Технологические процессы

* Проанализируем технологический процесс, во‑первых, как процесс достижения цели, во‑вторых, как процесс, осуществляемый в системе (системный процесс), и, в – третьих, проанализируем условия, необходимые для эффективного осуществления технологического процесса.

* Технологический процесс, как уже отмечалось, это процесс переработки предмета труда с целью получения новых свойств, формы, состояния. Предмет труда – некоторая совокупность ресурсов. Совокупность ресурсов перед поступлением на технологический процесс – входящий поток, после переработки – выходной поток, в том числе – готовая продукция. Для технологических процессов промышленного производства предметом переработки являются материальные ресурсы. В настоящее время, как уже отмечалось во введении, термин «технология» широко применяется и к переработке информационных, человеческих, энергетических и других видов ресурсов.

Цель – придание предмету труда нового состояния реализуется в многочисленных металлургических процессах. Пример – технологические процессы производства титана, в результате осуществления которых титан переходит из связанного состояния, в котором он находится в двуокиси титана, в свободное. Надо сказать, что в процессе производства титан, как и многие другие металлы, переходит в промежуточное состояние. Например, при магниетермическом восстановлении титан из двуокиси переходит в четыреххлористый титан. Здесь изменяется не только химическое, но и физическое состояние: из твердого состояния (двуокись титана) предмет труда переводится в парообразное (четыреххлористый титан).

Многочисленные технологические процессы имеют своей целью придание предмету труда определенной формы. Так, в технологических процессах подготовки шихты на металлургических заводах целью является выработка шихты виде гранул определенного размера. Наряду с этим необходимо обеспечить и требуемый состав компонентов (или групп компонентов). В процессах шихтоподготовки могут происходить последовательные изменения состояния предмета труда: жидкая пульпа, поступившая с обогатительной фабрики или образованная из привозных концентратов, смешивается с другими компонентами, сгущается, фильтруется, сушится и переводится в твердое состояние. Цель – придание предмету труда определенной формы, преследуется при токарной, фрезерной и др. механической обработке металлов, при изготовлении швейных изделий, продуктов хлебопекарной промышленности и в других процессах.

При переработке полиметаллических руд на обогатительных фабриках цель – придание предмету труда нового свойства, заключающегося в обеспечении повышенного уровня содержания полезных компонентов в концентрате, достаточного для эффективного протекания металлургических процессов по выделению этих компонентов из концентрата. Процесс достижения этой цели разделяется на ряд подпроцессов, объединяемых сложной системой материальных потоков. В этих подпроцессах (дробления, измельчения, флотации, сгущения, фильтрации, сушки) происходят изменения физического состояния предмета труда (из твердой в жидкую и, затем, из жидкой в твердую) и изменения формы (руда дробится и измельчается до заданного гранулометрического состава). Цели – придание предмету труда новых свойств служат, например, технологические процессы крашения и отделки в производствах легкой промышленности. Целями могут быть удаление естественных примесей, обеспечение влажности, равномерной по всему объему, придание нужного цвета, обеспечение прочности, минимальной сминаемости и т.д.

* Цели, для достижения которых осуществляются технологические процессы, можно разделить на основные (конечные), промежуточные и сопутствующие.

Система основных целей технологического процесса составлена, как правило, заранее, при создании процесса. Так, в систему основных целей металлургического процесса выплавки металла может входить обеспечение максимального содержания полезного компонента в основном материальном потоке или минимального его содержания в отходах, производительность процессов или себестоимость продукции и др.

Промежуточные цели возникают на каждом этапе, на каждой стадии технологического процесса: при щелочной пропитке хлопчатобумажной ткани – деминерализация, при расшлихтовке ткани – снятие шлихты (крахмала), при хлорировании двуокиси титана – получение четыреххлористого титана и т.д.

Сопутствующие цели – цели, появляющиеся в связи с тем, что после отдельных технологических стадий и операций могут появиться нежелательные побочные эффекты, либо результаты этих стадий нужны только для одной‑двух последующих стадий, а для всех последующих неэкономичны, неэффективны, вредны. Например, при мерсеризации хлопчатобумажное полотно обрабатывается едким натром, в результате полотно приобретает повышенную прочность и способность к глубокому и быстрому окрашиванию. Но после окончания мерсеризации едкий натр с полотна надо удалить, так как на любой следующей стадии его присутствие нежелательно. Появляется промежуточная стадия – промывка, осуществляемая с целью – удалить остатки едкого натра с полотна.

На систему целей технологического процесса, как процесса достижения цели, влияет, таким образом, выбранный способ осуществления процесса.

* Рассмотрим далее технологический процесс как процесс в некоторой технологической системе.

Любой технологический процесс состоит из трех видов процессов: транспортирование, складирование и целенаправленная переработка ресурса.

