CC BY
10II. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
УДК 66.13.5.66.047
Alexander N. Verigin, Alexey G. Ishutin, Maksim V. Korobchuk, Andrey S. Mazur
MECHATRONIC TECHNOLOGICAL COMPLEX AS A DESIGN OBJECT
St.Petersburg State Institute of Technology, St.Petersburg, Russia,
averigin@bk.ru
The article substantiates the choice of a new design object within the framework of further improvement of chemical and technological production in order to transfer the technical means used (machines and apparatuses) to a qualitatively new modern state akin to mechatronics.
Key words: design, mechatronics, interdisciplinary approach, mechatronic technological complex, mechatronic module, engineering disciplines, primary and secondary semantic information, generalized model
DOI 10.36807/1998-9849-2023-64-90-104-112
Введение
Опыт, накопленный при создании объектов ме-хатроники в области машиностроения, показывает, что коренная перестройка производства в химической технологии должна быть направлена на создание подобных объектов. Однако это опыт не может быть механически использован в рассматриваемом случае. Бесспорными являются следующие положения:
— создание новой техники (машин и аппаратов) в химической технологии должно опираться на последние достижения науки;
— эффективное использование последних достижений науки в практике возможно только при правильном выборе объекта проектирования.
Обоснование выбора объекта проектирования
В нашем случае объект проектирования (или объект научных исследований) опирается на два начала:
— химическую технологию как основу получения химических продуктов высокого качества с заданными потребительскими свойствами;
— мехатронику как технологию объединения механики, электроники, управления с использованием компьютерных технологий. Создаваемые при этом технические средства должны позволить реализовать конкретную операцию химической технологии.
Объектом, в полной мере отвечающим этим двум началам, может стать мехатронный технологический комплекс (МТК). Почему именно такое название? Меха-
Веригин А.Н., Ишутин А.Г., Коробчук М.В., Мазур А.С.
МЕХАТРОННЫЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Россия, averigin@bk.ru
В статье делается обоснование выбора нового объекта проектирования в рамках дальнейшего совершенствования химико-технологического производства с целью перевода используемых технических средств (машин и аппаратов) в качественно новое современное состояние - мехатронный технологический комплекс, как объединение механики, электроники, управления с использованием компьютерных технологий. Посредством мехатроники осуществляется связь между химическим и машиностроительным производствами через проектирование.
Представленная в статье информация в общем виде образует систему знаний о мехатронном технологическом комплексе, как перспективном объекте проектирования в рамках дальнейшего совершенствования химико-технологических производств.
Ключевые слова: проектирование, мехатроника, междисциплинарный подход, мехатронный
технологический комплекс, мехатронный модуль, инженерные дисциплины, первичная и вторичная семантическая информация, обобщенная модель.
Дата поступления - 26 декабря 2022 года Дата принятия - 20 февраля 2023 года
тронный - указывает на его принадлежность к машиностроению и, в отличие от отдельных машин и аппаратов, имеет комплексный законченный вид. Технологический комплекс - указывает на принадлежность объекта проектирования к химической технологии.
Выбор МТК в качестве объекта проектирования требует более детального обоснования. Рассмотрим его как систему, основные признаки которой относятся к области техники. Под МТК как технической системой понимается совокупность процессов, протекающих при проведении отдельной технологической операции, и технических средств необходимых для ее осуществления.
Данная техническая система не является изолированной, поскольку она взаимодействует с внешней средой (сферой эксплуатации). В этом взаимодействии проявляются ее функции и степень достижения цели, для которой данный МТК был создан. Функциональный аспект определяется характером технологической операции, для выполнения которой он создан. Потенциальные возможности функционирования МТК, присущие ему внутренне, ограничиваются воздействием на него внешней среды. Степень реализации функций зависит от уровня его совершенства, которое закладывается при проектировании и обеспечивается в сфере машиностроительного производства. МТК - это реальный материальный объект, который является самостоятельным машиностроительным изделием мехатроники, включающий отдельные аппараты, машины, вспомогательное оборудование, приборы КИП и АСУТП а, следовательно, и
компьютерные технологии. Примером такого МТК могут быть мехатронные вибрационные установки [1] или установки вторичной переработки нефти [2].
С этих позиций целесообразно рассмотреть МТК в трех сферах его существования: при проектировании, производстве и эксплуатации. Каждая из них достаточно независимо выдвигает свои требования к МТК. Техническое совершенство задается требованиями технологии производства (сферы эксплуатации), определяется уровнем машиностроения (сферы производства) и закладывается при проектировании. Посредством МТК осуществляется связь между химическим и машиностроительным производствами через проектирование.
Анализ условий эксплуатации, производства и проектирования технических объектов в химической технологии полностью подтверждает правильность выбора в качестве объекта проектирования основного технического средства химической технологии - мехатронного технологического комплекса.
Эффективность технических средств закладывается на стадии проектирования и окончательно формируется при их производстве. Любая методология проектирования также предполагает применение методов управления качеством изделия [3-5]. Эти методы связаны с выполнением определенных рекомендаций на стадии проектирования и напрямую не связаны с условиями их конкретного производства. Именно при производстве возникают задачи управления качеством изделий на основе исследования системности. Поэтому понятие системности в равной степени применимо к созданию высокоэффективных технических средств технологических производств на основе мехатроники.
Проектирование в нашем случае является более обобщающим понятием, чем управление качеством, которое начинается еще на начальной стадии разработки изделия. Поэтому при дальнейшем изложении не будем делать различия между проектированием и управлением качеством изделий техники. Основными особенностями, делающими проектирование творческим, является нестабильность, и неопределенность при постановках задачи. Изменчивость задачи определяет трудность создания объекта техники, но вместе с тем формирует предпосылки для широкого поля творческой деятельности.
Остаются малоизученными еще многие проблемы проектирования, возникающие при синтезе технических решений, когда свойства вновь создаваемого объекта не представляется возможным однозначно описать через свойства образующих его составляющих. Решение именно этих проблем приносит все новые познавательные и практические возможности изучения объектов техники. К числу таких проблем, несомненно, относится и исследование системности как одной из важнейших концепций современной технической науки [6].
