Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Производство листового стекла и его воздействие на окружающую среду 3
1.1 Процессная модель производства листового стекла и идентификация процессов
1.2 Анализ экологического жизненного цикла листового стекла и негативных воздействий производства на окружающую среду І5
1.3. Постановка задачи управления производством листового стекла с учетом воздействий на окружающую средуго
Выводы по главе 1 25
Глава 2. Анализ технологического процесса производства листового стекла и обеспечение выработки качественной продукци при экономном использовании сырьевых и энергетических ресурсов
2.1 Анализ зависимости отходов производства от режима работы технологического оборудования в
2.2 Анализ зависимости расхода газа на варку стекла от состава шихты и режима варки
2.3 Анализ влияния режима варки-выработки стекла и состава шихты на коэффициент использования стекла в технологическом процессе 39
2.4 Методика выработки целевых и плановых экологических показателей по экономии расхода газа в производстве листового стекла
Выводы по главе 2 $1
Глава 3 Анализ и выработка предложений по уменьшению негативных воздействий технологического процесса производства стекла на окружающую среду $2
3.1 Анализ и моделирование негативных воздействий производства листового стекло на окружающую среду
3.2 Прогнозирование будущих значений негативных воздействий производства на ОПС с использованием моделей одномерных временных рядов ^9
3.3 Исследование и разработка процедуры поддержки принятия решений по уменьшению негативных воздействий производства стекла на окружающую среду -
Выводы по главе 3 77
Глава 4 Исследование и разработка алгоритмов управления производством листового стекла -7 А
4.1 Исследование и разработка алгоритмов управления загрузкой шихты и боя в стекловаренную печь 75
4.2 Исследование и разработка алгоритмов управления расходом сырьевых и энергетических ресурсов в процессе варки-выработки листового стекла 91
4.3 Идентификация потерь при технологических переходах и пути повышения КИС в производстве листового стекла ^4
Выводы по главе 4 і о s
Заключение - ^
Список литературы
- Процессная модель производства листового стекла и идентификация процессов
- Анализ зависимости отходов производства от режима работы технологического оборудования
- Анализ и моделирование негативных воздействий производства листового стекло на окружающую среду
- Исследование и разработка алгоритмов управления загрузкой шихты и боя в стекловаренную печь
Введение к работе
В эпоху глобализации и сливания национальных рынков в единую общемировую торговую площадку, предприятия открыто сталкиваются друг с другом в конкурентной борьбе. Эта борьба заставляет конкурирующие стороны находить новые методы обеспечения и повышения конкурентоспособности предоставляемых ими продукции и услуг.
В рыночных условиях эффективность деятельности предприятия определяется двумя параметрами: качеством и ценой [1]. Цена, безусловно, отражает качество. Спрос на продукцию и услуги определяется соотношением «цена/качество». В конкурентной борьбе, побеждает тот, у кого при сопоставимой цене выше качество.
В течение последних 5 - 10 лет в мире наблюдается рост осознания того, что эффективное управление окружающей средой является важным фактором решения основных задач организаций, тесно связанных с системой менеджмента качества. Различные организации становятся все более заинтересованными в том, чтобы добиться достаточной экологической эффективности и демонстрируют воздействие своей деятельности, продукции или услуг на окружающую среду с учетом своей экологической политики и целевых экологических показателей [2].
Переход России к рыночной экономике, конкурентная среда в условиях рынка обязывают руководителей стекольных производств уделять большое внимание проблемам качества, охраны окружающей среды, профессиональной безопасности и охраны труда. Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт.
Решение задач управления качеством и охраной окружающей среды связано с особенностями протекающих технологических процессов.
Стекольное производство относится к числу энергоемких производств,
характеризуется непрерывностью процессов и их многотоннажностью;
отличается консервативностью. Не смотря на достаточно высокий уровень
автоматизации в технологическом процессе, еще преобладают ручные
приемы управления. Технологические процессы производства являются
многостадийными, характеризуются взаимообусловленностью
технологических стадий, динамичностью, изменчивостью во времени, неоперативностью поступления информации о свойствах и качестве выпускаемой продукции [4].