Это разделение очевидно из рассмотрения любого технологического процесса. Например, в красильно‑отделочном производстве полотно (хлопчатобумажное, трикотажное и др.) складируется перед поступлением на крашение или отделку, затем выборочно транспортируется в соответствии с заданным графиком крашения и окраски, далее взаимодействует в красильных аппаратах и линиях с химикатами и красителями, после чего вновь транспортируется, складируется и т.д. Руды цветных и черных металлов разных месторождений транспортируются к обогатительным и металлургическим производствам, складируются, затем вновь транспортируются к машинам и агрегатам, смешиваются, подвергаются агломерации, плавке, другим видам переработки. В механических производствах заготовки деталей из склада транспортируются к станкам, проходят обработку (токарную, фрезерную или др.), складируются, транспортируются к новой обработке (покраска, сборка и т.п.) и т.д.

В целом, комплексы технологических процессов общественного производства образуют сложную сеть, элементарными компонентами которой являются складирование, транспортирование, переработка.

Из этих трех типовых компонентов основными компонентами, из которых составляются собственно технологические процессы, являются процессы переработки, в результате осуществления которых перерабатываемый материальный ресурс, как предмет труда, под целенаправленным воздействием приобретает новые свойства, форму, состояние.

* Надо заметить, что изменение свойств, формы, состояния преобразуемых ресурсов происходит не только в процессе целенаправленной переработки, но и при транспортировании и складировании. Эти преобразования являются нецеленаправленными, в большинстве случаев вредными, учитываются при проектировании самих технологических процессов, как приводящие к непроизводительным расходам и потерям.

* В тоже время и в самих процессах переработки также происходит транспортирование и складирование предмета труда. Так, в процессе агломерации руд металлов концентрат движется с помощью транспортерной ленты в рабочей зоне агломерационной машины, в процессах крашения хлопчатобумажное полотно движется последовательно через рабочую зону различных аппаратов, отлеживается (складируется) в джейбоксах и т.д. Можно привести много примеров и из области переработки информационного, человеческого, энергетического и др. видов ресурсов, из которых явствует, что процессам переработки (взаимодействия) сопутствуют процессы транспортирования и складирования и наоборот.

Необходимо отметить, что при создании и реализации комплексов технологических процессов вопросам улучшения процессов целенаправленной переработки уделяется значительно большее внимание, нежели совершенствованию транспортирования и складирования. Это зачастую приводит к большим непредвиденным потерям полезных компонентов в потоках преобразуемых ресурсов (характерны, в данном случае, процессы выработки, транспортирования, складирования сельскохозяйственной продукции, овощей, картофеля, процессы выработки, хранения и транспортирования управленческой информации).

Проведенный анализ показывает, что все три типа процессов – переработка, транспортирование, складирование, содержатся в качестве элементов в каждом процессе переработки любого вида ресурса и неравнозначное отношение к этим процессам приводит к необратимым потерям на пути от исходного сырья (руда, сельхозпродукция, поступившие на обучение люди, исходная информация перед началом делового совещания и др.) к конечному продукту (рафинированный металл, мясные изделия, знания и умения обученных специалистов, решение совещания и др.), к его низкому качеству и неприемлемости для потребителя.

Уже упоминавшийся принцип непрерывности тесно связан с тем обстоятельством, что любой технологический процесс состоит из трех основных элементарных процессов: переработки, транспортирования, складирования. Принцип непрерывности требует, по своей сути, осуществления технологического процесса с минимально возможными перерывами в переработке, т.е. с минимальными затратами на транспортирование и складирование.

* Сформулируем теперь наиболее общее определение технологического процесса, как процесса в некоторой технологической системе, создаваемой для его осуществления.

Технологический процесс – это множество элементарных процессов переработки, т.е. целесообразного преобразования предмета труда, и элементарных взаимодействий двух видов – транспортирование и складирование предмета труда.

Множество элементарных процессов переработки создается с целью придания материальному (человеческому, информационному, энергетическому и т.д.) продукту переработки (продукту труда) желаемых свойств, формы, состояния.

Элементарные процессы транспортирования предназначены для осуществления взаимодействия элементарных процессов переработки в пространстве (передача информации по каналам связи, передача энергии по линиям электропередачи, передача звуковой информации от педагога к слушателю, перевозка сельхозпродукции от поля к месту переработки и т.д.), элементарные процессы складирования – для осуществления взаимодействия во времени (хранение информации в банках данных, хранение деталей и запчастей на складах и т.д.).

Принцип непрерывности в системной трактовке должен осуществляться сведением к минимуму затрат времени и ресурсов на осуществление этих взаимодействий.

* Перейдем к рассмотрению других (кроме уже рассмотренных принципов непрерывности и др.) условий, которые должны соблюдаться при осуществлении технологических процессов.

