CC BY
293
Kaiser Oksana Alekseevna, undergraduate, okkaiser@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, State Agricultural University
УДК621.9-1
ОДИН ИЗ АСПЕКТОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
О. А. Ерзин, В.В. Сальников
В работе предложен энергетический подход к оценке эффективности технологических систем, устанавливающий общие показатели для всех уровней ее иерархической структуры. Он позволяет идентифицировать и локализовать места с повышенными непроизводительными потерями энергии, а также произвести оценку затрат энергии при изменении условий функционирования системы.
Ключевые слова: технологическая система, эффективность использования, энергоресурсы, энергопотребление.
Известно, что управление энергопотреблением является эффективным средством адаптации технологической системы (ТС) к изменяющимся условиям функционирования. Рациональное энергопользование улучшает показатели предприятия не только с энергетической, но и с экологической и общей экономической точек зрения [1, 7, 9].
В основе учетной политики расходования энергоресурсов предприятий в большинстве случаев лежит энергетический баланс [7, 9]. Он является главным и до сих пор единственным средством управления энергопотреблением. Однако реальный энергетический баланс имеет смысл только на уровне процесса.
Он служит основой для анализа технической осуществимости или экономической целесообразности различных проектов. Однако баланс дает лишь общую стационарную картину энергопотребления на предприятии, что не позволяет определить динамику их перераспределения при изменении внешних или внутренних условий функционирования.
Энергопотребление тесно связано с производством. Их взаимная корреляционная связь устанавливается посредством статистических расчетов затраченной энергии и произведенной продукции, выраженных в цифрах. Для предприятий, выпускающих разнообразную продукцию, этот прием потребует установления соотношений между численными значениями энергопотребления и объема продукции для каждого изделия в отдельности, а также решения системы уравнений, описывающих эти соотношения
на базе статистических данных, собранных за предшествующие промежутки времени с различным уровнем производства. Это повышает их точность, однако приводит к существенному усложнению расчетов. При оценке эффективности расчетные контрольные цифры энергопотребления сравниваются с фактическими значениями объема произведенной продукции. Из-за большого числа случайных факторов, влияющих на контрольные цифры, а также необходимости перевода всех затрат в единую систему измерения - денежную, подверженную со своей стороны таким слабо предсказуемым факторам как инфляция, такой подход не нашел применения в отечественной практике.
До сих пор в вопросах нормирования затрат энергии, в отличие от других видов ресурсов существует определенный произвол рис. 1 [6].
Этот произвол объясняется отсутствием взаимопонимания по проблемам энергопотребления между службами энергетика, как внутреннего поставщика энергии, и службами технолога - потребителя. 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.
Рис. 1. Проблемы нормирования затрат энергии
Большое число профессионалов в области эффективности признают необходимость в измерении совокупной факторной производительности (СФП) [7]. В общем виде совокупная производительность измеряется отношением всего объема выпуска (выход) к используемым ресурсам и энергии в том числе (вход) [1, 7]. Данная концепция базируется на теории факторов производства, в рамках которой производительным считается не только труд, но и другие факторы, например капитал, земля, накопленные знания и т. д.
Применение в СФП денежных единиц измерения предполагает многократное применение операций дефляции (и даже понятия постоянного денежного эквивалента - "постоянного" доллара США) для получения
реальных оценок эффективности функционирования ТС в материальном, физическом представлении. Это делает аппарат СФП сложным, громоздким и многокритериальным. Он становится практически не приемлемым для внутреннего обращения в ТС.
Лучшие результаты в смысле оперативного управления и долгосрочного планирования затрат, в частности энергопотребления, дают технические критерии: энергоемкость, приведенные затраты энергии и т. д. [5, 7]. Они обладают достаточно хорошей наглядностью и точностью для убеждения руководящего звена предприятия в проведении мероприятий по энергосбережению и внедрению программ повышения эффективности энергопотребления. Однако они эффективны только для анализа происходивших ранее или происходящих в данный момент событий. Эти критерии не увязывают сущности технологических процессов, реализуемых воздействий и параметров используемого оборудования. Это снижает достоверность сделанных с их помощью прогнозов или сравнительных оценок и ставит актуальную задачу разработки наиболее информативных технических критериев оценки эффективности энергопотребления.
