Аналіз функціональної організації технологічних систем.

Функція — це зовнішній прояв властивостей об’єкту, який зумовлений певними діями щодо перетворення вхідних впливів у вихідні результа­ти. Сформулювати функцію можна за допомогою запитання: «Яку дію ви­конує об’єкт?» Функція може мати як динамічний характер, тобто бути спрямованою на виконання певної роботи, так і статичний (зберігання продукції, з’єднання елементів). Формулюються функції, якщо можли­во, двома словами — дієсловом та іменником («транспортувати вантажі», «завантажувати кузов»).

Зовнішня функція реалізується системою або її елементом при взаємо­дії з середовищем (надсистемою).

Внутрішня функція є результатом взаємодій у системі.

Головна функція — це зовнішня функція, яка відображає мету і призна­чення системи.

Основна функція — внутрішня функція, що забезпечує реалізацію спо­живчих вартостей об’єкту, його функціональну придатність. Розрізняють основні функції прийому (вводу), передачі, перетворення, зберігання, ви­дачі речовини, енергії або інформації.

Допоміжна функція сприяє реалізації основних і також є внутрішньою. Наприклад, для зернової сівалки як технічної системи головною є функція «розподіляти насіння». Основними будуть функції: транспортувати насін­ня і добрива, дозувати подачу в розподільну систему. Допоміжними — не­сучі, з’єднувальні, привідні та інші.

Метою функціонального аналізу систем є оцінка рівня їх функціо­нальної організації і втілення функцій у системі. Здійснювати такий аналіз зручно шляхом побудови функціональної моделі системи.

Функціональна модель — це графічне або математичне відображення впорядкованої сукупності функцій системи і зв’язків між ними. Графічне зображення ФМ може бути подане у вигляді графа (дерево функцій) або технологічного ланцюжка.

Функціональні моделі як технологічний ланцюжок зручно будувати за допомогою методу аналізу функцій FAST (Functional Analysis System Technique), використовуючи різні тестові запитання (що? навіщо? як? коли? та ін.). Побудова моделі за цим методом здійснюється у такій по­слідовності:

1. Формулюється головна функція системи Ф₀.

2. Формулюється основна функція, яка забезпечує виконання головної як відповідь на запитання «що необхідно для здійснення заданої (головної) функції?». На графічній моделі сформульована функція Ф_і розміщується справа від головної (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Схема формулювання функцій за методом FAST.

Аналогічно будуються всі наступні основні функції Ф до межі, що ви­ходить за рамки даної ТхС.

3. Виявляються допоміжні функції, що забезпечують виконання осно­вних. На графічній моделі допоміжні функції будуються над або під осно­вною функцією (рис. 4.3).

4. Правильність побудови ФМ контролюється справа наліво запи­танням «навіщо здійснюється дана функція?». Відповіддю є функція, що розташована зліва від тієї, що аналізується. Головні і основні функції на діаграмі типу FAST становлять критичний шлях (на рис. 4.3 виділений товстою лінією). Допоміжні функції розташовують над або під критичним шляхом.

При побудові функціональних моделей не береться до уваги конкрет­не втілення функцій, а лише те, що вони мають місце в системі. Це дає можливість при проектуванні ТхС розглянути альтернативні варіанти ре­алізації функцій.

Рис. 4.3 Схема побудови функціональної моделі системи Функції:

Ф₀ — головна; Ф₁..., Ф_п — основні; Ф₂₁, Ф_ij — допоміжні.

5. Встановлюються показники функціональної організації:

коефіцієнт функціональної достатності

k_д = N_рз /N_нз(4.5)

коефіцієнт функціональних можливостей

k_ф=N_рз /N_нп (4.6)

коефіцієнт актуалізації функцій

k_а = N_н /N_с (4.7)

коефіцієнт функціонального втілення

k_в = N₀ /N_с (4.8)

коефіцієнт сумісності функцій

k_с = 1-N_y /N_с (4.9)

коефіцієнт пристосованості до умов

k_п = r_а /r_y (4.10)

коефіцієнт гнучкості системи

k_г = k_ф - k_п (4.11)

У цих формулах: N_рз і N_нз — число реалізованих у системі і необхідних користувачеві зовнішніх функцій;

N_н і N_нп — число функцій, що необхідні для користувача і повного ви­користання потенційних можливостей системи;

N_с — число внутрішніх і зовнішніх функцій системи;

N₀ і N_y — число основних і узгоджувальних функцій;

r_а — число регулювань і технологічних режимів, що забезпечують пристосованість системи до умов і вимог;

r_y — варіативність умов, тобто число станів умов і вимог.

