Когда мы приобретаем бумажные изделия — от ученических тетрадей до картонных коробок, — в конечную стоимость включены не только траты на материалы, но и неявные производственные издержки. Например, для экономии водных ресурсов предприятия целлюлозно-бумажной отрасли применяют оборотное водоснабжение, при котором жидкость очищается и используется заново. Однако при таком подходе в воде начинают активно развиваться бактерии, что ухудшает качество выпускаемой продукции.
Анна Абрамова
Фото: процесс производства. Источник фото: ПНИПУ
Сейчас контроль за состоянием воды осуществляется через лабораторные тесты, но они не дают возможности отслеживать изменения в режиме текущего времени. В результате предприятие не успевает своевременно отреагировать, и убытки из-за брака и излишнего расхода ресурсов могут составлять миллионы рублей. Эти потери производитель включает в цену, и в итоге переплачивают покупатели.
Российская инновация: диагностика в реальном времени
Учёные Пермского Политеха первыми в России разработали систему, способную диагностировать состояние воды в реальном времени. Это позволит быстрее выявлять ухудшение её качества и оперативно реагировать, снижая потери компаний и уменьшая себестоимость товаров.
Статья была опубликована в журнале «Научно-технический вестник Поволжья».
Сложность производства и оборотный цикл воды. Производство бумаги и картона представляет собой один из наиболее сложных технологических процессов в промышленности, требующий не только особых условий, но и огромных объёмов воды. Именно поэтому на заводах внедрён оборотный цикл: жидкость очищается и применяется повторно, а не сливается в канализацию. Но при многократном использовании, даже после очистки, в стоках остаются мелкие органические частицы — древесные волокна и остатки реагентов. Они накапливаются, создавая благоприятную среду для роста бактерий, грибков и других микроорганизмов. Их количество напрямую влияет на химический состав воды. Она становится кислой, портится, а бумага теряет прочность и легко рвётся. Чем больше загрязнений, тем больше средств требуется на очистку или полную замену жидкости.
Недостатки лабораторного контроля. Для контроля состояния воды проводятся лабораторные исследования. Техники берут пробы и на основе результатов принимают решения, например, добавляют реагенты для подавления бактерий. Однако в настоящий момент невозможно контролировать производственные условия в реальном времени. Анализы проводятся периодически, поэтому специалист получает данные с опозданием, когда параметры в стоках уже изменились. Это значит, что оценки становятся неточными, и на их основе невозможно правильно выбрать эффективный режим очистки, так что меры могут не дать нужного эффекта.
Влияние на цену и масштаб проблемы
В итоге ухудшение качества продукции негативно сказывается на её цене. Бумага теряет прочность, идёт в брак, а предприятие компенсирует эти потери через повышение стоимости. Таким образом, затраты ложатся на потребителей, так как все дополнительные расходы производитель включает в цену товара.
Проблема усугубляется тем, что целлюлозно-бумажная промышленность сегодня обеспечивает нас огромным объёмом изделий: бумагой, картоном для упаковки, салфетками, полотенцами и сырьём для строительства, фильтрации и электроизоляции. Ежегодно в России производится более 10 миллионов тонн такой продукции. Даже небольшой процент брака оборачивается потерями в миллионы рублей, которые несут как предприятия, так и конечные покупатели.
Решение Пермского Политеха: автоматизированная система диагностики
Учёные Пермского Политеха первыми в России создали автоматизированную систему диагностики воды для целлюлозно-бумажной отрасли. В отличие от существующих решений, она функционирует в реальном времени, предотвращая ухудшение качества бумаги и помогая предприятиям сокращать убытки, а значит, сдерживать рост цен для потребителей.
Научный подход: учёт совокупности факторов. Известно, что на размножение микроорганизмов в воде сильнее всего влияют температура, кислотность среды и количество органических загрязнений. При этом эти параметры на производствах до сих пор измеряются и оцениваются по отдельности. Однако в действительности бактерии реагируют на совокупность факторов. Например, небольшое повышение температуры и кислотности по отдельности может быть безопасным, но вместе они запускают более активный рост микроорганизмов. Поэтому учёные предложили учитывать одновременное воздействие разных факторов при диагностике.
Математическая модель и её проверка. Для этого исследователи разработали математическую модель, которая сводит все показатели (температуру, кислотность и уровень загрязнений) к одному значению и показывает, насколько состояние воды отклоняется от нормы.
— Для проверки модели мы использовали данные из известных экспериментальных исследований, где на реальном предприятии были замерены ключевые параметры жидкости с разной периодичностью. Затем мы подставили эти сведения в свою модель, с её помощью определили общее состояние воды и сравнили результат с тем, что происходило в экспериментах. В ходе сравнения выяснилось, что наши расчёты совпадают с изменениями, зафиксированными на производстве. Чем больше результаты модели отклонялись от нормы, тем сильнее ухудшались свойства бумаги, — сообщила Ольга Билоус, старший преподаватель кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.
Система управления: как это работает на практике. Также учёные спроектировали систему управления для целлюлозно-бумажного производства, которая позволит в реальном времени отслеживать состояние оборотной воды и подавать сигнал при первых признаках ухудшения. Сначала в цехе устанавливаются датчики, постоянно измеряющие температуру, кислотность и электропроводность. Затем все данные поступают в небольшой промышленный компьютер, который с помощью созданной модели обрабатывает информацию и вычисляет общий показатель состояния воды.
— Чтобы система могла отличать норму от отклонения, мы также определили допустимые значения диагностического показателя: когда условия считаются безопасными, а когда необходимо принять меры. Для этого проанализировали данные, полученные в ходе экспериментальных исследований: сведения о показателях воды и соответствующие им характеристики готовой продукции, — отметила Ольга Билоус.
Преимущества и экономический эффект
Система работает в несколько раз быстрее лабораторных анализов и позволяет выявлять отклонения не тогда, когда бумага уже потеряла прочность, а на этапе возникновения благоприятных для бактерий условий. Кроме того, она полностью автоматизирована и способна отслеживать необходимые параметры без участия человека.
В результате за счёт своевременного обнаружения проблем система поможет сократить объёмы испорченной воды, уменьшить количество бракованной бумаги и картона, а также снизить расход химических реагентов на очистку. В зависимости от масштабов предприятия предложенное решение позволит сэкономить от сотен тысяч до миллионов рублей ежегодно. Это напрямую снижает себестоимость продукции, в которую сегодня закладываются огромные издержки на переработку брака, очистку и замену воды.
Возможно, нашим читателям будет интересно почитать статью о том, как следить за качеством воды на заводах. Об этом сообщила ведущий эколог петербургской фирмы «Люмэкс» Эльвира Кочуганова. Ее доклад прозвучал в рамках заседания Научно-технического совета АО «Татнефтехиминвест-холдинг» в Казани.
Еще одна разработка пермских ученых, о которой писал журнал «Химагрегаты», заслуживает внимания. Речь идет о новой технологии очистки воды, созданной в ПНИПУ. Она не только помогает сберечь природу, но и позволяет предприятиям экономить миллионы рублей.