Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ теоретических исследований и практики в области управления работой промышленного транспорта металлургических предприятий 8
1.1. Особенности функционирования промышленного транспорта в современных условиях 8
1.2. Основные черты процесса взаимодействия транспорта и производственных подсистем 12
1.3. Обзор исследований в области управления транспортными процессами 14
1.4. Цель, задачи, методы исследования 19
2. Исследование транспортного обслуживания доменного и сталеплавильного производств металлургических предприятий 24
2.1. Анализ затрат на перевозке жидкого чугуна в сталеплавильное производство 24
2.2. Определение приоритетов транспортного обслуживания производственных подсистем 28
2.3. Расчет интервалов регулирования продолжительности технологических и транспортных операций 34
2.4. Выбор способов изменения продолжительности основных технологических операций 37
3. Модель согласования ритмов работы транспорта и основных производств металлургических предприятий 49
3.1. Формализация структуры металлургического предприятия 49
3.2. Формализованное описание технологических процессов металлургического предприятия 53
3.3. Основные принципы построения модели 70
3.4. Реализация модели на ЭВМ 77
Методика оптимизации взаимодействия транспорта с основными производственными подсистемами и эффективность ее внедрения в управление технологическим процессом металлургического предприятия 96
4.1. Методика оптимизации взаимодействия транспортно-производственных подсистем металлургического предприятия 96
4.2. Исследование способов управления работой конкретного металлургического предприятия 105
4.3. Расчет показателей применения гибкой технологии 110
Выводы по работе 120
Список использованных источников 122
- Основные черты процесса взаимодействия транспорта и производственных подсистем
- Расчет интервалов регулирования продолжительности технологических и транспортных операций
- Формализованное описание технологических процессов металлургического предприятия
- Исследование способов управления работой конкретного металлургического предприятия
Введение к работе
Постоянное изменение межотраслевых связей и, как следствие, нестабильность на рынках сырья и потребления приводит к увеличению неравномерности поставок сырья, его качества, периодичности изменения сортамента готовой продукции предприятий. В связи с этим наблюдаются значительные колебания загруженности транспортных и производственных подсистем, рассогласование их ритмов работы. Такие условия функционирования ведут к росту затрат, связанных с дополнительным простоем оборудования и технических средств, необходимостью увеличения сроков хранения грузов. Наиболее характерна такая ситуация для предприятий черной металлургии, где в различной степени изменяется неравномерность протекания технологических процессов, происходит рассогласование ритмов работы основных переделов: доменного и сталеплавильного, влияющих в наибольшей степени на эффективность функционирования всего предприятия, возникают задержки и сбои в их работе из-за снижения надежности транспортного обслуживания. Только вследствие несогласованности в работе доменного передела со смежными подсистемами и транспортом ежесуточно недодается с каждой доменной печи один - два выпуска чугуна. По этой же причине потери температуры жидкого чугуна при его перевозке в сталеплавильное производство составляют до 200 С и больше. В связи с этим увеличиваются затраты сталеплавильного производства из-за использования дополнительных энергетических ресурсов для выплавки стали. Кроме того, железнодорожный транспорт, осуществляющий взаимодействие производственных подсистем, из-за несогласованной их работы вынужден содержать до 30 % резервного парка подвижного состава, что увеличивает его издержки. Общие потери по вышеназванным причинам на различных металлургических
причинам на различных металлургических предприятиях страны составляют до 20 - 45 %, а энергетические - до 15 % от суммарных.
Усиление конкуренции между металлургическими предприятиями делает актуальным повышение качества выпускаемой продукции и снижение ее себестоимости за счет увеличения эффективности производственных процессов и снижения суммарных затрат. Для повышения конкурентоспособности предприятий также необходимо улучшение работы с клиентами, что может быть достигнуто за счет уменьшения сроков выполнения заявок и конкретизации времени отгрузки готовой продукции. В связи с этим возникает необходимость в постоянном изменении и корректировке ритмов работы основных металлургических переделов. При этом, существующее жестко регламентированное взаимодействие между подсистемами предприятия в виде графиков выполнения транспортных, технологических и грузовых операций теряет свою организующую роль и не обеспечивает снижение затрат на производство, прежде всего энергетических.
