автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Контроль образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами

На правах рукописи

МУЗЫЧЕНКО ПАВЕЛ АНДРЕЕВИЧ

Контроль образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами

(на примере предприятий Московской области)

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «Станкин».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Кантаржи И.Г. доктор технических наук, профессор Тимирязев В. А. кандидат технических наук, Елисеев О.Н.

ООО "Контакт-М"

Защита состоится « ¿5 » 2006 года в 9°° часов на

заседании Диссертационного совета К 212.142.01 при Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу: 127055, Москва, Вадковский пер., д. За.

Отзыв по работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по указанному адресу в диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «Станкин».

Автореферат разослан « _10_ »Ъ& 2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент )' Тарарин И.М.

f/y

imiw

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы исследования.

К фундаментальным проблемам XXI века принято относить менеджмент, качество объектов и систем, охрану и управление окружающей средой (далее ОС) и технологическими процессами. В том числе возникает задача эффективного н действенного управления качеством ОС: ее защиты, определения комплексного влияния экологических факторов на технологическую среду с целью развития чистых технологий производства.

Общим подходам, рассматривающим различные аспекты менеджмента качества окружающей среды, как составной части системы всеобщего менеджмента качества посвящены исследования следующих авторов: В.Н. Бурков, В.Г. Игнатов, A.B. Кокин, В.А. Коштог, Э.М. Короткое, Ю.Г. Марков, Г.А. Недоступенко, Е.В. Пашков, Ю. Хубер и другие. Экологические аспекты управления технологической средой рассматривались в работах Л.Э. Шварцбурга, М.Ю. Худопшной. Имеются также сравнительно немногочисленные работы по динамическому моделированию задач менеджмента качества объектов и систем: И.Г. Кантаржи, В.А. Фатуев, В.И. Бушинский, А. Форд, М. Пурвис и др.

Внедрение новых стандартов н подходов к управлению качеством ОС вызвало появление новых требований к информационной поддержке систем управления, в том числе и систем управления технологическими процессами производства. До последнего времени основное внимание уделялось CALS - технологиям, обеспечивающим информационное сопровождение жизненного цикла (далее ЖЦ) продукции. Однако, системы управления предприятием, неразрывно связаны с различными вопросами качества ОС и множеством экологических факторов, поэтому требуют информацию в виде прогнозов поведения объектов управления (организации) в связи с реализацией принятой стратегии управления. В том числе это относится к динамике ЖЦ продукции и его устойчивости. В этом случае необходимы специальные модели объектов и систем управления. Такие модели могут быть реализованы с помощью имитационного моделирования, т.е. с получением новой информации -сценариев реализации политики организации в области охраны окружающей среды (далее ООС). Применение такого моделирования для поддержки систем управления

соответствует требованиям стандартов экологического менеджмента (серии ИСО 14000) в части системности и процессного подхода.

Важнейшей составной частью сохранения уровня качества ОС является обеспечение проектировщиков, конструкторов и технологов достаточно простыми и доступными методиками для расчета потоков вещества и энергии на каждой из стадий ЖЦ, включая закупку сырья и вспомогательных материалов, производство продукции, ее обращение, использование и утилизацию. Главная задача заключается в том, чтобы на соответствующих этапах управления производством наряду с обеспечением основных функциональных свойств продукции осуществлялась оценка объема основных и вспомогательных расходных материалов, электроэнергии, воды, топлива, удельных выбросов вредных и ядовитых веществ.

Таким образом, разработка и развитие информационных моделей состояния и динамики влияния тех или иных экологических факторов, в частности, контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в технологической среде, которые могли бы обеспечить необходимой информацией системы управления качества ОС промышленного предприятия как части общей системы управления производством, представляется актуальной.

Целью работы является обеспечение экологических стандартов обращения с промышленными отходами на предприятиях на основе применения информационных моделей, позволяющих прогнозировать состояние и динамику образования, утилизации и повторного использования отходов.

Новым в работе является:

1. Разработка модели жизненного цикла продукции, включающего образование, утилизацию и повторное использование промышленных отходов.

2. Разработка базовой информационной модели контроля образования, утилизации и повторного использования отходов.

3. Метод уменьшения неопределенностей, возникающих при моделировании контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производством.

Практическая значимость. Разработанные методики контроля образования утилизации и повторного использования отходов позволяют построить систему управления предприятием, повышающую качество технологических процессов, а

значит и их конкурентоспособность, а также позволяют оценивать различные стратегии управления предприятием и технологическими процессами.

Реализация работы. Разработанные в диссертации модели и методики и управления качеством ОС, использовались на предприятиях ООО «Контракт-М», ООО «Корпорация Агрегат», ООО «КБ Даймонд Сервис» ЗАО «Фирма Геополис» в рамках совершенствования процессов системы управления производствами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» МГТУ «Станкин», на восьмой научно-технической конференции «ПРОТЭК'05» (Москва, 2005, на третьей международной научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" МГСУ, (Москва, 2005), на седьмой научно-технической конференции «ПРОТЭК'ОД» (Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 144 наименования и приложений. Изложена на 138 стр. текста, содержит 39, рисунков, 9 таблиц.

Основное содержание работы

В первой главе дан обзор существующей системы государственного регулирования в области охраны окружающей среды, управления и контроля деятельности связанной с отходами производства.

