Анализ энергоэффективности технологических систем Текст научной статьи по специальности «Математика»

Salnikov Vladimir Sergeevis, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Bryksina Anastasia Anatolevna, undergraduate, lionesss2@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.31

АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

В.С. Сальников, О. А. Ерзин, В.Г. Шадский

В статье представлена энергетическая модель технологической системы являющаяся основой методики оценки эффективности технологических операций, позволяющей определять требуемое количество материальных и энергетических ресурсов, сравнить приведенные их значения для различных условий функционирования и наметить пути снижения их потерь.

Ключевые слова: технологическая система, энергоэффективность, управление процессом резания, многоцелевые станки.

Известные методы оценки эффективности технологических операций, как правило, носят организационно-экономический характер, что влечет за собой чрезмерные обобщения и уход от их физической сущности происходящих явлений. Они не позволяют вскрыть технические аспекты той или иной проблемы и наметить пути её решения [1, 2, 3].

В модели гибкого автоматизированного участка [4] сделана попытка учесть все особенности технологических процессов, материальных потоков и специфики производства в натуральных категориях. Полученное описание системы отличается громоздкостью, трудно подвергается анализу и не дает возможности сформировать единый подход к различным иерархическим уровням технологической системы ТС. Известны методы моделирования, рассматривающие материальные и энергетические потоки через их расходы и наборы физико-химических и качественных показателей [10]. В результате возрастает размерность моделей до 500...1500 переменных, каждая из которых может иметь свой критерий оценки. Хотя и отмечается, что наибольший удельный вес приходится на параметры и связи производственной структуры и технической системы, но не предусматривается возможность их вариации в процессе изменения условий функционирования и управления. Это ограничивает область возможных опти-

155

мальных стратегий. Модель многопродуктового производства [3] построена в классе непрерывных функций и в экономических категориях стоимость, доход, спрос, предложение и т. д. Она позволят сформировать оптимальные стратегии управления ТС при регулировании цены и объёмов производства. Однако не вскрывает внутренних резервов системы, не дает возможности определить основные источники потерь и наметить структурные и параметрические изменения в системе, приводящие к адаптации ее к вариациям внешних условий.

Очевидно, для анализа функционирования ТС целесообразно представить её в виде взаимосвязанной многоконтурной системы, имеющей определённую иерархию [8]. Входами системы являются потоки основных и вспомогательных материалов, комплектующих и полуфабрикатов, потоки различных видов энергии. Выходы - это материальный поток готовой продукции, материальные отходы и потери энергии. Каждый поток имеет соответствующую интенсивность и качество. Под качеством будем понимать номенклатуру его составляющих и их параметры. ТС характеризуется некоторой структурой и параметрами. Структуру определяет совокупность взаимосвязанных контуров управления преобразованием потоков основных и вспомогательных материалов, инструмента, энергии и т. д. В качестве параметров такой системы выступают характеристики используемых технических средств и технологических процессов. Влияние элементов и контуров друг на друга задаётся функциями или операторами взаимных связей. Современные условия заставляют рассматривать ТС на различных иерархических уровнях как динамический объект. В течение длительных периодов времени она может функционировать в переходных режимах, сопровождаемых, например, колебаниями программы выпуска продукции.

Для решения поставленной задачи и обеспечения единого подхода к различным по физической сущности, динамике, а в некоторых случаях и целям управления, контурам целесообразно использовать энергетические категории. Они позволяют сохранить своеобразие и технические особенности всех уровней системы: воздействие, процесс, машина, система машин [9]. Кроме этого они позволяют перейти от системы с не формализованными и слабыми связями между контурами к стройному единому описанию ТС операции, а в дальнейшем, например при решении задач анализа динамики, к представлению ее виде одноконтурной системы.

Воспользуемся предложенным ранее методом представления состояния ТС в некотором энергетическом пространстве [9]. В этом случае предметы производства, заготовки, детали и др. (материальный поток) должны быть представлены соответствующими энергетическими категориями - энергетическим содержанием элементов материального потока. Важно обеспечить идентичность подхода в определении энергетического содержания любого элемента на любой стадии технологического процесса.

