В дополнение можно сказать, что степень идеальности может быть повышена и поэлементным анализом каждого участка технологической схемы. Традиционно внимание конструкторов и технологов привлечено к основным элементам схем, в результате чего вариант выполнения вспомогательных участков выбирается почти случайно. Так, повысив внимание к вспомогательным, второстепенным и вредным функциям можно добиться эффекта, сравнимого с эффектом от повышения эффективности основных функций.
Пример. Анализ, проведенный специалистами Metso Automation, показал, что 2% капиталовложений в автоматизацию по каждой из 6 БДМ в компании UPM Kummene, могут привести к суммарному повышению эффективности и производительности на 15%, что равносильно отказу от покупки 7-й БДМ.
В случае установки нового эффективного оборудования в технологической схеме будут накапливаться противоречия, выражающиеся в том, что будут проявляться сбои на наиболее слабых участках, не способных эффективно обслуживать новое решение. Однако, также хорошо известно, что сильные решения долго не внедряются, тогда как основное развитие получают не самые эффективные решения.
Пример. Давно известно, что цифровые позиционеры дают значительно больше полезных функций по сравнению с аналоговыми. Однако, в связи с неготовностью других подсистем к их внедрению они, даже приходя с проектом на ЦБК, вытесняются со временем аналоговыми позиционерами.
Использование ресурсов в технологических схемах
В технологических схемах велико значение ресурсов и их использования. Так, на выходе лучшая технологическая схема «сама» пытается полностью извлечь полезный эффект из обрабатываемой массы и материала.
Одновременно решаются задачи использования внутренних производных ресурсов и извлечения из них максимального эффекта.
Пример. Установка флотоловушек между операциями. Возврат теплой оборотной воды на разбавление и гидроразбиватель. Возврат брака и его размол с возвращением его в процесс.
Пример. Применение гидроразбивателей высокой концентрации не в маловажной степени связано с тем, что масса высокой концентрации, перетирая себя сама, значительно лучше дефибриллируется. Поскольку масса высокой концентрации не может течь, для ее движения применяют ротор с возможностью ее проталкивания на турбосепаратор, расположенный прямо под ним. Дополнительно используется и само давление столба массы под действием поля гравитации. Разбавление происходит непосредственно перед турбосепаратором.
Другими видами ресурсов технологических схем могут быть ресурсы пространства.
Пример. Уменьшение транспортного плеча в технологических схемах, компактизация схем позволяет уменьшить среднюю длину перекачки массы, общее значение гидравлических сопротивлений и снизить потребление энергии насосами.
Пример. Интересным примером внедрения поворотных заслонок вместо задвижек являются не только технические преимущества, связанные с лучшей регулируемостью, но в значительной степени резкое уменьшение строительной длины. При этом при полном перерасчете можно показать, что основной эффект достигается за счет уменьшения общей длины трубопроводов и уменьшением подпора насосов и их энергопотребления.
Ресурсы информации. Это наиболее близко связанный с регулированием ресурс. Он может быть получен как от КИП, централизованной системы, визуального осмотра, оценки шумов, вибродиагностики и т.д. По ним можно судить о состоянии контуров и работоспособности схем.
Ресурсы времени. Это временные промежутки в технологическом процессе, также до и после него, между процессами, не использованные ранее. Одним из применений является обработка в процессе транспортировки.
Примеры. Статическое смешение по технологии LobeMix.
Составление композиции в процессе подачи химикатов.
Замена периодических процессов на непрерывные.
Передача информации в виде импульсов с заданной периодичностью и в сжатом виде в полевых шинах.
Другие ресурсы – функциональные. Это возможности системы выполнять по совместительству дополнительные функции как близкие к основным, так и неожиданные.
Пример. Вихревой очиститель, установленный у деаэратора, позволяет повысить концентрацию воздуха в массе перед ее удалением и повысить степень удаления воздуха в целом.
Регулирующий клапан с антикавитационным элементом Q-trim способен не только снижать кавитацию, но и приводить поток к ламинарному состоянию, что снижает вероятность формирования узелков.
Небольшие приспособления на регулирующих заслонках позволяют использовать энергию потока на закрытие, существенно снижая поворотный момент.
Системные ресурсы. Это новые полезные свойства, которые могут быть получены при изменении связей между подсистемами или при новом способе объединения систем.
Пример. Чтобы клей не застывал в трубопроводах при подаче в композиционный бассейн, обеспечивают его рециркуляцию.
Использование вредных веществ или следствий технологии.
Пример. Насосы всегда заглубляются, чтобы поток вязкой среды одновременно служил и подпором, снижая вероятность кавитационного режима.
Удаляемая паровоздушная смесь от сушильной секции рекуперируется и нагревает воду или входящий свежий воздух.