На основании проведенного обзора выделена одна из основных экологических проблем РФ, заключающаяся в неэффективном управлении отходами производства и потребления. Вполне очевидно, что сама по себе данная проблема сложна и многогранна, поэтому предлагается использовать комплексный подход, направленный на достижение общих целей реструктуризации и модернизации промышленного производства, обеспечивая при этом сокращение уровня загрязнения окружающей среды путем интегрирования дополнительных требований к существующим системам управления предприятий. Сделан вывод, что одним из вариантов такого комплексного подхода вместе с уже существующими системами требований могут стать дополнительные требования, полученные на основе моделирования влияния экологических факторов, связанных с образованием отходов производства.

5

Приведены результаты комплексного анализа и «натурного» обследования существующего промышленного комплекса Московской области (на примере типовых предприятий).

В общей сложности комплексное обследование было проведено на 5-и типовых предприятиях региона. Среди них были предприятия машиностроительной промышленности (2), химической промышленности (2) и пищевой промышленности

(I).

Основные результаты выявленные в ходе натурных обследований, анализа предоставленной нормативно-технической природоохранной документации позволили сделать следующие принципиальные выводы.

1. Усилия предприятий по предотвращению образования отходов и определению (прогнозированию) их влияния на проектирование и управление технологическими процессами носят случайный, бессистемный характер. Ни на одном из обследованных предприятий не внедрена система управления качеством окружающей среды в соответствии с требованиями ГОСТа Р ИС014001-98.

2. Существует глубокий разрыв между требованиями ГОСТа Р ИС014001-98 по управлению качеством окружающей среды и текущей деятельностью по обращению с отходами.

Проблема разрыва текущей практики обращения с отходами имеет фундаментальный характер и обусловлена, в первую очередь, состоянием нормативно-правовой и методической базы. Основной целью работы стала необходимость разработки методов контроля образования, утилизации и повторного использования отходов, которые вполне могу быть включены в общую систему управления и проектирования технологических процессов производства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

/. Исследовать с помощью моделирования устойчивость жизненного цикла производства, обеспечиваемую повторным использованием продукции и материалов.

2. Разработать базовую информационную модель контроля образования, утилизации и повторного использования отходов.

3. Исследовать неопределенности, возникающие при моделировании контроля образования, утилизации и повторного использования отходов, а также выполнить анализ чувствительности разработанных моделей.

6

4. Оценить полученные результат и предложить технические решения по улучшению обращения с отходами. Вторая глава посвящена развитию метода оценки жизненного цикла продукции как основы моделирования производственных процессов.

Выбраны основные средства моделирования процессов и систем на основе программных комплексов УепБпп и Роу/егеип.

Проанализирована концепция и методы ОЖЦ (оценка жизненного цикла) в связи с разработкой информационной поддержки контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производством, показано, что традиционная ОЖЦ с целью определения воздействий на окружающую среду (далее ОС) может быть расширена для решения поставленных задач.

В соответствии со стандартом ИСО 14040: «жизненный цикл — последовательные или взаимосвязанные стадии продукционной системы от приобретения сырья или разработки природных ресурсов до утилизации продукции», «оценка жизненного цикла, ОЖЦ — собирание и оценивание входных и выходных потоков, а также потенциальных воздействий на окружающую среду со стороны продукционной системы на всех стадиях жизненного цикла продукции». В частности, оцениваемыми характеристиками могут быть признаки качества ОС. Развивая далее методику ОЖЦ для управления качеством, можно представить ее в следующем виде:

-проведение инвентаризации соответствующих входных и выходных потоков продукционной системы;

-интерпретацию результатов инвентаризационного анализа и оценки различных экологических факторов в зависимости от цели исследования.

С помощью этого метода можно оценивать не только экологические аспекты и потенциальные воздействия на протяжении всего ЖЦ продукции от приобретения сырья до производства, эксплуатации и утилизации.

Область применения, границы и степень детализации ОЖЦ зависят от объекта и предполагаемого использования результатов. Глубина и широта охвата ОЖЦ зависят от цели конкретного исследования. ОЖЦ — это один из нескольких методов управления ОС (например, оценка риска, оценка экологической эффективности или экологических характеристик, экологический аудит и т.д.), и он применим не для всех ситуаций. Например, результаты ОЖЦ, сфокусированные на локальных проблемах могут быть непригодны для глобальных и региональных проблем, т.е. региональные

или глобальные условия могут быть неадекватно представлены локальными условиями.

Информацию, полученную в процессе ОЖЦ, следует использовать как часть более общего процесса принятия решения. Сравнение результатов различных ОЖЦ возможно только тогда, когда допущения и контекст каждой оценки один и тот же.

Представляет интерес связь концепции ОЖЦ с ключевым понятием «устойчивость развития», которое выражено в специальном документе европейской комиссии следующим образом: «Так как запасы сырья ограничены, то поток материалов через различные стадии процесса производства, потребления и утилизации должен управляться так, чтобы обеспечить оптимальные повторное использование и переработку, что, в свою очередь, уменьшит отходы и предотвратит истощение запасов природных ресурсов». Такое определение также может быть обобщено на технологические аспекты ЖЦ.

Для дальнейшего развития моделей управления отходами используется общая схема ЖЦ (рис. 1). Она включает не только основные стадии ЖЦ, но также в виде обратных связей показывает пути обеспечения устойчивости развития продукционной системы в соответствии с определением, данным выше.

Контуры обратной связи должны быть связаны с балансом энергии или материалов, при этом именно степень вовлеченности в эти контуры потребляемой ЖЦ энергии и материалов и показывает устойчивость ЖЦ. На основе контуров обратной связи по энергии и материалов может быть представлен показатель (индекс) устойчивости.

