Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

При сравнительном анализе и выборе вариантов целесообразно на-

чинать с качественных критериев, которые, как правило, также противо-

речивы (см. примеры в гл. 8 и 9).

Качественный анализ позволяет без особого труда существенно

сократить перечень рассматриваемых вариантов, оставив лишь те, кото-

рые явно лучше отставленных.

Количественный анализ и отбор следует по возможности прово-

дить поэтапно, рассматривая варианты последовательно по показателям:

быстродействия; производительности; стоимости и эксплуатационных

затрат; комплексных показателей экономической эффективности. Приме-

ры приведены в гл. 8 и 9.

Все математические зависимости (математические модели, как нын-

че модно их именовать) можно разделить прежде всего на функцио-

нальные и прикладные.

Функциональные зависимости позволяют выявить причинно-

следственные связи, их количественное описание с определением доми-

нирующих и малозначащих факторов и т д., например зависимость стой-

кости инструмента от режимов обработки, характеристик материала заго-

товки и самого инструмента или зависимость производительности мно-

гопозиционных машин от числа их позиций, времени обработки, надеж-

ности в работе (см. гл. 5).

Меняя в расчетах значения определяющих параметров, можно вы-

явить степень их влияния на целевую функцию, что удобно иллюстриро-

вать графически, сопровождая необходимыми резюме.

Прикладные зависимости дают возможность непосредственно вы-

брать структурные, конструктивные, режимные и другие параметры в

однозначных, конкретных условиях, например скорости резания по нор-

мированной стойкости инструмента или по максимальной производи-

тельности станка и т.д.

Функциональные и расчетные зависимости опираются, как правило,

на одни и те же количественные взаимосвязи, различаясь характером и

уровнем допущений, диапазоном или однозначностью определяющих

факторов и т.д. (см. примеры в гл. 5 и др.).

Функциональные математические зависимости составляют главное

содержание фундаментально-теоретических основ любого научно-

технического направления, расчетные – прикладного направления.

В общем виде аналитические зависимости имеют вид

),...,,,,...,,,,(

213211 ii

AAAxxxxfy = (1.3)

ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

где y – целевая функция расчета (обобщенная характеристика);

– определяющие параметры;

– const.

Инженерные расчеты при анализе и выборе вариантов можно разде-

лить еще на поверочные и проектные.

Задача поверочных расчетов: при известных или выбираемых значе-

ниях параметров x

и A

получить значение целевой функции y, сравнение

которого с альтернативными или доступными (граничными) значениями

позволяет оценивать данное сочетание параметров, т.е. конкретные тех-

нические решения. Поверочные расчеты требуются для проверки уже

принятых технических решений.

Задача проектных расчетов: по заданному значению целевой функ-

ции y и другим исходным данным определить необходимые значения

параметров х

(одного или нескольких), т.е. обосновать принимаемые ре-

шения.

Для этого нужно выполнить условие y = y

треб

. Зависимость (1.3)

принимает вид

),...,,,,(

32треб2 ii

xxxyfx = (1.4)

где

треб

= – целевая функция, удовлетворяющая заданным требова-

ниям.

Например, при поверочных прочностных расчетах определяющие

параметры

x – это конструктивные характеристики, например диаметр

вала и его длина, а также величины нагрузок и координаты их приложе-

ния; пулевая функция

y – это напряжения в материале.

Проверка сводится к тому, что при значениях конструктивных и ти-

повых характеристик оцениваются возникающие напряжения и сопостав-

ляются с допустимыми значениями, т.е. оценивается прочность конст-

рукции.

В проектных прочностных расчетах, зная допустимые напряжения, а

также нагрузки и выбранные конструктивные параметры, например рас-

стояния между опорами вала, определяют его необходимый диаметр, при

котором прочность будет гарантирована. Аналогично при поверочных

кинематических расчетах по частоте вращения входного вала и всем пе-

редаточным отношениям, рассчитывают частоту вращения выходного

вала, а при проектных, зная частоту вращения входного вала и требуемую

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

частоту вращения выходного, а также задаваясь постоянными передаточ-

ными отношениями, вычисляют передаточное число звена настройки.