Развертывание технологических схем
В своем развертывании технологические схемы прошли несколько основных этапов. Рассмотрим их на примере БДМ и РПО.
Этап 1 – формирование функционального центра. На этом этапе сформировалась основная функциональная цепочка из подсистем (разволокнение, налив, обезвоживание, сушка, накат). Они выполняли лишь основную функцию изготовления бумаги. Вредные элементы, вещества, процессы, сформированные на предыдущем этапе, подлежало компенсировать. Это дало толчок к развитию подсистем технологических схем. Так, появляется пресс; сушильная часть облекается сушильными цилиндрами; обезвоживающий стол сетками на регистровых валиках. Части системы обвязываются энергетической, функциональной и информационной связью. Это стало очевидным с переходом к полностью непрерывному процессу и увеличением скорости.
Развитие пошло от функционального центра и к периферии. Каждый из основных улов функционального центра начал обрастать своими подсистемами.
Пример. Введение регулирования в каждом основном компоненте.
Появление сукноведущих систем в участке обезвоживания.
Появление напускного устройства между 2-мя основными узлами. Дальнейшее его развитие в напорный ящик.
Появление отсасывающих валов на этом участке. Формирование участка разволокнения в непрерывном режиме.
Включаются дополнительные подсистемы, расширяющие возможности.
Пример. Турбосепаратор в узле разволокнения. Узел очистки и сортирования. Увеличивается число ступеней и уровней в технологической схеме, за счет ее внутрисистемного дробления путем разделения ее на однородные подсистемы либо разнородные разнофункциональные системы.
Пример. Увеличение ступеней сортирования и очистки. Каскады центриклинеров. Разделение очистки на очистку от грубых и легких включений.
Следующим этапом становится переход к ретикулярной сетчатой системе.
Пример. Сигналы обрабатываются в месте их появления, намечается переход от централизованной системы обработки информации к матричной.
Эта возможность также становится явной в связи с заменой основных управляющих связей от механических с переходом к информационным.
Пример. Все пульты управления 60-х годов строились в основном на пневмомеханизмах. В настоящее время характерны электрические сигналы по кабелям. В ближайшем будущем они трансформируются в полевые шины с цифровой передачей сигнала. Уже в качестве каналов передачи управляющих воздействий используют оптико-волоконные кабели со значительно более высокой интенсивностью передачи сигнала. На ряде современных предприятий установлены беспроводные системы передачи данных на основе сотовой связи.
Таким образом, развитие систем поддержки сигнала управления приходит к максимальной идеализации. «Кабеля нет, но его функция выполняется».
В схеме и ее элементах происходит одновременно и создание целых комплексных агломератов, в дальнейшем формирующих надсистему. Так, РПО начинает развиваться как самостоятельный комплекс в составе надсистемы БДМ.
Сначала это объединение из разнородных элементов, дающих новые системные свойства.
Пример. На первом этапе вихревого очистителя использовались решения, пришедшие из технологии центробежных очистителей. В дальнейшем они развивались специально под технологию очистки волокнистых суспензий.
Системы начинают создаваться также и из одинаковых или однородных подсистем.
Пример. Простейший случай – батареи центриклинеров.
В технологические схемы включаются и отдельные участки со сдвинутыми свойствами.
Пример. Так, комплекс очистки, промывки и сортирования, близкий по выполняемым функциям формирует единый технологический поток на предприятиях
В случаях, когда для выполнения функции были использованы несколько путей, и они исчерпываются, происходит их объединение с целью достижения синергетического эффекта. Недостатки каждого способа компенсируются, преимущества складываются.
Пример. Для поддержания рН среды ее сначала избыточно окисляют, а потом снимают остаток щелочной обработкой.
Пример. Поскольку трудно подать точное количество среды, используют переливные устройства, системы рециркуляции, где сначала подают избыток среды, а избыточную часть отводят.
В целом такие решения позволяют повысить именно управляемость и стабильность выполнения технологического процесса, произвольно менять его параметры в широком диапазоне.
Пример. Для получения пара с параметрами влажности в широком диапазоне (насыщенный, влажный, сухой, перегретый) используют редукционно-охлаждающие установки (РОУ) с подачей одновременно и воды и пара.
Свертывание технологических схем
С развертыванием и усложнением технологических схем одновременно идет и процесс их свертывания. Если минимальным свертыванием можно принять создание связей между отдельными узлами, то полным будет установление неразделимых связей.
Пример. Если ранее РОУ (редукционно-охлаждающая установка) состояла из 4-х клапанов подачи воды и пара и форсунки, то теперь они объединены в одном корпусе. Расчет проводится при этом по более сложным формулам, степень повышения качества работы такого РОУ значительно выше, чем РОУ состоящего из нескольких элементов.
