Формирование моделей организации процессов литейного производства с учетом энергетических и эксергетических факторов Клентак Анна Сергеевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Сущность и принципы эффективной организации процессов литейного производства машиностроительного предприятия 12

1.1. Сущность организации технологического процесса литейного производства 12

1.2. Анализ процесса потребления энергоресурсов, как основного фактора эффективной организации процессов литейного производства машиностроительного предприятия 18

1.3. Модели организации последовательности элементов технологического процесса литейного производства с позиции эффективности энергоиспользования на основе моделей кибернетического подхода 25

Выводы по главе 1 36

2. Разработка моделей и методов оптимального выбора объемов выпуска заготовок и организация последовательности элементов литейного производства с учетом их приоритетности 37

2.1. Определение организационного потенциала повышения энергетической эффективности элементов технологического процесса литейного производства 37

2.2. Модели организации цепи энергетических и экологических затрат технологических процессов литейного производства машиностроительных предприятий 41

2.3. Проведение энергетического анализа технологического процесса литейного производства на основе метода эксергетических потоков 46

2.4. Разработка модели принятия управленческих решений по выбору объема выпуска заготовок с учетом особенностей литейного цеха для повышения энергоэффективности в многокритериальных организационных системах 62

Выводы к главе 2 73

3. Оценка эффективности методов рациональной организации производственных процессов на примере технологического цикла получения кокильной отливки 75

3.1. Краткая характеристика технологического цикла получения кокильной отливки «Крыльчатка» 75

3.2. Формирование математической модели организационного выбора последовательности элементов технологического процесса литейного производства и оптимизации ее факторов методом Парето 80

3.3. Организация последовательности элементов технологического процесса литейного производства для приоритетного выбора проведения на них энергосберегающих мероприятий 85

3.4. Пример формирования и реализации производственной программы литейным цехом 91

3.5. Рекомендации по рациональному выбору мероприятий для повышения энергетической эффективности технологического процесса литейного производства машиностроительного предприятия 94

Выводы по главе 3 103

Заключение 105

Список литературы 107

• Модели организации последовательности элементов технологического процесса литейного производства с позиции эффективности энергоиспользования на основе моделей кибернетического подхода
• Модели организации цепи энергетических и экологических затрат технологических процессов литейного производства машиностроительных предприятий
• Формирование математической модели организационного выбора последовательности элементов технологического процесса литейного производства и оптимизации ее факторов методом Парето
• Пример формирования и реализации производственной программы литейным цехом

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В 2011 году указом Президента Российской Федерации одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации была поставлена задача повышения энергоэффективности и стимулирования энергосбережения в различных сферах деятельности.

Повышение энергоэффективности производственных процессов способно существенно снизить энергоемкость, а, следовательно, и себестоимость продукции, что в свою очередь повысит ее конкурентоспособность на мировом рынке в условиях проводимой политики импортозамещения. Для машиностроения заготовительное производство является стартовым в цепочке выпуска комплектующих. Следовательно, реализацию мероприятий по энергосбережению логично начинать именно с него.

Наиболее широко для получения заготовок в машиностроении применяют методы литья, характеризующиеся наиболее высоким уровнем энергопотребления.

В современных условиях непрерывного наращивания объемов производства в такой энергоёмкой отрасли экономики, как машиностроение, особенно актуальным становится повышение его энергетической эффективности в целом и литейного производства в частности.

Задача выбора энергосберегающих мероприятий при ограничениях по техническим средствам, капитальным вложениям, а также учете влияния эксергетических потоков является многофакторной. В связи с этим для обоснования выбора приоритетов модернизации элементов технологического процесса с учетом многофакторности необходимо разработать модели, которые позволят:

- оценить потенциал возможного повышения энергоэффективности
отдельных элементов технологических процессов;

сформировать последовательность элементов технологических процессов для приоритетного выбора проведения на них энергосберегающих мероприятий с учетом энергетических и эксергетических факторов;

оценить оптимальный выбор объема выпуска заготовок литейного цеха, обеспечивающий минимум затрат при условии выполнения планового задания.

