Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)
Подождите немного. Документ загружается.
5. Низька вартість апарату та ремонту, ремонтопридатність та надійність в
роботі, які досягаються простотою конструкції, використанням дешевих
міцних, стійких проти спрацювання конструкційних матеріалів.
При розробці систем автоматичного керування машинами та апаратами до
них ставлять вимоги, що пов'язані з можливостями одержання інформації про
їх функціонування встановленням
75
вимірювальних засобів, а також можливостями встановлення виконавчих
механізмів та пристроїв.
Перелічені вимоги взаємопов'язані і в значній мірі суперечливі. В звичайних
умовах не вдається реалізувати процес в машинах і апаратах таким чином,
що б були виконанні всі вимоги з достатньою повнотою. Міра відповідності
машини або апарату цим вимогам визначається мінімальною собівартістю та
заданою якістю продукції.
2.4.5. Принцип оптимального варіанту
Цим принципом передбачено сполучення послідовності технологічних
операцій, їх фізичних та біохімічних закономірностей, технологічних
режимів, конструктивних параметрів машин та апаратів, основних законів
керування, управління та економіки, кон'юнктури ринку, спрямованих на
зниження затрат виробництва та одержання найбільшого прибутку.
Конкретно цей принцип при проектуванні виражається у виборі такої
послідовності технологічних операцій, режимів, типів машин, сполучуючих
трубопроводів та інших комунікацій, засобів механізації та автоматизації, яка
б забезпечила досягнення заданих технологічних вимог при мінімальних
затратах на виробництво.
Поняття оптимального варіанту розміщення устаткування включає:
■ мінімальну протяжність комунікацій;
■ використання природних напорів для транспортування рідин та сипких
матеріалів;
■ централізоване розміщення устаткування для використання однотипних
процесів (операцій);
■ додержання заданої почерговості виконання технологічних операції та
правил безпеки праці.
Принцип оптимального варіанту передбачає визначення продуктивності
технологічних ліній, відповідність продуктивностей окремих типів
устаткування продуктивності технологічної лінії, безперервність або
періодичність роботи окремих дільниць (устаткування). При визначенні
періодичності або безперервності роботи лінії зрівнюють економічні
показники обох методів, зокрема, за собівартістю продукції. Графіки, які
відображають залежність собівартості продукції від постійних та змінних
витрат, показано на рис. 2.3.
76
Рис. 2.3. Залежність витрат від продуктивності апарату:
а — при періодичному процесі; б — при безперервному
Постійні витрати (амортизаційні відчислення, експлуатаційні, заробітна
платня (лінія 1) від продуктивності не залежать. Для безперервних процесів
вони більші ніж для періодичних.
Змінні витрати (електроенергія, пара, вода) пропорційні продуктивності
(пряма лінія 2). Для періодичних процесів, де частіше виконуються пуск,
зупинення, періоди прогріву, охолодження, вони вищі. Витрати на сировину
(пряма 3) пропорційні продуктивності та однакові для обох процесів.
Загальні витрати на виробництво продукту (пряма 4) уявляють суму
постійних та змінних витрат та собівартості сировини. Відпускна ціна (лінія
5) однакова для періодичного та безперервного процесів.
З графіку неважко встановити, що потужність, при якій процес має бути
збитковим, для агрегату періодичної дії менший, чим для агрегату
неперервної дії. Таким чином, іноді вигідним може бути періодичний процес.
Сучасні методи оптимізації дозволяють знаходити оптимальні рішення
тільки для одного критерію; якщо об'єкт оптимізації необхідно оцінити
декількома критеріями; то звичайно вибирають компромісний варіант. В
деяких випадках можлива формалізація вибору компромісного варіанту за
допомогою методів кваліметрії. Одним із методів, який визначає та
формалізує співвідношення між різними критеріями, є рішення по Парето.
Рішення Парето вважають оптимальним, якщо значення будь-якого критерію
можливо покращити тільки за рахунок погіршення значень останніх
критеріїв. Методи оптимізації по Парето визначають правила вибору за
формальними ознаками переваги одних критеріїв над іншими.