Структура, представленная на рис. 1, позволяет перейти в дальнейшем к конструированию моделей ЖЦ. Моделирование с помощью разработанных моделей включает три основных стадии:

-изучение общих закономерностей ЖЦ с использованием стандарта ИСО14040; -развитие экспертных систем, базирующихся на информации, полученной с помощью моделирования, при этом модели рассматриваются как традиционные модели поддержки принятия решений;

-адаптация и использование моделей для конкретных предприятий региона.

Эколопш/материалы

Повторное использование изделия

Э - эвергня и

о/э - отходы, эмиссия ~

Производство

Использование

Распределение на

рынке

Отходы

Окончательна» удлини

Альтернативные циклы устойчивости

*.----------------

|

Рис. 1 Общая схема ЖЦ продукция с указанием путей обеспечения устойчивости

развития.

На основе общей модели ЖЦ разработаны модели контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами, продемонстрирована важная роль моделирования систем управления предприятия, в том числе для целей менеджмента качества окружающей среды.

Подробно рассматривается построение более детальной модели ЖЦ продукции с обратной связью по переработке отходов. Модель выполнена в среде Голубкин, схема модели показана на рис. 2. Для моделирования используется баланс по массе. При этом, на некоторых стадиях ЖЦ приходится дополнительно контролировать и количество изделий (производство, рынок).

Как уже отмечалось, модели ЖЦ могут быть сконструированы различным образом в зависимости от цели моделирования. Данная модель имеет свои особенности и, соответственно, позволяет исследовать следующие процессы и параметры внутри ЖЦ.

На каждой стадии ЖЦ имеется предельная емкость на складах: по сырью, по производству, по рынку. Если предельная емкость на рассматриваемой стадии превышена, то поступление на склад на этой стадии прекращается. Исключение составляет склад отходов, который контролируется отдельно.

Временные задержки между стадиями ЖЦ задаются через время пребывания продукции на каждой стадии. Так, от сырья к производству - продолжительность

9

процесса производства, от производства к использованию - время доставки, от использования к отходам - время жизни изделия.

продукции ■ переработке отходов (базовая модель).

Учитывается образование отходов на всех стадиях ЖЦ: подготовки сырья, производства и утилизации продукции. Скорость утилизации отходов определяется: суммарной скоростью поступления отходов, степенью утилизируемости отходов, временной продолжительностью всех этапов ЖЦ отходов. Соответственно, количество накопленных отходов зависит от этих трех параметров и может контролироваться.

Устойчивость ЖЦ в данной модели обеспечивается двумя обратными связями: повторным использованием готовой продукции и повторным использованием материалов, образующихся в результате переработки отходов. Так как в модели все образующиеся отходы повторно перерабатываются или утилизируются, то изучение влияния параметра «степень окончательной утилизации» является основной задачей моделирования.

На рис 3, 4 показаны результаты моделирования ЖЦ для двух опытов. В первом опыте (опыт 1) степень окончательной утилизации составляла 70%, во втором (опыт 2) -50%.

На рис.3 показаны результаты моделирования запасов: отходы, использование, сырье, продукция. На графиках трех последних переменных горизонтальными пунктирными линиями показаны емкости соответствующих складов.

Результаты моделирования, представленные на рис.3, позволяют сделать следующие выводы. Изменение степени окончательной утилизации в пределах 50-70% практически не влияет на поведение запасов. При выбранных начальных условиях система примерно в течение первых 1,5-2 месяцев достигает стабилизации по сырью и производству продукции. При этом, по сырью достигается максимальная емкость наполнения складов, по выпуску продукции нет. Продукция на стадии использования, как и образование отходов, продолжает расти в течение всего времени моделирования.

продукция

'1 8

/"7

фт иар яяр тЛ ты

Рис 3 Контроль основных персменньа-запаеов в модели ЖЦ

На рис.4, показаны результаты моделирования по переменным-потокам. Здесь

имеются существенные различия в поведении системы по двум переменным. Во-первых, это повторное использование сырья, которое естественно растет быстрее, если степень окончательной утилизации уменьшается. Более необычным выглядит поведение переменной «поступление сырья» при снижении степени окончательной утилизации. В этом случае система переходит к осциллирующему поведению. За счет увеличенного потока сырья из переработанных отходов достигается превышение емкости по сырью. При этом поступление сырья сразу обнуляется. Но снижение запасов сырья ниже емкости приводит к возобновлению поступления сырья с прежней интенсивностью и т.д.

и

Ряс. 4 Контроль основных переменных-потоков в модели ЖЦ

Основным выводом по главе 2 стало, то что приведенные общие примеры

моделирования ЖЦ демонстрируют важную роль моделирования систем управления производствами, в том числе для целей менеджмента качества окружающей среды.

Третья глава посвящена вопросам, связанным с построением практической модели для контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами

Анализируются возможные неопределенности моделирования. Рассматриваются два основных типа неопределенностей:

1. Операционные или неопределенность данных, связанные с недостатком исходной информации

2. Фундаментальные или модельные неопределенности, вызываемые неправильными выборами модели

и предлагаются методы их уменьшения

Также в данной главе проведен анализ чувствительности модели. Моделирование проводится несколько раз с измененными значениями параметра, чувствительность модели к которому изучается. Целью анализа являлось определение того, изменяется ли результат моделирования при изменении входных параметров в пределах их неопределенностей. При этом в качестве значений входных параметров учитывались их средние оценки, а также полный диапазон неопределенности.

