Понятие технологической системы

Технологическая система - совокупность функционально взаимосвязанных предметов труда, средств технологического оснащения и исполнителей, реализующих в регламентированных условиях производство продуктов и услуг с заданными свойствами. В качестве сложной технологической системы можно рассматривать “производственный комплекс” (стан, цех, завод), состоящий из большого числа агрегатов. При этом под технологической системой следует понимать совокупность производственного оборудования, а элементами могут быть отдельные станки и устройства. Целью функционирования производственного комплекса как технологической системы, т.е. ее показателями эффективности может быть производительность при условии обеспечения качества и заданной себестоимости продукции [2 Платов].

В металлургическом производстве при обработке металлов давлением сочетаются процессы нагрева, деформации и обработки поверхности металлов. Интенсификация производства требует оптимизировать сочетание этих процессов в совокупности и каждого из них, что в свою очередь ставит вопрос об управлении технологией с позиций системного подхода [104 Платов].

Знание технологической системы позволяет четко организовать системное управление с разработкой правильных решений. Принятие решений по организации производства в конечном итоге приводит к выдаче заданий всем агрегатам и участкам технологической системы. В ряде случаев в пределах одного цеха получение одной и той же продукции с применением одного и того же набора технологических агрегатов может быть получено различным образом (различное распределение по технологической линии температур, давлений, скоростей) за счет изменений в настройке всей технологической линии. Выбор настройки будет влиять (в ряде случаев существенно) на экономические показатели процесса. Более того, настройка даже одного агрегата может иметь значимое влияние.

В общих чертах методология системного подхода предусматривает решение следующих задач [2 Платов]:

1. Ограничение технологической системы, т.е. определение границ рассматриваемого комплекса взаимосвязанных подсистем и связей системы с внешней средой и системами более высокого уровня.

2. Определение структуры технологической системы, т.е. разделение ее на подсистемы с выделением их иерархии.

3. Выбор как показателя эффективности технологической системы в целом, так и подчиненных ему показателей эффективности подсистем.

4. Оценка действующих на технологическую систему факторов и определение взаимосвязей подсистем.

Основным методом исследования технологических систем является математическое моделирование, в том числе имитация процессов функционирования технологической системы на ЭВМ (компьютерный эксперимент).

Процесс функционирования технологической системы проявляется в совокупности действия ее звеньев (подсистем), подчиненных единой цели. Качество работы технологической системы оценивается при помощи показателя эффективности. Показателем эффективности технологической системы является числовая характеристика, которая оценивает степень приспособленности технологической системы к выполнению поставленных перед нею задач.

1.5 Понятие “Инновация”

С понятием “Технология” тесно связано понятие “Инновация”. В литературе насчитывается большое множество определений термина “инновация”. Однако на практике нередко отождествляется понятие “ новшество”, “ нововведение” и “ инновация”.

Новшеством может быть новая технология, новая идея, изобретение. Нововведение означает, что новшество используется. С момента принятия к распространению новшество приобретает новое качество и становится инновацией.

В современном понимании инновации в области процессных нововведений, к которым в полной мере можно отнести и все новшества в области металлургических технологий, принято считать основными инновациями, т.е. техноинновациями (рис. 1.1), а инновации в сфере предпринимательства (экономические, финансовые, организационные), т.е. бизнес инновации, принято считать дополняющими.

Реалии чёрной металлургии конца XXI века таковы, что появляющиеся в большом количестве новые технологии и агрегаты, порождают проблему управления инновациями в стратегическом плане, что в свою очередь вызывает необходимость создания как глобальных, так и локальных (процессных) моделей управления технологией производства и качеством конечной продукции. Именно это обстоятельство и определяет цели научных исследований и разработок как в металлургии в целом, так и в области прокатки, отделки готового проката, а также металловедческих аспектов формирования и управления его качеством (рис. 1.2).

Поэтому очевидным становится и роль составляющих “Моделирование” и “Управление технологическим процессом”, как фундамента методологии “технологического предвидения”.