Кожен із показників відображає певний аспект якості ТхС, а їх аналіз дає можливість встановити напрямки удосконалення систем з метою забезпечення корисних функцій простими і ресурсоощадними засоба­ми. Так, коефіцієнт функціональної достатності k_д характеризує повноту реалізації необхідних користувачеві ТхС функцій. Наявність зайвих або незадіяних функцій дозволяє виявити аналіз коефіцієнта актуаліза­ції k_а. Коефіцієнт функціонального втілення k_в наближається до 1 при зменшенні числа допоміжних функцій. Сумісність функцій буде висо­кою (k_с → 1) при мінімальній потребі в елементах узгодження. Коефі­цієнт функціональних можливостей k_ф характеризує здатність системи виконувати необхідні користувачеві зовнішні корисні функції, тобто її універсальність.

Для визначення вищенаведених коефіцієнтів важливо встановити число функцій тієї чи іншої групи. Це означає, що потрібно розрізняти функ­цію з різними параметрами від різних за своїм призначенням і якісними характеристиками функцій. Таке розмежування потребує конкретизації чинників, що утворюють функцію, а також меж зміни параметрів окремої функції. Зовнішню функцію запишемо у вигляді

(4.12)

а функцію узгодження як

(4.13)

де Ф_з і f_y – зовнішня функція і функції узгодження;

Д_з і Д_у – дії зовнішньої і узгоджувальних функцій, які характеризують основне призначення функцій;

П_з і П_у – параметри зовнішньої і узгоджувальних функцій;

У_с – умови, в яких реалізується зовнішня функція, а також зовнішні вимоги до функції.

Для області визначення однієї функції характерні ознаки:

• незмінний зміст дії основної (Д₃ = idem) і узгоджувальних функцій (Д_у= idem);

• зміна параметрів функції в межах П₃±ΔП₃ забезпечується зміною параметрів узгоджувальних функцій П_у ±ΔП_у;

• пристосовність функції забезпечується в межах зміни параметрів основної та узгоджувальних функцій.

• пристосовність функції забезпечується в межах зміни параметрів основної та узгоджувальних функцій.

Варіативність умов r_v залежить від зміни характеристик предметів пра­ці, технологічних матеріалів, природно-виробничих умов, агротехнічних вимог і екологічних обмежень. Зокрема, якщо предметом праці є певна сільськогосподарська культура, то змінними характеристиками можуть бути: ширина міжрядь, фаза розвитку і відповідні геометричні розміри рослин, урожайність і т. п.

Властивості технологічних матеріалів (добрив, пестицидів, насіння) також можуть значно відрізнятись залежно від препаративної форми (рі­дина, порошок, гранули) та їх стану (злежані мінеральні добрива, розша­ровані рідини, дражоване або недражоване насіння). У широкому діапа­зоні можуть змінюватись норми витрати технологічних матеріалів та інші агротехнічні вимоги, природно-виробничі умови (характеристики полів, відстані переїздів тощо).

Поєднання великої кількості змінних характеристик зумовлює варіа­тивність умов, яку потрібно звести до дискретного ряду станів {rⁱ_y}. Дис­кретизацію умов доцільно здійснювати щодо конкретної ТхС з ураху­ванням необхідної зміни її параметрів чи режимів роботи або введення додаткових функцій у систему (подрібнення добрив, перемішування хі­мікатів, підготовка насіння). Якщо, наприклад, колія МТА В_к=1350 мм за­безпечує роботу агрегату в міжряддях b_м=450, 600 і 700 мм, то в множині {rⁱ_а} даний параметр В_к виступає як одне регулювання, а в множині {rⁱ_y} наведений ряд b_м належить до однієї групи (одного стану). При потребі забезпечити рух МТА по технологічній колії В_к=1800 мм, то в число умов вводиться додатковий елемент (стан), який потребує спеціального регу­лювання колії МТА.

Отже, сумісна оцінка функціональних можливостей і пристосовності систем дає уявлення про здатність ТхС забезпечити потреби користувачів на усій множині вимог і зовнішніх умов, або, іншими словами, характери­зує гнучкість системи.

Приклад функціонального аналізу. Продовжимо приклад аналізу ТхС хімічного захисту рослин оцінкою рівня її функціональної організації.

На рис. 4.3 подана функціональна модель обприскування посівів, по­будована за методом FAST. Доцільність проведення аналізу функцій ТхС підтвердимо наступним прикладом з реальної виробничої практики хі­мічного захисту рослин. На рисунку функція Ф₁₀ відповідає попередній підготовці пестицидів до видачі.