Диапазон изменения параметра может быть определен по доверительному интервалу параметра, если он может быть оценен. В другом предельном случае диапазон изменения параметра может задаваться из общих соображений.

Были выделены параметры модели, по изменению которых можно судить о чувствительности модели. В результате анализа чувствительности можно ответить на очень важный вопрос, является ли модель устойчивой к изменению входных параметров. Она является такой, если в качестве результата моделирования выдает тот же общий результат, несмотря на неопределенность входных параметров.

Ясно, что для достаточно сложных моделей невозможно предусмотреть все комбинации входных параметров, способных повлиять на чувствительность. Поэтому анализ чувствительности является процедурой неформальной, основанной в значительной степени на представлении пользователя о том, какие параметры наиболее важны. Конечно, анализ чувствительности основан на сравнении результатов моделирования для различных условий (сценариев) изменения параметра.

В качестве примера определялось чувствительность базовой модели по такому параметру как «образование отходов в процессе производства сырья». В модели эта величина задана в 20%, т.е. 20% потока массы на стадии производства сырья превращается в отходы, а 80% - в собственно сырье для дальнейшего производства.

Изменение параметра может быть связано и с ошибками его измерения и с применяемыми технологиями, исходным сырьем и т.д. Во втором случае размах вариации характеризует качество процесса подготовки сырья в классическом смысле по Э. Демингу.

Выполнено моделирование при значении параметра «степень образования отходов в процессе производства сырья», соответствующее нижней границе размаха вариабельности - 19%. Прочие параметры модели остались неизменными, как и в начальном, базовом варианте.

Результаты проведенного моделирования показывало, что снижение степени образования отходов на стадии производства сырья приводит к общему снижению образования отходов, что ожидаемо. Но, при этом снижается поступление сырья в ЖЦ за счет переработки отходов. И, в результате, падают объемы производства в целом.

Из проведенного моделирования видно, что модель достаточно чувствительна к контрольному параметру. Для определения количественных показателей используется дополнительная контрольная панель в виде таблицы.

Аналогично модели тестировались по всем основным контрольным параметрам.

Кроме этого приведена справочная информация и краткое описание технологий производства предприятий, на основании которых проводилось моделирование ЖЦ и перечни отходов, образующихся в результате производственной деятельности.

Четвертая глава посвящена моделированию и анализу полученных результатов для конкретных предприятий. На основании полученных данных по результатам моделирования предприятиям предложены конкретные технические решения.

В целях оптимизации образования, утилизации и повторного использования промышленных отходов разработаны три версии модели применительно к конкретным предприятиям Московской области. Соответственно такими предприятиями были выбраны относящиеся к машиностроительной промышленности, химической промышленности, пищевой промышленности.

В связи с важностью контролирования не только общего количества образуемых в ЖЦ отходов, но и распределения отходов по классам опасности, приказ МПР РФ N 511 от 15.06.01 г. «Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды», модели были дополнены соответствующими переменными.

Кроме того, некоторые связи в принятой модели не учитываются по сравнению с базовой в связи с их несущественностью для анализа управления реальными предприятиями. Например, пересчет продукции в единицы на некоторых стадиях ЖЦ, а также энергетическая составляющая.

Переменными моделирования являются ЗАПАСЫ (Отходы, Использование, Сырье, Продукция), ПОТОКИ {Распространение, Повторное использование сырья, производство, Поступление сырья, Повторное использование продукции, Образование отходов).

Принятые постоянные параметры модели для типовых предприятий выбраны на основе данных по нормативам образования и лимитам размещения отходов. Всего в модели 12 постоянных параметров (таблица 1).

Рассмотрим моделирование машиностроительного предприятия.

В качестве единицы времени выбрана одна неделя, выбранный шаг по времени дает возможность рассматривать динамику жизненного цикла и, в том числе, получать годовые показатели. Временной горизонт моделирования равен двум годам. Масса в жизненном цикле контролируется в кг в соответствии с масштабами производства

Таблица 1 Значения постоянных параметров пря моделировании типовых предприятий

Московской области

Преяпрптие Постати*,«&кт. ООО Корпорации «Лгрепгт» Машиностроение ш ООО «КБ Даймонд Сервис» Хшшчеошя ООО «Кмггракт-М» Пищевом промышленность

Скорость производства сыры, кг/вед 3442 5000 5357

Емкостыю сырью, кг 100000 10000 50000

Продолжительность стыни производства, недели 0,5 1 од

Емкость производства в массе, кг 120000 120000 120000

Степень образовании отходов прн подготовке сырья, % 20 23 20

Степень повторного испольэомних продукции, % 10 15 5

Врак жизни продукции, недели 10 2 1

Емкость рынка, кг 1100000 2000000 1000000

Врой доставка, недели 1 13 1

Масса отходов на единицу продукции, % 46 35 25

Степень окончательной утилизации,Н 53,5 79 7

Врем* жизни отходов, недели 8 2 1

на рассматриваемых предприятиях. Моделирование начинается с нулевых значений переменных-уровней, т.е. в моделируемых сценариях предприятие начинает свою работу с нуля.

Для интегрирования уравнений модели используется метод Эйлера первого порядка с шагом 0,13 суток.

Результаты моделирования базового сценария представлены на рисунках 5,6.

На рис. 5 показаны результаты моделирования динамики переменных уровней (сплошные линии), соответствующих стадиям жизненного цикла продукции. А на рис. 6 - переменных-потоков, соответствующих связям между стадиями жизненного цикла.

