Химико-технологическая система как объект моделирования

Химическое производство состоит из множества аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при многообразии его составных частей – задача не только сложная, но и малоэффективная. Фактически исследование сложных ХТС сводится к изучению ее подсистем. Возможна идентификация подсистемы по одному из двух классификационных признаков – функциональному или масштабному.

Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение определенных функций производства и его функционирование в целом. По этому классификационному признаку могут быть выделены, например, технологические, энергетические, логистические подсистемы, подсистемы управления и т.д.

Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты химико-технологического процесса. Объект химической технологии включает группу взаимосвязанных подсистем, формируемых в соответствии с номенклатурой выпускаемой продукции и технологическими регламентами ХТП.

Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения ХТП тепловой, силовой, электрической энергией. В зависимости от вида энергии формируется соответствующая подсистема.

Подсистема управления – часть производства, которая обеспечивает получение и преобразование информации о его функционировании и процессах управления ХТС. К таким подсистемам относятся:   – автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП), – система планирования ресурсов ХТС, – система стратегического планирования ХТС и другие информационные подсистемы управления ХТС и ХТП.

Функциональные подсистемы представлены в соответствующих разделах технической документации производства. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.

Масштабные подсистемы как отдельные части химико-технологического процесса соответствуют определенным этапам в последовательности процессов переработки сырья в продукты. Масштабные подсистемы ХТС систематизируют в виде их иерархической последовательности – иерархической структуры ХТС.

В структуре ХТС минимальный элемент как нижний уровень иерархии – отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, составляют следующий масштабный уровень – уровень подсистем (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т. д.). Отделения или участки производства, соответствующие получению продуктов или полупродуктов, характеристики которых описаны в технологическом регламенте ХТС, образуют следующий масштабный уровень. Совокупность отделений, установок, цехов образует ХТС производства в целом.

Анализ ХТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС, показателях ее эффективности и функционировании системы, а также о влиянии на эти данные технологических процессов, структуры технологических связей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации. Фактически анализ ХТС – это процесс определения показателей химико-технологического процесса: – технологических (качество продукта, производительность, обеспеченность ресурсами, интенсивность процесса,); – экономических (себестоимость, производительность труда); – эксплуатационных (надежность, безопасность функционирования); – организационных (техническое обслуживание, уровень автоматизации, экологическая безопасность).

Анализ ХТС осуществляется при разработке и проектировании нового химического производства, при эксплуатации действующего производства, для сравнения различных вариантов реализации процесса, при модернизации и реконструкции производства. Первым шагом в процедуре анализа ХТС является определение ее регламентированных параметров, т.е. расчет ХТС. На основе технологического регламента определяются расходы сырья и энергии, технологические показатели процессов, характеристики управляющих параметров, экономические и организационные показатели ХТС.

На следующем этапе оцениваются реальные показатели процессов, соответствующие эксплуатационным характеристикам ХТС. Путем их сравнения с регламентированными параметрами определяется реакция системы на изменения в ходе процесса (изменение состава и количества сырья, энергетического обеспечения, состояния аппаратов, включая выход из строя некоторого оборудования, а также воздействия возмущающих воздействий на эксплуатационные режимы отдельных аппаратов и узлов). При этом необходимо учитывать, что ХТС в целом обладает свойствами, не присущими отдельным ее элементам, что обусловлено взаимозависимостью их режимов.

По результатам оценки технологических и эксплуатационных характеристик ХТС делается заключение о возникновении проблемы функционирования ХТС и принимаются решения об управляющих воздействиях на элементы системы. Управление ХТС происходит на основе анализа информационного обеспечения производства, для работы с которым используются логико-математические модели.

Модель ХТС – информационный объект, который отражает главные, с точки зрения решаемой задачи, свойства объекта моделирования. Информационный объект включает поименованную совокупность данных и функций (методов), адекватно описывающий моделируемый элемент или подсистему ХТС.

В соответствии с моделью составляется алгоритм. Алгоритм – это точная, однозначная, конечная последовательность действий, которую должен выполнить пользователь для достижения конкретной цели либо для решения конкретной задачи или группы задач. Свойства алгоритма включают:

–  детерминированность ( определённость), когда в каждый момент времени, следующий шаг работы однозначно определяется состоянием системы, т.е. алгоритм выдаёт один и тот же результат (ответ) для одних и тех же исходных данных;

–  понятность, когда алгоритм для исполнителя должен включать только те команды, которые ему (исполнителю) доступны, входят в его систему команд и используют лингвистическое обеспечение предметной области;

–  результативность, когда при корректно заданных исходных данных алгоритм должен завершать работу и выдавать результат за конечное число шагов, а в случае некорректных данных результат должен содержать объяснение возникших ошибок;

–  универсальность, при которой алгоритм должен быть применим к различным вариантам (множеству) аналогичных задач, т.е. составляется универсальный общий алгоритм задачи (верхний уровень), универсальность которого снижается при детализации модели (нижний уровень).

Моделирование ХТС позволяет провести комплексный анализ эффективности системы и принять решения об управляющих воздействиях. Главной задачей процесса управления является формирование типовых элементов оперативного, тактического и стратегического управления ХТС, адаптируемых к требованиям конкретных производств.

Важнейшие цели оперативного управления: – получение прибыли за счет реализации запланированных заранее мероприятий с использованием имеющегося потенциала; – регистрация, анализ и ликвидация отклонений хода производства от запланированного (регламентированного); – выработка и реализация решений по устранению или минимизации нежелательных отклонений. Задачи на оперативном уровне определены, структурированы и, как правило, формализуемы. Эффективно применение принципов объектно-ориентированного программирования. В некоторых случаях процедуры оперативного управления реализуются в автоматическом режиме.

Процедуры оперативного управления ХТС, реализуемые с использованием системы автоматизированного управления, включаются в структуру производства уже на стадии разработки технологического регламента – документа, определяющего организационно-технологическую структуру и принципы управления ХТС на этапе её проектирования.

Основные цели тактического управления включают: – обеспечение устойчивого функционирования предприятия в целом; – создание потенциала для развития организации; – создание и корректировка базовых планов работ и графиков реализации заказов на производимую продукцию. Тактический уровень управления основан на анализе изменений (мониторинге) показателей работы организации во времени, составлении периодических отчетов, анализе архивных данных. Для выполнения операций используются информационные технологии, связанные с базами данных, интеллектуальным анализом данных, базами знаний, моделями представления знаний, системами поддержки принятия решений, организационно-экономическими моделями бизнес-процессов.

Основными целями управления на стратегическом уровне являются: – определение системы приоритетов развития организации; – оценка перспективных направлений развития предприятия; – выбор и оценка ресурсов для достижения стратегических целей. Этапы стратегического уровня включают: – формирование целей и стратегий их достижения; – определение принципов управления процессом; – синтез тенденций, при котором совмещаются цели и стратегии, формируемые руководством предприятия и анализируемые средствами информационных систем с использованием моделей представления знаний и принципов принятия решений в условиях неопределенности.

Структурная модель ХТС и ХТП позволяет выбрать и оценить альтернативные варианты решения и согласовать их со специалистами, что происходит главным образом на уровне решения задач тактического и стратегического управления ХТС. Окончательное решение о процедуре тактического или стратегического управления, как правило, оформляется в форме документа (приказа, проекта, бизнес-плана), выполнение которого происходит в определенный период времени.