Таким образом, одним из способов повышения эффективности работы предприятий черной металлургии является оптимизация взаимодействия промышленного транспорта с основными производственными подсистемами за счет согласования их ритмов работы.
В этой связи в работе ставится цель - разработка методики оптимизации взаимодействия промышленного транспорта и основных металлургических производств на основе согласования ритмов их работы для повышения эффективности функционирования всего металлургического предприятия.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
проанализировать особенности взаимодействия транспорта и основных металлургических производств, оценить суммарные потери от их несогласованности в работе;
определить возможности изменения и пределы регулирования продолжительности основных технологических и транспортных операций с учетом их взаимосвязи;
разработать оптимизационную модель работы транспорта и основных переделов металлургического предприятия, обеспечивающую минимум суммарных потерь на выпуск готовой продукции в условиях изменяющейся потребности в готовой продукции и сырье;
разработать методику определения рабочего парка внутризаводского подвижного состава, обеспечивающую минимальные производственно-транспортные затраты на выпуск готовой продукции;
разработать методику согласования ритмов работы элементов производственно-транспортной системы (ПТС) металлургического предприятия, позволяющую минимизировать затраты на транспортирование и переработку технологических потоков, а также рассмотреть ее практическое применение.
Предлагаемая методика должна быть ориентирована на снижение суммарных потерь металлургического производства за счет согласования ритмов работы транспорта и основных производственных подсистем путем рационального использования резервов всех участников технологического процесса. Внедрение методики должно обеспечить повышение эффективности работы металлургического предприятия за счет приведения в соответствие рабочего парка технологического подвижного состава с мощностью обслуживаемых производств, снижения себестоимости производства стали, а также прогнозирования текущих затрат.
Основные черты процесса взаимодействия транспорта и производственных подсистем
По мере увеличения технологических агрегатов, мощности предприятий, а также роста затраты на процесс производства потребовались совершенствования организационных форм взаимодействия транспорта и производственных подсистем / 32, 48, 60, 63, 70, 144 /.
В настоящее время в качестве формы организации межпроизводственного взаимодействия применяют контактные и нормативные графики, которые должны увязывать воедино работу транспорта, технологических агрегатов и грузовых устройств. Главной особенностью этой формы является жесткость, поскольку она разработана для усредненных расчетных условий в одном варианте. В соответствии с этим положением, управление взаимодействием транспорта с производственными подсистемами предприятия направлено, в основном на поддержание выбранного режима работы, отображенного в графиках. Однако, реальная эксплуатационная обстановка далеко не соответствует условиям, на основании которых разрабатываются контактные и нормативные графики. Именно поэтому они зачастую «ломаются», теряют свою организующую роль. Исследованиями / 49, 67, 112, 141 / установлено, что реально графики выполняются лишь на 25 - 40 %.
Как отмечено в / 3 /, уменьшение доли технологических затрат на выпуск единицы готовой продукции в настоящее время практически не дает ощутимого эффекта. Естественно предположить, что одна из основных причин этого заключается в потере того влияния на снижение нетехнологических издержек, которое оказывало в процессе развития производства совершенствование технологии. В условиях неравномерности производственных процессов основой организации взаимодействия подсистем предприятия все больше становится оперативное управление, выработанное в практике работы диспетчеров. Согласно / 1 /, основными мероприятиями, применяемыми на практике для осуществления организации взаимодействия производственных подсистем, являются: - ускорение протекания технологических процессов; - ускорение выполнения транспортных операций; - ускорение производства грузовых операций; - использование в исключительных случаях резерва вспомогательных средств (подвижного состава, грузового оборудования).
Таким образом, практика является одним из аргументов в пользу возможности и целесообразности гибкой организации работы промышленных систем.