Рис. 5. Моделирование переменных уровнем для модели машиностроительного предприятия (Базовый сценарий показан сплошными линиями, сценарий увеличенного объема

производства - пунктирными)

Результаты моделирования базового сценария позволили сделать следующие

выводы. При принятых параметрах моделирования производственного жизненного цикла предприятию необходимо около двух лет для выхода на стабильный режим работы. Конечно, этот срок можно уменьшить, если начинать не с нулевого уровня, а с некоторого начального запаса сырья и продукции. Моделирование показывает, что при заданных параметрах производства не происходит превышения допустимых запасов по сырью, готовой продукции и емкости рынка.

Количество отходов, накопленных к концу первого года деятельности, при заданных скоростях образования отходов, их повторного использования и утилизации составляет по всем классам опасности около 12,3 тонн. Эта величина не превышает нормативное предельное накопление отходов, составляющее для данного предприятия 17,999 тонн, также не превышает допустимое количество отходов на промышленной площадке предприятия для передачи другим предприятиям, организациям и населению - 81,337 тонн. В течение второго года работы накапливается несколько больше 12,8 тонны. Можно утверждать, что при сохранении такого режима функционирования жизненного цикла основные нормативы по накоплению отходов не будут превышены.

Предположим, что предприятие намерено увеличить объемы производства и реализации своей продукции за счет простого увеличения объемов производства. Для этого поступление сырья увеличивается с начала работы с 3442 кг/нед до 5000 кг/нед.

Соответствующий сценарий называется сценарием 1, результаты его моделирования показаны на рисунках 5 и 6 красными линиями.

Для сценария 1 все параметры производства и реализации, естественно, увеличиваются. Однако, количество отходов, накопленных к концу первого года деятельности, при заданных скоростях образования отходов, их повторного использования и утилизации составляет по всем классам опасности уже около 65 тонн. Эта величина значительно превосходит нормативное предельное накопление отходов, составляющее для данного предприятия, как уже указывалось, 17,999 тонн, но не превышает допустимое количество отходов на промышленной площадке предприятия для передачи другим предприятиям, организациям и населению - 81,337 тонн. В течение второго года работы накапливается уже 73,6 тонн.

\

ы 1 -тг \ 1

Рис. б Моделирование переменньл-потогов для модели машиностроительного предприятия (Базовый сценарий показан линиями сплошными, сценарий увеличенного объема

производства - пуигорными).

Возможным решением, позволяющим увеличить объемы производства и, одновременно, не превысить нормативные пределы накопления отходов, является снижение суммарного времени переработки-утилизации отходов. Соответствующая

величина в модели «время жизни отходов» принималась равной 8 неделям. Сохраним поступление сырья в жизненный цикл продукции на увеличенном уровне 5000 кг/нед и уменьшим время жизни отходов до 2 недель. Соответствующий сценарий называется сценарий №2, результаты его моделирования в сравнении со сценарием №1 показаны на рисунке 7.

На рисунке видно, что, дополнительное значительное увеличение производства достигается за счет быстрого дополнительного поступления сырья. При этом, стабилизация жизненного цикла достигается уже не за два года, а за первый год работы. И, что самое главное с точки зрения проводимого анализа, количество накапливаемых отходов падает.

Накопление отходов в течение первого года составляет 17,9 тонн, в течение второго года - 18,8 тонн. Незначительным снижением поступления сырья или ускорением переработки отходов можно добиться полного соответствия нормативным требованиям по предельному накоплению отходов.

Приведенный пример показывает, что применение моделирования жизненного цикла позволяет найти приемлемое системное решение. Затем необходимо решить вопрос о том, какие организационные, технологические и экономические меры позволят успешно реализовать это решение.

i i i i i i

Рнс.7 Моделирование переменных уровней для модели машиностроительного предприятия (Сценарий №1 показан сплошными линиями, сценарий увеличенного объема производства с ускорением переработки отходов Сценарий №2 - пунктирными)

Дня предприятий химической и пищевой промышленности моделирование

проводилось по аналогичной схеме.

Данные по базовому сценарию соответствуют полученным в результате обследования предприятия и представлены в табл.1. Моделирование проводилось при тех же характеристиках моделирования, что и для машиностроительного предприятия.

При моделировании предприятия химической промышленности был получен следующий результат, который показывает, что, при заданных параметрах жизненного цикла, накопление отходов не превышает предельного временного накопления отходов, составляющего для данного предприятия 16,668 тонн/год. Стабилизация жизненного цикла достигается сравнительно быстро, примерно за шесть месяцев, если работа начинается с нулевого уровня. Такое поведение модели обусловлено высокой степенью окончательной утилизации отходов - 79% при сравнительно небольших объемах производства.

Характер базового сценария позволяет рассмотреть перспективный сценарий № 1 увеличения объемов производства за счет увеличения поставок сырья с 2329 кг/неделю до 5000 кг/неделю при сохранении неизменными других характеристик жизненного цикла в модели.

Базовый сценарий моделирования жизненного цикла с параметрами, показанными в табл.1, для предприятия пищевой промышленности, характерен тем, что, при достаточно высоких объемах производства (сырье поступает в жизненный цикл со скоростью 5357 кг/неделю) степень окончательной утилизации отходов составляет только 7%. В результате сильная обратная связь в жизненном цикле по вторичному использованию отходов приводит к относительно медленной стабилизации производственной системы. В отличие от моделей машиностроительного и химического предприятий здесь моделирование выполнено на временной горизонт в три года. И выход жизненного цикла на стационарный режим происходит только к концу третьего года.

