基于FlexSim的飼料工藝設(shè)計(jì)仿真分析

徐 楓,馬鳳德

(江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇 揚(yáng)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(diǎn)，因此生產(chǎn)過程中對(duì)物料連續(xù)供應(yīng)和設(shè)備協(xié)同性要求較高。通常來(lái)講，流程型生產(chǎn)有著較高的自動(dòng)化程度，其物料流轉(zhuǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行效率是衡量產(chǎn)出的重要指標(biāo)[1-2]。近年來(lái)，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(shì)，隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)工藝流程設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。然而，當(dāng)前飼料工藝方案設(shè)計(jì)中，參數(shù)選取依賴經(jīng)驗(yàn)的情況依然普遍，缺乏系統(tǒng)性的方案驗(yàn)證手段，因而也造成了資源浪費(fèi)或配備不合理的現(xiàn)象，降低生產(chǎn)效率，使企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)[3-4]。

隨著軟件技術(shù)的不斷變革創(chuàng)新，涌現(xiàn)出來(lái)一批通過仿真模擬對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析的工具平臺(tái)，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(shí)際生產(chǎn)對(duì)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(duì)生產(chǎn)工藝的全流程仿真，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)瓶頸問題并加以優(yōu)化，規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷，降低不確定性與風(fēng)險(xiǎn)，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(xiàng)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(wú)應(yīng)用先例。本研究將以某飼料工程設(shè)計(jì)方案為例，介紹在FlexSim中建模的方法，并通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決仿真計(jì)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(cāng)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(jìn)入配料倉(cāng)或粉碎倉(cāng)，其中進(jìn)入粉碎倉(cāng)內(nèi)的物料經(jīng)粉碎機(jī)后根據(jù)加工需要輸送至配料倉(cāng)或膨化倉(cāng)，而膨化倉(cāng)內(nèi)的物料經(jīng)膨化機(jī)后最終也進(jìn)入配料倉(cāng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)所生產(chǎn)配方，將配料倉(cāng)中不同物料按比例經(jīng)配料秤稱重后進(jìn)入混合機(jī)，混合完成后經(jīng)輸送設(shè)備進(jìn)入制粒倉(cāng)暫存，并根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)入制粒機(jī)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(cāng)等名稱均是其所屬倉(cāng)群或設(shè)備群的代指，根據(jù)配方，本研究中涉及的倉(cāng)群個(gè)數(shù)分別為11個(gè)原料倉(cāng)、5個(gè)粉碎倉(cāng)、1個(gè)膨化倉(cāng)、12個(gè)配料倉(cāng)、5個(gè)制粒倉(cāng)，設(shè)備群個(gè)數(shù)分別為4臺(tái)粉碎機(jī)、1臺(tái)膨化機(jī)、2臺(tái)混合機(jī)和5臺(tái)制粒機(jī)。有別于傳統(tǒng)飼料工藝，該工廠最突出的特點(diǎn)在于其粉碎倉(cāng)、配料倉(cāng)和制粒倉(cāng)倉(cāng)容非常小，滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下僅能容納滿足3～4個(gè)批次生產(chǎn)需要的物料。針對(duì)這一特點(diǎn)，我們希望通過仿真計(jì)算驗(yàn)證其可行性，并有針對(duì)性的提出解決方案。

2 仿真模型建立

參照?qǐng)D1所展示的工藝流程，在建模過程中對(duì)流程進(jìn)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(yùn)營(yíng)因素，不考慮設(shè)備換型、故障停機(jī)等問題，設(shè)備設(shè)計(jì)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(duì)同一臺(tái)設(shè)備，僅當(dāng)其在處理不同種類物料時(shí)考慮設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間，連續(xù)處理同種物料時(shí)其準(zhǔn)備時(shí)間設(shè)為0。

(3)所涉及的11種原料(對(duì)應(yīng)11個(gè)原料倉(cāng))默認(rèn)其質(zhì)量合格，不對(duì)生產(chǎn)造成影響。