Степень разработанности темы. Вопросом организации

производственных процессов машиностроительных предприятий, обеспечения высокой эффективности функционирования производств занимались многие отечественные и зарубежные ученые. Среди них необходимо отметить В.Н. Буркова, Д.А. Новикова, А.А. Кутина, Г.М. Гришанова, В.Г. Засканова, А.Ф. Кононенко, И.Н. Хаймович, П.Б. Филинова, С.А. Думлер, Э. Мэскин, Е.М. Голдрат, К. Эрроу, Т. Саати и др.

Фундаментальными и прикладными исследованиями в области совершенствования планирования и организации литейного производства в машиностроении занимались В.М. Шестопала, И.Г. Глянь, Н.Н. Рязанов, В.И. Никитин, К.В. Никитин и многие другие.

Повышение энергоэффективности и энергосбережение как элементы организации производства в настоящее время вызывает повышенный интерес, чем объясняется значительное количество публикаций, посвященных данной теме. Различные подходы к управлению теплоэнергетическими ресурсами раскрыты в трудах Л.А. Меленьтьева, В.В. Бирюка, Ю.Б. Клюева, Д.А. Угланова, Г.А. Мятишкина, А.А. Макарова, А.И. Довгялло, С.Л. Прузнера и др.

При работе над диссертацией автор также опирался на труды и достижения отечественных и зарубежных ученых в разработке и развитии методов эксергетического анализа - В. Фратшера, К. Михалека, Я. Шаргута, В.М. Бродянского, Р. Петели, А.И. Андрющенко и др.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных теории организации и управления производством, на сегодняшний день не разработаны

модели, позволяющие оценить оптимальный выбор объема выпуска заготовок и организовать соответствующую последовательность элементов технологического процесса для приоритетного выбора проведения на них энергосберегающих мероприятий, учитывающую затраты энергетических ресурсов посредством эксергетического анализа. Выявленные проблемы обусловили актуальность выбранного исследования и определили постановку целей и задач диссертационного исследования.

Наличие такой методики обеспечит возможность адресного проведения мероприятий по повышению энергетической эффективности для производственных процессов машиностроительного предприятия.

Цель работы – повышение энергетической эффективности литейного производства путем разработки моделей как организационных инструментов обоснования принимаемых решений по выбору объемов выпуска заготовок и последовательности модернизации элементов производственных процессов.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ способов и особенностей организации производственных процессов и энергопотребления в литейном производстве машиностроительного предприятия.

2. Определен потенциал повышения энергетической эффективности для каждого элемента технологического процесса литейного производства.

3. Сформирована цепь энергетических и экологических затрат технологических процессов литейных производств в рамках обеспечения заданных объемов производств.

4. Проведен энергетический анализ технологического процесса литейного производства на основе метода эксергетических потоков.

5. Разработана модель многокритериальной задачи формирования последовательности элементов технологического процесса литейного производства машиностроительного предприятия для приоритетного выбора проведения на них энергосберегающих мероприятий на основе математической модели и оптимизации ее факторов по методу Парето с определяющим критерием – эксергетический коэффициент полезного действия.

6. Разработана модель принятия управленческих решений по выбору объема выпуска заготовок литейного цеха, обеспечивающая минимум затрат при условии выполнения планового задания.

7. Сформированы рекомендации по повышению энергетической эффективности технологических процессов машиностроительных предприятий.

8. Проведена практическая апробация моделей и инструментария рациональной организации производственных процессов в литейном производстве.

Область исследования соответствует п.7 «Анализ и синтез организационно-технических решений. Стандартизация, унификация и типизация производственных процессов и их элементов. Организация ресурсосберегающих и экологических производственных систем» и п.9 «Разработка методов и средств организации производства в условиях технических и экономических рисков» паспорта специальности 05.02.22 – Организация производства (технические науки).

