Курс лекций ббк20. 1 я7 к 17 Калыгин В. Г

.

Такая формализация рассматриваемой ХТС и ее иерархическая структу­ра является важными предпосылками к созданию и внедрению на предпри­ятиях высокоэффективных порошковых технологий (модулей), базирующих ся на рассмотренных принципах и позволяющих реализовать в каждом кон­кретном случае наиболее рациональную ХТС подготовки и переработки ПМ Далее кратко остановимся на общем описании предложенных уровней иерар­хии, а также рассмотрим некоторые задачи, характерные для каждого уровня

Необходимо принимать во внимание, что элементы верхнего уровня иерархии - отрасли или завода - связаны между собой и окружающей сре­дой многочисленными подсистемами для транспорта сырья, энергии, по­лупродуктов и т.п. Они также содержат многовариантные подсистемы для закупки, распределения, хранения сырья, продуктов, сроков ввода новых объектов и т.д.

Для решения задач на верхнем уровне предложено использовать техни­ко-экономические линейные модели, которые отражают взаимосвязь по ли­нии «сырье - продукты» (пример типовой системы изображен на р и с. 4.1)


Имеющееся количество сырья

1—| 1—j

SN | | SN-i ... S2 j j Si



Плановая потребность в продуктах

Рис. 4.1. Информационная схема (алгоритм) для построения математической модели «отрасль»



m

Gj + ^ayXj + gj -0;

H

Gj <; S-p gi ^dj; X] sp,;

j = 1, 2, m; i -1, 2, n,

где G, _ количество /-го вещества - сырья; т - число технологий (производ­ственных систем); а,у - коэффициент эффективности переработки /-го про­дукта в у-й подсистеме; < 0, если i - сырье; ау > 0, если i - продукт произ­водства; а - характеризует матрицу преобразования вещества в результа­те реализации технологий; х^ - количество вещества, перерабатываемого в у-й подсистеме; д, - количество /-го вещества - продукта производства; S, - количество сырья; с/, - требуемое количество /-го сырья; р, - ограничение по мощности у-й подсистемы; п - число различных веществ в системе (сы­рье, полупродукты, продукты).

Аналогичные модели можно построить и для других балансовых вели­чин - энергии, стоимости. Используя соответствующую целевую функцию, можно найти требуемые оптимальные решения.

Для решения задач на среднем и нижнем уровнях иерархии (с учетом применения для процессов предварительной подготовки и последующей переработки ПМ самой разнообразной аппаратуры, которую желательно рассматривать в свете функционирования всей технологической линии, то есть решать основную задачу ХТС) необходимо иметь в виду следующее.

Анализ основных процессов подготовки и переработки ПМ (проведен на примере стекольных шихт) показал, что обобщающей стороной технологии является процесс активации сырья (механической, химической, термиче­ской или их совокупностью) с целью повышения показателей эффективно­сти процесса стекловарения (интенсификация процесса плавления, повы­шение производительности печи, прогнозирование свойств стекол, сниже­ние безвозвратных потерь компонентов). В связи с этим выделяют пять основных (приоритетных) подсистем, обладающих с одной стороны полной автономностью, с другой - тесной взаимосвязью в рамках рассматривае­мой технологии (рис. 4.2) и имеющих следующие цели:

/. Подсистема подготовки:

Измельчение - образовать из сырья полупродукт с нарушенной кри­сталлической решеткой заданного гранулометрического состава, часто с удалением влаги и декарбонизацией.

Дозировка - обеспечить отмеривание исходных компонентов в таких количествах, соотношение которых обеспечивает соответствие показате­лей качества смеси требуемым значениям.

Смешение - получить химически и механически однородную смесь ин­гредиентов шихты или их групп, иногда с добавлением технологического связующего и отходов основного производства.

Компактирование - получить из многокомпонентного полидисперсного порошка компактные плитки (гранулы) необходимой прочности, плотности и влажности.




Рис. 4.2. Схема системной постадийнойразработки и усовершенствования ресурсосберегающей техники подготовки

и переработки стекольных шихт

2. 
   Подсистема надежности (обеспечения стабильности подго­товки):
   

Износостойкость узлов и (или) конструкционных материалов - обес­печить заданные технологией режимные параметры процесса.

Структурно-механические характеристики сырья - снизить интенсив­ность отказов и интенсифицировать активационные эффекты.

2. 
   Подсистема оценки качества полупродукта:
   

Активность компонентов и шихты - прогнозировать степень модифи­кации сырья (шихты) и характеристики (структуру) будущих расплавов (сте­кол, волокон).

2. 
   Подсистема переработки:
   

Стекловарение - переработать подготовленный полупродукт (шихту) в стекломассу (чаще в стеклоизделия, например, стеклошарики) с заданны­ми характеристиками.

Формование стеклянных нитей - перевести расплав шихты или стек- лошариков в твердую фазу - элементарное волокно.

2. 
   Подсистема природоохранной стратегии:
   

Экологическая безопасность и ресурсосбережение - выявить приори­тетные загрязнения окружающей среды, минимизировать их и оценить ХТС на соответствие критериям мало- и безотходных технологий.

Из сказанного следует, что производственные процессы получения стек­ла и стеклянного волокна характеризуются большим разнообразием выпус­каемой продукции и сложностью. Общей чертой этих процессов является то, что для превращения исходного сырья (отдельных компонентов) в ших­ту или полупродуктов (шихты, стеклошариков, стекломассы) в целевой ко­нечный продукт - стекловолокно - необходимо большое число функцио­нально различных ступеней подготовки и переработки. Для целенаправ­ленного осуществления этих технологий требуются разные виды энергии, вспомогательных веществ и информации, так называемые параметры про­цесса. В литературе (системном анализе) принято деление параметров на входные, управляющие, возмущающие и выходные.

Установить влияние характера взаимодействий различных фаз систе­мы Т-Т; Ж-Т; Г-Т и т.п. (например, порошковой или гранулированной ших­ты, расплава стекла и его твердых отходов, режимных параметров обору­дования и др.) на количество и состав промышленных выбросов, качество стеклоизделий, срок службы оборудования и так далее можно следующим образом. Для этого графически исходную технологическую линию пред­ставляют в виде блок-схемы (прямоугольника), ограничивающего систему, которая содержит от 2 до 6 прямоугольников, ограничивающих подсисте­му. В подсистему входят несколько операторов, отражающих сущность технологической операции или операций, выполняемых в машине или аг­регате. Границы оператора совпадают с границами такой машины или опе­рации. Оператор содержит один или несколько процессоров, под которыми понимают физико-химические процессы. Связи между операторами выра­жают в виде линий материальных потоков.

Изображения типовых процессоров представлены на рис, 4,3, опера торной модели линии - на рис. 13.1 (см. лекцию 13).




Рис. 4.3. Схема технологических процессов производства стекловолокна: 1 - соединение без сохранения поверхности раздела исходных компонентов (стадия сил и катообразования); 2 - соединение с сохранением поверхности раздела исходных компонентов исходной шихты (смешение); 3 - уплотнение (комлактирование) шихты с частичным сохранен и ем поверхности раздела исходных компонентов при небольшом или среднем давлении прессо вания, 4 - компактирование шихты без сохранения поверхности раздела компонентов при высо ком давлении прессования; 5-дробление; б - сложный процессор (комплекс физических, хими ческих, тепло- и массообменных процессов); 7- придание стекломассе формы; 8 - термообра ботка (нагрев, расплавление, отжиг, охлаждение); 9- изменение агрегатного состояния; 10- до зирование, 11 - перемешивание шихты без изменения агрегатного состояния, 12 - разделение (классификация); 13- вторичное использование (рекуперация) теплоты, 14 - формование пучка волокон, 15- соединение пучка волокон в нить



Анализ операторной модели линии, целей подсистем и их параметров показал, что работу всей системы определяют подсистемы образования компактированной шихты и стекломассы. При их исследовании и функцио­нальном анализе целесообразно рассматривать не систему машин и аппа­ратов, а систему протекающих в них процессов. При этом технологический процесс может быть представлен как преобразование множества входов (исходное состояние шихты) в множество выходов (промежуточное или ко нечное состояние изделия).

Сложный характер взаимосвязей элементов подсистем может быть вы­явлен при использовании статистических методов планирования экспери­мента и вычислительной техники.

Таким образом, результаты системного анализа можно использовать для разных целей: сбора информации о процессах и структуре связей ме жду элементами и подсистемами в зависимости от технологических и кон­струкционных параметров систем, составления топологических моделей проведения многофакторных экспериментов в производственных условиях, а главное - при синтезе новых технологических схем, обеспечивающих ра­боту линии в оптимальном режиме по эколого-экономическим показателям.

Рассмотрим в общем виде некоторые варианты применения оператор­ной модели по указанным целям.

Производство ПМ состоит из множества процессов, на которые влияет огромное количество факторов. При оптимизации таких процессов с помо­щью многофакторного эксперимента используют априорное ранжирование факторов и определяют их уровни. Важно правильно выбрать критерий оп­тимизации (например, качество изделия, экологическую безопасность про­цесса или материала, комплексность применения сырьевых, вторичных и энергетических ресурсов, стабильность процессов, протекающих в подсис­темах и т.д.). Таких критериев может быть несколько и они определяются конкретными условиями производства. Выбранный критерий связывает существенные факторы в математическую модель (полином). Применяя статистические методы планирования эксперимента, в зависимости от це­ли работы минимизируют или максимизируют критерий оптимизации. На­пример, определяют минимум предельно допустимых выбросов (ПДВ) по целевому или токсичному компоненту, или максимум BMP (возвратных или покупных), применяемых как основной ингредиент смеси при сохранении стабильности комплексного показателя качества изделий. Причем в каче­стве управляющих факторов могут использоваться параметры различных подсистем: влажность порошковой шихты или гранул, плотность и проч­ность гранул, режимные характеристики оборудования, выбросы (сбросы) В биосферу, здоровье человека и т.д.

Остановимся подробнее, с учетом накопленного опыта и последних достижений науки и техники, на реализации принципов формирования и синтеза ХТС рассмотренных уровней иерархии. В соответствии с предла­гаемой методологией далее будут изложены особенности их функциониро­вания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