Компьютерная поддержка рационального использования энергетических ресурсов в производственной системе

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ

УДК 621.311

КОМПЬЮТЕРНАЯ ПОДДЕРЖКА РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЕ

В.В. Сальников, А.Н. Ивутин, Ю.В. Французова

Рассмотрена задача планирования и контроля потребления энергетических ресурсов в производственной системе. Предложена модель оценки энергопотребления технологической операцией, учитывающая технологические параметры производственного процесса. Рассмотрены стадии запуска изделия в производство и приведены обобщенные алгоритмы действий на каждой из них. Проанализированы потоки данных по этапам жизненного цикла изделия. Предложен алгоритм контроля энергопотребления, основанный на предложенной в статье модели

Ключевые слова: производственная система, эффективность, эффективность потребления энергии, энергоресурсы, энергопотребление, информатизация производства, контроль производства.

Введение

Производство является сложной системой, результат работы которой зависит от многих факторов. Ни одна сколь угодно хорошо организованная система не может быть эффективной при любых обстоятельствах. Поэтому с целью максимизации эффективности ее работы в структуру системы должны быть заложены гибкость и динамизм, а также предусмотрены рычаги воздействия на систему. Управление потреблением энергии эффективный инструмент адаптации производственной системы в условиях изменения режима функционирования. Рациональное использование энергии улучшает показатели предприятия не только с энергетической, но и с экологической и общей экономической точек зрения [1,2]. Руководители предприятий зачастую недооценивают высокую степень экономии от программ повышения эффективности потребления энергии. Они считают, что существует определенная степень технического и финансового риска при их реализации. Эти программы имеют более низкий приоритет по сравнению с традиционными коммерческими предложениями. Кроме того, при

106

относительно низких издержках на энергоносители руководство трудно убедить в необходимости осуществления сложных проектов повышения эффективности потребления энергии. К этому следует добавить, что цены на энергоресурсы постоянно изменяются, что зависит от большого числа факторов (экономическая ситуация в стране, курс валюты, положение поставщика энергоресурсов на рынке и пр.), и как следствие изменяется их доля в себестоимости выпускаемой продукции. Приведенные доводы подчеркивают актуальность проблемы повышения эффективности энергопотребления производственными системами.

Лучшие результаты в плане контроля и долгосрочного планирования затрат, в частности энергопотребления, дают технические критерии: энергоемкость, приведенные затраты энергии и т. д. К сожалению, на сегодняшний день между службами главного энергетика и технолога существует серьезное недопонимание. Поставщик не имеет возможности оценить потребности внутреннего рынка в различных видах энергии, а потребитель не владеет средствами нормирования и контроля ее затрат по видам деталей-операций и их объемам. Исходя из вышесказанного, для планирования и контроля энергопотребления необходима методика нормирования энергозатрат, применимая на каждом иерархическом уровне производственной системы на стадии подготовки производства.

Модель энергопотребления

Для оценки энергопотребления по каждой технологической операции и по каждому рабочему месту все объекты производства (оборудование, материалы, операции и др.) должны быть однозначно идентифицированы [6].

Как правило, производственные системы машиностроительного профиля обладают сложной многоуровневой иерархической структурой. Нижний уровень определяется воздействием на объект обработки. Верхний уровень определяется структурным подразделением, для которого производится оценка энергозатрат. Каждый уровень характеризуется определенной долей потери энергии. Например, при формообразовании всего 3...5% энергии тратится на совершение полезной работы (образование поверхности), а остальная часть энергии рассеивается. Такая организация производственных систем создает определенные проблемы в учете затрат на всех ее уровнях. Это влечет за собой высокую вероятность ошибок в определении истинных «пожирателей» энергетических ресурсов.

Современная степень информатизации производства, а также постоянная тенденция ее роста показывают, что большинство технологических параметров на различных уровнях производственной системы могут быть идентифицированы как на стадии подготовки производства, так и на стадии оперативного контроля. Например, в САМ системах на стадии подготовки производства в зависимости от оборудования назначаются режимы (уровень воздействия) и маршруты (уровень технологического процес-

107

са) обработки для каждой поверхности детали. На сегодняшний день параметры технологических операций и оборудования легко поддаются оперативному контролю поскольку они оснащены системами числового программного управления с большим количеством датчиков.

Основной задачей любого метода обработки деталей машин является образование поверхностей требуемого функционального назначения с заданными эксплуатационными свойствами [7]. Процесс механической обработки, в частности, неразрывно связан с разрушением, т.е. с образованием новых поверхностей на детали и срезаемом слое заготовки. Энергия образования новых поверхностей является одним из свойств, определяющих обрабатываемость материала [8]. Применяемые на практике зависимости для определения сил и мощности резания носят экспериментальный характер. Они обладают хорошей точностью, но не позволяют увязать их с физическими явлениями, сопровождающими этот процесс.