Принципы системности получили широкое развитие в различных областях техники. Широко известны системные исследования в химической технологии, машиностроении, приборостроении, космической технике, проектировании промышленных предприятий, планировании и др.
Настоящее время - период интенсивного развития наук так называемого системного направления: общая теория систем, исследование операций, системный анализ, системотехника, теория эффективности, техническая кибернетика. Сложно провести четкую однозначную границу между этими направлениями. Как отмечал академик Н.Н. Моисеев [3], теория эффективности - непосредственная предшественница теории исследования операций. Системный анализ - новый раздел теории исследования операций, характеризующий современный этап ее развития. Академик В. М. Глушко отмечал [4], что системотехника является прикладной научной дисциплиной, теоретический фундамент которой составляет общая теория систем. В свою очередь системотехника мо-
жет рассматриваться как прикладное направление исследования операций.
Проведение анализа эффективности технических объектов на этапе их проектирования предполагает широкое использование подходов, разработанных в различных системных направлениях. В то же время анализ эффективности проектируемой техники является прикладным разделом теории эффективности. Академик В.С. Авдуевский считает [5]: «Теория эффективности завершает первый этап своего развития. Установлены основные понятия, принципы и этапы исследования, заложены технические, математические, информационные и организационные основы исследования эффективности. Получены важные практические результаты».
Методы теории эффективности охватывают основные этапы управления: от подготовки исходных данных по требованиям к создаваемой системе проектирования и условиям ее применения по оценки эффективности вариантов их сравнения и представления рекомендаций для лиц, принимающих решения. Как основные подходы теория эффективности выделяет системный, операционный и детерминированно-стохастический анализ. Моделирование эффективности рассматривается как подход к получению количественных оценок.
Большинство из приведенных теорий не затрагивает сущности самой системности, отражая только ее внешнее проявление. Основное внимание в данной статье уделено раскрытию понимания системности в технике и связи системности с общей методологией научного познания. В связи с этим важно раскрыть содержание понятий следующих базовых категорий
Знания и информация
Для дальнейшего изложения имеет большое значение понятие знания, как проверенного практикой результата познания действительности, верного ее отражения в знаковой форме. Изучением знаковых систем как средства выражения знаний занимается семантика - раздел научной дисциплины семиотики. Поскольку полученные при проектировании знания о техническом объекте непрерывно изменяются, являясь предметом хранения, переработки и передачи, то они могут иметь значение информации.
Подошли к важному понятию - семантическая информация, под которой понимают выраженные знаками знания об интересующей нас стороне (сторонах) объекта проектирования [7]. При проектировании имеет место направленная смысловая переработка семантической информации, которая является единственным методом представления знаний об объекте техники. Различают первичную и вторичную семантическую информацию.
Первичная семантическая информация (ПСИ) отражает посредством знаков (независимо от формы представления) результаты обобщений, исследований, разработок, наблюдений, которые имеют завершенный характер. Она охватывает знания, накопленные в конкретной области техники.
Вторичная семантическая информация (ВСИ) отражает, посредством знаков (для заданной формы представления), результаты логического преобразования первичной семантической информации. Является основой для проектирования конкретных технических объектов.
Изучение общих начал, лежащих в основе проектирования, изготовления и эксплуатации, МТК, составляет систему научных знаний о них. Эти знания образуют первичную семантическую информацию.
Теоретической основой преобразования «объект - первичная семантическая информация» является принцип неадекватности. Он гласит, что полная адекватность первичной семантической информации объекту проектирования невозможна. На практике имеет место не абсолютная, а относительная адекватность. Методологические основы выполнения семантической операции,
связанной с получением ПСИ, составляют следующие положения.
Наличие конкретного задания. Данное положение предполагает следующие действия:
— необходимо выбрать из множества объектов ту группу, которая соответствует заданию;
— наложить определенные ограничения на множество признаков, характеризующих данную группу объектов;
— отделить существенные признаки от несущественных признаков.
Количественную и качественную определенность семантической информации можно и нужно выразить конечным числом существенных признаков технического объекта, находящихся в определенном взаимодействии. Если задание нечетко сформулировано, или не определено конечным множеством существенных признаков объекта проектирования, то постановка вопроса об адекватности преобразования вообще теряет смысл.
Упрощение структуры объекта. Реальный объект имеет сложную многоплановую структуру, представление которой в общем виде невозможно. Разрешение данного противоречия возможно при переходе к последовательному описанию за счет упрощения структуры объекта. Возможно использование сложных математических моделей, позволяющих перейти к одновременному описанию ряда последовательных фактов.
Устранение противоречий между многомерным планом содержания и одномерным планом выражения. При текстовой форме представления семантической информации различают:
— план содержания, или семантика, представляет собой внутреннюю, смысловую сторону предложения, его логическую структуру;
— план выражения, или синтаксис - формальная сторона предложения.
Устранение противоречий между многомерным планом содержания и одномерным планом выражения возможно введением в описание большой избыточности: большого числа уточнений, пояснений, параллельных контекстов, схем, графиков, диаграмм и т. д.
Устранение неопределенностей естественного языка. Основным источником неопределенностей естественного языка является неоднозначное соответствие слова и его смыслового значения (полисемия, омонимия, синонимия и др.). Разным количеством логически связанных между собой слов можно выразить одну и ту же мысль. Полностью устранить неопределенность естественного языка невозможно. Свести к минимуму - вполне реально за счет повышения избыточности описания или наложения ограничений на разнообразие значения слов, приведения их к терминам (однозначности).
Можно говорить о существовании трех типов первичной семантической информации: естественного, модельного, математического. Естественный тип благодаря имеющейся избыточности получил наибольшее распространение. Максимальной адекватностью обладает математический тип, позволяющий выразить структуру объекта, процессы, происходящие в нем, некоторой количественной определенностью. Модельный тип занимает промежуточное положение между естественным и математическим типом.