Предельное накопление отходов для данного предприятия составляет только 1,433 тонны в год. При этом, в силу уже отмеченных особенностей производственной системы, накопление отходов по базовому сценарию намного больше. За первый год накапливается около 61 тонны отходов, хотя почта 60 тонн из них относятся к пятому классу опасности. Далее, во втором и третьем годах накопление отходов продолжает расти.

Для решения проблемы менеджмента отходов рассматривается комплексное решение: увеличение степени окончательной утилизации с 7% до 21%, ускорение

19

переработки отходов с одной недели до 0,2 недели, снижение степени образования отходов при подготовке сырья с 20% до 10%.

По сравнению с базовым сценарием достигается резкое снижение образования отходов, в течение первого года накапливается около 5 тонн отходов. При этом стабилизация производственного цикла достигается примерно за первых шесть месяцев работы. Правда, происходит существенное снижение и объемов производства.

Моделирование с варьированием различных управляемых параметров модели позволяет установить, что наиболее сильно влияющими на характеристики производственного цикла являются «степень окончательной утилизации» и «время жизни отходов». Если уменьшить последнее значение до 0,01 недели, т.е. до 1,68 часа, то получим модель сценария № 2. Снижение объемов производства ниже, чем для сценария № 1, а образование отходов снижено до нормативного уровня и составляет около 1,3 тонны в год.

Проведенный анализ для жизненных циклов предприятий показывает возможности моделирования жизненного цикла как средства предпроизводственного анализа и поиска приемлемого решения.

На основании анализа данных, полученных при помощи системно-динамического моделирования, рассматриваемым предприятиям были предложены конкретные технические решения, направленные на утилизацию и повторное использование отходов производства с целью оптимизации процессов производства.

Практическое применение полученных результатов моделирования.

ООО Корпорация «Агрегат». При обсуждении результатов проведенного моделирования с представителями предприятия, было принято решение о разработке проекта реконструкции законсервированных печей плавления, с целью:

1. налаживания собственного производства заготовок;

2. максимально использования части образующихся отходов, для повторного использования в производственном процессе.

ООО КБ «Даймонд Сервис». По результатам проведенного моделирования для данного предприятия не предлагались конкретные технические решения и дополнительные сценарии, направленные на уменьшения объемов образования отходов. Во многом это обусловлено тем, что характер базового сценария позволяет рассмотреть перспективу увеличения объемов производства за счет увеличения

поставок сырья более чем в 2 раза при сохранении неизменными других характеристик жизненного цикла в модели.

ООО «Контракт М». В качестве основных технических решений для данного предприятия было предложено внедрение двух сценариев.

Первый основан на использовании образующихся отходов кости в качестве сырья для производства костной муки с последующей реализацией на рынке. При проведенном оценочном расчете целесообразности использования данного сценария обращения с отходами был получен положительный результат. Срок окупаемости капитальных затрат на закупку соответствующего костемольного оборудования и налаживание производственного процесса составляет порядка 6-7 лет при существующем объеме образования соответствующего сырья. При этом запас мощности выбранного костемольного оборудования в 2,5 раза превосходит существующие объемы образования сырья. Что позволяет при соответствующем подходе и разработке новой схемы движения отходов увеличить объем производства основной продукции.

Второй сценарий основан на использовании части отходов ЖКТ в производственном процессе для увеличения объема производства собственной продукции. Использование так называемого ливера. Срок окупаемости капитальных затрат на закупку соответствующего оборудования и налаживание производственного процесса составляет 3-4 года. При этом объем сокращения образующихся отходов по сравнению с базовым сценарием может достигать 30-40 %.

В приложениях к диссертации представлены справки об использовании результатов проведенного исследования и предлагаемых технических решения в рамках программы контроля образования и минимизации отходов производства и потребления на всех трех предприятиях.

Общие выводы и результаты

1. Выполнен анализ практики обращения с отходами производства на предприятиях Московской области. Выделены типовые предприятия и сформулированы основные проблемы промышленного комплекса региона в части обращения с отходами производства.

2. Предложен способ контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами, основанный на разработке и применении моделей жизненного цикла продукции.

3. Жизненный цикл продукции устойчив, если организована обратная связь по повторному использованию продукции и отходов производства. Основными характеристиками обратной связи являются время и степень утилизации и повторного использования отходов.

4. Предложена базовая информационная модель контроля образования, утилизации и повторного использования отходов. Дальнейшее развитие и усложнение базовой версии модели позволяют учитывать эмиссию загрязнений в атмосферу и водные объекты от жизненного цикла, а также использование энергии.

5. Исследованы неопределенности, возникающие при динамическом моделировании контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производством, а также выполнен анализ чувствительности разработанных моделей.

6. Разработанная и примененная на практике к конкретным предприятиям Московской области модель контроля образования, утилизации и повторного использования отходов позволила предложить конкретные технические решения для каждого предприятия по улучшению практического обращения с отходами.

Список публикаций.

1. Музыченко П.А. «Типовые проблемы промышленных предприятий МО в области управления отходами производства и потребления Труды третьей международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 25-26 мая 2005 г., М, МГСУ. - стр. 39-44.

2. Музыченко П.А. «Положительный опыт использования научно-обоснованных подходов к управлению отходами производства и потребления». Труды третьей международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 25-26 мая 2005 г., М, МГСУ. - стр. 34-39.

