徐 楓,馬鳳德

(江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇 揚州 225000)

飼料加工的過程屬于典型的流程型生產(chǎn)，具有工藝過程連續(xù)、生產(chǎn)設(shè)施和加工順序固定的特點，因此生產(chǎn)過程中對物料連續(xù)供應(yīng)和設(shè)備協(xié)同性要求較高。通常來講，流程型生產(chǎn)有著較高的自動化程度，其物料流轉(zhuǎn)效率和設(shè)備運行效率是衡量產(chǎn)出的重要指標(biāo)[1-2]。近年來，飼料工業(yè)迅猛發(fā)展，行業(yè)呈現(xiàn)集約化、產(chǎn)業(yè)化的趨勢，隨著自動化程度的不斷提高，對工藝流程設(shè)計也提出了更高的要求。然而，當(dāng)前飼料工藝方案設(shè)計中，參數(shù)選取依賴經(jīng)驗的情況依然普遍，缺乏系統(tǒng)性的方案驗證手段，因而也造成了資源浪費或配備不合理的現(xiàn)象，降低生產(chǎn)效率，使企業(yè)在競爭中處于劣勢[3-4]。

隨著軟件技術(shù)的不斷變革創(chuàng)新，涌現(xiàn)出來一批通過仿真模擬對生產(chǎn)工藝流程進行分析的工具平臺，這其中尤以FlexSim為代表[5-7]。通過創(chuàng)建代表生產(chǎn)中涉及到的物料和設(shè)備的虛擬模型，并以編程的方式賦予其與實際生產(chǎn)對應(yīng)的屬性，輔以契合生產(chǎn)操作規(guī)程的控制邏輯，使用者借助FlexSim可以完成對生產(chǎn)工藝的全流程仿真，進而發(fā)現(xiàn)瓶頸問題并加以優(yōu)化，規(guī)避設(shè)計缺陷，降低不確定性與風(fēng)險，提升生產(chǎn)效率。目前該軟件已廣泛應(yīng)用于物流、服務(wù)中心、產(chǎn)線生產(chǎn)等項目規(guī)劃與分析中，有效的為企業(yè)提升效率、降低成本，但是在飼料行業(yè)尚無應(yīng)用先例。本研究將以某飼料工程設(shè)計方案為例，介紹在FlexSim中建模的方法，并通過對設(shè)計參數(shù)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計方案，解決仿真計算中暴露的生產(chǎn)節(jié)拍不一致的問題，也希望借此研究為業(yè)內(nèi)研究者提供一種新的思路。

1 工藝流程介紹

某豬飼料加工廠生產(chǎn)流程主要包含原料、粉碎、原料膨化、混合和制粒五大工段。其車間內(nèi)主要工藝流程如圖1所示，原料倉內(nèi)物料根據(jù)其加工要求不同，經(jīng)由輸送設(shè)備直接進入配料倉或粉碎倉，其中進入粉碎倉內(nèi)的物料經(jīng)粉碎機后根據(jù)加工需要輸送至配料倉或膨化倉，而膨化倉內(nèi)的物料經(jīng)膨化機后最終也進入配料倉?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)所生產(chǎn)配方，將配料倉中不同物料按比例經(jīng)配料秤稱重后進入混合機，混合完成后經(jīng)輸送設(shè)備進入制粒倉暫存，并根據(jù)生產(chǎn)計劃進入制粒機制成成品飼料。

圖1 主車間工藝流程示意

流程圖中所示意的諸如原料倉等名稱均是其所屬倉群或設(shè)備群的代指，根據(jù)配方，本研究中涉及的倉群個數(shù)分別為11個原料倉、5個粉碎倉、1個膨化倉、12個配料倉、5個制粒倉，設(shè)備群個數(shù)分別為4臺粉碎機、1臺膨化機、2臺混合機和5臺制粒機。有別于傳統(tǒng)飼料工藝，該工廠最突出的特點在于其粉碎倉、配料倉和制粒倉倉容非常小，滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下僅能容納滿足3～4個批次生產(chǎn)需要的物料。針對這一特點，我們希望通過仿真計算驗證其可行性，并有針對性的提出解決方案。

2 仿真模型建立

參照圖1所展示的工藝流程，在建模過程中對流程進行適當(dāng)抽象和理想化，作出以下假設(shè)：

(1)模型中不考慮管理失當(dāng)、人員怠工等運營因素，不考慮設(shè)備換型、故障停機等問題，設(shè)備設(shè)計產(chǎn)能為常數(shù)，引入效率參數(shù)以模擬產(chǎn)能下降的情況。

(2)對同一臺設(shè)備，僅當(dāng)其在處理不同種類物料時考慮設(shè)備準(zhǔn)備時間，連續(xù)處理同種物料時其準(zhǔn)備時間設(shè)為0。

(3)所涉及的11種原料(對應(yīng)11個原料倉)默認(rèn)其質(zhì)量合格，不對生產(chǎn)造成影響。

(4)不考慮實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的機頭料、機尾料問題，即默認(rèn)所有設(shè)備(尤其膨化機和制粒機)產(chǎn)出均符合生產(chǎn)要求和品質(zhì)管控。