Стекольное производство как объект управления характеризуется обусловленностью поведения окружающей средой (поставка сырьевых материалов, энергетических ресурсов, влияние рынка и др.), характером целевой установки (устойчивостью и эффективностью), что определяет открытость системы и взаимосвязь со средой.
Вопросам управления качеством, охраной окружающей среды посвящены исследования ученых разных стран: Никифорова А.Д., Федюкина В.К., Шухарта В., Дёминга Э. и др. Серьезную основу для развития теории управления качеством и концепции ИСМ, прежде всего применительно к стекольному производству, заложили труды отечественных академиков в области химической технологии и стекольного производства Кафарова В.В., Китайгородского И.И., Саркисова П.Д., академика в области теории систем и управления Прангишвили И.В.
Накоплен значительный опыт в области интеграции систем управления, важность внедрения ИСМ для предприятий России отражена в работах Адлера Ю.П., Бочарова В.В., Василевской СВ., Гусевой Т.В., Кострова А.В., Макарова Р.И., Свиткина М.З., Тарбеева В.В. и др. В текущем году появилась работа Хорошевой Е.Р., посвященная теоретическим основам построения интегрированных систем управления промышленных предприятий (на примере стекольных заводов) [3].
Борский стекольный завод имеет богатые традиции в области управления качеством продукции и природоохранной деятельности.
В последние годы в ОАО «Борский стекольный завод» проделаны большие работы по совершенствованию технологических процессов производства листового стекла, их интенсификации, механизации и автоматизации, расширению ассортимента и повышению качества продукции [5, 6, 7]. 26 сентября 2002 года завершены два крупнейших инвестиционных проекта на сумму более 50 млн. долларов. В рамках проекта проведены холодные ремонты второй (в 2000 г.) и первой (в 2002 г.) флоат-линий. Сегодня ОАО «Борский стекольный завод» имеет самое современное оборудование. Это позволяет значительно улучшить качество продукции и повысить производительность технологических линий. Все технологические переделы завода соответствуют требованиям высокого технического уровня.
Проведены большие мероприятия по охране окружающей среды:
введены в эксплуатацию очистные сооружения, позволившие производить
очистку воды для производственных нужд в замкнутом цикле, сократив
забор и выброс воды в р. Волга, введен в эксплуатацию полигон
промышленных отходов, одновременно успешно проведена рекультивация
старого полигона. Для использования тепла отходящих газов от
стекловаренных печей установлены котлы- утилизаторы. В производстве
шихты устанавливаются современные высокоэффективные
пылеулавливающие установки, проводится реконструкция систем аспирации и т.д. [8].
Целью диссертационной работы является дальнейшее повышение качества вырабатываемого стекла, контролируя воздействия производства на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ технологического процесса производства листового стекла и идентификацию воздействий производства на окружающую среду.
2. Разработать математические модели, описывающие качество
продукции, расход сырьевых материалов, энергетических ресурсов,
воздействий производства на окружающую среду.
3. Оценить эффективности использования статистических методов и
моделирования для контроля и управления технологическим процессом
производства листового стекла и воздействиями производства на
окружающую среду.
4. Разработать алгоритмы управления и принятия решений в
производстве листового стекла с учетом воздействий на окружающую среду.
Основные обозначения и сокращения, используемые в работе
БСЗ - Борский стекольный завод;
BMP - вторичные материальные ресурсы;
ИСМ- интегрированная система менеджмента;
КАФ - кислородно-азотная фракция;
КИС - коэффициент использования стекла;
ЛПС - линия производства стекла;
ОАО - открытое акционерное общество;
ОЖЦ - оценка жизненного цикла;
ОПС - окружающая природная среда;
ОЭЖЦ - оценка экологического жизненного цикла;
ПДВ - предельно допустимые выбросы;
ПДК- предельная допустимая концентрация;
ПДС - предельно допустимое содержание;
СМК - система менеджмента качества;
СЭМ - система экологического менеджмента;
СТП - стандарт предприятия;
СУОС - система управления окружающей средой;
ХПК - химические поглотители кислорода в сточных водах после прохождения очистных сооружений;
IDEF0 - методология, используемая для моделирования бизнес-процессов.