3. Музыченко П.А., Чужакова Е.М «Ранжирование типовых проблем хозяйствующих субъектов Московской области в части обращения с отходами производства и потребления» Труды международной конференции «Производство. Технология. Экология», «ПРОТЭК '2005». 14-16 сентября 2005 г., М, МГТУ «СТАНКИН», стр. 67-73.

4. Музыченко П.А. «Информационное сопровождение системы управления окружающей средой организацию), Труды III Международной молодежной научно-практической конференции «Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития индустрии туризма», г. Сочи. 2003 г., СГУТиКД, стр. 23-29.

5. М. Пурвис, С. Сантос, П. Музыченко, Д. Синюкова, С. Юдин «Менеджмент твердых отходов» Экологическое управление природными ресурсами, 2002 г. Государственный Технический Университет Нижнего Новгорода, стр. 161-210.

i i I

i

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Музыченко Павел Андреевич

КОНТРОЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ, УТИЛИЗАЦИИ И ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ отходов В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВАМИ (на примере предприятий Московской области)

г

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 29.11.2005. Формат 60х90'/]б Уч.нзд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 215

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.За

í

I

! !

I

!

i ¡

jf (

»

'42 888

РНБ Русский фонд

2006-4 26434

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ОХРАНОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1. Государственное регулирование обращения с промышленными отходами

1.2. Основные результаты комплексного анализа существующей практики обращения с отходами в промышленном комплексе Московской области

1.3. Анализ подходов к интеграции методов моделирования в общую систему автоматизированного управления производствами

1.4. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКЦИИ КАК ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Существующие информационные технологии поддержки систем управления производством

2.2. Развитие концепции оценки жизненного цикла применительно к системам охраны окружающей среды

2.3. Моделирование жизненного цикла продукции

2.4. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ОТХОДАМИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

3.1. Анализ источников неопределенности, ее снижение при экспертной оценке и анализ чувствительности при моделировании

3.2. Фактические данные используемые при моделировании

3.3. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ОТХОДАМИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ

4.1. Применение моделирования управления отходами в управлении производством (подсистема управления отходами)

4.2. Рекомендованные технические решения, принятые на основании анализа результатов моделирования, и их реализация

4.2.1. ООО Корпорация «Агрегат»

4.2.2. ООО КБ «Даймонд Сервис»

4.2.3. ООО «Контракт М»

4.3. Выводы по четвертой главе

Диссертация посвящена исследованиям и развитию информационного обеспечения систем управления малых и средних промышленных предприятий, в части влияния экологических факторов, применительно к сфере контроля образования, утилизации и повторного использования отходов.

Актуальность проблемы исследования.

К фундаментальным проблемам XXI века принято относить менеджмент, качество объектов и систем, охрану и управление окружающей средой (далее ОС) и технологическими процессами. Эти понятия объединяются в концепции всеобщего управления качеством (TQM). Идеи TQM достаточно быстро проникают из области чистого производства в предоставление услуг, образование, научные исследования. В том числе возникает задача эффективного и действенного управления качеством ОС: ее защиты, определения комплексного влияния экологических факторов на построение и управление технологическими процессами, с целью последующего прогнозирования наиболее эффективной технологии производства.

Общим подходам, рассматривающим различные аспекты менеджмента качества окружающей среды, как составной части системы всеобщего менеджмента качества посвящены исследования следующих авторов: В.Н. Бурков [2], В.Г. Игнатов, А.В. Кокин [16], В.А. Коптюг [30, 31], Э.М. Коротков [32, 33], Ю.Г. Марков [36], Г.А. Недоступенко [52], Е.В. Пашков [56], Ю. Хубер [77] и другие. Экологические аспекты управления технологической средой рассматривались в работах Л.Э. Шварцбурга, М.Ю. Худошиной. Имеются также сравнительно немногочисленные работы по динамическому моделированию задач менеджмента качества объектов и систем: И.Г. Кантаржи [19-26], В.А. Фатуев, В.И. Бушинский [72], A. Ford [111], М. Purvis [134] и др.

Внедрение новых стандартов и подходов к управлению качеством ОС вызвало появление новых требований к информационной поддержке систем управления, в том числе и система управления технологическими процессами производства. До последнего времени основное внимание уделялось CALS - технологиям (непрерывное развитие и поддержка жизненного цикла), обеспечивающим

Однако, системы управления предприятием, неразрывно связаны с различными вопросами качества ОС и множеством экологических факторов, поэтому требуют информацию в виде прогнозов поведения объектов управления (организации) в связи с реализацией принятой стратегии управления. В том числе это относится к динамике ЖЦ продукции и его устойчивости. Под устойчивым ЖЦ понимается такое управление потоками материалов и энергии через различные стадии производства, потребления и утилизации, которое обеспечивает оптимальное повторное использование и замкнутость потоков, минимизацию отходов и предотвращение исчерпания природных ресурсов. Для этой цели необходимы специальные модели динамики объектов и систем управления. Такие модели могут быть реализованы с помощью известной технологии системно-динамического моделирования, т.е. с получением новой информации - сценариев реализации политики организации в области охраны окружающей среды (далее ООС). Применение такого моделирования для поддержки систем управления качеством ОС соответствует требованиям стандартов экологического менеджмента (серии ИСО 14000) в части системности и процессного подхода.

Важнейшей составной частью сохранения уровня качества ОС является обеспечение проектировщиков, конструкторов и технологов достаточно простыми и доступными методиками для расчета потоков вещества и энергии на каждой из стадий ЖЦ, включая закупку сырья и вспомогательных материалов, производство продукции, ее обращение, использование и утилизацию. Главная задача заключается в том, чтобы на соответствующих этапах управления производством наряду с обеспечением основных функциональных свойств продукции осуществлялась оценка объема основных и вспомогательных расходных материалов, электроэнергии, воды, топлива, удельных выбросов вредных и ядовитых веществ.