Принципы классификации научных знаний. ПСИ как система научных знаний может быть достоверна и иметь право на самостоятельное существование, если она правильно отражает объективную действительность и обеспечивает определенный прорыв в развитии производства. Необходимо глубокое выявление содержания и предмета исследований на основании обоснованных принципов классификации научных знаний.
Технологические процессы - это промышленные процессы переработки продуктов природы в средства производства и предметы труда. Изучение технологических процессов с целью поиска наиболее эффективных
способов их проведения составляет предмет технологии. Технология возникла как самостоятельная отрасль знаний в конце XVIII столетия [6].
Технология - комплекс научных дисциплин, изучающих практическое применение законов химии, механики и других наук в производственных процессах. В этом состоит связь технологии с общей структурой научных знаний.
С целью дальнейшей детализации и раскрытия содержания технологии остановимся на некоторых принципах классификации технологических наук.
Принцип объективности. Согласно принципу объективности, технология является основополагающей наукой, которая может быть с определенной долей условности разделена на технологию механическую, химическую, биологическую, электронную.
Механическая технология изучает процессы, при проведении которых, перерабатываемые материалы изменяют только свою внешнюю форму или физические свойства. Химическая технология рассматривает процессы, в которых исходные материалы претерпевают глубокие превращения, при этом изменяются не только физические свойства, но также агрегатное состояние и химический состав вещества [6, 8].
Принцип развития. По мере развития химической промышленности происходило деление химической технологии на ряд разделов, охватывающих узкий круг родственных процессов, свойственных только определенным отраслям промышленности. Например, технология неорганических, органических материалов, технология переработки пластических масс и т. д.
Принцип единства исторического и логического. Согласно данному принципу техника по своему существу едина. Открытие или усовершенствование в какой-либо отрасли производства неизбежно находит применение везде, где оно технически выполнимо и экономически целесообразно. Следовательно, разделение технологии по отраслям является во многом условным.
Классификация научных дисциплин
Остаются не решенными методологические проблемы классификации научных дисциплин (НД) внутри технологии и их связь между собой. Классификация должна осуществляться без нарушения их предметной структуры и взаимосвязи, последовательности их расположения в соответствии со следующими требованиями.
Во-первых, классификация НД, образующих систему знаний о технологии, должна обеспечить их целостное рассмотрение и взаимосвязь.
Во-вторых, требуется свести эти НД в соответствующие группы, исходя из тех объективных закономерностей, которые они изучают и познают.
В-третьих, их необходимо расположить в логической последовательности от простой к сложной дисциплине с учетом степени и масштабов охвата ими различных сторон и аспектов технологии.
В-четвертых, структура их классификации должна быть подвижной, гибкой и с максимальной полнотой отражать дифференциацию и интеграцию наук, обеспечивающие системное и первоочередное исследование наиболее важных, актуальных проблем, выдвигаемых практикой. Данные принципы позволяют не только проследить взаимосвязь различных отраслей знаний и НД, но и определить объект их исследования.
Например, химическую технологию образуют общие для ее различных отраслей процессы и аппараты. Изучение типовых процессов, свойственных различным отраслям химической технологии, составляет предмет и задачу НД «Основные процессы и аппараты химических технологий». В основе физического механизма типовых процессов лежит перенос массы, количества движения и энергии. Изучение данных явлений входит в задачу НД «Явления переноса» [9] - части более общей физиче-
ской науки. Знание закономерностей переноса энергии, массы и количества движения далеко не исчерпывает всего содержания теоретических основ химической технологии. Подтверждением тому является получивший широкое распространение «Системный анализ проблем химической технологии» [10]. Выделение этой НД как самостоятельной совокупности научных знаний объясняется необходимостью первоочередного исследования важных и актуальных для практики проблем кибернетики химико-технологических процессов. Системный анализ позволяет объединить единой стратегией и решить в тесной связи друг с другом задачи: исследования и расчета отдельных типовых процессов в определенном аппаратурном оформлении с учетом локальной системы управления; моделирования и оптимизации, сложных химико-технологических систем; оптимального проектирования мехатронных технологических комплексов. Фактически речь идет о преобразовании информации. Однако на его основе нельзя оценить техническую возможность и экономическую целесообразность создания химического производства и затрат на эксплуатацию [11, 12]. В этой связи становится полностью обоснованным выбор в качестве объекта проектирования МТК.
Структура ПСИ. Возможная структура первичной семантической информации о МТК представлена на рисунке. Рассмотрим предметное содержание отдельных дисциплин, которые можно разбить на три группы и отнести к первой - дисциплины химической технологии, ко второй - мехатроники, как технологии и к третьей -специальные, объединяющие знания двух этих технологий. Стрелки на рисунке указывают на наличие информационно-последовательных связей между научными дисциплинами и их разделами.
Рис. Структура первичной семантической информации о мехатронных технологических комплексах
К первой группе относятся следующие научные дисциплины.
Общая химическая технология рассматривает способы реализации на уровне технологических схем, принципы построения безотходной технологии. Даются основы расчета и оптимизации таких схем, изучаются:
— иерархическая организация процессов в химической промышленности;
— критерии оценки эффективности производства;
— общие закономерности химических процессов;
— основы расчета процессов химических превращений;
— понятие технологической системы, методы описания синтеза и анализа;
— сырьевые и энергетические подсистемы в химическом производстве;
— важнейшие промышленные химические производства.
Техническая термодинамика рассматривает типовые технологические процессы с позиций химической кинетики и термодинамики. Содержит инженерные методы расчета диаграмм фазового равновесия, способы обобщения экспериментальных данных о гетерогенном равновесии. Основной упор делается на обоснование и анализ свойственных типовым процессам кинетических
закономерностей. В том числе должна включать:
— законы термодинамики для открытых систем;
— анализ основных процессов в открытых системах;
— основы термодинамики неравновесных процессов.