При сравнении вариантов машин одинакового функционального на-

значения выполняются поверочные расчеты, т.е. каждый вариант пред-

ставляется как неповторяющееся сочетание значений определяющих па-

раметров. При этом не имеет значения, материализован ли данный вари-

ант или является проектом, различие лишь в степени достоверности чис-

ленных значений, а следовательно, и результатов расчета; у действующих

вариантов они, безусловно, выше.

При технико-экономических расчетах в качестве целевой функции

выступают критерии экономической эффективности, а как определяющие

параметры

x прежде всего показатели производительности машин, их

надежности в работе, численности обслуживающего персонала, стоимо-

сти средств производства; в качестве

A – показатели норм амортизации

оборудования, средней заработной платы, сменности работы и т.д. Расче-

ты выполняются для всех альтернативных вариантов, после чего значе-

ния y

сравниваются между собой, а при необходимости – с экономиче-

скими нормативами.

Следует отметить, что показатели производительности, стоимости и

т.д. не первичны, а зависят от многих параметров, например производи-

тельность – от технологических режимов, быстродействия механизмов,

устройств и их взаимодействия и т.д. Эти функциональные зависимости

еще более сложны, чем, например, зависимость себестоимости продук-

ции от производительности машин.

Реплики. 1. Целью любых расчетов должно быть не только получение

цифровых значений, но и раскрытие определяющих факторов и причинных свя-

зей – только тогда принимаемые по результатам расчетов инженерные реше-

ния будут по-настоящему осознанными. Стремление повышать достоверность

результатов учетом максимального числа факторов часто оказывается иллю-

зией.

Инженерные расчеты должны иметь разумную меру упрощения для при-

нятия правильных и убедительных решений. Пример такого упрощения – курс

гидравлики, основанный на изучении несжимаемой жидкости, которой в природе

не существует.

2. Помимо функциональных и прикладных математических моделей в науч-

но-технической и учебной литературе немало таких, которые носят лишь иллю-

стративный характер, так как в явном виде никаких закономерностей не рас-

ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

крывают и для прикладных расчетов даже их авторами не применяются. Их

незримое назначение – некий "антураж", повышение "научного уровня" тексто-

вых (особенно описательных) материалов. Например, расхожую истину, что

летом теплее, чем зимой, можно облечь в математическую форму, обозначив

летнюю температуру через Т

, а зимнюю – через Т

. Тогда первичная выборка

математических моделей будет

;;1;

;0;

1212

γ=>=γ<>−> TT

TTTT

TT ∆=−

)1(

, где 0>∆T и т.д.

Если к этому добавить, что

const,

≠T const,

≠T и ввести вероятно-

стную, временнýю интерпретацию этих величин, мобилизовав весь аппарат

теории вероятностей, можно получить неисчислимое количество математиче-

ских моделей температуры и видимость серьезного подхода, но прогнозировать

температуру по этим формулам невозможно, и никаких истин они не раскры-

вают, помимо того, что зимой холоднее, чем летом, – с чего и начинали.

Приведенный одиозный пример антуражной, псевдонаучной математики

должен заставить задуматься о масштабах ее применения в учебных курсах и

учебной литературе. Безусловно, любая "математизация" учебного материала

заставляет студентов относиться к нему более серьезно, заучивание студен-

тами антуражных математических выкладок – тоже тренировка памяти. Но

не следует упускать возможностей доведения любых математических моделей

до уровня функциональных и прикладных.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Глава 2

ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. ИНЖЕНЕРНЫЕ ПОДХОДЫ К ЭКОНОМИЧЕСКИМ ОЦЕНКАМ

ВАРИАНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Бизнес-процессы (БП) в сфере материального производства (см.

разд. 1.1) в условиях рыночной экономики должны быть экономически

эффективны, т.е. доходы от реализации выпущенной продукции должны

превышать затраты на ее получение. Иначе данное производство нежиз-

неспособно.

Любые технические решения в области создания новых произ-

водств, расширения или модернизации действующих альтернативны.