Таким образом, разработка и развитие информационных моделей, состояния и динамики влияния тех или иных экологических факторов, в частности, контроля, образования утилизации и повторного использования отходов в производственной системе, которые могли бы обеспечить необходимой информацией системы управления качества ОС промышленного предприятия как части общей системы управления производством, представляется актуальной. 5 управления качества ОС промышленного предприятия как части общей системы управления производством, представляется актуальной.

Целью работы является обеспечение экологических стандартов обращения с промышленными отходами на предприятиях на основе применения информационных моделей, позволяющих прогнозировать состояние и динамику образования, утилизации и повторного использования отходов.

Личный вклад автора

Автору принадлежат постановка задачи исследования, сбор и анализ необходимой исходной информации, конструирование и применение моделей, разработка методики их применения и анализ полученных результатов.

Автор самостоятельно обобщил и оформил результаты работы.

Диссертационное исследование тесно связано с выполнением работ по проектам «Разработка и внедрение научно обоснованных подходов к управлению отходами производства и потребления для хозяйствующих субъектов Московской области», а также ряду других консалтинговых проектов в области ООС и УО, по которым автор являлся одним из ответственных исполнителей. Именно поэтому вся фактура практических данных представлена на предприятиях Московской области.

Кроме того, диссертационное исследование связано с участием автора в ряде международных научно исследовательских проектов, по которым автор занимался разработками информационных моделей влияния экологических факторов на состояние производственной системы, методиками их применения и анализом полученных данных. Так, основные результаты по системно-динамическому моделированию были получены в 2003-2004 гг. в рамках работы над проектом NATO SCIENCE PROGRAMME Cooperative Science and Technology Sub-Programme COLLABORATIVE LINKAGE GRANT (SA(EST.CLG.979.490), «Динамическое моделирование использования энергии в жизненном цикле продукции».

Новым в работе является: > Разработка модели жизненного цикла продукции, включающего образование, утилизацию и повторное использование промышленных отходов. У Разработка базовой информационной модели контроля образования, утилизации и повторного использования отходов. 6 Метод уменьшения неопределенностей, возникающих при моделировании контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производством.

Общие выводы и рекомендации по диссертационной работе состоят в следующем:

1. Выполнен анализ практики обращения с отходами производства на предприятиях Московской области. Выделены типовые предприятия и сформулированы основные проблемы промышленного комплекса региона в части обращения с отходами производства.

2. Предложен способ контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производствами, основанный на разработке и применении моделей жизненного цикла продукции.

3. Жизненный цикл продукции устойчив, если организована обратная связь по повторному использованию продукции и отходов производства. Основными характеристиками обратной связи являются время и степень утилизации и повторного использования отходов.

4. Предложена базовая информационная модель контроля образования, утилизации и повторного использования отходов. Дальнейшее развитие и усложнение базовой версии модели позволяют учитывать эмиссию загрязнений в атмосферу и водные объекты от жизненного цикла, а также использование энергии.

5. Исследованы неопределенности, возникающие при динамическом моделировании контроля образования, утилизации и повторного использования отходов в системах управления производством, а также выполнен анализ чувствительности разработанных моделей.

6. Разработанная и примененная на практике к конкретным предприятиям Московской области модель контроля образования, утилизации и повторного использования отходов позволила предложить конкретные технические решения для каждого предприятия по улучшению практического обращения с отходами.

1. ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ АУДИТУ. ОСНОВНЫЕ НРИНЦИНЫ, Издание официальное, М., Госстандарт РФ, 1998,14 с.ГОСТ Р ИСО 14011, РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ НОЭКОЛОГИЧЕСКОМУ АУДИТУ. ПРОЦЕДУРЫ АУДИТА.

2. Менеджмент в России и за рубежом - 1997. - март-апрель. - с. 12- 23.Коротков Э.М. Профессионализация управления: тенденции и33 проблемы российского менеджмента// Менеджмент. - 1996. - №2.-с . 5-12.

3. Руководство но использованию НК PowerSim

4. Management of Sustainability', Columbia University Press, New York. 1-20 p.Culaba A.B., Purvis M.R.I. A Methodology for the Life Cycle and

5. Sustainability Analysis of Manufacturing Processes. - J. of Cleaner Production, (7) 1999. - p.435-445Deming W.E. Improvement of Quality and Productivity Through

6. Logothetis N. Managing for Total Quality. Prentice Hall, UK, 1992

7. Contains 100 indicators for important materials and processes/ final report, Novem, Netherlands agency for energy and the environment,1995.The Eco-indicator 99. A damage oriented method for Life Cycle

8. Impact Assessment, Methodology Annex, Internet version, PRe Consultants B.V., Rotterweg, 1999The Eco-indicator 99. A damage oriented method for Life Cycle

9. Impact Assessment, Methodology Report, Internet version, PRe Consultants B.V., Rotterweg, 1999Thompson M., Ellis R., Wildavsky A. Cultural Theory, Westview142Print Boulder, 1990

10. Tov^ a^rds Sustainability. EEC (com). 92. 23. vol. 11. 1992 Valuing the Earth Economics, Ecology, Ethics', ed. by H.E.Daly and

11. K.N.Taunsend, 1993: The MIT Press Cambridge, Massachusetts, 1.ondon, England.130