автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Оптимальная организация многоассортиментных химических производств



/МЗ

«у'

■¿/¿л

Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева

Президиум ВАК I

у ■ 1 - ■ —

"ОССИП ')

| (решение от

|| присудил ученую степень (

На правах рукописи

Нет

^к/управления ВАК Ро{;

-Владимировалентинович

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химия)

Научный консультант: академик РАН

В.В.Кафаров

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ

ПАРАДИГМА ОРГАНИЗАЦИИ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ........................... 19

--1.1 Структура м динамика ассортимента

многономенклатурной химической продукции..... 19

1.2.Общая характеристика многоассортиментной химической продукции и технологических систем ее производства....................... 27

1.3.Классификация химико-технологических систем периодического действия...................... 34

1.4.Роль гибких технологических систем в структуре многоассортиментных химических производств.................................. 44

1.5.Системная интерпретация и структурная парадигма многоассортиментного химического производства................................. 57

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И АНАЛИЗ КАЧЕСТВА

АССОРТИМЕНТОВ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ

ПРОДУКЦИИ........................................ 70

2.1.Классификация и типизация структур ассортимента................................ 70

2.2.Моделирование структуры и анализ качества ассортимента в пространствах бинарных отношений.................................... 79

2.3.Моделирование структуры и анализ качества

ассортимента в функциональном пространстве

(на примере ассортимента красителей)......... 81

2.3.1.Методы и алгоритмы синтеза цветовых

тел.................................... 82

2.3.2.Классификация красителей по

--------------оптическим-свойствам-.........^..........102

2.3.3.Методы и алгоритмы идентификации оптических параметров.................. 116

2.4. Структура программного обеспечения........... 126

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ АССОРТИМЕНТА

МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ......... 128

3.1.Оптимизация слабоструктурированных ассортиментов в пространствах бинарных

отношений.................................... 129

3.2.Оптимизация ассортимента в функциональном пространстве (на примере ассортимента красителей).................................. 132

3.2.1.Метод оптимизации ассортимента красителей при фиксированном колористическом качестве............... 137

3.2.2.Алгоритмы расчета рецептур красителей____146

3.3. Структура программного обеспечения........... 156

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБЪЕМА ВЫПУСКА

МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ......... 158

4.1.Классификация и типизация динамики продуктовых систем........................... 158

4.2. Модели прогноза.............................. 162

4.3. Обобщенный алгоритм прогноза................. 171

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ........... 177

5.1.Системноаналитические принципы и стратегия

моделирования................................ 177

______ 5.2. Структура модели............................. 182

5.3.Моделирование интерактивных режимов работы технологического оборудования................ 193

5.4.Алгоритм расчета быстродействия системы...... 215

5.5. Структура программного обеспечения........... 236

ГЛАВА 6. СТРАТЕГИЯ СИНТЕЗА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ.................. 238

6. 1. Общие положения............................. 239

6. 2.Классификация методов и алгоритмов синтеза.. 249

6. 3.Методы и алгоритмы структурного синтеза..... 263

6. 4.Конструктивный алгоритм параметрического синтеза на основе сигномиального

геометрического программирования............ 269

6. 5. Приближенные методы синтеза................. 287

6. 6.Синтез систем с блочно-модульным

аппаратурным оформлением технологических

процессов................................... 303

6. 7.Синтез систем в условиях действующего

производства (задача ассимиляции)........... 312

6. 8.Синтез систем в условиях стохастической

неопределенности............................ 316

6. 9.Синтез возможностных (нечетких) систем...... 328

6.10. Структура программного обеспечения.......... 330

ГЛАВА 7. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ МНОГОПРОДУКТОВЫХ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.................... 332

7.1.Классификация процессов в многопродуктовых

химико-технологических системах.............. 332

_____ 7.2.Сетевые модели дискретных асинхронных

процессов.................................... 341

7.3.Моделирование дискретных процессов в химико-технологических системах периодического действия...................... 360

ГЛАВА 8. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ..... 382

8.1.Классификация объектов, целей и задач управления................................... 382

8.2.Структура и функции информационно-управляющей системы.......................... 387

8.3.Управление сменой состояний вычислительного процесса системы управления.................. 396

ГЛАВА 9. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ И СТРАТЕГИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ

ОРГАНИЗАЦИИ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ...................................... 402

9.1. Причины и факторы эволюции................... 402

9.2. Моделирование эволюции....................... 408

9.3. Стратегия оптимальной организации............ 421

ГЛАВА 10. ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.. 431

10.1.Анализ качества и оптимизация структуры ассортимента многономенклатурной химической продукции................................... 432

10.2.Синтез оптимальных технологических систем производства многономенклатурной химической

