических производств, каковыми являются про­ изводства 0 0 и НХС. При этом производство анализируется как система практических отношений общества с самой системой и веществом. Комплексное, всестороннее использование вещест­ ва для нужд экономики, превращение отходов производства, за­ грязняющих окружающую среду, в полезные продукты или сырье для других производств —задача производства основного органи­ ческого и нефтехимического синтеза. Следовательно, технология производства должна быть разработана так, чтобы производить целевые продукты в условиях, безопасных для человека и окру­