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

2.1 實(shí)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(shí)體有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所有倉(cāng)均以暫存區(qū)表示，其對(duì)應(yīng)的屬性參數(shù)最大容量根據(jù)倉(cāng)容設(shè)計(jì)參數(shù)換算得到，主機(jī)設(shè)備如粉碎機(jī)、制粒機(jī)等建模為處理器，對(duì)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(yùn)載能力根據(jù)工藝方案中刮板機(jī)、提升機(jī)等產(chǎn)能參數(shù)進(jìn)行換算。

為實(shí)現(xiàn)物料在模型中的流轉(zhuǎn)，各實(shí)體之間均采用“A-連接”的形式進(jìn)行連接，需要強(qiáng)調(diào)的是，因飼料生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，暫存器、處理器等均存在“多進(jìn)多出”的現(xiàn)象，如對(duì)于代表粉碎機(jī)的處理器而言，同一臺(tái)粉碎機(jī)可以粉碎不同物料，因此多個(gè)代表粉碎倉(cāng)的暫存器可以連接至同一處理器，構(gòu)成“多進(jìn)”，而粉碎后的不同物料又會(huì)被輸送至相應(yīng)的配料倉(cāng)，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(jìn)多出”的情況，在FlexSim中可以使用“決策點(diǎn)”對(duì)其進(jìn)行模擬。決策點(diǎn)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(diǎn)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(duì)工藝流程的仿真也需要定義其控制邏輯。基礎(chǔ)邏輯的建立依賴前面提到的A-連接，實(shí)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(shí)際生產(chǎn)和仿真運(yùn)算中某一具體時(shí)刻，所有實(shí)體都必須處于確定的“單進(jìn)單出”狀態(tài)，即其應(yīng)有唯一的物料來(lái)源和目的地，這種精確控制由工作流和全局表協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

定義緩存器某一時(shí)刻物料存量所占最大容量的百分比為其占用率，對(duì)應(yīng)每個(gè)緩存器，在全局表中給出占用率“報(bào)警閾值”，即占有率低于該值時(shí)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(duì)配料倉(cāng)而言，此閾值報(bào)警將觸發(fā)為其供應(yīng)物料的混合機(jī)在接下來(lái)的批次所處理的配方變更；而對(duì)于需要粉碎物料所對(duì)應(yīng)的配料倉(cāng)，此閾值報(bào)警會(huì)觸發(fā)粉碎機(jī)切換粉碎物料種類(多原料共用同一臺(tái)粉碎機(jī))。

實(shí)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(shí)完成，如粉碎機(jī)切換所粉碎的原料時(shí)需要一定的時(shí)間完成清理，以保證物料不會(huì)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(shí)間延遲以模擬真實(shí)情況。

2.3 仿真結(jié)果分析

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

為應(yīng)對(duì)這一問題，對(duì)混合機(jī)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(duì)應(yīng)的制粒倉(cāng)內(nèi)物料存量動(dòng)態(tài)調(diào)整該批次的重量。當(dāng)前模擬實(shí)例中，待制粒倉(cāng)最大容量為9 t，混合機(jī)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(duì)于邏輯調(diào)整前出現(xiàn)空倉(cāng)的制粒倉(cāng)，圖3給出了調(diào)整后仿真全過程該倉(cāng)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(cāng)內(nèi)物料存量始終運(yùn)行于穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，空倉(cāng)情況不再出現(xiàn)。

圖3 倉(cāng)容變化曲線

3 結(jié)論

本研究探索了使用FlexSim軟件平臺(tái)對(duì)飼料工藝流程進(jìn)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(diǎn)關(guān)注了其小倉(cāng)容設(shè)計(jì)能否滿足制粒倉(cāng)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(cāng)在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)空倉(cāng)時(shí)段，無(wú)法滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，但是通過調(diào)整混合機(jī)控制邏輯實(shí)施“變批重”工藝，可以有效調(diào)節(jié)制粒倉(cāng)內(nèi)物料存量，使之平穩(wěn)運(yùn)行于合理區(qū)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

研究表明，使用仿真手段對(duì)飼料工藝進(jìn)行模擬分析能夠幫助定位設(shè)計(jì)方案中的瓶頸問題，擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)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(jì)思路。