77
Найбільш простим засобом знаходження оптимального (найкращого в якому-
небудь розумінні) рішення є перебір всіх можливих варіантів з наступним їх
порівнянням. Цей метод використовують при обмеженому числі варіантів
або при прівнянно нескладних обчислювальних процедурах. Практично цей
метод нереальний, оскільки нескінчене число припустимих варіантів рішень
неможливо перебрати за обмежений період часу. При виборі найкращих
рішень часто використовують інтуїтивні методи, засновані на досвіді та
інтуїції фахівців, але ці рішення не гарантують оптимального варіанту та
доступні тільки обмеженній кількості фахівців.
В основу всіх математичних методів пошуку оптимальних рішень покладено
принцип перебору якоїсь малої частки варіантів, визначеної шляхом логічної
процедури аналізу початкової задачі. Наприклад, в основу так іваних
градієнтних методів пошуку оптимальних рішень покладено принцип:
замість експериментального проведення всіх можливих варіантів
технологічного процесу обмежуються виконанням невеликої частки дослідів
по напрямку градієнта, яка приведе до оптимального рішення. При наявності
математичного опису процесу експериментальні досліди замінюють
аналітичними, тобто обчисленнями,
Незважаючи на загальний принцип скорочення числа обмежень aбo вимірів
при оптимізації, її методи дуже відрізняються і визначаються в основному
формою математичного опису. При цьому початковий математичний рпис
необхідно змінити так, щоб можна було застосувати один із відомих методів
оптимізації, тобто привести задачу до однієї з канонічних форм пошуку опти-
мальним рішень. Знаходження оптимальних рішень іноді в технології afo в
економіці формують як задачу оптимального управлінню, під якою
розуміється сукупність рішень, які приймаються іде кожному
технологічному егапі (стадії) виробництва для досягнення найкращих
результатів.
Процес називають ксрусмнм, коли є можливість впливати якимось, чином на
хід цього процесу. Цей вплив на нижніх рівнях звичайнр здійснюється
зміною величин фізичних параметрів. В економічних процесах керування
зартючається в розподілі та перерозподілі коштів та матеріалів на кожній
стадії виробництва. Наприклад, випуск готової продукції підприємством —
керуємий процес, оскільки він визначається зміною об'єму фінансування,
суб'єктом постачання та якістю сировини, складом та станом устаткування і
т.п. В зв'язку з л,им вся сукупність рішень по
78
забезпеченню виробництва сировиною, розмірами фінансування, зміною
устаткування називається управлінням. Зокрема треба передбачити зміну та
ремонт устаткування в зв'язку з його зносом за періодами часу, зміну
асортименту в зв'язку зі змінами кон'юктури ринку, якістю та складом
сировини, тощо.
Таким чином економічне управління є поетапний або багато-кроковий
процес. Основною економічного управління частіше всього вважають
одержання максимального прибудку. Це складна в математичному плані
задача розв'язується методами оптимізації.
При проектуванні та експлуатації технологічних процесів математичні
методи оптимізації широко використовується для розв'язання задач по
вибору оптимальної рецептури продукту, оптимального асортименту,
оптимального використання та зміни устаткування, оптимальної потужності
приймальних та відпускних пристроїв та багато інших.
З усіх математичних методів оптимізації найбільше використовуються
методи лінійного та динамічного програмування. Задача лінійного
програмування в найбільш загальному вигляді
формулюється так.
Треба знайти максимум або мінімум лінійної функції змінних
- задані сталі коефіцієнти.
Обмеження на змінні при виборі їх оптимальних значень включають рівності
та нерівності
79
В задачах лінійного програмування сталі в обмеженнях можуть бути
додатніми або від'ємними, а серед них можуть бути і рівними нулю. Змінні xj
є невід'ємними. Якщо будь-яке значення bі від'ємне, то достатньо помножити
відповідні співвідношення на -1, щоб зобразити їх у вигляді, де права частина
є додатною величиною. Якщо
b
i
= 0 в одному із початкових співвідношень,
то тоді в рівняння обмежень вводять додаткову змінну
bx
in
1
, або
bx
n 11
. Значення додатної величини bі в цьому
випадку вибирають довільно. В такому разі змінну
x
n 1
вводять у вираз для
функції оптимізації з нульовим коефіцієнтом
c
n 1
= 0.
Лінійну функцію (2,1) називають лінійною формою задачі, а множину
наборів чисел
xx
,
21
, ...,
x
n
, які задовольняють умови (2,2, 2,5) — областю
визначення її лінійної форми. Систему рівнянь та нерівностей (2,2, 2,5), яка
породжує область визначення задачі, називають системою умов задачі.