Для целей управления энергетические характеристики технологического воздействия целесообразно представить в виде функции от образуемых поверхностей. Это дает основание рассматривать операции механической обработки как преобразование поверхности заготовки в требуемую поверхность детали [9].

Ранее в статье [11] был предложен подход к оценке потребления энергоресурсов, согласно которому общие затраты энергии на реализацию конкретной детали-операции на конкретном станке, а, следовательно, энергоемкость операции можно определить как

р *н (к+1) устп

УТЕХ

I = 1 1нк Ч тек

где р - количество исполнительных органов станка, задействованных в выполнении детали-операции; Ытех1 - диаграмма нагружения/-го исполнительного органа промышленного оборудования; ^ (*) - зависимость КПД от режима обработки; ¡ц - коэффициент использования установленной мощности Иусп1 конкретного станка в течение вспомогательного и подготовительно-заключительного времени; у = Твсп / Т - доля вспомогательного

времени в действительном фонде времени работы станка; Чтек - общее количество деталей-операций, выполняемых на конкретном станке.

Полученная зависимость представляет собой модель потребления энергоресурсов технологической операцией.

Любое изменение в производстве отражается на потреблении энергии. Например, типичная ситуация для серийного производства, когда поступает заявка на выпуск продукции нового типа. В этом случае, используя классический подход к организации процесса управления энергопотреблением на производстве (службы энергетика и технолога имеют точки со-

108

прикосновения исключительно в дни отчетности и никак более) невозможно заранее оценить расходы энергоресурсов на выпуск данной продукции. Предложенная выше модель потребления энергоресурсов (1) позволяет на стадии подготовки производства: оценить затраты энергетических ресурсов на выпуск новой продукции; выбрать оптимальные маршруты обработки поверхностей заготовки в пределах оборудования и подразделения в целом; спланировать энергопотребление и финансовые показатели предприятия в условиях изменения номенклатуры выпускаемой продукции.

Оперативный контроль технологических параметров и планирование энергопотребления для каждого уровня иерархии производственной системы, используя выше предложенную модель (1), открывают перспективы для разработки алгоритма мониторинга потребления энергии в условиях изменения режима функционирования производства.

После проектирования изделия начинается этап подготовки к производству, на котором активно используются CAM-системы для генерации управляющих программ под определенное оборудование, оснащенное системой числового программного управления. На данном этапе имеются 3D-модели изделия и заготовки, которые представляют набор поверхностей, управляющая программа, в которой заданы маршруты и режимы обработки для преобразования заготовки в готовое изделие и параметры оборудования, на котором предлагается обрабатывать заготовку. Этих данных достаточно для использования описанной выше модели потребления энергоресурсов (1) каждой операцией, предусмотренной технологическим процессом. Интегрирование затрат энергоресурсов по оборудованию, которое задействовано в производственном процессе, позволяет оценить энергопотребление технологическим процессом производства изделия. Таким образом формируется план энергопотребления на каждом уровне иерархии производственной системы.

С помощью систем MES, SCADA, CNC, СМО и др. в реальном времени осуществляется контроль производственного процесса. В том числе оперативный контроль энергопотребления на каждом уровне иерархии производственной системы.

Примерный обобщенный алгоритм подготовки и запуска производственного процесса нового изделия представлен на рис. 1. Интересно проанализировать потоки данных по этапам жизненного цикла изделия. Результатом этапа проектирования является информация о геометрии каждой детали, входящей в состав изделия, параметрах качества образуемых поверхностей, заданных шероховатостями, и др. Запуск изделия в производство возможен только после разработки маршрутной и операционных технологий, а также управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ. Все данные об изделии хранятся в пространстве PDM-системы (ProductData-Management - система управления данными изделия).

109

Рис. 1. Обобщенный алгоритм подготовки и запуска производственного

процесса нового изделия

На рис. 2 представлен алгоритм проектирования изделия. Его автоматизация осуществляется с помощью систем CAE (ComputerAidedEngi-neering), CAD (ComputerAidedDesign) и др. С их помощью получают: комплект конструкторской документации, содержащий информацию о назначенных шероховатостях обрабатываемых поверхностей (качество поверхности), предельных отклонениях; электронную модель изделия, которая отображает геометрию каждой детали; и др. На большинстве этапов жизненного цикла требуются услуги системы управления цепочками поставок - SupplyChainManagement (SCM).

Рис. 2. Алгоритм проектирования изделия

110

На рис. 3 представлен алгоритм подготовки производства. На этой стадии: разрабатываются маршрутная и операционные технологии, которые отражают перемещение заготовок и полуфабрикатов в рамках технологического процесса, режимы их обработки, параметры инструмента и др.; разрабатываются управляющие программы для оборудования, в которых содержится информация о траектории движения инструмента, быстрых перемещениях, остановах и т.п.

Совмещение геометрической информации электронной модели изделия, траектории движения инструмента и его параметров позволяют получить величину снимаемого припуска. Этой информации достаточно, чтобы спланировать потребление энергии, используя предложенную выше модель энергопотребления (1). На этап производства поступают маршрутная и операционные технологии, управляющие программы и план затрат энергоресурсов, полученный по описанной выше модели и учитывающий параметры технологического процесса.