Процессная модель производства листового стекла и идентификация процессов
Схема технологического процесса производства листового стекла представлена на рисунке 1Л. На производстве функционируют две линии по производству полированного стекла, это-1ЛПС и 2ЛПС. Подготовленная шихта поступает из цеха приготовления шихты, возвратный бой - с технологических линий 1ЛПС, 2ЛПС и цехов промышленной переработки стекла. Технологические процессы, протекающие на линиях 1ЛПС и 2ЛПС, характеризуются относительной автономностью. Связь между процессами в линиях строится на основе материальных балансных соотношений по объему сваренной стекломассы в ванных печах. Линия 1ЛПС работает в «регулировочном» режиме с частыми переналадками на выработку стекол разных толщин. На этой линии также вырабатывают цветное стекло. Режим работы линии 2ЛПС характеризуется стационарностью протекающих процессов с редкими переходами на выработку стекол разных толщин.
Качество вырабатываемого стекла и экономические показатели производства во многом определяются ритмичной работой цехов. Особенностью изучаемого процесса является невозможность контроля процессов, протекающих в каждой отдельной стадии производства из-за фазовых превращений стекла в процессе его варки и формования ленты на расплаве олова. Свойство стекла и содержащиеся в нем пороки выявляются в процессе контроля на входе цеха холодного стекла. Это накладывает особые требования на алгоритмы контроля и коррекции режимов работы технологического оборудования.
Решение задачи усложняется также из-за существенной разницы инерционности объектов управления. Инерционность стекловаренных печей по каналам управления и возмущений по составу шихты достигает 5-й суток, а флоат-ванны и печи отжига не превышает десятков минут, что позволяет рассматривать их как безынерционные объекты управления.
Адекватно отобразить процессы, протекающие на производстве, возможно с помощью моделирования - методологии и программного инструментария описания и анализа процессов, позволяющих представить всё множество процессов производства в виде набора диаграмм, отображающих выполняемые процессы, а также связывающие их материальные и информационные потоки и требуемые ресурсы. Для создания процессной модели производства листового стекла была использована методология IDEF0 [11, 12]. Модель IDEF0 технологического процесса производства листового стекла (декомпозиция контекстной диаграммы) приведена на рис. 1.2. Диаграмма АО состоит из шести блоков (процессов): приготовить шихту, варить стекломассу, формовать ленту стекла, отжечь ленту стекла, резать ленту и распределить потоки стекла, упаковать стекло, помеченные номерами 1-6.
По отношению к процессному подходу понятие «идентификация» рассматривается как создание модели процесса и ее использование для нахождения оптимальных параметров процесса. Нахождение оптимальных параметров процесса - систематическая задача, которая должна решаться на протяжении всего времени существования процесса [13]. С точки зрения идентификации, для процессов производства листового стекла определялись: 1) параметры на входе и выходе процесса; 2) данные, по которым можно судить о ходе процесса - режимные переменные, расходы энергии и материалов, производительность и т.п.; 3) устанавливался критерий качества выполнения процесса и др. Свойства вырабатываемого стекла и возможные пороки в нем зависят от качества шихты, режима стекловарения, формования ленты и отжига, резки и раскроя. Существенно влияют на качество геометрические размеры ленты и производительность линии по выработке стекла. Матрица смежностей, отражающая эту зависимость, приведена в таблице 1.1 [10].
После построения процессной модели производства листового стекла решалась задача определения прослеживаемости производимой продукции по всей технологической цепочке. Каждый участок процесса производства анализировался на предмет того, как он влияет на качество вырабатываемого стекла. По результатам анализа процессной модели решался вопрос настройки процессов на обеспечение стабильности качества вырабатываемой продукции.
Анализ зависимости отходов производства от режима работы технологического оборудования
Важнейшим показателем работы производства является выход годного стекла (КИС), который зависит от отходов в процессе производства листового стекла. С увеличением отходов выход годного стекла уменьшается. Поэтому важно проводить анализ отходов и выявлять причины их появления. Это позволит выработать эффективные управленческие решения по уменьшению отходов и увеличению КИС в производстве.
Отходы в производстве вызываются разными причинами, которые можно условно разделить на следующие виды: технологические; зависящие от качества ведения процессов; отходы по причине оборудования; отходы по организационным причинам.
