Общие понятия и определения

Производственный процесс на химическом предприятии можно рассматривать как химико-технологическую систему (ХТС), предназначенную для выпуска химической продукции высокого качества с минимальными затратами ресурсов и вредного воздействия на окружающую среду. Для ХТС, как для любой системы, применимы все ее основные принципы: возможность независимого рассмотрения системы, отвлекаясь от конкретной ее природы; зависимость эффективного функционирования системы от ее состава и структуры, взаимосвязь и взаимообусловленность отдельных элементов системы; возможность изучения системы путем расчленения ее на отдельные элементы; возможность исследования системы на различных уровнях.

В настоящее время имеется множество определений понятия «система». Наиболее полная характеристика системы дана в определении С.А. Саркисяна и Л.В. Голованова: «Система – это не просто совокупность множества единиц, в которой каждая единица подчиняется законам причинно-следственных связей отдельных частей, обуславливающих выполнение определенной сложной функции, которая и возможна лишь благодаря структуре и большому числу взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом элементов».

Кроме определений понятия системы имеется и большое число классификаций систем.

К первому классу относятся системы, существующие в объективной действительности, живой и неживой природе, обществе.

Второй класс составляют системы концептуальные, идеальные, различной степени полноты и точности, в большей или меньшей степени адекватные реальным системам. Такие системы иногда называют абстрактными.

К третьему классу относят системы, которые спроектированы, сконструированы и созданы человеком для своих целей. Эти системы называют искусственными.

Системы, составляющие четвертый класс, – это смешанные системы, в которых органически слиты элементы естественной или общественной природы и элементы, созданные человеком.

Далее рассмотрим только системы третьего класса, так как все химические производства, от разработки до внедрения, созданы человеком.

Дадим определения основным частям любой системы.

Компонент – это часть системы, вступающая в определенные соотношения с другими ее частями. Компонентами могут являться любые подсистемы и элементы.

Подсистема – это составная часть системы, которая сама образована из компонентов, имеющих аналогичные свойства. Следовательно, это тоже система, но более низкого порядка.

Элемент – это часть системы, являющаяся пределом членения в рамках данного качества системы. Она представляет собой элементарный носитель данного качества.

В химическом производстве элементами могут служить отдельные аппараты (реактор, теплообменник, ректификационная колонна, насос, сепаратор, компрессор). Это справедливо, если в качестве системы рассматривается производство, цех, отделение, то есть любая часть технологии.

Системный подход включает три уровня изучения системы.

1. Собственный уровень, то есть изучение общего поведения системы, ее основных характеристик, исключая вопросы структуры.

2. Высший уровень, на котором изучаемая система рассматривается в ее взаимодействии с другими системами, например с окружающей средой.

3. Низший уровень, когда исследуются все элементы и внутренние связи системы, эффективность функционирования ее отдельных элементов, выявляются ее недостатки, определяется степень влияния низшего уровня структуры на общие свойства системы.

Целостные системы, в том числе и ХТС, характеризуются специфическими связями и отношениями, среди которых наиболее значимыми являются координация и субординация.

Координация отражает пространственную горизонтальную упорядоченность составляющих частей системы, то есть взаимодействие компонентов одного уровня организации.

Субординация отражает вертикальную упорядоченность, которая предусматривает подчинение и соподчинение разноуровневых составляющих системы.

К числу основных свойств любой системы, в том числе и ХТС, можно отнести наличие:

– подсистем или элементов;

– взаимосвязей и отношений между элементами и средой;

– разнотипных связей;

– существенных связей;

– структуры отношений и взаимосвязей;

– цели, которая достигается функционированием системы;

– среды, в которой функционирует система;

– единства функции и структуры (то есть структура определяет функцию и наоборот)

– функция определяет структуру, которые вместе образуют диалектическое единство;

– организации внутри структуры (иерархия);

– целенаправленности поведения;

– способности сохранять цель во времени;

– способности к эволюции;

– самоорганизации;

– способности к выбору цели;

– способности к самосознанию.

Любая система третьего класса обладает только первыми одиннадцатью свойствами. Но если технологическая установка имеет отмеченные свойства, то она является системой. И тогда к ней применимы все системные закономерности, в том числе и методология их создания.

Рассмотрим более подробно указанные свойства по отношению к химическому производству в том порядке, как они перечислены.

Любое химическое производство может быть разделено на подсистемы и элементы. В частности, если рассматривать завод, то подсистемой может быть цех или отдельная технологическая установка. Элементами в данном случае являются машины и аппараты.

Между цехами и даже отдельными аппаратами (элементами) существуют материальные, энергетические и информационные связи. Эти связи особенно выражены в непрерывном производстве. Такое производство связано с другими системами, одни из которых поставляют сырье, энергию, воду, а другие потребляют продукты и отходы. Эти системы отображают среду, в которой существует данное производство.