Информационная поддержка производственного процесса осуществляется с помощью автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). В состав АСУТП входит система 8СЛОА (ЗиретБОгу-Соп1го1апёВа1аАсдш8Шоп), которая осуществляет диспетчерские функции. Для мониторинга станков, оснащенными системами ЧПУ, все чаще используют системы мониторинга оборудования (СМО), которые осуществляют контроль дискретных и аналоговых параметров, учет причин простоя, управление передачей УП и др.

Рис. 3. Алгоритм подготовки производства нового изделия

111

На рис. 4 приведен обобщенный алгоритм запуска и контроля производственного процесса нового изделия. На уровне мониторинга и управления производственным процессом в него заложен блок контроля энергопотребления. Как было предложено выше, на стадии подготовки производства формируется план энергопотребления, построенный по модели (1). Несоответствие фактического энергопотребления плановому говорит о том, что в системе происходит нарушение производственного процесса. Анализ технологических параметров на предмет их несоответствия плановым позволяет выявить нарушение нормального хода технологического процесса, которые необходимо оперативно устранить. Отклонение фактического потребления энергии от планового при соблюдении технологии производства говорит о том, что в системе происходят «неконтролируемые» процессы. К их числу, в частности, следует отнести: неисправность сетей передачи энергии (потеря при транспортировке от источника до потребителя); изменением энергозатрат и удельной отдачи от использования производственных мощностей (износ и как следствие рост потребляемой энергии); изменение физико-механических характеристик обрабатываемого материала (твердости, прочности, теплопроводности) и др.

Рис. 4. Алгоритм запуска и контроля производственного процесса

нового изделия

112

Заключение

Энергопотребление и производство тесно связаны. Изменение технологических параметров производственного процесса (режимы резания, маршруты обработки поверхностей и др.) отражается на потреблении энергии. Существующие методы нормирования затрат энергоресурсов не учитывают параметры технологической операции, что отражается на их точности и, как следствие, влечет за собой финансовые издержки. В статье предложена модель энергопотребления технологическими операциями, которая учитывает такие параметры как режимы резания, качество образуемой поверхности (параметр z), параметры оборудования (номинальная мощность) и др. На основе предложенной модели описан алгоритм контроля потребления энергетических ресурсов, который позволяет выявить нарушения нормального хода производственного или технологического процессов.

Список литературы

1. Зорин Всеобщее управление качеством / О.П.Глудкин, Н.М.Горбунов, А.И.Гуров, Ю.В.;под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1999. 600с

2. Управление эффективностью и качеством: Модульная программа / пер. с англ.; под ред. И. Прокопенко, К. Норта. М.: Дело, 2001. Ч. 1. 800с.

3. Энергосберегающая технология. Электроснабжение народного хозяйства / под ред. В. А. Веникова. М.: Высшаяшкола, 1990.

4. Smith С.В. Energy management principies. Elmsford, New York:Pergamon, 1981.

5. Thuman A. Handbook for energy audit. Atlanta, Georgia: Fail-mount,

1984.

6. Ерзин О. А., Сальников В.В. Один из аспектов оценки эффективности технологических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2.С. 594 - 603.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

8. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. М.: Машиностроение, 1985. 264 с.

9. Сальников В.С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. Тула: Изд-во "Тульский полиграфист", 2003. 187 с.

10. Ивутин А.Н., Сальников В.В. Роль технологической информации в обеспечении эффективного энергопотребления предприятий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Ч. 1. 2017. 359 с.

11. Сальников В.В. Математическая модель энергопотребления промышленного оборудования // Интеллектуальные и информационные системы: материалы международной научно-технической конференции / Тульский государственный университет. Тула, 2017. 305 с.

Сальников Владимир Владимирович, студент, vladimirsalnikov95@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ивутин Алексей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, Alexey.ivutin@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Французова Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, доцент, julian-na_1204@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

COMPUTER SUPPORT USE OF ENERGY RESOURCES IN THE PRODUCTION SYSTEM

V.V. Salnikov, A.N. Ivutin, Y.V. Frantsuzova

The paper deals with the problem of planning and control of energy resources consumption in the production system. The model of power consumption by technological operation taking into account technological parameters ofproduction process is offered. The stages of product launch into production are considered and generalized algorithms of actions on each of them are given. Analyzed data flows through the stages of the product life cycle. The algorithm of control ofpower consumption based on the model offered in article is offered

Key words: production system, efficiency, efficiency of energy consumption, energy resources, energy consumption, Informatization of production, production control.

Salnikov Vladimir Vladimirovich, student, Vladimirsalnikov95@yandex.ru , Russia, Tula, Tula State University,

Ivutin Alexey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, Alex-ey.ivutin@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,

Frantsuzova Yulia Vyacheslavovna, candidate of technical sciences, docent, julian-na_1204@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University