--------продукции................................... 447

ВЫВОДЫ..................................................... 489

ЛИТЕРАТУРА................................................. 491

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................. 541

Приложение I. Оптимизация многопродуктовых

химико-технологических систем. Практические

З^ЛЗзТС^'Х'Ы ♦ ш • • • * • * • • • • • • * • • * *• «•• **•-« • • • • *

Приложение 2. Акты внедрения ш передачи научно-

технической продукции ..................... 550

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс в значительной степени определяется состоянием производства продуктов тонкого химического синтеза. Для них характерны широкий ассортимент непостоянной номенклатуры, непроджолжительный жизненный цикл, высокая наукоемкость и значительная добавленная стоимость [1-3] . Ассортимент продукции формируется в сфере потребления, его структура обычно не оптимальна в смысле потребительской ценности, а при ее формировании тезис об оптимальности часто подменяется тезисом о широте. Для большинства продуктов тонкого химического синтеза наблюдается устойчивая тенденция расширения ассортимента, в результате которого перспективный ассортимент оказывается богаче действующего по количеству индивидуальных компонентов, но не по потребительской ценности .

В производствах продуктов тонкого химического синтеза преобладает периодический способ организации технологических процессов [4,53, а схемные решения ориентированы на продукцию постоянных номенклатуры и объема выпуска и сырье определенного вида и постоянного состава. Химико-технологические системы организованы в виде индивидуальных (однопродуктовых), и , в меньшей степени - совмещенных схем с фиксированной технологической и организационной структурой [5].

В условиях расширяющегося высокомобильного ассортимента продукции производства функционируют в неоптимальных режимах. Непостоянство номенклатуры и объема выпуска продукции, видов и состава

перерабатываемого сырья приводит, с одной стороны, - к существенному снижению коэффициента использования производственных мощностей, росту объемов незавершенного производства, дополнительным затруднениям при ассимиляции новых технологических процессов оборудованием функционирующих производств, а с другой - к наличию неиспользованных ресурсов и невозможности обеспечить потребность в производимой продукции как по номенклатуре, так и по объему выпуска [5].

Существенное повышение технико-экономической эффективности производств продукции тонкого химического синтеза может быть достигнуто путем координации процессов формирования ассортимента продукции оптимальной структуры и проектирования соответствующих производств многономенклатурной продукции, а в случае высокомобильного ассортимента - их организацией в виде гибких автоматизированных производственных систем (ГАПС), обеспечивающих их быструю и ресурсосберегающую адаптацию к колебаниям конъюнктуры потребительского рынка, видов и состава потребляемого сырья [6].

ГАПС как специфический класс эргатических систем является для химической и родственных ей по характеру технологических процессов новым объектом, в связи с чем в настоящее время отсутствует методология их проектирования и организации.

Вышеизложенное позволеет сделать вывод об актуальности рассматриваемой в диссертации проблемы.

Цель работы. Цель диссертационной работы - разработка методологической парадигмы, математического и алгоритмического обеспечения оптимальной организации многопродуктовых химических производств, способных быстро адаптироваться к изменениям состояний внешней среды, и практическая реализация разработанной методоло-

гии.

Научная новизна. Разработанная в диссертации методологическая парадигма оптимальной организации многоассортиментных химических производств, основанная на концепциях системного анализа, состоит в их представлении в виде целеориентированных адаптивных систем, состоящих из взаимодействующих продуктовой и производственной подсистем, в которых продуктовые подсистемы выполняют функции генерации целей, а производственные - функции их реализации, при этом выбор целей может осуществляться как продуктовой, так и производственной подсистемой в зависимости от ситуации. Исследованы структура и функции взаимодействующих подсистем многоассортиментного производства и межсистемный интерфейс.

Разработаны методическое, математическое и программное обеспечение подсистем:

- анализа потребительской ценности и оптимизации структуры ассортиментов многономенклатурной продукции с различной степенью структуризации;

- прогноза динамики объемов выпуска многономенклатурной продукции;

- структурного анализа, структурного и параметрического синтеза многопродуктовых технологических систем многоассортиментных химических производств;

- анализа динамических характеристик химико-технологических систем, функционирующих в дискретном и дискретно-непрерывном режимах.

Анализ качества и оптимизацию структуры ассортиментов продукции на основе экспертной информации о ее функциональных характеристиках предложено проводить в пространствах бинарных отношений

по модифицированному алгоритму выбора, а при наличии функциональной зависимости между свойствами продуктов - в функциональных пространствах. Последний тип ассортимента исследован на примере красителей и родственных им веществ. Выполнена классификация красителей по оптическим свойствам на основе двухпоточной аппроксимации уравнения переноса оптического излучения. Разработаны алгоритм анализа колористического качества ассортимента красителей в колориметрических пространствах, алгоритм идентификации абсолютных оптических параметров, двухуровневый алгоритм оптимизации структуры ассортимента красителей , верхний уровень которого образован процедурой направленного перечисления компонентов оптимизируемого ассортимента, а нижний - процедурой репродукции цвета красителя, исключаемого из ассортимента.