Объект исследования: технологические процессы литейного производства на предприятиях машиностроения.

Предмет исследования: решение задач организации производства, обеспечивающих оптимальный выбор объема выпуска заготовок и организацию последовательности элементов технологического цикла литейного производства с учетом их приоритетности.

Научная новизна исследования заключается в разработке моделей, как инструментария организации литейного производства:

1. определен потенциал повышения энергетической эффективности, характеризующий состояние каждого элемента технологического процесса литейного производства, сформированы критерии с учётом эксергетического к.п.д. и определены методические подходы организации реализации плановых объемов заготовок цеха и заказов по выпуску изделий предприятия с учетом расходов энергоресурсов и экологических затрат;

2. разработана модель многокритериальной задачи формирования последовательности элементов технологического процесса литейного производства для организации приоритетного выбора проведения на них энергосберегающих мероприятий и оптимизации ее факторов по методу Парето с определяющим критерием – эксергетический коэффициент полезного действия;

3) разработана модель принятия управленческих решений как
организационный инструмент по выбору объема выпуска заготовок литейного
цеха, обеспечивающая минимум затрат при условии выполнения планового
задания.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Результаты диссертационного исследования позволяют более углубленно рассмотреть вопросы повышения энергоэффективности производственных процессов литейных производств, в части организации приоритетного выбора элементов технологических процессов для проведения на них энергосберегающих мероприятий.

Практическая значимость заключается в разработке научно-практических рекомендаций. В частности, практическое значение имеет модель принятия оптимальных решений по выбору объема выпуска серийной отливки «Крыльчатка» литейного цеха на машиностроительном предприятии Самарской области ПАО «Кузнецов», обеспечивающая минимум затрат при условии выполнения планового задания.

Результаты диссертационного исследования целесообразно использовать в учебном процессе при подготовке студентов, обучающихся по специальности 220700.62 - «Автоматизация технологических процессов и производств», 13.03.03(141100.62) - «Энергетическое машиностроение» (профиль подготовки «Энергоэффективность и энергосбережение»).

Результаты данного исследования могут быть использованы также при организации мероприятий по энергосбережению и на предприятиях других отраслей промышленности.

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической базой диссертационной работы послужили научные труды и разработки отечественных и зарубежных ученых по проблемам организации производственных процессов, а также раздел классической термодинамики – эксергетический анализ.

Основой методики исследования является системный подход, включающий в себя: рассмотрение технологического процесса литейного производства как подсистему машиностроительного предприятия в энергетическом аспекте; декомпозицию и эксергетический анализ технологического процесса литейного производства; применение аппарата математического моделирования, теорию ограничений, методов многокритериальной оптимизации.

Положения, выносимые на защиту:

3. Сформированные критерии оценки энергетической и эксергетической эффективности и потенциал повышения энергетической эффективности, характеризующие состояние каждого элемента технологического цикла литейного производства и определяющие методические подходы организации реализации плановых объемов заготовок цеха и заказов по выпуску изделий предприятия с учетом расходов энергоресурсов и экологических затрат.

4. Разработанная математическая модель задачи организации приоритетного выбора элементов технологического процесса литейного производства для проведения на них энергосберегающих мероприятий, отличающаяся тем, что она учитывает специфику деятельности цеха по изготовлению отливок, ориентирована на представление производства как совокупности взаимосвязанных технологических, производственных и экологических процессов, каждый из которых является объектом деятельности, направленной на повышение организационно-технологического уровня литейного производства предприятия.

5. Разработанная модель принятия оптимальных решений как организационный инструмент по выбору объемов заготовок литейного производства, позволяющий комплексно с учетом различных факторов, сформировать область приемлемых решений и заданных условий реализации

заказа по выпуску изделий, обеспечивающих эффективность деятельности, как литейного цеха, так и предприятия в целом.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования обоснована применением общенаучных фундаментальных принципов и методов теории организации и управления производством, аппарата математического моделирования, методами многокритериальной оптимизации, эксергетическим анализом, а так же практическим применением результатов работы на машиностроительном предприятии ПАО «Кузнецов».