Среди разных видов связей в химическом производстве материальные и энергетические являются главными, так как разрыв хотя бы одной из них может привести к прекращению функционирования производства. Химическое производство не может содержать изолированные аппараты, то есть любой аппарат (реактор, колонна, теплообменник) из всего множества аппаратов связан, по крайней мере, с одним другим аппаратом.

Химической отрасли, как и любой ее части, присуща еще определенная структура отношений и взаимосвязей. В частности, в рамках отрасли есть определенные отношения между объединениями и заводами в виде взаимной передачи сырья и продуктов. Это же можно отнести и к цехам, но в рамках одного предприятия.

Любое производство либо создается для получения необходимых продуктов, либо выделено из отрасли для выяснения, например, возможности его реконструкции.

Поскольку любое химическое производство может функционировать только при непрерывной поставке сырья, энергии, воды из других производств, то отсюда следует, что оно может работать только в среде, то есть при наличии других систем.

Любое производство базируется на конкретной технологии, определяющей его структуру. Для производства тех или иных продуктов создается определенная технология, отражающая структуру. И наоборот, производство определенной структуры может выпускать только определенную продукцию.

Внутри любого производства имеется своя иерархия, например, завод – цех – отделение – установка – аппарат. Это же отражается и в технологии.

Производство работает таким образом, чтобы выпускать определенные продукты или полупродукты.

В зависимости от того, как протекают процессы во времени и в пространстве, возможно либо непрерывное, либо периодическое их функционирование. Если процессы протекают в одном аппарате и распределены во времени, то такие установки являются установками периодического действия. Если же каждый процесс протекает в своем аппарате, а все они осуществляются одновременно, то такие установки являются установками непрерывного действия.

Если установка непрерывная, то она длительное время (до уничтожения) будет выпускать единожды заданные продукты. Периодические установки также выпускают определенную продукцию, но дискретно во времени.

Все существующие технологические установки совершенствуются и, следовательно, изменяются, но сохраняют при этом поставленную цель. При этом, как правило, изменение в одной подсистеме или элементе влечет изменение в других взаимосвязанных элементах или подсистемах.

Отсюда следует, что все рассмотренные двенадцать свойств полностью относятся к любому подразделению отрасли, и поэтому они могут быть отнесены к системам.

Все химико-технологические системы обладают характеристическими свойствами. К ним относится надежность, чувствительность, управляемость, устойчивость, помехозащищенность, эмерджентность, интерэктность.

Под чувствительностью обычно понимают свойства системы изменять технологические режимы функционирования под влиянием изменения собственных параметров системы и внешних возмущающих воздействий.

Управляемость – это свойство системы достигать желаемой цели (заданного состава продукции, производительности в каждой подсистеме) при тех ограниченных ресурсах управления, которые имеются в реальных условиях эксплуатации.

Устойчивость – это способность системы возвращаться в исходное состояние после прекращения действия возмущения.

Помехозащищенность – это способность системы эффективно функционировать в условиях действия внешних и внутренних помех.

Наиболее важной характеристикой ХТС является ее надежность. Это свойство системы характеризуется частотой отказов отдельных ее элементов выполнять и сохранять заданные функции, выпускать требуемую продукцию в заданных пределах времени.

Перечисленные характеристики свойственны как системам, так и подсистемам и отдельным ее элементам. Такие характеристики как эмерджентность и интерэктность относят только к системам.

Под эмерджентностью понимают способность системы приобретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов, образующих эту систему.

Интерэктность – это способность элементов, образующих систему, взаимодействовать между собой в процессе ее функционирования.

Основные положения системного подхода следующие:

– любой объект исследования следует рассматривать как систему;

– от состава и структуры системы зависит ее функционирование;

– нельзя изучать отдельные элементы системы в отрыве от других, поскольку между ними существует обратная связь;

– полное знание отдельного элемента не означает полное знание всей системы в целом;

– для изучения состава и структуры системы используется метод декомпозиции (расчленение целого на части);

– для изучения свойств системы используют метод стратификации.

Стратифицированное (послойное) представление о системе используют в связи с невозможностью детального описания ее из-за множества свойств самой системы и ее элементов, а также неоднозначного их поведения при изменении условий функционирования.

Основу ХТС составляет производственная (операционная) система, в которой производится химический продукт. Производственная система иерархична по своему составу и, как всякая другая система, включает элементы высшего и низшего рангов. К элементам высшего ранга относят подсистемы, то есть совокупность отдельных ее частей (операторов), объединенных единой технологической целью с относительной автономией в рамках ХТС.