Энергетическая модель, например, основного контура ТС операции

без учета перекрестных связей может быть представлена в виде системы, входом в которую является энергия заготовки Езаг, а выходом - энергия

детали Ед

Езаг = Ед + Еотх ■ (1)

Следует отметить, что пренебрежение перекрестных связей делает невозможным определение Еотх на основании чисто кинематических и геометрических характеристик выполняемой операции и детали соответственно. В этом случае структурная схема ТС операции может быть представлена следующим образом (см. рис.1).

В этом случае в прямой цепи

Ед 1

ппз

(2)

пр3 Еотх (Езаг /Ед) -1’

где Ед / Езаг = Фпрз (р) - передаточная функция замкнутой системы преобразования заготовки в деталь.

Рис.1 Структурная схема основного контура энергетической модели технологической системы операции

Передаточная функция Фпрз (р) отражает динамику изменения снимаемого с заготовки припуска, а в установившемся режиме коэффициент использования материала на конкретной операции.

К числу статических характеристик основного контура следует отнести коэффициент использования материала, который определяет его добротность. Инерционность контура зависит от длительности технологических операций и времени ожидания поступления следующей детали. При наличии в технологической цепочке межоперационных заделов формально длительность обработки конкретной детали возрастает на время ее пролеживания в заделах. С точки зрения управления заделы должны рассматриваться как элементарные звенья с запаздыванием. Величина запаздывания пропорциональна их ёмкости и длительности технологической операции.

Добротность энергетического контура можно определить как отношение энергии диссипируемой в ТС к вводимой в неё. Она характеризует качество используемого оборудования, реализуемых технологических процессов и режимов работы. При такой постановке важное значение при-

обретает понятие полезной энергии. Под ней будем понимать энергию, идущую на преобразование свойств и формы заготовок, а также изменение пространственного расположения элементов материальных потоков. Таким образом, полезной является вся вводимая в ТС энергия, за исключением энергии, выделяемой в виде тепла [9]. Инерционностью большинства элементов этого контура можно пренебречь по сравнению с основным контуром.

Добротность контура инструмента характеризует эффективность его использования. Если предположить, что каждый инструмент, прежде чем попасть в отходы, произвёл некую заданную полезную работу, то можно принять добротность этого контура равной единице. В этом случае такие характеристики, как число перезаточек, отношение числа инструментов, находящихся в работе, к общему числу инструментов в ТС и т. д. являются внутренними параметрами контура. Его инерционность можно определить через время необходимое для доставки требуемого типа инструмента в начало заданного рабочего участка траектории его движения применительно к конкретному оборудованию [9].

В этом случае такие известные характеристики, как количество инструмента и энергии, необходимых для производства единицы продукции, выступают в виде коэффициентов перекрёстных связей.

На основании описания ТС в энергетическом пространстве [9] её декомпозиция на элементарные объекты становится достаточно очевидной. Это даёт возможность выделить главные и второстепенные входы и выходы и применить известное условное деление [8].

Энергетическая модель основного контура ТС операции с учетом перекрестных связей должна быть представлена в виде системы, входом в которую является полная вводимая энергия Епол, а выходом - энергия детали Е д

Епол = ЕзатЭ + ЕзатМ, (3)

ЕзатМ = Езаг + Еизн , (4)

где Езаг - энергия заготовки; ЕзатЭ - все виды энергии, затрачиваемой

системой на преобразование заготовки в деталь в конкретных регламенти-

рованных условиях производства [9]; ЕзатМ -энергия всех видов материальных ресурсов используемых при выполнении операции.

При таком подходе энергетическая модель (ЭМ) технологической операции (ТО) может быть представлена следующей структурной схемой рис. 2.

Ед

Из схемы видно, что Ф1( р) =-------- - передаточная функция пре-

ЕзатЭ

образования энергетических ресурсов в энергию заготовки, обратная ей функция отражает динамику изменения приведенных затраты энергии;

Е м

Ф*2(Р) = затМ - обратная передаточная функция преобразования энергии

Ед

входных материальных ресурсов в энергию детали.