2.1 實體設(shè)置與參數(shù)選擇

該飼料生產(chǎn)工藝流程與FlexSim中的物理實體有特定的對應(yīng)關(guān)系，所有倉均以暫存區(qū)表示，其對應(yīng)的屬性參數(shù)最大容量根據(jù)倉容設(shè)計參數(shù)換算得到，主機設(shè)備如粉碎機、制粒機等建模為處理器，對應(yīng)的處理能力、輸入輸出端口等參數(shù)在全局表中定義，輸送設(shè)備統(tǒng)一由傳送帶表示，運載能力根據(jù)工藝方案中刮板機、提升機等產(chǎn)能參數(shù)進行換算。

為實現(xiàn)物料在模型中的流轉(zhuǎn)，各實體之間均采用“A-連接”的形式進行連接，需要強調(diào)的是，因飼料生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，暫存器、處理器等均存在“多進多出”的現(xiàn)象，如對于代表粉碎機的處理器而言，同一臺粉碎機可以粉碎不同物料，因此多個代表粉碎倉的暫存器可以連接至同一處理器，構(gòu)成“多進”，而粉碎后的不同物料又會被輸送至相應(yīng)的配料倉，構(gòu)成處理器至?xí)捍嫫鞯摹岸喑觥薄?/p>

代表輸送設(shè)備的傳送帶同樣存在“多進多出”的情況，在FlexSim中可以使用“決策點”對其進行模擬。決策點類似飼料生產(chǎn)設(shè)備中的分配器，其屬性設(shè)置多采用總-分式結(jié)構(gòu)，物料經(jīng)過決策點后根據(jù)所設(shè)置的條件或參數(shù)不同而流向不同目標(biāo)。

2.2 關(guān)鍵控制邏輯

飼料廠生產(chǎn)除了需要設(shè)備等硬件外，還需要中控系統(tǒng)的密切配合，對工藝流程的仿真也需要定義其控制邏輯?；A(chǔ)邏輯的建立依賴前面提到的A-連接，實體間連接的形式從根本上決定了所有可能出現(xiàn)的物料流轉(zhuǎn)路徑。在實際生產(chǎn)和仿真運算中某一具體時刻，所有實體都必須處于確定的“單進單出”狀態(tài)，即其應(yīng)有唯一的物料來源和目的地，這種精確控制由工作流和全局表協(xié)同實現(xiàn)。

定義緩存器某一時刻物料存量所占最大容量的百分比為其占用率，對應(yīng)每個緩存器，在全局表中給出占用率“報警閾值”，即占有率低于該值時提示控制系統(tǒng)，需要更改當(dāng)前物料流通路徑使物料流入相應(yīng)的緩存器。例如，對配料倉而言，此閾值報警將觸發(fā)為其供應(yīng)物料的混合機在接下來的批次所處理的配方變更；而對于需要粉碎物料所對應(yīng)的配料倉，此閾值報警會觸發(fā)粉碎機切換粉碎物料種類(多原料共用同一臺粉碎機)。

實際生產(chǎn)中，緩存器閾值觸發(fā)導(dǎo)致的物料流通路徑的改變并非瞬時完成，如粉碎機切換所粉碎的原料時需要一定的時間完成清理，以保證物料不會交叉污染，同樣的道理也適用于輸送設(shè)備。因此在控制邏輯中有必要設(shè)定相應(yīng)的時間延遲以模擬真實情況。

2.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定仿真運行時間為30 600 s，即8.5 h，其中0～1 800 s為生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，運行仿真并觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因配料倉容量限制，在仿真過程中出現(xiàn)“零存量”的時間段，這說明生產(chǎn)出現(xiàn)斷續(xù)，無法滿足設(shè)計需求。

為應(yīng)對這一問題，對混合機的控制邏輯做出調(diào)整，由定批重改為變批重，即在某一批次混合開始前，根據(jù)其所要處理的配方對應(yīng)的制粒倉內(nèi)物料存量動態(tài)調(diào)整該批次的重量。當(dāng)前模擬實例中，待制粒倉最大容量為9 t，混合機最大產(chǎn)能為6 t/h，調(diào)整后的控制邏輯如圖2所示。

圖2 變批重控制邏輯

對于邏輯調(diào)整前出現(xiàn)空倉的制粒倉，圖3給出了調(diào)整后仿真全過程該倉內(nèi)物料存量的變化曲線。由圖中可以看到，應(yīng)用上述控制邏輯后，該制粒倉內(nèi)物料存量始終運行于穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，空倉情況不再出現(xiàn)。

圖3 倉容變化曲線

3 結(jié)論

本研究探索了使用FlexSim軟件平臺對飼料工藝流程進行建模仿真的可行性，并以某豬料生產(chǎn)車間為案例開展工藝仿真，重點關(guān)注了其小倉容設(shè)計能否滿足制粒倉物料供應(yīng)需求以保障連續(xù)性生產(chǎn)。仿真結(jié)果顯示，如果沿用傳統(tǒng)飼料生產(chǎn)定批重混合的方式，制粒倉在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)空倉時段，無法滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，但是通過調(diào)整混合機控制邏輯實施“變批重”工藝，可以有效調(diào)節(jié)制粒倉內(nèi)物料存量，使之平穩(wěn)運行于合理區(qū)間，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

研究表明，使用仿真手段對飼料工藝進行模擬分析能夠幫助定位設(shè)計方案中的瓶頸問題，擺脫傳統(tǒng)設(shè)計對經(jīng)驗的嚴(yán)重依賴，使方案更加合理高效，是一種值得深入探索的新設(shè)計思路。