Возможность реализации вышеперечисленных мероприятий обусловлена тем, что продолжительность технологических, транспортных и грузовых операций не является постоянной величиной и может изменяться в определенных пределах. На сегодняшний день отсутствует достаточно строго обоснованная методика согласования ритмов работы транспорта и производственных подсистем, устанавливающая длительность их перехода на другую технологию и глубину прогноза.
В настоящее время качество принимаемых решений по управлению работой производственных и транспортной подсистем предприятия зависит, в основном, от личного опыта и интуиции работников / 38 /. Кроме того, основные практические мероприятия, приведенные выше, направлены лишь на увеличение производительности, что говорит об односторонней ориентации практического управления производственными процессами. Все это не гарантирует правильность принимаемых решений в сложных производственных ситуациях. Положение усугубляется высокой интенсивностью потока поступающей к диспетчерам информации (до 250 сообщений в час). Можно предположить, что гибкая технология могла бы применяться на практике гораздо шире, чем это делается сейчас. Однако, ввиду отсутствия методики, позволяющей принимать решения, прямой заинтересованности в кооперировании деятельности со смежными производственными подсистемами, диспетчер стремится освободиться от дополнительных функций, связанных с согласованием технологических ритмов работы. Дать количественную оценку ущербов от ошибок в управлении или размер эффекта от внедрения гибкой технологии не представляется возможным в виду отсутствия подобных исследований. Однако, можно отметить, что в целом перерасход средств, в особенности энергоресурсов, достигает значительных величин. Например, изучение работы доменного и мартеновского цеха ММК показало, что производство стали может быть увеличено в среднем на 20 % только за счет своевременного выпуска чугуна из доменных печей и сокращения потерь его температуры при транспортировании на30С/118/.
Транспортные процессы всегда играли ведущую роль в функционировании металлургических предприятий. В частности, в / 17 / утверждается, что работа основных переделов зависит от ритмичной работы транспорта «... которая может быть достигнута только при организации его работы по графику». Такая же мысль высказывается и в работах / 30, 31,39,41,54, 55,82, 110, 116, 117, 138, 139/.
Действительно, в 1938 году, когда был разработан и внедрен первый в стране контактный график на ММК, это было большим шагом вперед в области управления как транспортными так и производственными процессами. Жесткое нормирование продолжительности транспортных, основных технологических и грузовых операций позволило упорядочить работу металлургического предприятия. Однако, было бы неверно рассматривать развитие управления транспортными процессами и исследования в этой области обособленно от историко - политического развития нашего государства. Не случайно контактный график проявился в период применения командных методов управления, подразумевающих использование только жестких форм воздействия.
Позднее многие ученые пришли к выводу, что в условиях неравномерности «жесткие» формы организации транспортных процессов становятся малоэффективными / 5, 10, 12, 18, 19, 41, 50, 53, 62, 69, 71, 111 /. Отличительной чертой этих работ является учет динамики производственных и транспортных процессов, комплексный подход к решению задач управления, сказывающийся в учете интересов транспорта и производства. Авторами определены необходимые резервы транспорта, предложены новые формы организации обслуживания производственных подсистем в условиях неравномерности, позволяющие с соответствующим уровнем надежности обеспечивать их перевозками.
Расчет интервалов регулирования продолжительности технологических и транспортных операций
Продолжительность транспортных и технологических операций металлургического производства теоретически является величиной постоянной, поэтому предприятие должно работать в определенном режиме. Исходя из этого, согласование ритмов работы производственных подсистем должно производиться только на стадии проектирования. Однако, на практике наблюдается обратная картина. Проведенный на примере ММК анализ работы транспорта и основных металлургических производств показывает, что время на выполнение технологических операций зависит от качества сырья, сортамента готовой продукции и ряда других факторов, а затраты времени на выполнение транспортных операций - от схемы путевого развития, типа подвижного состава, установленной скорости движения на участке и других условий, в том числе и погодных. Устранить их влияние на современном этапе не представляется возможным, поэтому задача оптимизации взаимодействия промышленного транспорта и основных производственных подсистем постоянно требует своего решения в режиме оперативного управления.