При розв'язанні задач вибору оптимальної рецептури коефіцієнти визначають
вартість компоненту, а змінні
x
j
, — їх кількість, коефіцієнти
a
—
кількість речовини i в j-му компоненті, а
b
i
, — обмеження по вводу і-го
компоненту в рецептуру. При розв'язанні задач вибору оптимального
асортименту мінімальних транспортних комунікацій та використання устат-
кування, фізичний та економічний зміст цих коефіцієнтів (сталих)
змінюється, а метод розв'язання зводиться до стандартної програми на ЕОМ
при умові, що технологічна задача буде доведена до канонічної математичної
форми.
80
Контрольні запитання до 2-ї глави
1. Дайте визначення технологічній, фізичній, хімічній і біологічній
системі.
2. Дайте визначення "рівноважна система".
3. Вплив основних параметрів технологічного режиму на рівновагу системи
(правило Пбса).
4. Дайте визначення "кінетика процесу".
5. Запишіть рівняння кінетики для фізичних, хімічних і біологічних
процесів.
6. Зворотні та незворотні процеси в технології.
7. Швидкість хімічних та біохімічних перетворень.
8. Визначення швидкості перетворення.
9. Основні рівняння ферментативних перетворень (Міхаеліса-Ментен, Моно,
Моно-Ієрусалимського, тощо).
10. Визначення констант (сталих) в рівняннях кінетики.
11. Основні завдання кінетичного дослідження.
12. Швидкість перетворень в кінетичній та дифузійних областях.
13. Визначення часу перебігання технологічного процесу за допомогою
кінетичних рівнянь.
14. Вимоги до якості сировини.
15. Принципи найкращого використання сировини (енергії).
16. Оцінка якості продукції.
17. Основні напрямки інтенсифікації технічних процесів.
18. Основні завдання технології як науки.
19. Принципи ресурсо- та енергозбереження
20. Принципи найкращого використання устаткування
81
Розділ 3. Технологічна лінія як система
3.1. Загальні уявлення про систему
Системні уявлення у вигляді розрізнених знань людини існують дуже давно.
їх перші нариси можна знайти вже в творах найдавніших мислителів.
Системність є однією з універсальних рис і відрізняється від загальних
якостей речей, таких, як якість і кількість, і є менш доступною для
безпосереднього спостереження, на якому базується людське пізнання багато
тисячоліть.
По справжньому наукові, широко системні уявлення про різні сфери
об'єктивної діяльності з'явилися значно пізніше як продукт фундаментальних
наукових теорій XIX та XX ст. В останні десятиріччя всі науки тією чи
іншою мірою переживають процес розширення та поглиблення уявлень про
предмет власного дослідження. Певною мірою це треба віднести і до
технології. Тут також з'явилися поняття про макро- та мікросистемні об'єкти,
системно утворюючі фактори, тощо.
Формалізація системи здійснюється за допомогою математичних моделей,
які можуть бути зв'язком між вихідними параметрами, параметрами стану і
вхідними, керуючими та збуджуючими змінними. Складна система за звичай
формалізується як де-терміновано-стохастична модель. На різних рівнях
ієрархії може переважати як детермінований, так і стохастичний опис
підсистем.
На рис. 3.1. представлено графічну модель самокерованої системи. Стан
керованої частини визначає поведінку всієї системи, яка характеризує її
вихід.
Технологічний зв'язок між виходом (випуском) продукції і затратами (вхід)
за звичай описують виробничою функцією
Y=f(
xxx
n
...,
21
),
де у — об'єм продукції (вихід);
x
i
, — затрати на випуск (вхід).
Це рівняння в самому простому випадку може бути лінійними
y=
lk
aa
21
,
де к — об'єм використовуємих виробничих фондів;
l — чисельність працюючих;
aa
20
— коефіцієнти регресії.
82
Рис. 3.1. Графічна модель цілісної самокеруємої системи.
X— вхід системи: V— збуджуюча дія: u — дія керуючої частини: u’ — дія
керуємої частини системи: Y— вихід системи.