Основные научные результаты диссертационной работы в виде научных работ, статей и тезисов докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и Региональных конференциях, семинарах и конкурсах, в том числе на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2010), XIV Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2010), Региональной научно - практической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Самара, 2011), Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011), XLIII Международной научно-практической конференции «Фёдоровские чтения 2013» (Москва (МЭИ), 2013), Международной интернет-конференции молодых учёных «Энергосбережение, информационные технологии и устойчивое развитие» (Ижевск, 2014), XII Всероссийской школе-конференции молодых ученых и специалистов «Управление большими системами» (Волгоград, 2015), XLV Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы) «Фёдоровские чтения 2015» (Москва (МЭИ), 2015).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты представлены в 15 научных трудах, из которых 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (90 наименований) и 2 приложений. Работа содержит 124 страницы печатного текста, 14 рисунков, 7 таблиц.

Модели организации последовательности элементов технологического процесса литейного производства с позиции эффективности энергоиспользования на основе моделей кибернетического подхода

При рассмотрении сущности организации производства, ее можно определить как «взаиморасположение и взаимосвязи элементов производства, их действия и взаимодействия, обусловленные единством целей и выполняемых ими функций и определенными обстоятельствами места и времени» [17].

Применительно к машиностроительному предприятию, производственный процесс совокупность основных и вспомогательных процессов, обеспечивающий превращение «сырого» материала в готовую продукцию [46]. Предприятие сложная динамично развивающаяся производственная система, обеспечивающая исполнение основного производственного процесса. Таким образом, организационная, энергетическая, информационная, функциональная, экономическая и социальная структуры этой системы функционируют в соответствии с характеристиками основного производственного процесса, для реализации которого она создана. Цель производственной системы - изготовление определенной продукции в установленном объеме в заданные сроки - совпадает и определяется целью ее основного компонента - подсистемы основных производственных процессов. Являясь центральным компонентом производственной системы, основной производственный процесс в машиностроении, как правило, представляет собой совокупность ряда отдельных процессов изготовления деталей, последующей сборки узлов и изделия в целом, которые являются простыми элементами производственного процесса. По классификации Бира, машиностроительное предприятие может быть отнесено к разряду очень сложных систем второго ранга (вероятностных). Таким образом, оно является одним из наиболее сложных объектов исследования [8]. Как инструмент исследования подобных объектов системный подход предполагает выделение отдельных элементов таких систем и рассмотрение их в определенных аспектах [46]. Согласно свойству эквипотенциальности сложных вероятностных систем, подсистему основного производственного процесса можно рассматривать как систему более низкого порядка относительно производственной системы [45]. Система основного производственного процесса на машиностроительном предприятии представляет собой совокупность основных цехов, в каждом из которых реализуется определенный этап процесса изготовления изделий в соответствии с технологией.

Каждый из основных цехов состоит из ряда производственных участков -подсистем процессов, которые, в соответствии с профилем цеха, обеспечивают выполнение отдельных стадий процесса изготовления изделий. Элемент системы - это ее часть, которая рассматривается без дальнейшей декомпозиции как единое целое [61].

«Сущность, свойства и функции элементов не могут быть понятны вне их места и роли в системе, а свойства системы не могут быть раскрыты и описаны без учета свойств ее элементов» [46].

Форму организации производственного процесса С.А. Думлер определяет как «порядок и способы сочетания операций и процессов во времени. Он выделяет три основные формы организации производственного процесса: поточную, полупоточную и непоточную» [32]. Формирование классификационных групп может производиться на основе оценки параметров элементов процесса, образующих любой производственный процесс. Рассмотрим основные предпосылки такого подхода.