Механика жидкости и газа является базой для большинства НД первой группы [13]. Она изучает равновесие и движение жидкостей и газов, а также взаимодействие между жидкостью и твердыми телами, полностью или частично погруженными в жидкость, и ставит своей целью разработку инженерных методов гидродинамического моделирования и гидромеханического расчета элементов конструкции МТК. Предполагает обобщение следующих знаний в области технической аэрогидромеханики:
— гидростатика;
— модели сплошной среды, методы описания и виды движения, уравнение неразрывности для жидкости и газа;
— уравнение Бернулли для моделей невязкой, вязкой, несжимаемой и сжимаемой жидкости при установившемся движении;
— методы расчета гидравлических сетей;
— силовое воздействие установившегося потока на неподвижную и движущуюся преграду, неустановившееся движение несжимаемой жидкости, явление гидравлического удара;
— понятие о волновых процессах в гидравлических магистралях.
Механика многокомпонентных сред - учение о равновесии и течении многокомпонентных сред и связанных с ними явлений переноса количества движения [14]. Она опирается на принципы и методы механики жидкости и газа. Ей присущи все основные атрибуты самостоятельной НД, призванной решать многие инженерные задачи, в том числе:
— движение одиночной твердой и деформируемой частиц;
— течение многокомпонентных сред в трубах;
— процессы переноса множества частиц;
— основные уравнения многокомпонентных сред;
— учет силы взаимодействия дисперсных частиц и сплошной фазы, гидро- и пневмотранспорт, взвешенный слой.
Тепловые и массообменные процессы основываются на знаниях общих закономерностей явлений переноса количества движения, энергии и массы [7]. Позволяют разрабатывать инженерные методы расчета типовых процессов тепло и массопереноса в отдельных элементах конструкций - МТК. Рассматриваются способы рациональной организации изучаемых процессов, влияние конструктивного исполнения и геометрических параметров отдельных элементов конструкции на эффективность и пути интенсификации работы объекта проектирования. В том числе должны рассматриваться следующие вопросы:
— основы теории передачи теплоты, промышленные способы подвода и отвода теплоты в химической технике;
— массообменные процессы в системах со свободной границей раздела фаз, абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция;
— массообменные процессы с неподвижной поверхностью контакта фаз, адсорбция, сушка, ионный обмен, растворение и кристаллизация;
— мембранные процессы химической технологии.
Системный анализ типовых процессов химической технологии является логическим завершением группы технологических дисциплин [8, 10]. Анализ направлен на разработку совершенных и надежных математических моделей, позволяющих проводить оценку эффективности работы и надежности объекта проектирования в условиях конкретного производства с целью оптимизации основных технологических параметров работы. Предполагает знание:
— методов математического моделирования;
— основных принципов системного анализа;
— взаимосвязи явлений, их иерархию и соподчиненность
в отдельных процессах и аппаратах;
— иерархической структуры химического производства, принципов его декомпозиции с учетом взаимосвязи отдельных аппаратов.
Вторая группа включает НД мехатронного профиля.
Технология машиностроения позволяет правильно выбрать геометрические размеры и форму отдельных элементов конструкции МТК, оценить возможность их изготовления в условиях конкретного машиностроительного производства, затрагивают вопросы оптимизации трудовых и материальных затрат на его изготовление и включает:
— технологическую подготовку машиностроительного производства: составление технического задания, подготовку эскизного и рабочего проекта, оценку технологичности конструкции и возможностей оборудования, разработку технологии обработки деталей и сборки изделий с технико-экономическим обоснованием, проектирование технологической оснастки, аддитивные технологии изготовления элементов конструкции;
— технологические характеристики типовых заготовительных процессов, методов обработки и сборки при изготовлении машин и аппаратов;
— метрологические основы, оценку точности обработки деталей методами статистики;
— силовые и прочностные расчеты при конструировании технологической оснастки.
Базовые элементы конструкций МТК. Дисциплина рассматривает основы расчета базовых элементов конструкций по основным критериям работоспособности с учетом механических свойств конструкционных материалов, сочетания и вида действующих нагрузок, возможности отклонения от правильной геометрической формы и номинальных размеров, значений коэффициентов запаса по критериям надежности. Указывает инженерные методы и пути конструирования, отвечающие условиям оптимального использования конструкционных материалов.
Нетиповые элементы конструкций МТК - в отличие от предыдущей, дисциплина должна дать ответ на вопрос о том, как рационально выбрать элементы конструкции, обеспечивающие соединение отдельных ме-хатронных модулей МТК, определяющие безопасность и удобство эксплуатации, его внешний вид. Содержит методы их расчета.
Проектирование мехатронных приводов (МП). В задачу данных НД входит рассмотрение проблем рационального выбора МП из условия обеспечения его надежной работы при минимальном потреблении энергии. Под МП понимаются системы подвода энергии. Такой привод должен быть, способен к адаптации в условиях конкретного мехатронного технологического комплекса. Стремление объединить два типа приводов отражено в ее содержании:
— электропривод: характеристика его функциональных узлов и элементов, электропривод с асинхронным двигателем, электропривод с двигателем постоянного тока, электропривод с синхронным и шаговым двигателем, механические и нагрузочные характеристики, режимы работы, нагрузочные диаграммы и выбор мощностей двигателей;
— гидравлический и пневматический привод: структура и типовые схемы, основные энергетические соотношения и внешние характеристики, гидродвигатели возвратно-поступательного действия, мультипликаторы давления, гидромоторы.
Расчет и конструирование МТК. С позиций системного анализа эта НД изучает вопросы обеспечения надежности МТК в целом. Речь идет не о простом соединении элементов конструкции (деталей), а отдельных ме-хатронных модулей (ММ). Инженерные методы оптимального конструирования МТК. Решаются методологические проблемы построения единой схемы силового нагруже-
ния ММ в условиях их изготовления, монтажа, испытаний и эксплуатации, которые подкрепляются расчетными методиками.
В третью группу входят следующие специальные научные дисциплины.