С учётом значимости металлопроизводства как для экономики развитых стран, так и для Украины, на сегодняшнем этапе развития её металлургии в целом, и прокатного производства в частности, должны быть формализованы признаки выделения критических “прорывных”технологий, свойства которых на стадии построения модели могли бы быть представлены в виде вероятностных показателей [135 Смирнов].

Поиск, выделение и поддержание таких технологий, обладающих высоким коэффициентом потребительской востребованности, а также их реализуемости на определенном временном этапе, создаёт предпосылки для увеличения объёмов продаж, доходов предприятия, отрасли и государства в целом.

Рис..1.1. - Виды технологических инноваций

А

Б

Рис. 2.2. - Ситуационный анализ научных исследований в области производства и управления качеством металлопроката:

а - характер исследований;

б - сегментация направлений НИОКР.

Понятие критических? “прорывных” технологий в литературе является достаточно размытым [136, 137] и в разных отраслях промышленности временами имеет как различную трактовку, так и форму практической реализации, а главное уровень достижения качества.

Применительно к металлургическим технологиям наиболее приемлемым является определение, когда под критическими технологиями понимают не только “революционные”, а и те, без которых невозможно поступательное движение вперёд на пути расширения рынков продукции и повышения её качества посредством совершенствования всех составляющих процесса в направлении превышения уровня требований потребителя. Именно путём создания таких технологий на протяжении последних десятилетий, осуществляется развитие металлургии всех развитых стран. В свою очередь, интеграция в едином агрегате (технологической схеме) элементов непрерывной разливки и прокатки, прокатки и термической обработки позволило создать так называемую группу совмещенных технологий.

Анализ проблем в сфере производства металлопродукции, которая была, есть и будет базовой для развития экономики Украины, свидетельствует о необходимости перехода от самопроизвольного развития научно-технических исследований и технологий к их стратегическому планированию, основанному на принципах системного анализа технологических систем. Основополагающим принципом такого планирования должно быть сбалансированное взаимодействие субъектов, наличие выверенной политики поддержания технологических инноваций, в том числе и со стороны государства.

1.6 Представление технологической системы “Прокатка катанки - волочение”

Представим последовательность и взаимосвязи процессов производства на этих этапах в виде единой технологической системы “прокатка катанки – волочение” (рис. 1.3). Очевидно, что данная система имеет две подсистемы: прокатки катанки и волочения металла. Исходным, промежуточным и конечным продуктами являются соответственно заготовка для мелкосортных станов, катанка и проволока. У всех этих продуктов параметрами, характеризующими их качество, являются химический состав стали, геометрические размеры и механические свойства.

Поскольку рассматривается однонаправленный технологический поток, т.е. линейная структура системы, то выход предыдущего звена (элемента) является входом для последующего.

Рассмотрим последовательно эти звенья и их математическое описание в общем виде, исходя из задач анализа, аналогично тому, как это было сделано в работе [2].

Для печей при заданных размерах (толщина – H_з, ширина – B_з, длина – L_з) и себестоимости C_з заготовки выходными параметрами являются температура заготовки – T_з, производительность печи – A_п и себестоимость нагретой заготовки С_нз. При этом управляющие воздействия – это расход газа W_г и скорость перемещения металла в печи v_дм. Тогда для участка нагревательных печей имеют место зависимости:

T_з = f₁ (W_г, v_дм, Н_з); А_п = f₂ (v_дм, Н_з, L_з); С_нз = f₃ (C_з, W_г, v_дм)

при ограничениях

W_г ≤ [W_max]; T_з ≤ [T_з]; Δ T_з = f₄ (W_г, v_дм, Н_з) ≤ [Δ T_з].

На участке черновых клетей выходными параметрами для каждой клети являются профиль поперечного сечения П_1i и температура T_1i металла за клетью, также пропускная способность A_iчер и себестоимость заготовки, а после черновой прокатки C_чер. Эти параметры можно определить по соотношениям

П_1i = f_5i (П_0i, T_0i, S_i);

T_1i = f_6i (П_0i, T_0i, S_i, v_i);

A_iчер = f_7i (П_i, v_i);

C_чер = f₈ (C_нз, W_чер);

i 1…n,

где П_0i, T_0i – толщина и температура металла на входе в i-тую клеть.

Рис. 1.3. - Технологическая система “прокатка катанки – волочение”

Управляющими воздействиями являются уставки нажимных винтов S_i и скорости прокатки v_i.

Стабильно процесс протекает при следующих ограничениях:

P_i = f_9i (П_0i, T_0i, S_i, v_i) ≤ [P_i];

M_i = f_10i (П_0i, T_0i, S_i, v_i) ≤ [M_i];

L_i = f_11i (П_0i, П_1i, L_з) ≤ [L_i];

W_чер ≤ [W_чер],

где P_i, M_i, L_i, W_чер – текущие значения усилия, момента прокатки, длины полосы и расход энергии;

[P_i], [M_i], [L_i], [W_чер] – допустимые по конструктивным особенностям стана значения усилия, момента прокатки, длины полосы и расхода энергии;

Взаимосвязь параметров проката для различных клетей определена зависимостями

П_0i = П_1i-1; T_0i = f₁₂ (T_1i-1, П_i-1, τ _i-1),

где τ _i-1 – время транспортировки проката от (i-1)-ой до i-той клети.

На промежуточном рольганге деформации раската не происходит. Управляемой характеристикой проката для этого звена является температура на входе в чистовую группу клетей

T_0n+1 = f₁₃ (T_пк, П_пк, τ _р),

где τ _р – время транспортирования заготовки, T_пк – температура металла на выходе из последней клети черновой группы; П_пк – профиль поперечного сечения металла на выходе из последней клети черновой группы.

Пропускная способность рольганга определяется размерами подката и скоростью транспортировки

А_пр = f₁₄ (П_пк, v_р)

при ограничении v_р ≤ [v_р], где [v_р] – максимально допустимая скорость транспортировки раската.

Себестоимость металла перед чистовой группой определяется себестоимостью металла после черновой группы С_чер и затратами на вращение роликов промежуточного рольганга W_р.

C_пр = f₁₅ (С_чер, W_р)

Для чистовых клетей при известных параметрах полосы на входе в каждую клеть (профиль поперечного сечения раската П_0i и температура T_0i) выходом будут также профиль поперечного сечения проката П_1i и температура T_1i. К выходным параметрам можно также отнести производительность чистовой группы А_чист и себестоимость проката после чистовой группы C_чист. Управляющими воздействиями в этом случае являются: калибровки валков К_i и скорость прокатки v_i.

Связь входа и выхода выражается зависимостями

П_1i = f_16i (П_0i, K_i, T_0i);

T_1i = f_17i (П_0i, K_i, T_0i, v_i);

A_чист = f₁₈ (П_1i, v_m);

C_чист = f₁₉ (C_пр, W_чист);

i n+1…m,

которые должны выполняться при ограничениях

P_i = f_20i (П_0i, T_0i, К_i, v_i, σ _si) ≤ [P_i];

M_i = f_21i (П_0i, T_0i, К_i, v_i, σ _si) ≤ [M_i];

N_i = f_22i (M_i, v_i) ≤ [N_i];

[v_min]_i ≤ v_i ≤ [v_max]_I;

[T_кп]_min ≤ T_1m = Т_кп ≤ [T_кп]_max;

[D_кmin] ≤ D_к ≤ [D_кmax];

v_mзапр ≤ [v_mзапр]_max,

где σ _si – сопротивление металла деформации в i-той клети.

Конструкционные ограничения определяют предельные допустимые значения усилия P_i, момента M_i, мощности N_i, скорости v_i прокатки по клетям, а также значения заправочной скорости v_mзапр. Технологические ограничения регламентируют качество продукции, устанавливая допустимые диапазоны изменения температуры конца прокатки Т_кп и диаметра катанки D_к.

В чистовой группе имеют место связи

П_0i =П_1i-1; T_0i = f₂₃ (T_1i-1, П_1i-1, τ _i-1, W_ожi-1),

где W_ожi-1 ≤ [W_ож] – расход воды в коллекторах принудительного охлаждения проката после i-той клети.

На участке отводящего рольганга и душирующей установки при неизменных геометрических размерах полосы выходом будет температура смотки Т_см, пропускная способность А_ор и себестоимость катанки после смотки.

Т_см = f₂₄ (D_к, Т_кп, v_m, W_охл);

А_ор = f₂₅ (D_к, v_m);

C_ор = f₂₆ (C_чист, W_ор),

где W_ор – затраты на транспортировку, охлаждение и смотку.

Ограничения:

[Т_см]_min ≤ Т_см ≤ [Т_см]_max;

W_охл ≤ [W_охл]_max.

Вектор управляющих воздействий подсистемы “прокатка катанки” включает: скорость движения металла и расход газа в печах, векторы уставок нажимных винтов и скоростей прокатки в черновых клетях, скорость транспортировки полосы по промежуточному рольгангу, системы калибров и скоростей прокатки в чистовых клетях, расход охладителя в секциях душирующей установки на отводящем рольганге.

Вектор ограничений (конструкционных и технологических) определяет диапазон изменения значений управляющих воздействий, при выходе из которых появляется возможность аварийной ситуации. Наличие взаимосвязей между звеньями приводит к тому, что отклонение (или выбор) управляющих воздействий на одном из них приводит к изменению входных или выходных параметров других звеньев, в случае неизменности их векторов управлений.

В результате на вход второй подсистемы попадает катанка со своими диаметром и себестоимостью.

На этапе подготовки поверхности заготовки в волочению выходными параметрами являются: диаметр катанки D_к, шероховатость заготовки R_а, производительность звена А_под и себестоимость катанки после этапа С_под.

Управляющие воздействия зависят от способа подготовки поверхности катанки к волочению. При использовании для этого вращающихся металлических щеток (ВМЩ) такими воздействиями являются: натяг δ _щ, диаметр ворса d_в, длина ворса l_в, скорость вращения щетки V_щ.

Связь входа и выхода выражается зависимостями

R_a = f₂₇ (δ _щ, d_в, l_в, V_щ, D_к);

А_под = f₂₈ (δ _щ, d_в, l_в, V_щ, D_к);

C_под = f₂₉ (C_к, W_под),

которые должны выполняться при ограничениях

W_эн ≤ [W_эн];

V_щ ≤ [V_щ],

где W_эн – затраты энергии на подготовку поверхности катанки к волочению; W_под – затраты на подготовку поверхности.

На участке волочения выходными параметрами после каждой волоки являются: диаметр проволоки D_i, напряжение волочения σ _волi, сопротивление металла деформации σ _si. Выходными параметрами также являются производительность А_вол и себестоимость проволоки после волочения С_вол.

Связь входа и выхода выражается зависимостями

σ _волi = f₃₀ (D_i, D_i-1, V_i, μ _i, σ _si-1, α _i);

σ _si = f₃₁ (D_i, D_i-1, V_i, μ _i, σ _si-1),

где V_i – скорость волочения, μ _i – коэффициент трения, α _i – угол рабочего конуса волоки – управляющие воздействия.

Для продукта, производимого на каждом этапе, были проанализированы параметры, характеризующие непосредственно его качество и влияющие на качество продуктов последующих стадий, а также структура себестоимости с выявлением статей с потенциальными возможностями их существенного сокращения.

Для проволоки основной задачей по повышению качества было получение требуемых механических свойств и геометрических размеров. Анализ структуры себестоимости производства проволоки показал, что весьма существенными являются затраты на подготовку поверхности заготовки под волочение (до 30% от общих затрат) [203 Платов]. Соответственно, для технологической подсистемы волочения была поставлена задача снижения стоимости этой операции, а также операции волочения.

Для катанки наряду с формоизменением металла (20-25% всех затрат приходится на черновую группу клетей) большое значение имеет его охлаждение, в ходе которого в значительной степени достигаются конечные свойства продукции. В связи с этим, для подсистемы прокатки катанки основные усилия должны быть направлены на поиск соответствия между технологическими возможностями деформирующего и охлаждающего оборудования.

С учетом выявленных основных направлений снижения себестоимости и повышения качества продукции для каждой подсистемы был выполнен приведенный в последующих разделах анализ современного уровня развития основных процессов в технологической системе «прокатка катанки- волочение».