Технологические отходы возникают при отломке бортовых участков листов стекла, процент отходов практически остается неизменным. К этой группе можно отнести отходы, возникающие при переналадке линии на выработку стекла других толщин. В переходном режиме качество стекла не удовлетворяет требованиям. Это стекло направляется в бой для повторного использования в процессе варки.
К виду отходов, зависящих от качества ведения процессов, относятся: - пороки варки (пузыри, свиль, камни и др.) - Качество /; - пороки формования ленты стекла (кристаллизация, хлопья олова, разнотолщинность, «Зебра», шаговые натиры и посечки от валов, нехватка ширины борта и др.) - Качество 2; - качество отжига (остаточные напряжения, кривизна, плохая резка стекла) - Отходы пера; - отходы резки и раскроя ленты стекла (посечки, трещины, заколы, царапины с поперечной отрезки, отходы раскроя) - Отходы главной линии.
Эти виды отходов поддаются управлению, их можно уменьшить оптимизацией режима работы и соответствующей настройкой технологического оборудования линии.
К виду отходов по причине оборудования относятся отходы, вызываемые остановом или поломкой оборудования в горячем и холодном цехах производства - Отходы по причине оборудования цеха. Этот вид отходов может быть уменьшен надлежащим содержанием и эксплуатацией оборудования.
Отходы, вызываемые организационными причинами, возникают по вине рабочего вследствие останова или поломки оборудования в горячем и холодном цехах - Организация. Уменьшение отходов возможно путем обучения рабочих.
Причины, порождающие отходы, многообразны. Для их выявления и анализа воспользуемся методами многомерного статистического анализа [20]. Для анализа использовали данные КИС о работе линии 1ЛПС в течение 2005г.
Как было показано в работе Молодкина А.В. [12], ранжированный ряд, построенный по убыванию отходов, выглядит следующим образом: отбортовка, качество 1, отходы лера, переходы, качество 2, оборудование горячего цеха, оборудование холодного цеха, главная линия. С качеством ведения технологического процесса варки-выработки стекла связаны отходы: качество 1, отходы лера, качество 2. Доля отходов, связанная с процессом резки и раскроя стекла незначительная, не превышает 0,08%. Поэтому в диссертационной работе основное внимание будет уделено анализу процесса варки-выработки стекла с целью выявления причин и выработки корректирующих действий по уменьшению отходов и повышению КИС в производстве.
Для анализа характера изменения КИС и отходов, возникающих на участке варки-выработки 1ЛПС, построим соответствующие графики, приведенные на рисунках 2.1-2.4. Как следует из данных табл.2.1 процесс выработки стекла сопровождается нестабильностью отходов, коэффициент вариации которых изменяется в диапазоне от 195 до 435%.
Отходы вида Качество 1 возникают при варке стекла. При построении модели в качестве влияющих факторов рассматривали свойство и показатели качества стекла, параметры шихты и режим варки.
На основе множественного корреляционного анализа был определен набор факторов, влияющий на отходы варки стекла [21]. На отходы вида Качество 1 влияют следующие факторы: температура стекломассы в печи по показаниям донных термопар, С; плотность вырабатываемого стекла, г/см ; нерастворимые остатки в шихте, %; расход газа, м /час; компоненты химического состава стекла, К20, Fe203, Si02, Na20 в %; нерастворимые остатки, % и карбонаты в шихте, %.
При построении модели встречались аномальные данные, которые не учитывались в регрессионном анализе. Число отброшенных данных не превышало 5-6%. После отбрасывания существенно изменились статистические характеристики анализируемой выборки: число наблюдений -345, среднее значение отходов Качество 1 -2,69%, стандартное отклонение -1,79%, коэффициент вариации-68%.
С учетом ограниченного диапазона изменения факторов в анализируемой выборке была выбрана линейная структура модели [4, 12]. С использованием программы Statgraphics Plus была разработана следующая регрессионная модель: Качество 1(0=428,1-12,8Отб(0-195,6Пл(/-3)-0,00044Ог(ґ-3)-4,38Ск(М)+ +12,96С 2О(М)-О,О140см1И), (2.1) где t - время в сутках; Пл- плотность стекла;
Отб - отходы в результате удаления бортов ленты стекла; вт\ - температура стекломассы в печи по показаниям 1-ой донной термопары; Сна2о - компоненты химического состава стекла; Ск - содержание карбонатов в шихте; QT - расход газа на стекловаренную печь.