Одним из главных условий, обеспечивающих заданное протекание технологического процесса, является условие соблюдения технологической дисциплины. Режимы технологических процессов регламентируются технологической документацией (маршрутные карты, операционные карты и т.д.), составляемой при разработке системы технологической подготовки производства.

Технологическая дисциплина заключается, таким образом, в обеспечении соответствия хода технологического процесса регламентирующей технологической документации.

* Характерной для технологических процессов является стадиальность – разделение на процессы, стадии, связанное с тем обстоятельством, что получение выходного продукта производства из исходных материалов, сырья, комплектующих, изделий, полуфабрикатов и т.п. возможно, как правило, путем постепенного (от операции к операции – в машиностроении, от реакции к реакции в химии и т.д.) изменения свойств, формы, состояния обрабатываемого продукта.

Наличие стадиальности технологических процессов приводит к тому, что появляется, как правило, возможность выполнять определенные стадии, операции, фазы процесса последовательно. При этом оказывается, что каждая стадия «посильна» одному человеку или группе людей с соответствующей оснащенностью машинами. Некоторые цепочки последовательных стадий могут осуществляться параллельно друг другу, в соответствии с принципом параллельности, упоминавшимся ранее. В тоже время стадиальность технологических процессов является одним из следствий соблюдения принципов пропорций и ритмичности.

Однако соблюдение принципов параллельности, непрерывности, пропорциональности и ритмичности недостаточно для эффективного осуществления стадиальности процессов, так как эти принципы не связаны с понятием целесообразности технологии. С этой позиции необходима формулировка еще одного принципа – принципа обогащения, который обосновывает стадиальность с позиций целесообразности в смысле цели, поставленной перед системой.

* Принцип обогащения заключается в том, что при последовательном прохождении через стадии, циклы и операции технологических процессов исходный продукт теряет «ненужные» (мешающие достижению цели технологического процесса) и обогащается «нужными» (в смысле цели технологического процесса) заданными качествами, формой, состоянием.

Так, руда какого‑либо месторождения, содержащая нужный металл, обогащается на обогатительных фабриках, предварительно проходит ряд процессов, облегчающих последующую выплавку металла, избавляется, в частности от вредных примесей, плавится, затем металл очищается, рафинируется. Заготовка детали машины или прибора, прежде чем попасть на окончательную обработку на станке с целью придания необходимой формы и размеров, проходит черновую обработку, т.е. «обогащается», постепенно освобождаясь от ненужных свойств и постепенно приобретая полезные заданные параметры. Окрашиваемая хлопчатобумажная ткань проходит через процессы и стадии промывки, обработки химикатами, затем красится, освобождаясь от «мешающих» и приобретая заданные потребительские свойства.

* Особенностью современных технологических процессов является способность перестраиваться при изменении ассортимента выпускаемой продукции (при изменении номенклатуры измерительных приборов на приборостроительном заводе, ассортимента тканей и их расцветки на отделочном производстве легкой промышленности, при значительном изменении состава сырья в горнообогатительных производствах и др.). При таких перестройках может изменяться последовательность фаз технологического процесса, что приведет к изменениям в структуре технологической системы.

* Важным принципом, который надо учитывать при создании и осуществлении технологического процесса является технологичность выходной продукции, т.е. требование обеспечения такой совокупности свойств выходной продукции, которая обеспечивает оптимальные, в смысле какого либо критерия, затраты ресурсов при создании и осуществлении технологического процесса по сравнению с соответствующими показателями однотипных видов продукции и при обеспечении установленных показателей качества и условий осуществления процесса. Иными словами, свойства, форма, состояние намечаемой к выпуску продукции должны обеспечить более эффективное использование ресурсов для достижения поставленной цели, нежели выпускающиеся однотипные виды продукции.

* Одним из основных условий эффективного осуществления технологического процесса является оценка качества и эффективности процесса. В соответствии с установленной системой показателей качества производится контроль на соответствие заданным показателям не только выходной продукции, но и входной продукции (входной контроль) и продукции каждого подпроцесса, передела, операции, перехода и т.д. С целью обеспечения соответствия выпускаемой продукции заданным показателям качества функционирует система контроля и управления качеством, осуществляемая специальными службами. Ход технологического процесса в промышленности также контролируется соответствующими подразделениями.

* Обязательным при создании технологических процессов является применение типовых технологических процессов. Типизация должна «устранять многообразие технологических процессов обоснованным сведением их к ограниченному числу типовых и является базой для создания стандартов на типовые технологические процессы [5].

* Современной тенденцией является стремление к созданию максимально (полностью) механизированных, автоматизированных, роботизированных технологических процессов.