Производственный участок является центральной подсистемой, в которой реализуется основной производственный процесс. Он является главным производственным подразделением, типичным для машиностроительного завода, в котором выполняются отдельные этапы производственного процесса при стабильной для этих этапов форме организации. Совокупность подсистем процесса различных видов обеспечивает реализацию основного производственного процесса, и в то же время предопределяет разнообразие форм его организации. При этом каждому виду подсистем процесса соответствует определенная форма их организации.

В литературе [25], [71] содержится значительное количество классификаций видов подсистем процессов, различающихся способами группировки, степенью детализации и широтой охвата их разновидностей. Выделим базовые виды подсистем процессов, поставив им в соответствие характерные для них формы организации в таблице 1.1.

Модели организации цепи энергетических и экологических затрат технологических процессов литейного производства машиностроительных предприятий

Вопрос выбора стратегии модернизации производственных процессов, особенно при ограничениях по техническим средствам и капитальным вложениям, имеет важное значение при решении задач, связанных с экономией топлива и энергии на машиностроительных предприятиях.

Для решения поставленной задачи А.И. Довгялло, В.В. Бирюк, Д.А. Угланов использовали комплексный эвристико - кибернетический подход.

Суть данного метода заключается в декомпозиции производственного процесса на отдельные элементы и формирование целевых последовательностей элементов, которые необходимо исследовать в зависимости от различных конкретных постановок задач по экономии энергоресурсов. Под элементами понимается подсистема или устройство, на вход которых поступают, а на выходе образуются, соответственно, сырьевые, энергетические и продуктовые потоки. В качестве элемента могут быть приняты установка, агрегат или группа однородных установок, агрегатов, относящихся к основной технологической схеме производства, а также любые вспомогательные процессы и установки (система вентиляции в цехе, система отопления на участке, воздухоразделительная станция и др.) [31].

Исходное множество элементов формируется различными путями. Первоначальное множество элементов можно получить, исходя из схемы энергоснабжения предприятия (в соответствии с числом ответвлений энергетических потоков от основных магистралей к отдельным потребителям). Это множество затем корректируется с учетом объединения однородных установок в один элемент. Множество элементов может быть образовано на основе составленных синтетических энергобалансов предприятия по видам используемых энергоносителей, по целевому назначению потребления, по объектам. Перечень элементов, подлежащих детальному исследованию с точки зрения эффективности энергоиспользования, может быть составлен с учетом системы показателей, характеризующих состояние учета и нормирования расхода энергоносителей, энергетическую составляющую в себестоимости продукции, расход энергоносителя, затраты на совершенствование элемента и эффект от этого совершенствования и др. Существенную роль при образовании множества элементов могут играть экспертные оценки.

Когда образовано исходное множество элементов, возникает очень важная задача установления очередности обследования этих элементов в зависимости от поставленных конкретных задач. В существующих методиках предлагается в первую очередь проводить анализ энергоемких установок, суммарное энергопотребление которых составляет 70-80% общего энергопотребления предприятия. Очередность обследования устанавливается исходя из энергоемкости элемента (определяется наиболее энергоемкий цех, в нем -наиболее энергоемкий участок, в котором находится наиболее энергоемкая установка). Однако принадлежность установки к энергоемкой далеко не всегда является достаточным условием того, чтобы данный элемент был предметом обследования в первую очередь (раньше других элементов, менее энергоемких).

Несмотря на то, что в ряде случаев выбор "представительных" элементов проводится с учетом различных вспомогательных показателей, очень часто имеют место бездоказательные рассуждения, допускающие разное толкование, а наличие трудноформализуемых процедур приводит к усложнению решения задачи. Сегодня решение задачи "выбора", в основном, заключается в указании наиболее предпочтительного элемента, но не в упорядочении всех элементов по степени предпочтения.