Полученная модель (2.1) адекватно описывает статистические данные: расчетное значение критерия Фишера Fp=18,7 больше критического F=2,13 для уровня значимости 5%, числа степеней свободы 6 и 338.
Качество модели оценивается по величине коэффициента детерминации, который получился равным R =25%. Значение коэффициента показывает на невысокую точность описания отходов вида Качество 1 выбранными факторами. Стандартная ошибка модели равна 1,56%, средняя абсолютная ошибка 1,2%.
Для оценки влияния выбранных факторов на отходы стекла Качество 1 рассчитаем частные коэффициенты эластичности Э(/) по формуле: Э-1 = bfxicp/ycp, (2.2) где Ь[ - значение коэффициента в модели при /-м факторе; xicp - среднее арифметическое значение /-го фактора в наблюдениях; уср - среднее арифметическое значение результирующей переменной.
Анализ и моделирование негативных воздействий производства листового стекло на окружающую среду
Завершающим этапом системных исследований является принятие решений [32]. Целями исследований является согласование технико экономических показателей производства листового стекла с обязательствами по уменьшению негативных воздействий на ОПС, предусматривающими: минимизировать вредное воздействие от результатов деятельности производства на окружающую среду; экономно использовать все ресурсы (материалы, топливо, электроэнергию, воду и др.); снижать отходы производства.
Выполненные исследования и разработанные математические модели, описывающие отходы производства, расход топлива, коэффициент использования стекла в производстве позволяют сгенерировать альтернативы, на которых предстоит осуществить выбор. В процессе принятия решений осуществляется анализ альтернативных способов действий с использованием критериев оценки, приводящих к достижению заданных целей [32]. В качестве показателей эффективности будем рассматривать отходы производства и коэффициент использования стекла. Таким образом, имеем двухкритериальную (с векторным критерием) задачу принятия решений с полностью заданной исходной информацией.
Критериальный подход предполагает, что каждую отдельную альтернативу можно оценить численно или сопоставив ее векторный критерий [32]. В этом случае сравнение альтернатив сводится к сопоставлению соответствующих им векторов. Элементами вектора являются числа с непрерывной, ограниченной областью определения. Так, значение КИС может изменяться (теоретически) от 0 до 100%. Отходы производства имеют область определения, ограниченную снизу 0%.
Проведем анализ характера изменения КИС при выработке стекла на линии ІЛПС в течение 2005г. Гистограмма изменения КИС приведена на рисунке 3.5.
Как видно из рисунка, форма распределения отклонена вправо. Правая сторона имеет вид формы «обрыва», а длинная часть лежит слева от центра. Гистограмма отображает внешний вид распределения, которая отличается от нормального закона. Однако она не дает числовых данных о центре распределения, величине разброса, симметрии между левой и правой сторонами распределения. Численные данные были получены путем обработки результатов наблюдений с помощью программы Statgraphics Plus: - число наблюдений 365; - среднее значение 85,25%; - стандартное отклонение 11,14%; - минимальное значение 11,9%; - максимальное значение 95,11%; - показатель асимметрии -27,64; - эксцесс распределения (вершинность) 57,89.
Для повышения среднего значения КИС необходимо уменьшить длинную часть гистограммы, лежащую слева от центра распределения. Это возможно за счет уменьшения разброса КИС путем выполнения соотношения КИС 70%.
Таким образом, для повышения коэффициента использования стекла в производстве необходимо принять меры по уменьшению разброса и смещению центра распределения КИС.
Рассмотрим альтернативные варианты принятия решений по смещению центра распределения. Для генерации альтернативных вариантов воспользуемся созданными в главе 2 регрессионными уравнениями (2.1), (2.4), (2.5), (2.9). С учетом анализа влияния факторов, входящих в структуру регрессионных уравнений, составим вербальную модель, отражающую статистические зависимости отходов производства, КИС от состава шихты и стекла, а также от режима работы технологического оборудования. Разработанная модель представлена в табличной форме (табл.3.8).