Собранный статистический материал за период с 1999 по 2003 год, характеризующий основные параметры протекания производственных и транспортных процессов в условиях ММК, позволил сделать вывод, что продолжительность транспортных операций и технологических циклов не является постоянной, и определить максимальные, минимальные, а также средние значения этих величин (табл. 2.6).
В работе применен комплексный подход в рассмотрении производственно-транспортных процессов согласно которого все операции рассматриваются во взаимосвязи друг с другом, т.е. продолжительность одних операций влияет на продолжительность других. Например, оборачиваемость подвижного состава на перевозке жидкого чугуна в сталеплавильное производство влияет на интервал между выпусками чугуна из доменных печей. В соответствии с этим было введено понятие интервала регулирования под которым понимается максимальный промежуток времени в течение которого операция может быть выполнена с учетом того, что смежные операции также будут выполнены с соблюдением производственной технологии. Поэтому величины интервалов регулирования меньше продолжитель-ностей соответствующих операций.
Таким образом, связь всех производств единой технологией предполагает взаимосогласованность продолжительностей отдельных операций с учетом требований, предъявляемых смежными производствами и транспортом. Поэтому изменять продолжительность операций в условиях предприятия можно, как правило, в более узких пределах, чем позволяет отдельно взятое производство (табл. 2.6).
Значения пределов регулирования в основном будут зависеть от специфики работы конкретного предприятия. Следовательно, одной из наиболее важных задач является точное определение величин интервалов, в которых может изменяться продолжительность производственно-транспортных операций, для каждого конкретного предприятия с учетом специфики его работы.
Применяемые в настоящее время графики производственно-транспортных операций, призванные обеспечить надежную работу подсистем предприятия, содержат средние значения их продолжительности, что не всегда обеспечивает согласованность работы транспорта и основных производственных подсистем, а также минимальные издержки на производство готовой продукции. Кроме того они не учитывают возможность возникновения сбоев в работе производственно-транспортных подсистем, вероятность которых в реальных условиях достаточно велика, и на ММК в среднем составляет 0,46. Таким образом, применяемые в настоящее время графики не отражают реального процесса производства и, как следствие, теряют на практике свою организующую роль.
В связи с этим предлагается жестко фиксированные в существующих графиках затраты времени на производственные и транспортные операции заменить интервалами с учетом взаимосвязи между ними. Введение интервалов управления позволит производственным подсистемам и транспорту изменять ритмы работы в установленных пределах и перейти от жестко нормированного к адаптивному (ситуационному) управлению.
Формализованное описание технологических процессов металлургического предприятия
Управление процессом выплавки стали может осуществляться с помощью изменения качественно-количественного состава шихты и объема используемого топлива (энергии) / 78 /. Также большое влияние на продолжительность технологического цикла оказывают способы доводки стали. Все это может привести к изменению потребляемого сырьевого объема, интенсивности процесса выплавки стали, ее качества, количества, производимого за плавку, и интервалов между загрузками сырья и выпусками из сталеплавильных агрегатов. Соответствующим образом могут изменяться затраты на сырье, топливо и себестоимость стали. Анализируя технологические способы управления и затраты на них, можно определить оптимальные объемы сырьевых и транспортных потоков. Обязательным условием при этом является обеспечение выполнения планового задания по выпуску стали при минимуме затрат.
Переделы металлургического предприятия связаны между собой единой производственной технологией, что отображается перемещением грузопотоков по транспортным каналам. В свою очередь, свое временное транспортное обслуживание определяет надежность работы производственных подсистем, а также позволяет реализовывать различные технологические способы, регулирующие их производительность.