Показатели эффективности использования энергоресурсов являются важной составляющей в общей характеристике эффективности предприятия. Они являются основным элементом системной программы энергосбережения, дающим возможность судить о результативности принимаемых мер или сравнивать ТС между собой. Важно достичь приемлемой степени точности при определении исходных данных или показателей результатов деятельности и энергопотребления. Показатели должны быть четко определены не только для системы в целом, но и для отдельных ее элементов или частей. Следует определить вид и качество энергоносителей, поступающих в каждое подразделение, и ранжировать их по этим показателям. Это позволит выявить всех основных потребителей энергии на предприятии.
Оценка и анализ эффективности энергопотребления важны для принятия обоснованных решений, направленных на ее повышения [3, 5, 7, 8, 9]. Показатели эффективности помогают устанавливать реалистичные цели и контрольные точки для диагностической деятельности в процессе развития и совершенствования предприятия. Последние указывают на "узкие места" и препятствия на пути к желаемым результатам.
Не достаточно измерять только приведенные энергозатраты, которые можно минимизировать за счет сокращения энергопотребления, необходимо знать, способно ли предприятие для сохранения конкурентоспособности производить больше товаров лучшего качества при относительно меньшем расходовании энергоносителей.
Для анализа эффективности энергопотребления по каждой техноло-
гической операции и по каждому рабочему месту все элементы материального потока, циркулирующего в ТС, должны быть однозначно идентифицированы [1, 2, 3, 4, 7]. С целью обеспечения прослеживаемости энергозатрат целесообразно на всех этапах материального потока использовать принцип "первым вошел - первым вышел", что позволит исключить смешивание энергоемкости различных деталей-операций выполняемых в разное время.
В технической компоненте ТС в смысле энергопотребления идентификации должны подвергаться следующие объекты:
- среда (помещения, энергоснабжение и т.п.);
- оборудование;
- оснастка и режущий инструмент;
- материалы, заготовки, комплектующие, готовая продукция;
- технологические операции;
- маршруты обработки.
Анализ ТС и энергопотребления должен базироваться на реальных и взаимно согласованных технологиях мониторинга.
В число основных целей анализа эффективности энергопотребления входит:
- сравнение деятельности предприятия и конкурентов по эффективности работ в неденежном выражении;
- сравнение деятельности различных подразделений предприятия по эффективности энергопотребления;
- определение относительных показателей работ, операций и исполнителей в энергетических категориях;
- сравнение относительных выгод при использовании различных энергоносителей для формирования стратегии изменения их баланса.
Исходя из общих соображений, при выборе критерия оценки эффективности энергопотребления необходимо определить следующие факторы:
- что является входом, а что выходом системы;
- критерий должен быть денежный или неденежный;
- если неденежный критерий, то какова единица измерения входов и выходов;
- какие следует использовать частные критерии или координаты представления общего критерия;
- какую глубину анализа процессов энергопотребления он должен обеспечить;
- насколько прослеживаемы должны быть элементы материального потока в смысле энергопотребления;
- что должно являться предметом сравнения с реальным процессом энергопотребления: альтернативная модель или другой реальный процесс,
должен ли он давать возможность имитационного моделирования;
- должен ли критерий отражать динамику изменения эффективности энергопотребления;
- должен ли он решить задачу, связанную с отсутствием взаимопонимания между пользователями и поставщиками энергии внутри предприятия.
Практически во всех случаях эффективность определяется как отношение выхода ко входу. Изменения технической сущности производства под действием внешних или внутренних факторов, например режима энергопотребления, неизбежно сказывается на соотношении физических объемов выпущенной продукции и используемых энергоносителей.
В денежных критериях измерения необходимо производить в единицах, отражающих постоянную стоимость денег без учета изменения текущих цен, использовать методы дефляции, причем несколько раз, то есть в качестве единиц измерения входа и выхода используются деньги [1, 7, 9]. Такой подход оказывается достаточно громоздким и не оперативным.
Для получения оперативных оценок и формирования своевременных управляющих воздействий на низших уровнях управления, а также для разработки долгосрочных прогнозов на высшем уровне управления наиболее полезными оказываются технические критерии оценки эффективности.
Интересно, что в качестве единицы измерения входов и выходов в этом случае может выступать единица измерения энергии. Энергия обладает теми же свойствами, что и стоимость: накапливается в продуктах производства, характеризует объем затраченных временных, материальных и энергетических ресурсов. Ее единица измерения не подвержена таким не предсказуемым с внутренней точки зрения явлениям, как инфляция. При таком подходе все ресурсы и материальные потоки ТС должны быть выражены через энергию и ее потоки.