В общем виде поставленная задача может быть сформулирована с привлечением известных методов математического описания сложных систем и соответствующих методов решения подобных задач (линейного и нелинейного программирования, динамического программирования, целочисленного программирования, методов стохастического программирования, теории игр и др.). Сложность решения таких задач известна, особенно в случае отсутствия полной информации, использования параметров, труднодоступных для измерения или не поддающихся формализации. Кроме того, часто имеет место явная несоизмеримость затрат на получение информации и сложных математических моделей процессов с возможным эффектом от их использования.

Удовлетворительное решение, находящееся в области допустимых (близких к оптимальному) с учетом имеющихся ограничений, может быть получено при использовании так называемых эвристических методов исследования. Эвристические процедуры основаны на опыте, практическом знании объекта исследования, его особенностей и представляют собой неоднородный набор приемов - как традиционных, так и придуманных. Эвристические методы решения позволяют получить за короткое время необходимый результат с приемлемой точностью, а для реализации их иногда необходимо построение достаточно простых моделей, использующих в качестве исходной информации как «числа», так и «слова».

Основные принципы эвристико кибернетического подход заключаются в следующем[31]: декомпозиция предприятия (образование исходного множества элементов) проводится в соответствии с поставленной общей задачей (по экономии топлива или электроэнергии, снижению суммарного энергопотребления и т.д.) при эвристическом пренебрежении слабыми связями между элементами и с учетом рассмотрения "узких" мест (например, возможная замена энергоносителя является признаком выделения соответствующего элемента в самостоятельный); агрегирование элементов (корректировка исходного множества элементов) проводится при малых различиях элементов; рассмотрение каждого элемента осуществляется с точки зрения выполнения общей задачи для предприятия в целом; модель состояния (исходного и возможного) элемента представляется в виде конфигураторного образа (т.е. оценка свойства элемента "в целом" проводится по его отдельным параметрам («проекциям»), математически описываемого аддитивной функцией; составляющие моделей исходного и возможного состояний элемента описываются на основе эвристик, отражающих фактическое состояние элемента и носящих интуитивно мотивированный характер, а значения и «вес» показателей состояния выражаются соответственно двумя предельными числами; функция предпочтения элемента формируется как функция, аргументами которой являются параметры исходных данных (функция исходного состояния) и параметры решения (функция возможного состояния).

Формирование математической модели организационного выбора последовательности элементов технологического процесса литейного производства и оптимизации ее факторов методом Парето

Вопросам разработки и построения математических моделей принятия управленческих решений, связанных с организацией производственных процессов посвящено большое количество работ российских и зарубежных ученых. Найти и обосновать оптимальное решение с помощью математического моделирования (в том числе с помощью определения и расчета показателей эффективности) возможно с помощью теории исследования операций. Существенный вклад в развитие теории исследования операций принадлежат таким ученым как Канторович Л.В., Гермейер Ю.Б., Бусленко В.П., Акофф Р. В основе задач исследования операции находится системный подход к построению моделей сложных систем.

В [20-21] рассматриваются организационные механизмы управления, нашедшие применение при управлении организационными системами различного масштаба и отраслевой специфики. Прикладные модели для решения задач управления активными системами подробно рассматриваются в [22].

Внедрение информационных систем управления, предназначенных для повышения качества управления предприятиями, рассматривается, например, в [51]. В [29,81]. Говорится об использования математических моделей при исследовании эффективности функционирования предприятий. Разработке информационных систем управления в сфере конструкторско-технологической подготовкой производства и его автоматизации посвящены работы [27,28,37,82-85].

При решении задач, связанных с эффективным управлением производственным процессом, строится эталонная модель, обеспечивающая эталонную точность, описывается структура и свойства реального процесса [54]. Задачей управления является построение целевой функции и нахождение ее оптимального значения при определенных ограничениях. В зависимости от поставленных целей в разных задачах либо проводят максимизацию функции «прибыли» (например, объем годных заготовок) [65,72] либо минимизацию «затрат» [86] (например, объем энергоресурсов).