Даже для руководителей экологически вредных производств существует

дилемма: тратить средства на оборудование для очистки выбросов и

сбросов или платить штраф за загрязнение окружающей среды. К сожа-

лению, последнее зачастую оказывается более выгодным [23].

Все расчеты экономической эффективности автоматизации произ-

водственных процессов направляются на отыскание наиболее экономич-

ных технических решений из числа возможных, альтернативных.

Выполнение экономических расчетов и обоснований – задача не

только профессионалов-экономистов, но и инженеров. Современные ин-

женеры, технологи и конструкторы непременно должны обладать серьез-

ными знаниями и практическим умением в области экономики.

Эрудиция любого инженера должна заключаться прежде всего в

знании основных канонов экономики – от общих закономерностей разви-

тия до конкретных показателей и их применения. Для специалистов по

автоматизации производственных процессов к этому следует добавить:

- правильную оценку стратегии автоматизации и механизации, ос-

новного содержания и направленности работ;

- глубокое понимание, умение качественно и количественно оце-

нивать основные источники технического, экономического и социально-

го эффектов при автоматизации и механизации;

- объективную оценку с учетом фактора времени, перспективности

новых и новейших методов и средств, которые столь щедро генерируют-

ся современным научно-техническим прогрессом (НТП); умение видеть

их целесообразную область применения;

- умение оптимально сочетать новизну и преемственность в тех-

нических решениях на основе видения и сравнительной оценки конкури-

рующих вариантов и направлений НТП;

- понимание на качественном и количественном уровне взаимо-

связи параметров машин-автоматов и их систем с экономическими пока-

зателями.

Практическое умение должно включать в себя способность выпол-

нять проектные и поверочные расчеты, работая совместно с экономиста-

ми, дополняя друг друга.

Проектные расчеты проводятся на стадии создания машины; их ос-

новная задача – правильный выбор численных значений технологиче-

ских, конструктивных, структурных и других параметров машины, исхо-

дя из обеспечения ее заданных выходных параметров (мощности, быст-

роходности, прочности, производительности, долговечности и надежно-

сти в работе, а главное – экономических показателей). Например, про-

ектные расчеты на прочность позволяют, основываясь на обеспечении

допустимых внутренних напряжений, выбирать диаметры валов, толщи-

ну стенок, модуль и ширину шестерен, сечение шпонок и т.д.

Проектные расчеты позволяют решать с учетом заданных техноло-

гических, кинематических, прочностных и других характеристик те зада-

чи расчета и конструирования, которые нельзя не решать в процессе соз-

дания машины.

Поверочные расчеты выполняются тогда, когда все необходимые

параметры машин уже выбраны и необходимо лишь проверить, отвечают

ли они заданной целевой функции, правильно ли сделан их выбор. Так,

поверочные расчеты на прочность позволяют оценить в спроектирован-

ной конструкции соответствие: внутренних напряжений допустимым,

вращения шпинделя с нужной частотой, перемещения суппорта с задан-

ной величиной подачи, экономических показателей – нормативам.

Таким образом, проектные и поверочные расчеты экономической

эффективности принципиально различны прежде всего по входным и

выходным параметрам расчетов. В проектных расчетах входными пара-

метрами являются детерминированные (нормированные) значения целе-

вой функции – показателей экономической эффективности, выходными -

конкретные характеристики проектируемых машин. В поверочных расче-

тах, наоборот, входными параметрами служат конкретные характеристи-

ки уже спроектированных машин, выходными – значения целевой функ-

ции, которые сравниваются при этом с нормированными. Разнятся и ма-

тематические расчетные зависимости. В простейших благоприятных слу-

Глава 2. ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗАЦИИ

чаях это могут быть одни и те же математические модели взаимосвязи,

решаемые в "прямом" и "обратном" направлениях, когда функция стано-

вится аргументом, и наоборот.

По существу, критерии заданной экономической эффективности

машин эквивалентны критериям обеспечения заданных прочностных,

кинематических и других характеристик.