Рис. 2. Структурная схема энергетической модели технологической

системы операции

Очевидно, модель ТС операции должна быть преобразована таким образом, чтобы обеспечить сочленение моделей различных операций в общем ТП. Вероятно, объединение должно производиться в соответствии с принципами преобразования основного материального потока: т.е. входом должны быть Езаг, а выходом Е$. Для упрощения дальнейших выкладок пренебрежем затратами, связанными с износом инструмента. Они не соизмеримо меньше затрат энергии на формирование отходов основного материала. Тогда на основании закона сохранения энергии можно записать

Епол = ЕзатЭ + Езаг = Ед + Еотх + ЕпотЭ , (5)

или

Епол = і + ЕзатЭ = і + ЕзатЭ Ед = і + ф-1(р) . ф-1(р).

Е

Е

Е Е 1 2 — (6)

" заг ^ заг Ед Е заг

В тоже время в соответствии с законом сохранения энергии, используя равенство (5) можно записать

Ед + Еотх = Езаг + ЕзатЭ — ЕпотЭ = Езаг + Епр , (7)

где Епр - энергия, которую необходимо затратить, чтобы диспергировать

заготовку на деталь и отходы, характеризуемые, также как и деталь, определенной геометрией и массой (^, т).

Это равенство позволяет сохранить адекватность модели при

Ед

Е

< 1

заг

Очевидно, энергию преобразования условно можно представить в виде двух составляющих:

Епр = Еотх + ЕпрЗ, (8)

где ЕПрЗ - полезная составляющая энергии преобразования, характеризующая затраты энергии на формирования поверхностей детали. Она является функцией параметров оборудования и технологического процесса.

159

Вычисление ЕпотЭ - представляет собой определённую проблему, так как предполагается учет режимов обработки.

ЕпотЭ ~ АЕ разр + АЕстр + АЕтехн + АЕио, (9)

где ЬЕраз - потери на нагрев и деформацию обрабатываемого материала;

АЕстр - потери на образование поверхностей стружки; АЕтехн - потери на

образование лишних поверхностей обусловленных необходимостью многопроходной обработки; АЕио - потери в приводах технологической системы.

В этом случае структурная схема энергетической модели ТС операции можно представить следующим образом (рис.3.).

Рис. 3. Преобразованная структурная схема энергетической модели технологической системы операции

Из нее можно видеть, что

Жэ (р) = ФГ1 (р) • Ф-1 (р); №э (р) = Ф1 (р),

(10)

где Жэ (р) - передаточная функция, определяющая необходимые энергетические ресурсы (Езатэ) для производства деталей с энергией Е$ из заготовок с энергией Езаг; (р) - передаточная функция, определяющая

эффективность использования энергии в ТС операции.

Очевидно в реальных условиях, всегда существует расхождение А между требуемым значением энергии детали Е^о и получаемым Е$ в количественном и качественном выражении. Задача системы управления ТС операции заключается в минимизации этих отклонений. Передаточная функция регулятора системы Жр (р) определяет материальные и энергетические ресурсы, необходимые для получения деталей с заданным значением Едо. Структурная схема энергетической модели ТС операции примет в этом случае вид, представленный на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема энергетической модели технологической системы операции со звеном регулятора

Можно предположить, что эта система статическая, то есть функционирует всегда с некоторой ошибкой А. В определенном смысле А это ошибка в свойствах получаемых деталей.

Очевидно, предложенный подход можно распространить модель функционирования ТС при выполнении некоторой годовой программы (N). В этом случае учет программы выпуска равносилен пропорциональному увеличению энергии детали Е^о, то есть Е^оп = NЕдo представляет собой спрос на конкретные детали-операции. Тогда А -дефицит получаемых деталей в количественном и качественном выражении. На рис. 5 представлена структурная схема модели ТС операции, функционирующей в условиях заданной программы выпуска деталей.

Рис. 5. Структурная схема энергетической модели технологической системы операции при заданной программе выпуска деталей

Интересно отметить, что в общем случае Едп Ф №Е$; Еполп Ф ^Епол ; Езагп Ф МЕзаг и т. д. Это объясняется тем, что параметры соответствующих передаточных функций зависят от программы выпуска деталей.