Системы управления МТК. Дисциплина рассматривает общие принципы построения систем сбора данных, диагностики и управления отдельных ММ, и комплекса в целом на основе типовых контрольно-измерительных приборов и средств автоматики с использованием микропроцессорной техники. Включает следующие разделы:
— основы теории автоматического управления: декомпозиция системы управления, статические и динамические характеристики объектов и звеньев управления, передаточные функции, типовые динамические звенья систем управления;
— системы автоматического регулирования: статические и динамические характеристики объектов управления, переходные процессы, запаздывание и устойчивость системы регулирования, основные законы управления, релейное регулирование;
— диагностика технологического процесса и техники: методы и средства диагностики, элементы метрологии, контроль основных технологических параметров, типовые системы автоматического управления мехатроники.
Основы экономического моделирования МТК. Дисциплина ставит своей целью разработать методы оценки технико-экономических показателей их эффективности на основе экономической модели. Данная модель должна обеспечить принятие инженерного решения, с целью достижения необходимых эксплуатационных показателей работы при сохранении высокого уровня рентабельности изготовления.
Типовые мехатронные технологические комплексы. Данная НД должна обобщить опыт создания и эксплуатации МТК. Дать их классификацию. Наметить рациональные пути интенсификации протекающих в них процессов. Выявить рациональные технические решения, обеспечивающие высокий уровень надежности и ремонтопригодности. Создать методику расчета, с учетом особенностей проведения различных технологических процессов.
Основы проектирования МТК. Данная НД должна ответить на вопрос, какова будет конструкция МТК, в котором с экономической точки зрения рациональным образом сочетаются его технические характеристики. Проектирование будет эффективным и надежным только в том случае, если оно будет опираться на всю совокупность системы научных знаний о МТК и использовать современные математические методы в рамках специализированной САПР. Перечисленные НД опираются на соответствующие отрасли знаний, но каждая из них имеет ряд особенностей, позволяющих говорить о них как о самостоятельной совокупности знаний. Общим для них является объект проектирования - МТК, и они раскрывают содержание первичной семантической информации.
При автоматизированном проектировании инженеру желательно взаимодействие с ЭВМ на естественном языке. Наиболее важной является проблема выбора метода представления знаний с целью реализации семантической совместимости человека с ЭВМ. Ее решение тесно связано с преобразованием ПСИ во вторичную информацию. Пока не существует единой теории перехода от одной формы представления информации к другой. Практическая реализация подобных преобразований остается прерогативой инженера [15].
Вторичная семантическая информация
При преобразовании:
— уменьшается содержание первичной семантической информации;
— выявляются существенные признаки объекта проектирования;
— эти признаки выражаются знаками по определенным правилам.
Можно говорить только об относительной адекватности результатов преобразования. В противном случае оно противоречило бы идее логического преобразования информации вообще. Сущность такого преобразования заключается в уменьшении содержания ПСИ, а не в получении ее копии. Выделяют два метода сжатия семантической информации: эвристический и модельный.
Эвристический метод. Для эвристического метода сжатия характерно отсутствие строгого задания. Оно не содержит конкретного содержания и выражает лишь плохо сформулированную потребность инженера уменьшить объем ПСИ. Инженер, располагая определенными знаниями об объекте проектирования, проводит их анализ и на его основе создает ВСИ, которая является моделью первичной. При эвристическом сжатии логическая структура ПСИ разрушается и создается новая, с меньшим содержанием. Это достигается либо отбрасыванием несущественных признаков, либо заменой некоторых существенных признаков более общими понятиями, отличными от имеющейся первичной семантической информации. Для эвристического сжатия характерен субъективизм, т. е. разное понимание людьми существенных и несущественных признаков. В зависимости от опыта инженера может быть достигнута разная степень сжатия и разный уровень обобщения понятий.
Модельный метод. Для модельного метода сжатия характерно строго формализованное задание. Основой его является обобщенная модель. ПСИ приспосабливается к наперед заданной логической структуре - обобщенной модели. Узловыми моментами ее служат общие и установившиеся понятия области знаний об объекте проектирования. На их основе представляется возможным упорядочить последовательность логических шагов при сжатии. Облегчается выбор существенных признаков и тем самым обеспечивается выбор типового алгоритма сжатия, пригодного для обработки разнообразной по содержанию информации. Сжатие при этом сводится к тому, что выраженные общими понятиями аспекты модели раскрываются конкретным содержанием информации, находящейся в первичных документах.
Структура обобщенной модели
При ее создании нужно определить:
— единицу смысла семантической информации;
— способы формализованного представления знаний;
— смысловую часть модели;
— признаковую часть модели;
— языковые особенности модели.
Единица смысла. Трудность выбора единицы семантической информации для количественной оценки смысла обусловлена многообразием форм выражения и передачи смысла. В естественном языке существуют неопределенности: синонимия, омонимия, многозначность и др. Их сущность одна и та же - несоответствие плана выражения плану содержания. Одну и ту же мысль можно выразить по-разному и разным числом слов. Отдельно взятое слово не имеет логического значения. О нем нельзя ничего сказать, кроме того, что оно существует. Слово как элемент плана выражения не обладает однозначностью содержания и не может использоваться в качестве единицы смысла.
Два логически связанных слова, из которых одно обозначает предмет, а другое - отношение, образуют предложение, имеющее минимальный уровень плана содержания - факт. Факт не поддается расчленению в семантическом плане. Он является исходной единицей содержания. Различают факты простые и сложные. Носитель простого факта - элементарно простое предложение, состоящее из субъекта и предиката. Структура простого предложения не имеет вариантов, его нельзя
разложить на более простые составляющие без потери смысла. Элементарно простое предложение является тем идеальным случаем, когда план выражения полностью совпадает с планом содержания. Сложный факт можно привести к сумме простых фактов, так как сложное предложение можно представить суммой простых.