Исследование и разработка алгоритмов управления загрузкой шихты и боя в стекловаренную печь
Декомпозиция задачи управления технологическим процессом производства листового стекла может выполняться на основе анализа затрат в производстве. Рассмотрим эту задачу на примере управления производством полированного стекла. Анализ процентного содержания материальных и энергетических потоков в технологической составляющей себестоимости стекла показывает на большие затраты, связанные с ведением процесса варки стекла в ванной печи. Эти затраты достигают 93,3 - 97, 8 % в общей технологической себестоимости стекла. Остальные 6,7 - 2,2 % включают затраты электрической энергии и вспомогательных материалов на ведение технологического процесса в ванне с расплавом олова, печи отжига, а также на резку, раскрой и упаковку стекла [4]. Результаты анализа показывают на необходимость первоочередной автоматизации управления процессов на участке варки-выработки полированного стекла. В результате декомпозиции задачи управления по критерию затрат и функциональному признаку можно выделить две подсистемы управления: управление участком варки-выработки листового стекла и управление участком резки-упаковки.
Цеховая себестоимость отсортированного полированного стекла складывается из затрат на производство полированного стекла на участке варки-выработки и затрат на участке резки-упаковки. Критерии минимума затрат на технологических участках согласуются с общим критерием управления технологическим процессом производства полированного стекла по минимуму общих затрат. В работе исследуются технологические процессы, протекающие на участке варки-выработки в производстве листового стекла.
Для формализации задач управления технологическим процессом производства листового стекла создаются математические модели для записи критериев управления и ограничений, накладываемых на показатели качества вырабатываемого стекла. Сложность процессов, протекающих в основном технологическом оборудовании, случайный характер изменения переменных процесса и показателей качества вырабатываемого стекла определяет необходимость использования статистических методов для построения моделей показателей качества вырабатываемого стекла, расхода сырьевых материалов и энергетических ресурсов, коэффициента использования стекла в производстве.
Эффективность применения математических методов, моделирования и ЭВМ для описания технологического процесса варки-выработки листового стекла, в решении задач управления основным технологическим оборудованием и участком варки-выработки показана в работах профессора Макарова Р.И. и его учеников [39,37,38,40, 36, 8, 6, 41,42,43].
В работе исследуется эффективность управления производством листового стекла с учетом влияния его на ОПС в части экономного использования сырьевых и энергетических ресурсов при обеспечении высокого качества вырабатываемого стекла.
Существенную роль в интенсификации процесса стекловарения и снижения себестоимости изделий из стекла играет стеклобой. Частичная замена шихты стекольным боем ускоряет процесс варки стекла, снижает удельный расход топлива, уменьшает количество пылевидных выбросов в атмосферу, а также приводит к экономии дефицитного щелочесодержащего сырья и продлению срока службы стекловаренных печей. Традиционно содержание стеклобоя в шихте составляет 10-30% и меняется в зависимости от назначения стекла и вида выпускаемой продукции.
Известно несколько вариантов схем дозированной подачи шихты и боя в стекловаренную печь. Более равномерная подача шихты и боя в стекловаренную печь обеспечивается при загрузке шихты на подслой боя с помощью роторных загрузчиков или при конвейерной подаче, когда создание слоев шихты и боя на ленте достигается путем задания определенной производительности питателей шихты и стеклобоя [44]. Но и в этих вариантах поддержание соотношения шихтахтеклобой вследствие отсутствия весового контроля осуществляется со случайными погрешностями и большими отклонениями расхода дозируемых материалов.
Колебание насыпной плотности загружаемых в стекловаренную печь сырьевых материалов при дозировании роторными загрузчиками приводит к изменению соотношения весовых расходов шихты и стеклобоя, что в свою очередь нарушает температурный режим их плавления и изменяет положение границы варочной пены по длине печи. Поэтому для стабилизации процесса варки стекла необходимо обеспечение точного соотношения стеклобой: шихта по массе.
Эта задача может решаться, например, за счет использования дозировочного комплекса стеклобоя КДСБ и непрерывного пропорционального дозатора ДНП-20К, выпускаемых ЗАО "Стромизмеритель" [45].
Похожие диссертации на Исследование и разработка системы управления производством листового стекла с учетом экологических аспектов