Очевидно, Еполп > 0 всегда, она определяет необходимое количество ресурсов для получения заданного количества деталей, заданного качества. Если предположить неограниченность материальных и энергетических ресурсов ТС, то можно считать регулятор Жр (р) - безынерционным

звеном, то есть Жр (р) = Кр. Он определяет стратегию производства в смысле удовлетворения спроса и возможности ТС по покрытию этого спроса (вероятно здесь следует говорить о части спроса которую потенциально может удовлетворить конкретная ТС).

Предложенная энергетическая модель позволяет оценить эффективность ТС не только в комплексе, то есть по готовой продукции конкретного вида, но и по конкретной детали входящей в готовую продукцию, так как спрос на конкретную деталь определяется спросом на готовое изделие.

Вероятно, А в энергетической модели однозначно определяется экономико-социальным запросом, так как в основу любой ТС положена цель удовлетворения потребностей, уменьшения или даже «ликвидации» дефицита.

Структурная схема энергетической модели технологической системы операции, приведенная на рис. 5. может быть легко преобразована в

модель, характеризующую динамику изменения энергетических потоков, поскольку

1шт

Ед = | Р^г, (11)

0

где Рд - поток энергии элемента материального потока (детали), формирующий за штучное время 1шт заданное энергетическое содержание детали Ед.

Разработанная энергетическая модель ТС операции является основой методики оценки эффективности технологических операций, позволяющей определять требуемое количество материальных и энергетических ресурсов, сравнить приведенные их значения для различных условий функционирования и наметить пути снижения их потерь.

Список литературы

1. Автоматизация дискретного производства / под общей редакцией проф. Е. И. Семенова и проф. Л. И. Волчкевича. М.: Машиностроение; София: Техника, 1987. 520с.

2. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством /Н.А. Саломатин, Г.В. Беляев, В.Ф. Петроченко, Е.В. Прошляков. М.: Машиностроение, 1984. 208с.

3. Левшин Л. В. Экономические связи между производством и потреблением. «Экономика», 1972.

4. Основы автоматизации управления производством /под редакцией чл .-кор. АН СССР И. М. Макарова. М.: Высш. школа, 1983. 504с.

5. Основы управления технологическими процессами /под редакцией Н. С. Райбмана. М.: Наука, 1978. 440с.

6. Петров В. А., Масленников А. Н., Осипов Л. А. Планирование гибких производственных систем. Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985. 182с.

7. Пуховский Е.С. Технологические основы гибкого автоматизированного производства. Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. 240с.

8. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами. М.: Сов. Радио, 1980. 232с.

9. Сальников В. С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. Тула: Издательство “Тульский полиграфист”, 2003. 187 с.

10. Справочник проектировщика АСУ ТП / под редакцией Г.Л. Смилянского. М.: Машиностроение, 1983. 527с.

Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шадский Владимир Геннадьевич, канд. техн. наук, Россия, Тула, ЦКБА ENERGY ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS Salnikov V.S., Erzin O.A, Shadsky V.G.

The article presents a model of energy production system acting as an evaluation based on the methodology of technological operations, allows to determine the required amount of material and energy resources, compare their values are given for different operating conditions and to identify ways to reduce their losses.

Key words: technological system, energy efficiency, control of the process of cutting, machining centers.

Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University,

Shadsky Vladimir Gennadievich candidate of technical science, Russia, Tula, CDBA

УДК 621.87

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ

ОПЕРАЦИЙ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

В.Ю. Анцев, А.Н. Шафорост

В статье рассматривается методика снижения энергетических затрат на промышленных предприятиях путем создания оптимальной структуры транспортноскладской системы.

Ключевые слова: энергосбережение, транспортно-складская система, длительность транспортного цикла, продолжительность включения, структурнопараметрический синтез.

Энергосберегающая политика является государственным приоритетом, определяющим энергетическую безопасность страны. Решение задач энергосбережения на промышленном предприятии невозможно без разработки стратегии и направлений энергосбережения, решающих задачи внедрения систем контроля и учета энергоресурсов; развития собственных энергоисточников на предприятии; утилизации вторичных энергоресурсов; разработки режимов рационального энергопотребления; внедрения энерго-

163