В изменяющихся эксплуатационных условиях часто возникает ситуация, когда требуется изменить производительность основных переделов. Задачей управления становится правильное перераспределение мощностей между производственными подсистемами и участками работы транспорта, что реально осуществляется за счет изменения производственной и транспортной технологии работы. Формализованно эти процессы можно представить связями между бункерами и транспортными каналами, по которым происходит перераспределение мощностей. Назовем эти связи - связями технологической и транспортной адаптации, поскольку в результате их реализации происходит изменение ритмов работы производства и транспорта, а ПТС становится более адаптивна к изменяющимся условиям функционирования.
Совокупность связей технологической и транспортной адаптации обуславливается возможностями изменения технологии работы производственных и транспортной подсистем металлургического предприятия. Далее будет показано, что в модели регулирование оперативных емкостей бункеров может осуществляться за счет изменений: - емкостей других бункеров (связь вида «бункер - бункер»); - пропускных способностей транспортных каналов (связь вида «канал - бункер»). Перераспределение пропускной способности транспортных каналов может достигаться путем изменения: - пропускной способности других транспортных каналов (связь вида «канал - канал»); - емкостей бункеров (связь вида «бункер - канал»). Рассмотрим параметры, которыми следует характеризовать в модели связи адаптации для более адекватного отображения реального процесса управления.
Во-первых, для изменения технологии работы производства и транспорта может потребоваться какой-то промежуток времени. Так, например, если принято решение о увеличении давления под колошником доменной печи или о переводе локомотива с одного участка работы на другой, то необходимо время в одном случае на закрытие дроссельной задвижки для уменьшения сброса воздуха из-под колошника, а в другом - для перемещения локомотива с участка на участок. В модели эти факты отражаются как переброска емкости или пропускной способности с одних элементов в другие с какими-то временными задержками тл и тт. Назовем их временем активизации производственных (технологических) и транспортных резервов управления. Для наших примеров это означает, что в момент времени t оперативная емкость Vfl(t) бункера, отображающего доменный передел, увеличивается и через время тп достигнет определенного значения, а пропускная способность транспортного канала, откуда перебрасывается локомотив, уменьшается, и через время тт увеличится соответствующий параметр канала, где будет работать локомотив.
Во-вторых, в результате изменения технологии работы, касающегося каких-либо элементов (двух и более), их параметры могут изменяться неравнозначно. Так, в наших примерах увеличение производительности доменного передела может повлечь повышение производительности сталеплавильного передела, но в меньшей степени, а переброска локомотива может уменьшить пропускную способность одного транспортного канала на величину неравнозначную увеличению пропускной способности другого. Поэтому в модели необходимо учитывать, что переброска емкости или пропускной способности с одного элемента в другой происходит с какими-то коэффициентами замещения ап и ат, отображающими то обстоятельство, что в результате изменения технологии работы производства и транспорта, мощности соответствующих элементов могут измениться в различной степени.
Связь вида «бункер - бункер» формализовано реализуется при помощи технологических воздействий Т. Графически структура взаимодействия переделов представлена на схеме перераспределения мощностей и пропускных способностей ПТС металлургического предприятия (рис. 3.5). Поскольку сталеплавильное производство может быть представлено несколькими цехами, например, матеновским и кислородно-конвертерным, как на ММК, далее сталеплавильное производство будем рассматривать состоящим из двух вышеназванных подсистем.
Исследование способов управления работой конкретного металлургического предприятия
Длительность расчетного периода определяется моментом возникновения потребности в обратном возвращении локомотива. При втором расчете пропускные способности элементов не меняются. В третьем расчете уменьшается пропускная способность канала К12, вследствие перевода локомотива, и на соответствующую величину увеличивается пропускная способность канала Км- Принятие решения о необходимости изменения технологии делается исходя из значения функционала. Так, если его величина меньше в третьем расчете, то эффективна переброска локомотива. Опыт работы с моделью показал, что величины перебрасываемой пропускной способности или емкости, при которых целесообразно или нет изменение технологии, колеблются незначительно. Уже после двух - трех расчетов с достаточной точностью может быть установлен тот предел перебрасываемой пропускной способности или емкости, выше (ниже) которого эффективен или неэффективен переход на другую технологию работы производства и транспорта.