В общем виде критерий оценки эффективности управления энергопотреблением должен учитывать весь объем выпуска (выход) и все используемые энергоносители (вход). При его определении следует принимать во внимание все его частные виды, объединение которых позволит получить полную картину распределения затрат энергии. Однако, разбивая общий критерий на отдельные измеряемые величины, можно, в конце концов, получить очень длинный список с чрезмерно большим числом показателей. Поэтому необходимо расставить приоритеты и сократить их число до минимально возможного.
Для решения этой задачи предложена концептуальная модель оценки эффективности энергопотребления (рис. 2) [6]. Она устанавливает общие показатели для всех иерархических уровней ТС. Верхний сектор пока-
зывает изменение фондоотдачи в связи с изменением количества выпущенной продукции и объемов задействованных производственных мощностей (производственные площади, технологическое оборудование). Нижний сектор отражает изменение затрат энергии в ТС, вызванное изменением количества исходных энергоносителей и режима энергопотребления. Левый сектор показывает изменение приведенных затрат энергии в зависимости от изменения количества выпущенной продукции и исходных энергоносителей. Вертикальная диаметральная связь показывает изменение эффективности энергопотребления, обусловленное изменением энергозатрат и удельной отдачи от использования производственных мощностей. Правый сектор отражает изменение интенсивности нетехнологических затрат энергии, обусловленных изменением объемов задействованных производственных мощностей и режимов энергопотребления.
В соответствии с предложенной концептуальной моделью, не умаляя значимости других факторов, целесообразно ограничиться рассмотрением производственных мощностей (в виде производственных площадей и оборудования), материалов, инструмента, технологии и времени. Такой подход позволит учесть эффективность энергопотребления на всех этапах цикла производства, включая обработку, транспортирование и хранение объектов производства.
Технический критерий оценки эффективности энергопотребления должен позволить простыми средствами производить оценку и анализ энергопотребления в любой точке ТС на любом ее иерархическом уровне. Он увязывает воедино основные участки затрат энергии: методы обработки, технические средства, технологии, структуру и способы управления ТС. Такая глубина анализ делает реальной перспективу прогнозирования критических ситуаций и средств борьбы с ними.
В соответствии технической сущностью критерий должен учитывать движение материальных потоков, т.е. прослеживаемость, начиная от исходной заготовки через все этапы ее преобразования, включая изменение пространственного расположения, ожидание и хранение, до конечного продукта. Это позволит не только обнаружить «узкие места», характеризуемые повышенными потерями энергии, но и оценить такой важный фактор, как «точно во время».
Критерий должен позволить строить многовариантные картины энергопотребления, в том числе и идеальные для выбранных условий функционирования ТС. Это позволит проводить имитационное моделирование альтернативных действий и программ повышения эффективности энергопотребления. Идеальные картины энергопотребления позволят, обосновано формировать цели, задачи и стратегии управления ими. Он должен явиться основой оперативного технического бенчмаркинга, ин-
формация которого используется на всех иерархических уровнях управления предприятием.
Рис. 2. Концептуальная модель критерия оценки эффективности
энергопотребления ТС
Критерий должен давать возможность отслеживать эффективность энергопотребления не только в требуемых точках пространства ТС, но и динамику ее изменения в течение заданного периода времени.
В соответствии с предлагаемым принципом формирования критерия он должен явиться языком общения и мощным средством снятия преград на пути единого понимания проблем эффективного энергопотребления пользователями (технологами), управленцами (организаторами производства) и поставщиками (энергетиками). Он должен обладать достаточно высокой степенью наглядности, позволяющей убеждать руководство в проведение в жизнь программ повышения эффективности управления энергопотреблением.
К перечисленному для расширения представлений и детализации критерия необходимо добавить следующие требования:
- результаты оценки должны указывать на конкретные источники
затрат;
- система оценки, будучи понятной менеджерам и работникам,
должна пользоваться их доверием;
- все основные материальные ресурсы и все виды действий с ними должны быть включены в оценку;
- результаты оценки должны, насколько это возможно, быть сопоставимы с бухгалтерской отчетностью;
- результаты должны давать ясные наглядные сигналы для принятия управленческих решений и осуществления действий по повышению эффективности;
- оценка должна явиться основой для планирования и анализа затрат энергии на одно изделие (деталь-операцию);
- оценка должна давать возможность определить эффективность использования производственных мощностей.