Разработана стратегия формирования и сформирована обобщенная структурно-функциональная модель многопродуктовых химико-технологических систем, функционирующих в периодическом режиме, сформулирована и решена задача их структурного и параметрического синтеза.

Методом математической индукции получены аналитические выражения для:

- расчета объема реакционной массы в технологических аппаратах периодического действия, взаимодействующих через демпфирующ-щие емкости;

- расчета объема реакционной массы в демпфирующей емкости при различных режимах работы взаимодействующих аппаратов.

На основе аппарата бесконечнозначной логики Мак-Нотона разработан алгоритм структурно-логического анализа многопродуктовых систем типовых структур, позволяющий рассчитывать их быстродейс-

твие.

Исходная задача параметрического синтеза многопродуктовых химико-технологических систем редуцирована к задаче обобщенного (сигномиального) геометрического программирования, обеспечивающего оптимальность решения.

—Разработан комплекс приближенных алгоритмов расчета химико-технологических систем периодического действия, в том числе -в условиях стохастической неопределенности и нечеткости исходной информации и цели функционирования.

На основе модификиций и расширений сетей Петри разработаны функциональные модели химико-технологических систем. Введен подкласс сетей Петри с многоцветным маркированием для моделирования процесса управления сменой состояний управляющего алгоритма и подкласс коммутационных сетей- для моделирования интерактивных режимов работы технологического оборудования.

Интерпретирована обобщенная модель эволюции многоассортиментных химических производств.

Практическая значимость. Математическое и программное обеспечение анализа качества и оптимизации структуры ассортимента многономенклатурной химической продукции применено для решения ряда практических задач промышленности синтетических красителей и потребляющих производств:

- оптимизирован перспективный ассортимент кислотных красителей при достигнутом его колористическом качестве;

- разработана процедура установки красителей на тип в производстве их выпускных форм;

- рассчитаны оптимальные рецептуры красителей для окрашивания прозрачных материалов и разработан компонентный состав чернил для

автоматических ручек;

- комплекс программ расчета цветовоспроизводящих рецептур применен практически для окрашивания шерсти кислотными и активными красителями, полиакрилонитрильного волокна "нитрон" - катион-ными красителями и деорлинами, в частности,- с целью замены дефицитных марок красителей непосредственно в производственных условиях на Огрском трикотажном комбинате (г.Огре Латвийской ССР), полиамидного волокна "лавсан" - дисперсными красителями, хлопчатобумажных тканей - активными красителями - проционами, резиновых смесей и полипропиленового волокна - пигментами и пигментированными концентратами в массе;

- найденные оптимальные режимы применены для отбеливания бумаги и текстильных материалов оптическими отбеливающими препаратами.

Разработанные в диссертации методы и алгоритмы синтеза химико-технологических систем применены при проектировании ряда производств синтетических красителей, лакокрасочных материалов, химических реактивов и особо чистых веществ, при ассимиляции новых продуктов функционирующими производствами, при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Оптимизированы структура и аппаратурный состав технологических систем многоассортиментных производств тонкого органического синтеза (с ожидаемым экономическим эффектом 467000 руб. в ценах 1992 года), рекомендации для проектирования переданы в НПО ГИПХ как головной организации Государственной научно-технической программы "Экологически чистые процессы в химии" (направление "Малотоннажные продукты").

Разработаны рекомендации по организации, оптимальному функци-

онированию гибких многоассортиментных производственных систем и управлению ими для лакокрасочных материалов, позволившие повысить гибкость производства приблизительно на 15%. Рекомендации переданы в ГИПИ ЛКП НПО "Спектр".

Разработаны оптимальная технологическая структура и оптимальный—технологический режим производства нитратов и оксидов свинца реактивных квалификаций. Суммарный экономический эффект за счет увеличения мощности существующей установки за 1988 -1991 годы составил 2308,8 тысяч руб.

Разработанный комплекс программ синтеза многоассортиментных ХТС производства химических реактивов передан во ВНИИРЭ НПО "Ре-активэлектрон" с реальным годовым экономическим эффектом 28400 руб. (в ценах 1988 года).

Комплекс программ и результаты расчета оптимальных вариантов систем производства элементорганических эфиров бора, мышьяка, германия и сурьмы переданы в НПО ИРЕА в качестве рекомендаций для проектирования.

Разработан оптимальный вариант установки для получения крем-нийорганических соединений особой чистоты. Экономический эффект от применения гексаметилдисилазана и гексаметилдисилоксана ОСЧ для микроэлектроники и технологии интегральных схем на предприятиях Минэ