В модельном способе представления ВСИ за единицу смысла принят знак, содержащий предмет и отношение. Эту единицу семантической информации будем называть фактом. Любое сообщение можно выразить определенным числом фактов. Чем больше фактов в сообщении, тем оно содержательнее.
Формальные представления знаний. В основу формального представления знаний положены два понятия: факт и аспект. Факт а характеризует определенное свойство объекта проектирования и не поддается дальнейшему смысловому делению (применительно к данной статье). Например, фактом может быть тип насоса, напор, мощность, вид привода. Для факта «тип насоса» в качестве значения могут быть осевой, поршневой, плунжерный, центробежный, вихревой. Для факта «мощность» в качестве значения могут быть любые натуральные числа, не выходящие за пределы разумных величин.
В математической интерпретации факт представляет собой кортеж знаков, длина которого может быть произвольной (букв, слов, символов). Так, кортежем длины п является запись вида: а=(а1, а,., ап) где а1,...,ап -первая и последняя компоненты соответственно.
Свойство факта быть кортежем подтверждается двумя особенностями кортежа в интерпретации факта. В его названии или значении буквы и цифры:
— должны находиться на своих местах, чтобы не было искажения смысла;
— могут быть одинаковыми или различными.
В математической интерпретации точность факта представляет собой объединение кортежей знаков, выражающих факт. Следовательно, каждый факт характеризуется точностью, т. е. содержит определенное число знаков.
Аспект характеризует предмет, его свойства и отношения с другими предметами. В семантическом плане аспект состоит из фактов. Глубина характеристики объекта определяется числом фактов в аспекте, которое оценивается объемом сведений, необходимых для описания объекта проектирования в рамках решаемой задачи. Число фактов может быть определено на основании:
— обобщения статистических данных;
— строгого аналитического изучения.
Всегда существует оптимальное число фактов в аспекте.
В математической интерпретации аспект представляет собой кортеж знаков, размер которого может быть произвольной. Выражение вида с=(а1, а2, ..., ат) являясь аспектом, представляет кортеж размера т.
Аспект может состоять из нескольких частей, число которых может быть произвольным. В большинстве практически интересных случаев в аспекте достаточно выделить только две части. Первая часть Р, кортеж знаков длины 1, характеризует посредством множества знаков признаковую составляющую аспекта. Число признаков в аспекте соответствует числу фактов ру, j = 1-1.
Вторая часть аспекта S, кортеж знаков длины к, характеризует посредством множества знаков смысловую составляющую аспекта. Количество смысловых фактов в аспекте соответствует числу а, 1-к. Аспект можно записать в виде c={P,S}; Р=(Р1, Р2,'...р); S=<а1, а2, ..., ак).
Информационным носителем аспекта может являться матрица, представляющая собой типовую структуру аспекта. Факт в аспекте выражается знаками естественного или искусственного языка.
Свойство аспекта быть кортежем также подтверждается двумя особенностями кортежа в интерпретации аспекта:
— место каждого факта в аспекте является строго определенным (каждому факту присвоен порядковый номер) и не может быть произвольно изменено;
— в признаковой и в смысловой части аспекта могут встречаться как одинаковые, так и разные сочетания знаков.
Смысловая часть модели. Для каждой конкретной модели номинальные значения полноты и точности есть величины постоянные. Фактически же значения полноты и точности для каждой конкретной семантической информации при ее сжатии являются переменными. Возможны следующие три случая. Содержание вторичной семантической информации, выраженное множеством существенных признаков, может быть:
— меньше содержания первичной информации; формальная модель не обеспечивает сохранения существенных признаков ПСИ при ее сжатии;
— больше содержания первичной, то есть формализованная модель достаточно сложна, она имеет потенциальный семантический запас;
— полностью адекватно содержанию первичной информации, т.е. формальная математическая модель обеспечивает сохранение существенных признаков ПСИ при сжатии.
Для получения большей относительной адекватности необходимо, чтобы логическая структура модели была сложнее логической структуры ПСИ, подлежащей сжатию. Необходима такая организация структуры модели, при которой отдельные факты были логически связаны между собой.
Признаковая часть модели. Полная модель ВСИ содержит помимо смысловой части и признаковую часть. Методологические основы создания признаковой части модели включают:
— сбор данных по аспектам признаковой части первоисточников;
— анализ аспектов и выделение из них наиболее общих, характерных для конкретного объекта проектирования;
— раскрытие выделенных аспектов конкретными категориями и понятиями данной отрасли науки и техники.
Языковые особенности модели. Язык, представляя собой знаковую систему любой физической природы, выполняет познавательную и коммуникативную функции. Стремление повысить точность и полноту передачи смысла при сжатии семантической информации привело к созданию формальных, более экономичных грамматических средств. К таким средствам можно отнести:
— дескрипторные словари;
— фиксированные списки словосочетаний, терминов, идиом и др.;
— особенности грамматики - указатели роли, указатели связи, кортежный принцип организации, единство знаков.
Под дескрипторами понимаются наименования понятий, используемые для описания содержания объекта проектирования. Множество дескрипторов оформляется в виде словаря - фиксированного списка. Словарь состоит из единичных слов, терминов, сочетаний слов, фраз и т. д, отобранных для сжатия семантической информации. Дескрипторы расположены в словаре в определенном порядке, чаще всего по алфавиту или предметному признаку. Напротив каждого дескриптора стоит числовой код, позволяющий быстро привести отобранные дескрипторы к виду, удобному для обработки на ЭВМ. В дескриптор-ный словарь наравне с отдельными словами иногда включают фрагменты словесных описаний.
Для уменьшения неопределенности слов в тексте уменьшения объема обозначаемого ими понятия при сжатии информации вводятся указатели роли. Указатели роли показывают значение слова (дескриптора) в том или ином контексте. Введение указателей роли позволяет существенно расширить основной состав дескриптор-ного информационного языка. Вместо одного дескрипто-
ра может употребляться столько дескрипторов, сколько введено указателей роли.