При этом задается область допустимых решений в виде некоторой системы ограничений (например, напряженность плановых заданий в различный период времени). Классическая формулировка задачи одномерной оптимизации имеет следующий вид [42]: f (x) max (2.23) g (x) = 0, i = 1,..,m (2.24) Если знак функции f (x) заменить на противоположный, то задача максимизации преобразуется в задачу минимизации. Кроме того, векторов, являющихся решением задачи, может быть несколько – тогда речь идет о задаче многопараметрической оптимизации, целевая функция в этом случае зависит от многих переменных.

Сложность нахождения наилучшего значения целевой функции возрастает в том случае, когда необходимо учитывать не один критерий, а несколько критериев, различающихся между собой. Например, выбор оптимального объема выпуска заготовок предполагает учет таких критериев, как нормы затрат времени оборудования, нормы затрат ресурсов, пропускную способность литейного цеха и т.д. Такие задачи называются многокритериальными.

Для решения многокритериальных задач необходимо осуществлять их формализацию, которая связана с проведением экспертных оценок тех критериев, которые будут определены (одни критерии могут противоречить друг другу, другие могут не оказывать влияние на некоторые критерии, третьи могут усиливать эффект влияния друг на друга). Традиционный подход к решению задач многокритериальной оптимизации заключается сведении таких задач к однокритериальным. Например, известны такие способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным [42]: 1) Выделение главного критерия. В этом случае многокритериальная задача оптимизации сводится к задаче условной оптимизации. Из всей совокупности критериев выбирается наиболее «важный» и выполняется его оптимизация при условии того, что остальные критерии имеют значения не хуже некоторых фиксированных величин, которые считаются удовлетворительными. 2) Свертка критериев. В [53] исследуется применение различных сверток критериев оптимальности в задачах многокритериальной оптимизации. 2.1) Линейная свертка критериев. Для обозначения степени важности каждого критерия задаются некоторые весовые неотрицательные коэффициенты, и оптимизируется получившаяся линейная комбинация целевых функций. Это наиболее простой и часто применяемый способ.

2.2) Максиминная свертка критериев. Для каждого критерия задаются некоторые масштабирующие коэффициенты oi f и решается задача максиминной оптимизации, имеющая вид: Этот способ удобен в случае необходимости приведения всех целевых функций к единому масштабу, используя масштабирующий коэффициент, однако возможна потеря гладкости полученной целевой функции. 2.3) Минимизация линейной комбинации с неотрицательными весовыми коэффициентами относительно отклонений. Вычисляются максимальное и минимальное значения, которые может принимать каждая из рассматриваемых целевых функций на допустимом множестве, вычисляется амплитуда, абсолютное и относительное отклонения от максимума целевой функции в точке. Назначаются неотрицательные весовые коэффициенты. Задача сводится к минимизации линейной комбинации относительно определённых отклонений:

Пример формирования и реализации производственной программы литейным цехом

Путем тщательного анализа всех вышеперечисленных аспектов для каждой установки и системы можно добиться хороших результатов по экономии энергии, даже, если некоторые из них кажутся на первый взгляд неэффективными.

Рассмотрим некоторые из энергопотребляющих систем технологических процессов литейного производства.

Производство сжатого воздуха - это крайне неэффективный процесс. Около 90 % электроэнергии, расходуемой для производства сжатого воздуха, теряется в виде тепла. Менее 10 % расходуемой электроэнергии преобразуется в полезную энергию. Плохая конструкция и утечки в системе, в частности, утечки воздуха из трубопроводов распределения, способствуют дальнейшему снижению эффективности еще на 30-50 %.

Существует также проблема чистоты сжатого воздуха, Весьма актуальной является проблема подачи сжатого воздуха без примесей воды и масел.