Различие заключается лишь в том, что по прочностным, кинемати-

ческим, динамическим критериям выбираются параметры главным обра-

зом элементов систем: механизмов и устройств для выполнения рабочих

и холостых ходов, привода и управления. По экономическим критериям

решаются задачи синтеза, выбора принципиальных решений технических

систем в целом – их структуры, конструктивной компоновки и т.д.

Поэтому инженерные методы расчета и оценки экономической эф-

фективности новой техники – это методы расчета и конструирования

машин и систем машин, выбора их технологических, конструктивных,

структурных параметров по экономическим критериям.

При общем методологическом единстве подходов к экономике про-

изводства в любых его масштабах (баланс доходов и расходов) имеются

существенные различия в методах и критериях оценки экономичности по

производству в целом и отдельным его компонентам.

Для функционально завершенных производств, выпускающих

товарную продукцию, которая имеет отпускную цену, эффективность

производства удобнее всего оценивать величиной получаемой относи-

тельной прибыли:

,100

З-Ц

=γ (2.1)

где Ц – отпускная цена выпущенной продукции за конкретный период

времени, например за год;

З – суммарные затраты, которые понадобились на выпуск этой про-

дукции, за тот же период времени;

γ – коэффициент относительной прибыли, полученный на данном

производстве, %.

При этом в суммарные издержки включают интегрально как произ-

водственные (капитальные и текущие затраты, стоимость материалов и

комплектующих), так и непроизводственные издержки (на маркетинг,

рекламу, хранение и доставку, снабженческо-сбытовые издержки и т.д.).

Сопоставляя ожидаемые доходы и издержки по вновь создаваемым

производствам с максимальным учетом всех факторов, можно оценивать

ИНЖЕНЕРНЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКАМ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

возможные варианты создаваемых производств по комплексным техно-

логиям, составу оборудования, организации управления и т.д. Сопостав-

ляя прибыль по годам, можно оценивать динамику данного производст-

ва – тенденции процветания или упадка. Наконец, прибыльность произ-

водства сама по себе свидетельствует о его состоянии.

Реплика. В начале 90-х годов ХХ века автору в составе делегации россий-

ских специалистов довелось побывать на станкостроительном производстве

одного из крупнейших западно-европейских автомобильных концернов.

На вопрос о прибыльности ответ был таким: "В прошлом году было 5 %".

На нашу реплику: "Не мало ли?" – последовала реакция недоумения и даже неко-

торой обиды: "Помилуйте, мы вовремя вернули все кредиты, уплатили налоги,

внесли деньги во все фонды – от развития производства до благотворительных,

а самое главное, хорошо платили всем своим работникам. И еще 5 % осталось!"

По-видимому, это типичная ситуация, которая объясняет, почему молодой рос-

сийский капитал, гоняясь только за сверхприбылью, длительно не вкладывался в

производство материальных ценностей, а промышлял перепродажей, "прокручи-

ванием" денег, кредитными авантюрами и т.д. Замечу, что подобные "отступ-

ления" от логической канвы существенно улучшают внимание студентов и их

восприятие.

Применяются и иные показатели эффективности производства, на-

пример коэффициент рентабельности:

З-Ц

==R (2.2)

где П – абсолютная прибыль от реализации;

А – суммарные активы предприятия.

Для локальных компонентов производства – отдельных техноло-

гических операций и процессов, средств их оснащения – нужен иной

подход. Продукция на промежуточных этапах (вал после токарной обра-

ботки, полупроводниковая пластина с нанесенной топологией) не являет-

ся товаром и отпускной цены не имеет. Попытки устанавливать "проме-

жуточные цены", например после каждой из многих тысяч операций из-

готовления автомобиля, субъективны и нежизнеспособны. По-иному сле-

дует подходить при оценке локальных вариантов и к затратам, абстрагиру-

ясь от тех, кого данные мероприятия напрямую не затрагивают (цеховое

отопление, вентиляция, освещение; административно-управленческие рас-

ходы и др.). Итак, цен Ц нет, издержки производства З учитываются не

полностью, показатели γ, R и др. [см. формулы (2.1) и (2.2)] не работают.