Повышение динамичности и управляемости технологических схем
Как говорилось раньше, идеальная технологическая схема – когда ее нет, но ее функция выполняется. Важной частью процесса перехода к идеальной системе является повышение ее динамичности и управляемости, т.е. способность к целенаправленным изменениям, обеспечивающих улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся и взаимодействующей с ней средой. Важнейшим способом устранения противоречий в системе является превращение постоянного неизменного параметра в переменный, управляемый. Так, в технологическую схему могут встраиваться различные новые и сменные элементы.
Пример. Расходное оборудование в технологическом оборудовании.
– сита в сортировках,
– гарнитура и ножи у размольных мельниц,
– модульное и блочное исполнение элементов автоматизации для легкой смены и установки более совершенных новых элементов.
Увеличивается степень степеней свободы.
Примеры. Важнейшим принципом в регулировании становится возможность расширения диапазона регулирования.
Регулирующий клапан MBV серии Neles в настоящее время выполняется с изменяемой шарнирной связью между штоком и поворотным затвором, тогда как раньше это была единая литая конструкция (серия Р).
Уплотнение в клапане в настоящее время выпускается в версии повышенной эластичности, способной выдержать значительно большее число циклов, чем предыдущая версия.
Если раньше использовались крупные резервные емкости для обеспечения надежности и непрерывности технологического процесса, то в настоящее время это делается все больше и больше средствами автоматического регулирования.
Происходит переход на микроуровень.
Примеры. Химизация обработки массы при применении все большего и большего числа химикатов.
Элементы технологических схем имеют тенденцию к уменьшению размеров за счет применения все большего числа видов физико-химической обработки материала.
Пример. Электрическое поле, приложенное к топливу перед подачей его в форсунку СРК или котел, позволяет до 15% получить большую эффективность горения и формирования факела.
Пример. Для точного регулирования используют основной регулирующий контур, осуществляющий грубое регулирование и малый контур, сопряженный с первым для осуществления окончательного регулирования.
Видится и переход к системам, в которых изменяются и становятся динамичными различные воздействующие на процесс поля.
Пример. Гидрокавитатор с применением полей сжатия и разрежения позволяет лучше фибриллировать волокна перед обработкой.
Пример. Вихревой очиститель с применением центробежных сил обеспечивает лучшее отделение тяжелых и легких включений.
Пример. Понимание реологии истечения суспензий позволяет спроектировать лучшие напорные ящики, обеспечить лучшее регулирование и т.п.
Пример. Регулирование входных и выходных давлений в сушильном цилиндре позволяет снизить неуправляемое появление конденсата внутри с образованием конденсатного кольца, снижающего теплопроводность и эффективность сушки бумаги.
Пример. Для высокоточного регулирования веса м2 используют информационное поле (специальные подпрограммы и алгоритмы устранения колебательности контура регулирования).
Тенденция разделения на быстропротекающие и медленно протекающие процессы в настоящее время с переходом к непрерывности процесса все больше будет склоняться в сторону быстропротекающих процессов. Для этой цели в технологический процесс и технологические схемы будут вводиться специальные узлы и вещества, способствующие ускорению реакций. Также будет происходить и замена периодически действующего оборудования.
Пример. Гидроразбиватель периодического действия имеет цикл до 15 мин. Барабанный гидроразбиватель работает непрерывно.
Повышение управляемости технологических схем
Предусматривает:
Принудительное управление в виде введения управляющих веществ и устройств.
Примеры. Введение регулирующей и запорной арматуры на прежде нерегулируемых участках.
Пример. Введение управляющих полей – например, в датчиках концентрации, где оптическое поле позволяет работать в области низких концентраций, и где применение механические полей невозможно.
Введение хорошо управляемого процесса, действующего против основного, которым нужно управлять.
Пример. Введение катализаторов, ингибиторов.
Введение подпора и противодавления.
Введение термоциклирования. Введение гидрокавитаторов.
Циклы ускорения процесса, его замедления, нагрева-охлаждения, повышения числа рН или уменьшение (кислотности – щелочности).
Введение самоуправления и самообслуживания.
Пример. Концентрация среды, изменяя давление и нагрузку в рафинере, позволяет лучше управлять размолом.
Введение обратных связей – наиболее характерный способ избежать колебаний в процессе. Замыкание контуров, смыкание контуров для взаимоконтроля или получения показаний от одного контура к другому – одно из наиболее эффективных решений.
Примеры. Специальные подпрограммы в системе автоматизации, координирующие действия контуров между собой.
Изменение устойчивости
От системы с одним статически устойчивым состоянием в системе осуществляется переход с несколькими устойчивыми состояниями и далее к системам, устойчивым динамически.
Пример. Стабильность техпроцесса технологи ставят выше качества его выполнения. Среднее качество при стабильном процессе лучше, чем нестабильное при высоком качестве выходного продукта.