Типичные возможности экономии в системах сжатого воздуха: самая основная возможность сэкономить электроэнергию, которой за питываются компрессоры системы сжатого воздуха - это устранить утечки из этой системы, особенно в системе распределения, включая утечки в емкостях и пневмоинструментах. Утечка воздуха через отверстие диаметром 1,6 мм при давлении в системе 7 Бар соответствует 3 /с или дополнительному расходу энергии, равному 1 кВтч; снижение нагрузки путем отключения неиспользуемого пневмоинстру-мента; предотвращение холостой работы при постоянной нулевой нагрузке. По возможности, компрессоры должны отключаться полностью; регулярная очистка всасывающего фильтра (падение давления на каждые 25 мБар по причине засоренного фильтра снижает эффективность работы компрессора на 2 %); если в одной и той же системе используются разные уровни давления, то можно рассмотреть возможность разделения этой системы на две или большее количество систем (например, при уменьшении давления на некоторых компрессорах на 2 Бара, можно сократить расход энергии на 15 %) [79]; совершенствование системы управления работой сети компрессоров для достижения оптимальной приоритетности процессов включения и выключения; в ряде случаев есть смысл изучить возможность замены пневмоинстру-мента инструментом с электроприводом; исследовать возможность отбора (восстановления) тепла при наличии тепловой нагрузки. Например, эффективно отбирая тепло от компрессоров системы сжатого воздуха, можно только за счет этого отапливать производственные помещения; в компрессор должен всасываться воздух, охлажденный до минимально возможной температуры. Увеличение температуры всасываемого компрессором воздуха на каждые 4 С увеличивает расход энергии на 1 %.

В современных компрессорах потребление энергии при холостом ходе составляет всего 30 % от потребления при полной нагрузке. В типичных компрессорах старых конструкций эта цифра составляет до 90 %.

Если управление насосами (в рассматриваемом процессе торцевой насос в вакуумно-раздаточной печи) неправильно организовано, то они могут серьезно увеличивать потребление энергии. Если насосы работают долго вхолостую, то они также существенно воздействуют на общее потребление энергии.

Изучите реальную потребность в перекачке насосами. Изучите, изменилась ли нагрузка после того, как была спроектирована и установлена система насосов.

Изучите основную нагрузку (тепловую, охладительную или транспортную). Исследуйте временной график этой нагрузки на протяжении дня, недели, года. Очень часто системы эксплуатируются с чрезмерной производительностью на протяжении длительного времени, либо наоборот, они долго работают недогруженными.

Основываясь на реальной нагрузке насоса, нужно соответственным образом подстроить его производительность. Зачастую управление производительностью основывается на принципе временной зависимости. Это достигается путем ручного управления или автоматически, с помощью часового механизма. В случае ручного управления важно, чтобы органы управления находились в пределах досягаемости операторов. Опыт показывает, что управление производительностью должно быть автоматизировано, и установки этой автоматики должны проверяться достаточно часто. Управление скоростью потока для поддержания определенного уровня давления может привести к очень значительной экономии. Малозатратные организационные мероприятия[57,58]: заменяйте малопроизводительные насосы более высокопроизводительными с высоким КПД; максимально загружайте насосы. Наименьший удельный расход электроэнергии наблюдается при максимальной подаче насоса; замените насос, если характеристика трубопровода не соответствует его паспортным данным; повышайте КПД насосов до их паспортных значений установкой новых уплотнений и тщательной балансировкой рабочих колес; если мощность электродвигателя выше мощности, потребляет насосом, в 1,2-1,25 раза, то он работает в режиме с максимальным КПД. Кроме того, улучшайте конструкцию системы, для чего: рассмотрите потери давления в системе. Потери из-за трения жидкости в трубах можно уменьшить на 75 % при увеличении диаметра трубы на 50 %.

Для того чтобы обеспечить эффективную с точки зрения энергетики работу насосов на предприятии, необходимо обеспечить их постоянное и систематическое обслуживание. Система насосов должна быть включена в общую систему энергетического менеджмента предприятия, и ключевые данные по ним должны собираться и обрабатываться.