Указатели связи служат для выделения и формирования тематических, предметных классов на основе первичной семантической информации, которые отражают какое-либо понятие или категорию конкретной области науки и техники. При группировке дескрипторов в предметные классы производится разбиение их множества на пересекающиеся и непересекающиеся подмножества. В каждое подмножество включаются дескрипторы, обладающие каким-либо общим свойством или обобщаемые одним понятием. Информационные языки по степени формализации и соответственно грамматической сложности можно разделить на три группы:
— в первой для сжатия ПСИ используются слова естественного языка, не ограниченные заранее предусмотренным списком; это наиболее формализованная группа языков;
— ко второй относятся информационные языки, когда для сжатия используются словари дескрипторов и один из способов грамматической связи;
— к третьей относятся информационные языки, в которых для сжатия используются все формальные элементы языка. В грамматическом отношении они являются самыми сложными.
При модельном сжатии ПСИ применяется язык третьего типа как самый совершенный.
Раскрытию содержания обобщенной модели предполагает большой объем исследований. В этой статье делается только первый шаг. Построение любой модели начинается с выбора в рамках системного анализа некоторого магистрального направления ее создания. Такое направление вытекает из построенной нами совокупности знаний о МТК (см. рисунок).
Согласно определению, структура МТК зависит от совокупности протекающих в ней процессов и последовательности их проведения. С другой стороны, МТК является самостоятельным машиностроительным изделием, которому присущи определенные конструктивные особенности. Наличие двух начал нашло отражение в структуре научных знаний о МТК и должно учитываться при создании обобщенной модели.
Описание МТК требует реализации некоторого принципа его декомпозиции. Здесь проявляется свойство объекта проектирования быть представленным в виде системы. Систему необходимо рассматривать как совокупность определенным образом связанных между собой элементов, которые в полной мере отражают его структуру и особенности функционирования. При выборе принципа декомпозиции МТК возникают значительные сложности.
МТК - это совокупность конструктивных элементов, связанных между собой, некоторым образом. Геометрическая форма, размеры и взаимное расположение конструктивных элементов оказывают существенное влияние на протекающие в нем процессы, но не позволяют в полной мере судить об эффективности его функционирования. В этом случае вне поля зрения остаются технологические параметры его работы.
Описание закономерностей протекающих в МТК процессов на основании анализа присущих им совокупностей физико-химических явлений, с учетом его геометрических особенностей позволяет решить поставленную выше задачу [6, 8]. Однако при таком подходе отсутствует какая-либо информация о затратах на его изготовление и не представляется возможным оценить наличие технических возможностей его создания.
Каждый в отдельности из приведенных выше способов декомпозиции не позволяет построить единую систему, элементы которой в полной мере отражали бы структуру МТК и особенности его функционирования. Обобщенная модель должна включать следующие аспекты его описания.
1. Представление МТК в виде технической системы, позволяющей описать общие закономерности его функционирования. Она позволит решить ряд важных практических задач:
— осуществить синтез структуры МТК по заданию на проектирование;
— автоматизировать составление его описания;
— разработать инструкцию по эксплуатации.
2. Функционально-структурную схему, предназначенную для численного моделирования технологических особенностей работы МТК. При этом рассматривается совокупность физико-химических эффектов и явлений, имеющих место при взаимодействии ансамбля дисперсных частиц со сплошной фазой при наличии внешних воздействий [6, 16], т. е. смысловой аспект построения модели технологических расчетов.
3. Конструктивную схему, предназначенную для создания надежной конструкции МтК и описания его конструктивных особенностей. Для объекта проектирования надежность означает, прежде всего, безотказную работу в течение экономически обоснованного срока эксплуатации элементов конструкции при возможном сочетании действующих нагрузок и отклонений параметров технологического процесса с учетом коррозионно-эрозионного воздействия внешней и обрабатываемых сред.
4. Схему локальной АСУ, предназначенную для описания автоматического управления и технологического контроля. Задача локальной АСУ - обеспечить максимально эффективную эксплуатацию объекта проектирования при изменении внешних условий. Автоматизация оборудования становится одним из основных источников повышения технического уровня выпускаемого оборудования, обеспечивая уже на стадии изготовления полную готовность МТК к эффективной эксплуатации.
5. Комплексный критерий качества, предназначенный для всестороннего обоснования принятых проектных решений. Оценка экономической эффективности МТК возможна на основе комплексного критерия качества. Комплексный критерий качества позволяет обоснованно сравнивать различные проектные решения, вбирая в себя результаты расчетов экономических показателей объекта проектирования, как на стадии его создания, так и на стадии эксплуатации.
Выделенные аспекты каждый по отдельности характеризуют только одну из сторон МТК. Для представления объекта проектирования в целом их необходимо логически увязать. В качестве основы обобщенной модели при создании МТК для обработки дисперсных материалов можно использовать [16-18].
Заключение
Представленная в статье первичная и вторичная семантическая информация в общем виде образует систему знаний о МТК, как перспективного объекта проектирования в рамках дальнейшего совершенствования химико-технологических производств и их перевода в качественно новое современное состояние сродни меха-троники. Последующее его познание при проектировании предполагает раскрытие содержания технической системы, функционально-структурной схемы, конструктивной схемы, схемы локальной АСУ и комплексного критерия качества.
Литература
1. Коробчук М.В., Веригин А.Н. Использование программных средств и электронных компонентов, применительно к проектированию мехатронных вибрационных установок // Производственные технологии будущего: от создания к внедрению: Материалы IV Междунар. научно-практ. конф., Комсомольск-на-Амуре, 16-26 февраля 2021 года / Редколлегия: С.И. Сухоруков (отв. ред.), А.С. Гудим, Н.Н. Любушкина. Комсомольск-
на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный университет, 2021. С. 212-216.
2. Чистякова Т.Б., Фураев Д.Н., Шишкин
A.Н. Компьютерная система проектирования и анализа цифровых моделей промышленных объектов вторичной переработки нефти // Автоматизация в промышленности.
2021. №9. С.47-52. DOI: 10.25728/avprom.2021.09.07.
3. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 487 с.
4. Глушков В.М. Кибернетика, вычислительная техника, информатика: избранные тр. в 3-х томах. Т. 3. Кибернетика и ее применение в народном хозяйстве. Киев: Наукова думка, 1990.
5. Надежность и эффективность в технике: справочник в 10 т. Т. 4. Методы подобия в надежности. М.: Машиностроение,1987. 280 с.
6. Дидрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход. М.: Мир, 1981. 454 с.
7. Кузнецов И.П. Семантические представления. М.: Наука, 1986. 294 с.
8. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. 10-е изд., стереотипное, доработанное. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 753 с.
9. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса / пер. с англ. М.: Мир, 1974. 688 с.
10. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: основы стратегии. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во Юрайт,
2022. 499 с.
11. Ильичев А.В. Эффективность проектируемой техники. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.
12. Мымрин Ю.Н., Малахов И.Н. Выбор и оптимизация технико-экономических показателей машин при разработке технического задания. М.: Машиностроение, 1987. 156 с.
13. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учебник для вузов. 7-е изд., испр. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
14. Уолис Г. Одномерные двухфазные течения / пер. с англ. М.: Мир, 1972. 440 с.
15. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Наука, 1987. 624 с.
16. Вареных Н.М. Веригин А.Н., Джангирян
B.Г., Ишутин А.Г. Химико-технологические агрегаты механической обработки дисперсных материалов. СПб.: СПбУ, 2002. 482 с.
17. Веригин А.Н., Незамаев Н.А. Данильчук В.С Машины и аппараты переработки дисперсных материалов. Примеры создания: учебное пособие. СПб.: Лань, 2018. 800 с.
18. Веригин А.Н. Незамаев Н.А. Данильчук В.С. Машины и аппараты переработки дисперсных материалов. Основы проектирования: учебное пособие. СПб.: Лань, 2018. 536 с.
References
1. Korobchuk M. V., Verigin, A. N. The use of software and electronic components in relation to the design of mechatronic vibration systems // Production technologies of the future: from creation to implementation : Materials of the IV International Scientific and Practical Conference, Komsomolsk-on-Amur, February 16-26 2021 / Editorial Board: S.I. Sukhorukov (ed.), A.S. Gudim, N.N. Lyubushkina. Komsomolsk-on-Amur: Komsomolsk-on-Amur State University, 2021. pp. 212-216.
2. Chistyakova T.B., Furaev D.N., Shishkin A.N. Computer system for designing and analyzing digital models of industrial oil recycling facilities // Automation in industry. 2021. No.9. pp.47-52. DOI: 10.25728/ avprom.2021.09.07.
3. Moiseev N.N. Mathematical problems of system analysis. M.: Nauka, 1981. 487 p.
4. Glushkov V.M. Cybernetics, computer engineering, informatics: selected tr. in three volumes. Vol. 1. Mathematical issues of cybernetics. Vol. 2. COMPUTER — technical base of cybernetics. Vol. 3. Cybernetics and its application in the national economy. Kiev: Naukova Dumka, 1990.
5. Reliability and efficiency in engineering: a reference book in 10 vols. 4. Similarity methods in reliability. M.: Mechanical Engineering, 1987. 280 p.
6. Dietrich Ya. Design and construction. System approach. M: Mir, 1981. 454 p.
7. Kuznetsov I.P. Semantic representations. M.: Nauka, 1986. 294 p.
8. Kasatkin A.G. Basic processes and devices of chemical technology: textbook for universities. 10 th ed., stereotyped, modified. M.: LLC TID "Alliance", 2004. 753 p.
9. Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport phenomena. N.Y.: Wiley Interscience Publ., 1960. 808 p.
10. Kafarov V.V., Dorokhov I.N. System analysis of chemical technology processes: fundamentals of strategy: monograph. 2nd ed., reprint. and additional M.: Yurayt Publishing House, 2022. 499 p.
11. Ilyichev A.V. Efficiency of the designed equipment. M.: Mechanical engineering, 1991. 336 p.
12. Mymrin Yu.N.j Malakhov I.N. Selection and optimization of technical and economic indicators of machines in the development of technical specifications. M.: Mechanical Engineering, 1987. 156 p.
13. Loitsyansky L.G. Mechanics of liquid and gas: textbook for universities. 7 th ed., ispr. -M.: Bustard, 2003. 840 p.
14. One-Dimensional Two-Phase Flow. BY G.B. Wallis. McGraw Hill, 1969. 408 p.
15. Kafarov V.V., Vetokhin V.N. Fundamentals of computer-aided design of chemical production. M: Nauka, 1987. 624 p.
16. Varenykh N. M. Verigin A. N., Dzhangiryan V. G., Ishutin A.G. Chemical-technological aggregates of mechanical processing of dispersed materials. St. Petersburg: St. Petersburg University, 2002. 482 p.
17. Verigin A.N., Nezamaev N.A. Danilchuk V.S. Machines and devices for processing dispersed materials. Examples of creation: tutorial. St. Petersburg: Lan, 2018. - 800 p.
18. Verigin A.N. Nezamaev N.A. Danilchuk V.S. Machines and devices for processing dispersed materials. Fundamentals of design: tutorial. St. Petersburg: Lan, 2018. 536 p.
Сведения об авторах
Веригин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой; Alexander N. Verigin, Dr Sci. (Eng.), professor, Head of Department, St. Petersburg State Institute of Technology, averigin@bk.ru.
Ишутин Алексей Георгиевич, канд. техн. наук, доцент; Alexey G. Ishutin, Ph.D (Eng.), Associate Professor, alex-ish@yandex.ru. Коробчук Максим Васильевич, канд. техн. наук, докторант; Maksim V. Korobchuk, Ph.D (Eng.), doctoral student, ltigti. maxp@yandex.ru.
Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, декан инженерно-технологического факультета; Andrey S. Mazur, Dr Sci. (Eng.), Dean of the Faculty of Engineering and Technology, mazuras@ mail.ru.