Для проведения анализа энергопотребления в соответствии с поставленными целями и сформулированными требованиями к критерию необходимы следующие исходные данные:
- физические свойства обрабатываемого материала;
- геометрические размеры заготовки и детали;
- параметры режима и маршрута обработки;
- режущий инструмент;
- характеристики технологического оборудования и его исполнительных органов;
- маршруты и характеристики средств транспортирования;
- размеры производственных площадей, интенсивность воздействующих на них энергетических потоков и их связь с деталями-операциями;
- временные параметры деталей-операций.
При таком подходе критерий позволит реализовать основные элементы диагностики с обнаружением, идентификацией и локализацией мест, отличающихся повышенными непроизводительными потерями энергии:
- проверку энергоемкости технологических операций;
- определение соответствия реализуемых режимов и установленной мощности исполнительных органов;
- проверку экономичности технологических маршрутов;
- проверку экономичности и эффективности использования оборудования;
- выработку частных показателей для сравнения эффективности использования энергии;
- определение соответствия структуры, технологических принципов, технических средств и загрузки производства;
- выяснение необходимости введения автоматического управления энергопотреблением;
- пересмотр новых проектов с точки зрения использования энергии;
- введение прогноза затрат энергии за весь срок службы оборудования.
Такой критерий дает возможность производить оценку затрат энергии в ТС при изменении условий функционирования.
Список литературы
1. Глудкин О.П., Горбунов Н.М., Гуров А.И., Зорин Ю.В. Всеобщее управление качеством. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1999. 600с.
2. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством /Н. А. Саломатин, Г. В. Беляев, В. Ф. Петроченко, Е. В. Прошля-ков. М.: Машиностроение, 1984. 208с.
3. Основы автоматизации управления производством /Под редакцией чл.-кор. АН СССР И. М. Макарова. М.: Высш. школа, 1983. 504с.
4. Основы управления технологическими процессами /Под редакцией Н. С. Райбмана. М.: Наука, 1978. 440с.
5. Пуховский Е. С. Технологические основы гибкого автоматизированного производства. Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. 240с.
6. Сальников В.С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. Тула: Издательство "Тульский полиграфист", 2003. 187 с.
7. Управление эффективностью и качеством: Модульная пограмма: Пер. с анг. /Под ред. И. Прокопенко, К. Норта: в 2 ч. Ч.1. М.: Дело, 2001. 800с.
8. Федоров А. А., Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1981. 360с.
9. Энергосберегающая технология. Электроснабжение народного хозяйства. В 5-ти кн. / Под редакцией В. А. Веникова. М.: Высшая школа, 1990.
Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., erzin79@mail.ги Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сальников Владимир Владимирович, студ, vladimirsalnikovl @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ONE ASPECT EFFICIENCY EVALUATION OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS
O.A. Erzin, V. V. Salnikov 602
In this paper we propose an approach to the evaluation of the energy efficiency of technological systems, establishing common indicators for all levels of its hierarchical structure. It allows you to identify and locate places with high overheads of energy as well as to evaluate the energy consumption when changing the operating conditions of the system.
Key words: technological system, efficiency of use, energy, power.
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, erzin [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Salnikov Vladimir Vladimirovich, student, Vladimirsalnikovl @yandex.ru , Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.38
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАЗНОСОПРОТИВЛЯЕМОСТИ МАТЕРИАЛА НА НДС КРУГОВОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПНОЙ ОБОЛОЧКИ
А. А Трещев, М.В. Спасская
Рассматривается задача о загружении равномерно распределенной нагрузкой тонкостенной круговой цилиндрической оболочки, выполненной из разносопротивляю-щегося материала, обладающего свойством анизотропи. Приведена система разрешающих уравнений поставленной задачи. Приведены некоторые наиболее характерные результаты исследования напряженно-деформированного состояния оболочки и выполнено сравнение результатов расчетов по предлагаемой модели с решением по классической теории с постоянными механическими характеристиками.
Ключевые слова: разносопротивляемость, анизотропия, цилиндрическая оболочка.
В настоящее время в строительстве и других отраслях промышленности получили применение конструкционные материалы, механические свойства которых зависят от вида напряженного состояния. Подобная зависимость обнаружена не только у новых материалов, каковыми являются композитные составы, полимеры, графиты, стеклопластики, но и у традиционных конструкционных материалов типа чугуна, бетонов и керамики. Такие материалы принято называть разносопротивляющимися. Классические теории не могут правильно оценить напряженно-деформироанное состояние конструкций из материалов, обладающих указанными особенностями. При этом в настоящее время в химической промышленности, строительстве, машино- и авиастроении все больше применяются особо ответственные конструкции. Благодаря этому необходимы надежные теории расчета, согласованные с экспериментальными данными. Учёт эффек-
603