Рис. 4.3. Побудова функціональної моделі на прикладі процесу обприскування (ТхСП хімічного захисту рослин):

Позначення функцій: Ф₀ - захистити культурні рослини; Ф₁ — нанести пестициди; Ф₂ — заправити обприскувачі; Ф₃ — видати робочу суміш; Ф₄ — приготувати робочу суміш; Ф₅ — завантажити порцію пестици­дів; Ф₆ — відібрати дозовану порцію пестицидів; Ф₇ — доставити пестициди до пункту приготування; Ф₈ — видати пестициди на певний обсяг робіт; Ф₉ — зберігати пестициди; Ф₁₀ — підготувати пестициди до видачі; Ф₁₁ — заправити водою засоби приготування сумішей; Ф₁₂ — доставити воду; Ф₁₃ — заправити водою транспортні засоби; Ф₁₄ — зберігати запас води; Ф₁₅ — накопичувати за­пас робочої суміші; Ф₁₆ — доставити робочу суміш.

У багатьох випадках рідкі препаративні форми пестицидів розшаро­вуються при зберіганні. Невиконання функції Ф₁₀, яка для даного при­кладу означає вирівнювання концентрації препарату перед його видачею, призводить до незворотно шкідливих наслідків, коли на одній частині поля корисні результати обробітку будуть відсутні через малу концен­трацію діючої речовини, а на іншій — культурні рослини пошкоджують­ся через надмірну її концентрацію. Отже, внаслідок неякісного виконання лише однієї допоміжної функції технологічні цілі не будуть досягнуті, а обробіток дасть шкідливі результати як в економічному, так і в екологіч­ному аспектах.

Аналіз функціональних моделей дозволяє визначити показники функ­ціональної організованості ТхС.

Оцінимо показники основної підсистеми, в якій технологічні функції вико­нують агрегати з обприскувачами ОПШ-15, ОПШ-15-01 і ПОМ-630. Скла­демо перелік корисних зовнішніх функцій, який включає: суцільне обпри­скування сільськогосподарських культур, внесення гербіцидів, обробіток біопрепаратами, внесення рідких комплексних добрив, стрічкове внесення гербіцидів, смугове обприскування, суміщені обробітки пестицидами з під­живленням і пестицидами з регуляторами росту (ретардантами), загортання у ґрунт пестицидів і добрив. Тобто число зовнішніх корисних функцій N_к= 9.

Режими і умови роботи агрегатів зведемо до дискретного ряду, користуючись правилами (4.12 і 4.13). Для даного прикладу ряд характерних умов і вимог включатиме 11 варіантів: малооб’ємне обприскування (50-200 л/га), звичай­не обприскування (200-300 л/га), високооб’ємний обробіток (300-600 л/га); робочі суміші у формі розчину, суспензії та емульсії; предмети праці — ґрунт, просапні культури з міжряддями 0,45-0,7 м, 0,9 м і технологічною колією 1,8 м; польові сільськогосподарські культури висотою до 0,5 м і понад 0,5 м (r_y=11). Коефіцієнт функціональних можливостей k_ф визначаємо за формулою (2.7), коефіцієнт пристосовності k_п — за (2.11) і гнучкості k_г — за (2.12). Показники функціональної організації ТхСО наведені в таблиці 4.3.

Зроcnання коефіцієнта пристосовності ТхСО на базі агрегатів з об­прискувачами ОПШ-15-01 порівняно з ОПШ-15 досягається наявністю в них додаткових регулювань ширини колії та кліренсу. Це дало можли­вість проводити обробіток польових культур з міжряддями 0,9 м і шири­ною технологічної колії 1,8 м, а також висотою більше 0,5 м, що суттєво підвищило пристосовність системи до умов.

Таблиця 4.3 Показники функціональної організації ТхСО хімічного захисту і підживлення рослин

Проте її гнучкість ще залишається невисокою через неможливість проведення стрічкового і смугового обприскування, підживлення і за­гортання пестицидів і добрив у ґрунт. Технологічна система з підживлювачем-обприскувачем ПОМ-630 має високі значення коефіцієнтів функ­ціональних можливостей і пристосовності, що наближає її гнучкість до граничного значення.

Аналогічно можна оцінити коефіцієнти організації всіх інших підсис­тем ТхС, а також системи в цілому.

Таким чином, коефіцієнти функціональних можливостей, пристосов­ності до умов і гнучкості технологічних систем повніше характеризують їх експлуатаційні властивості, дають корисну інформацію для порівняння технічних засобів і ТхС та прийняття раціональних рішень щодо гармоні­зації функцій у системі.