Зачастую изменить емкость или пропускную способность како го-либо элемента можно несколькими способами. Но одновременное их применение может исключаться по условию параметров технологи ческого оборудования и постоянных транспортных устройств. Напри мер, интенсифицировать производство чугуна можно за счет увеличе ния содержания кислорода в дутье. Этого можно достичь за счет уменьшения расхода кислорода мартеновским или конвертерным це хом. Однако одновременно изменять давление кислорода можно лишь у двух цехов / 47, 74, 78 /. В результате работы модели могут быть задействованы оба варианта. Так может оказаться выгодной переброска части емкости из одного бункера, а части из другого. Практически это невозможно. Допускается лишь добавление из одного бункера. Возникает альтернатива: уменьшать подачу кислорода в мартеновский цех либо на ККЦ. В этом случае рациональный вариант может быть получен на модели путем дополнительных расчетов, а именно при наличии только одной из связей адаптации. Выбор рационального варианта производится по минимуму затрат. 3. Коэффициенты замещения емкости и пропускной способности, задаваемые в исходной информации, являются в расчетах постоян ной величиной. Однако на практике возможны ситуации, когда при возрастании величины емкости или пропускной способности, снимавмой с бункера или канала, ее соотношение с добавляемой величиной на соответствующий элемент может изменяться, причем в достаточно широких пределах. В рассмотренной ситуации при увеличении расхода кислорода доменным цехом а = 5,4, а при возрастании расхода кислорода мартеновским цехом за счет доменного а = 3,2. При этом может быть принят следующий порядок расчетов. В качестве параметров связи адаптации задаются наибольшие величины перебрасываемой емкости или пропускной способности и соответствующие им коэффициенты замещения. Если в результате работы модели емкость (пропускная способность), снимаемая с соответствующего элемента, достигала наибольшей величины, то выполняется дополнительный расчет для проверки целесообразности переброски данной величины превышающей заданную (например, за счет снижения потребления кислорода еще и ККЦ). Расчетный период начинается с момента переброски заданной величины, на которую сокращается емкость или пропускная способность бункера (канала). Задаются новые параметры связи адаптации, при которых выполняется дополнительный расчет. Его длительность определяется моментом обратной переброски в первом расчете. Более адекватное отображение функционирования ПТС в модели может быть также достигнуто точным вводом стоимостных коэффициентов. В данном случае можно выделить два момента. А. Стоимость нахождения в бункерах различных грузов необходимо задавать разной. Это в известной степени сказывается на упорядочении продвижения грузов в системе, т.е. они перемещаются отдельными подачами как в производственных так, и в транспортной подсистемах, что ближе к реальности. Б. Стоимость нахождения грузопотоков в каналах должна понижаться от входа к выходу. В противном случае, при невозможности своевременно сделать поставку потребителю, грузы находятся во входных бункерах, поскольку это обеспечивает минимум затрат. В реальной ситуации при невозможности доставить грузы к нужному моменту времени, их все равно перемещают от поставщика к потребителю. Хоть и с опозданием, но перевозка должна быть осуществлена.
Построение оптимальной динамической структуры ПТС носит специфический характер в каждой конкретной ситуации. Оптимальные значения вместимостеи производственных подсистем и пропускных способностей транспортных устройств могут быть получены лишь при непосредственном моделировании конкретной ситуации / 114, 137 /. Однако, использовать модель в качестве прямого советчика в принятии решений при настоящем развитии АСУ не представляется возможным. В этой связи основная задача, которую предполагается решить с помощью модели рассматриваемого предприятия - определение граничных условий, в которых эффективен тот или иной вариант технологии. Кроме этого предполагается рассмотреть влияние внешних факторов и параметров связей адаптации на оптимальное протекание технологических процессов. Выполнена оценка влияния гибкой технологии на сокращение простоев технологического оборудования и транспорта, а также на экономическую эффективность функционирования ПТС.