* Одно из наиболее перспективных направлений совершенствования технологических процессов заключается в создании и использовании гибких автоматизированных систем. В таких системах может эффективно реализовываться способность технологических процессов перестраиваться при частом изменении конструкций и свойств выпускаемых изделий. Применение промышленных роботов может решать проблемы комплексной автоматизации на основе применения типовых роботизированных комплексов. Важнейшей неотъемлемой частью современных производств стали автоматизированные системы управления, являющиеся одним из решающих факторов повышения производительности и эффективности технологических процессов.

* Целью современных методов проектирования технологического процесса является создание оптимального технологического процесса с известными оптимальными режимами осуществления; при успешном решении этой задачи управление технологическим процессом сводится к стабилизации расчетных режимов.

* В ходе управления технологическим процессом возникают задачи корректировки заданных режимов по разным причинам: старение оборудование, влияние сезонных атмосферных условий, существенное изменение характеристик сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и т.д. В этом случае производится расчет новых оптимальных режимов и переход на новые режимы стабилизации технологического процесса. Для цели корректировки и расчета режимов при оперативном управлении технологическим процессом используют различные методы моделирования технологических процессов.

Управление, основанное на стабилизации расчетных оптимальных режимов, наиболее желательно с точки зрения согласованного управления комплексами технологических процессов не только на одном предприятии, но и на ряде предприятий, производства которых образуют последовательную цепочку.

* Во многих случаях технологические процессы на разных предприятиях (нередко – разных отраслей) образуют процесс, который можно назвать «сквозным», учитывая то, что такой процесс проходит через несколько производственных систем. Так, сквозной технологический процесс образуют процессы добычи руды на горнообогатительном комбинате, выплавки стали соответствующей марки и проката стального листа на металлургическом производстве, изготовления кузовов для автомобилей в автомобильной промышленности. Материальный ресурс, переходя из одной производственной системы в другую, качественно преобразуется в различных по характеру технологических процессах. Таким образом, можно отметить, что, в отличие от многих других видов процессов общественного производства, в технологических процессах имеет место преемственность по материальным потокам. Преемственность по материальным потокам характерна и для всех стадий и переделов любого отдельно взятого комплекса технологических процессов.

* В тоже время известно, что материальные потоки в любой современной технологии многокомпонентны. Максимальное извлечение полезных компонентов, свойств, формы – одна из наиболее насущных задач управления технологическими процессами. В этой связи важно соблюдение баланса компонентов, составляющих материальный ресурс. Иными словами, суммарное количество каждого компонента на всех входах и суммарное же количество этого же компонента на всех выходах технологического процесса (комплекса технологических процессов) должны быть равны.

Особенно важно соблюдение баланса компонентов в сложных комплексах непрерывных технологических процессов металлургических, нефтехимических и других производств, где возможны неконтролируемые притоки и расходы текучих сред (атмосферного воздуха, пара и т.д.). Естественно, что сбалансированность материальных потоков должна обеспечиваться не только по компонентам, но и в целом по потокам ресурса между отдельными процессами. При таком условии становится, например, бессмысленным оптимальное управление каким‑либо одним из процессов, входящих в технологических комплекс, приводящее, например, к повышению производительности этого процесса, если его производительность не сбалансирована с возможностями переработки или потребления в следующем по цепочке процессе.

Возможно, что более разумным явится в таких условиях соблюдение баланса по потокам материального ресурса. Задача оптимального сбалансированного управления комплексом процессов может быть сформулирована так: найти оптимальную (например, по минимуму себестоимости) совокупность расходов ресурсов, обеспечивающую заданные уровни производительности каждого процесса, сбалансированные по всей цепочке технологических комплексов.

Такая «технологическая» постановка, во всяком случае, больше отвечает принципам системности, чем традиционная, целью которой является максимизация или минимизация какого‑либо показателя технологического процесса (производительности, например); в традиционной постановке нарушения сбалансированности материальных потоков естественны.

Необходимо, конечно, отметить, что в данном разделе изложены только наиболее существенные, с точки зрения автора, особенности осуществления технологических процессов.

Существуют также другие различные особенности в тенденции, уже упоминавшиеся в разделе 2.1.1.

* Среди различных тенденций развития технологических процессов материального производства мы должны отметить одну из наиболее существенных. Это тенденция к созданию малооперационных и малостадийных технологических процессов, приходящая на смену традиционным способам разделения процесса труда, выделения, механизации и автоматизации отдельных операций [6]. В черной металлургии – это процессы прямого восстановления железа, минуя доменный процесс, в цветной металлургии – автогенные процессы, плавка в жидкой ванне, в угольной промышленности – гидродобыча угля, в легкой промышленности – технология производства нетканных материалов и т.д.

* Эти и другие тенденции реализуются тремя основными принципами развития современных технологических процессов [7]:

1) Развитие и совершенствование методов ведения классической технологии. Содержание – «улучшение известной продукции, известного процесса».