83
Нелінійна функція може бути такою
Y=
lka
aa 21
0
Для оцінки ефективності виробничих ресурсів використову-
ють два показники середню та граничну ефективність
Ефект масштабу виробництва визначається виразом
f
(a)=
)x(f
a
n
При n>1 має місце зріст віддачі, при n<1 - зменшення, а при n=1 має місце
стала віддача виробництва
Сучасні наукові дослідження в технології, машинобудуванні, економіці чи
промисловості характеризуються багатоступе-невістю, багатомірністю. Тому
системний підхід до технології є реально існуючим у вигляді різноманітних
змістовних системних уявлень (незалежно від того, чи відображені вони
"системною мовою" чи ні). Однак стійка необхідність у підвищені ефектив-
ності вже створених при розробці нових високо якісних складних технічних
систем технології, вимагають узгодженого функціонування десятків їх
компонентів, неодмінно веде до розробки таких методологічних принципів,
основою яких є уявлення про складні функціональні системи.
Сучасне підприємство як система значного розміру складається із
взаємопов'язаних підсистем, між якими існують співвідношення
підпорядкованості з трьома основними проблемами якості систем (рис. 3.2).
Спрощену систему управління можна показати схемою на рис. 3.3.
Підкреслимо, що системне дослідження спрямоване на технологічну лінію в
цілому, а в іншій методологічній інтерпретації можна розглянути і процес як
систему. При системному дослідженні лінії дослідник викриває її загальні
закономірності будови, функціонування та розвитку.
Для найкращого зрозуміння значення системного дослідження та його
різниці з традиційною інженерною та науковою діяльністю, перелічимо
завдання, які ним розв'язуються:
> збирання та обробка інформації для прийняття керівництвом науково
обґрунтованих рішень по удосконаленню технології та техніки;
> розробка загальної програми удосконалення систем як основи
взаємопов'язання розвитку окремих підсистем і елементів;
84
Рис. 3.2. Система підприємства
> системний аналіз і системний синтез виробничого прогресу з метою його
уявлення як системи і подальшого моделювання в рамках підсистем;
> встановлення особливостей функціонування виробничого процесу, що
необхідні для з'ясування причин низької точності, малої сталості та
надійності;
> оцінка можливостей управління лінією за допомогою статистичних
методів;
85
Рис. 3.3. Спрощена структура управління підприємством
> виявлення рівня розвитку системи шляхом кількісних оцінок цілісності
структури, стохастичності зв'язків і чутливості елементів;
> визначення напрямків розвитку технологи, обладнання і засобів
автоматизації;
> прогнозування перспективи розвитку системи та її частин. Всі перелічені
завдання потребують спеціальних досліджень,
в тому числі і підготовка інформації для прийняття керівництвом певних
рішень.
Таким чином, підсумовуючи викладене розглянемо технологічний процес як
систему.
3.2. Технологічна система
В загальновизначеному розумінні під системою розуміють якимось чином
упорядковану множину різнорідних взаємозв'язаних між собою та
утворюючих деяку єдність елементів. Будь-яка технологічна лінія підпадає
під це загально прийняте визначення системи, оскільки складається із певної
заздалегідь визначеної кількості різнорідних технологічних операцій, що
об'єднанні певним чином для виготовлення певного продукту визначеної
кількості та якості. Окремі технологічні операції об'єднують в угруповання
(дільниці, цехи), тобто в середині тех-
86
нологічної лінії (системи) утворюють підсистеми, які повинні мати деякі
властивості цілої системи (технологічної лінії).
У відповідності з фундаментальними визначеннями загальної теорії систем
треба визначити характерні особливості системи.
1. Наявність мети функціонування, яка визначає її основне призначення. Для
технологічної системи основною метою є випуск продукції певної якості та
кількості. Ця мета досягається послідовним виконанням окремих завдань, які
здійснюються складовими системи-підсистемами (технологічними
операціями).
2. Наявність керування, тобто упорядкованість системи — приведення її у
відповідність з метою та завданнями системи. Керування здійснюється
безпосередньо працівниками (ручне керування), працівниками з
використанням технічних засобів (автоматизоване управління) або тільки
технічними засобами, які працюють за програмами, що розроблені
працівниками (автоматичне керування).
3. Система має визначену структуру і розкладається на підсистеми, основною
ознакою яких є її цільове призначення. Мета функціонування кожної
підсистеми виходить із загальної мети функціонування системи і є часткою
функціонування системи більш високого рівня.
4. Ієрархічність побудови системи. Це означає, що кожна складова системи
(підсистема) може розглядатись як система, яка в свою чергу сама є
складовою системи більш високого порядку.
5. Безперервна зміна стану елементів підсистем без зміни структури
(графа) системи, оскільки при зміні структури змінюється вся система
(нова або удосконалена технологія).