Поэтому при оценке и выборе локальных технических решений – на

уровне машин и их систем – используется критерий минимума капи-

тальных и текущих затрат для достижения одинакового конкретного

результата, а именно: сопоставляются эти затраты по всем вариан-

Глав

2. ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗ

ЦИИ

там за некоторый выбранный период. При этом один из вариантов при-

нимается за базовый – 1, остальные – i конкурентны с ним и между со-

бой. Здесь следует различать две ситуации.

1. Выбираются варианты вновь создаваемого или расширяемого

производства с проектируемым или готовым, приобретаемым оборудо-

ванием (для технологических систем машин обычно сочетается и то, и

другое). Каждый из вариантов характеризуется капитальными (К) и годо-

выми эксплуатационными затратами (С), имеющими непосредственное

отношение к данным технологиям и оборудованию.

На рис. 2.1 представлена концептуальная зависимость суммарных

затрат

∑

З от времени работы оборудования (N) для различных вариан-

тов новых технических решений:

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

∑

.СКЗ

;СКЗ

111

iii

(2.3)

Безусловно, все сравниваемые варианты должны быть приведены к

одинаковому масштабу выпуска идентичной продукции.

Организовать новое или совершенствовать действующее производ-

ство без капитальных затрат на технологическое и вспомогательное обо-

рудование, средства управления невозможно. Поэтому капитальные за-

траты К

по самому дешевому и технически наименее совершенному ва-

рианту следует признать технологически необходимыми. Они окупаются

в общем итоге через разницу между

ценой и затратами [см. формулу

(2.1)] – тем самым оценивается уро-

вень всего данного производства.

Самое дешевое оборудование

неавтоматизированное (К

= К

min

которое, как правило, имеет и самые

высокие эксплуатационные затраты

(С

= С

max

) из-за большой численно-

сти обслуживающего персонала и

низкой производительности.

Вариант 1 следует принимать за

базовый, остальные варианты i срав-

нительные, альтернативные.

Альтернативные варианты – это

оборудование с использованием но-

вых, прогрессивных, но недостаточно

ИНЖЕНЕР

ЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКА

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Рис. 2.1. Зависимость суммарных

затрат от времени работы

оборудования для различных

вариантов

апробированных технологических процессов (оно, как правило, очень

дорогое), с более высокой степенью автоматизации (машины-автоматы и

полуавтоматы, автоматические и автоматизированные линии или и то и

другое).

2. Решается вопрос о целесообразности и вариантах совершенст-

вования действующего производства. Тогда базовый вариант – это

действующее оборудование, за которое уплачено ранее и которое (после

снятия с эксплуатации), как правило, утилизируется, поэтому можно

принимать

∑

.СКЗ

;СЗ

В практических расчетах зачастую все же принимают К

> 0 как не-

кую остаточную стоимость, например стоимость металлолома (иногда

старые станки можно и продать), поэтому в общем случае используют

выражение (2.3).

Таким образом, во всех случаях дополнительные капитальные затра-

ты сверх технологически необходимых (К

– К

) не являются обязатель-

ными, они целесообразны лишь при условии их окупаемости (возврата).

Именно окупаемость необязательных капитальных затрат и есть важней-

ший фактор выбора варианта технических решений по экономическим

критериям.

Общая черта технически сложных и совершенных вариантов машин

и их систем – это более высокая стоимость (К

> К

) и меньшие эксплуа-

тационные затраты (С

< С

). Самым эффективным должен быть признан

вариант с наименьшими суммарными затратами

∑

З за N лет эксплуа-

тации:

()

∑

→+= minCКЗ N

iii

. (2.4)

Принципиально важно, каков срок N. Показатели минимума сум-

марных затрат за весь срок службы необъективен. Так, при сроках служ-

бы оборудования N =15…20 лет минимизация общих затрат по самому

дорогому варианту лишь к концу службы означает, что ежегодная при-

быль от дополнительных капиталовложений (γ) составит ≤ 5…6 %.

Поэтому устанавливается некий "контрольный" срок эксплуатации

(N = N

, см. рис. 2.1), по которому и ведут сравнение. В качестве опти-

мального принимается тот вариант, который через время N

требует наи-

Глава 2. ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗАЦИИ