Имитационная модель технологических процессов молочного производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РОБОТОТЕХНИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

 

ИМИТАЦИОННАЯ  МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧСКИХ ПРОЦЕССОВ МОЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 5174/1

______________________Петров И.Н.

^{подпись}

 

 

Научный руководитель, д.в.н. профессор

________________________Боев В.Д.

^{подпись}

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2012

 

РЕФЕРАТ

 

Отчет 31 с., 3 ч., 6 рис., 4 табл., 10 источников ,2 прил.

ANYLOGIC, ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ, ДИСКРЕТНО-СОБЫТИЙНАЯ МОДЕЛЬ, МОЛОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Актуальность работы: Моделирование применяется в случаях, когда проведение экспериментов над реальной системой невозможно или нецелесообразно: например, по причине хрупкости или дороговизны создания прототипа, либо из-за длительности проведения эксперимента в реальном масштабе времени. Применение имитационных моделей дает множество преимуществ по сравнению с выполнением экспериментов над реальной системой и использованием других методов, к таким преимуществам относятся: стоимость, время, повторяемость, точность, наглядность и универсальность.

Цель работы: разработать имитационную модель молочного производства для последующего проведения эксперимента и оценки полученных результатов.

Научная новизна и практическая значимость работы: имитационная модель структурировано отображает молочное производство и позволяет оценивать количественные показатели при выпуске продукции, что способствует планированию производственных процессов.

Апробация работы: основные результаты работы представлены в виде имитационной модели молочного производства.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Анализ  технологических процессов предприятия 6

1.1 Постановка задачи 6

1.2 Структура предприятия 7

1.2 Аппаратно-сырьевой цех 7

1.3 Участок розлива и упаковки 11

1.4 Участок укладки продукции и  хранения продукции 11

1.5 Обоснование потребности в имитационной  модели 12

2 Этапы  построение имитационной модели  технологических процессов молочного  производства 13

2.1 Формализация описания молочного  производства 13

2.2 Разработка модели в AnyLogic 15

3 Проведение  экспериментов с моделью 21

3.1 Исследование влияния различных  факторов на технологические  процессы предприятия 21

3.2 Интерпретация результатов моделирования 27

Заключение 28

Список  используемых источников 29

Приложение  А – аппаратно-сырьевой цех 30

Приложение  Б – графики загруженности  оборудования 31

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

UML (Unified Modeling Language,UML) Унифицированный язык моделирования– это универсальный язык визуального моделирования систем.

Имитационная модель —  это компьютерная программа, которая  описывает структуру и воспроизводит  поведение реальной системы во времени. Имитационная модель позволяет получать подробную статистику о различных  аспектах функционирования системы  в зависимости от входных данных.

Дискретно-событийное моделирование  — подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы  событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка»  и другие.

 

ВВЕДЕНИЕ

Имитационное моделирование, позволяет отражать процессы, как если бы они происходили в реальности. Для проведения имитационного моделирования производят построение модели изучаемой системы, которая с достаточной точностью описывает реальную систему. Еще имитационную модель можно определить следующим образом - логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Использование имитационного  моделирования позволяет изучить поведение системы во времени. Весомым плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны. С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего изделия до начала производства.

Существует три вида имитационного моделирования, это[2]:

агентное моделирование  – позволяет исследовать поведение децентрализованных агентов и то, как такое поведение определяет поведение всей системы в целом;

системная динамика – исследует  поведение сложных систем во времени  и в зависимости от структуры  элементов системы и взаимодействия между ними;

дискретно-событийное моделирование  – исследуется функционирование системы в целом, то есть функционирование системы представляется как хронологическая  последовательность событий. При этом абстрагируются при рассмотрении модели, рассматривая только основные события.

В работе будет рассмотрен анализ технологических процессов предприятия и на основании анализа, для проведения исследования будет построена дискретно-событийная модель предприятия. Для проведения исследований будет использован AnyLogic - программное обеспечение для имитационного моделирования сложных систем и процессов, разработанное российской компанией XJ Technologies. 

1 Анализ технологических процессов предприятия

1.1 Постановка  задачи

Для того, что бы построить  дискретно-событийную имитационную модель предприятия необходимо проанализировать его структуру и рассмотреть технологические процессы.

Молочный завод оснащен  новым прогрессивным, высокопроизводительным технологическим оборудованием, поставляемым компанией «Тетра Пак». Данное оборудование позволяет осуществлять производство следующего ассортимента продукции:

• молоко питьевое с требуемым(1 - 4%) содержанием жира;
• сметана с 10 - 20% содержанием жира;
• кефир, в т. ч. обогащенный бифидобактериями с низким содержанием жира;
• йогурты с различными фруктовыми наполнителями – черника, персик, вишня, клубника;

Фасовка молочной продукции  производится в упаковки компании «Тетра Пак», емкостью от 0,25 до 2,0 л.

Поступление сырья, упаковочных  и вспомогательных материалов на предприятие, отгрузка готовой продукции  с предприятия осуществляются автотранспортом.

Молоко на предприятие  доставляется автомолцистернами в количестве до 30 штук в сутки. Доставка сырья и упаковочных материалов, отгрузка готовой продукции осуществляются грузовыми машинами заказчиков и поставщиков.

Разгрузка автомашин производится на открытой автомобильной рампе  под навесом. С помощью грузового  подъемника паллеты поступают в  складские помещения на хранение. Для хранения сырья, вспомогательных  и упаковочных материалов в производственно-складском  здании предусмотрены отдельные  помещения.

Для перемещения сырья  и продукции используется электропогрузчики  марки EFG-115 (2 ед.), электроштабелеры марки ETV-110 (3 ед.), электророхли (4 ед.), ручные электроштабелеры (5 ед.).

 

1.2 Структура предприятия

Основное производство состоит из трех участков:

• аппаратно-сырьевой цех;
• участок розлива и упаковки;
• участок укладки  и хранения продукции.

При детализированном рассмотрении аппаратно-сырьевого цеха, можно выделить следующие участки:

• участок приемки сырого молока;
• участок производства и хранения пастеризованного молока;
• участок смешивания/восстановления молока;
• участок производства стерилизованного молока и ферментированных продуктов.

Предприятие молочной продукции может быть представлено как многофазная многоканальная разомкнутая система массового обслуживания с ожиданием, представим предприятие в виде СМО на рисунке 1.

Узел приемки.

Источник сырья.

Склад упаковки.

Источник упаковки.

Склад тары

Источник тары.

Аппаратно-сырьевой цех

Участок розлива

Участок фасовки

Склад готовой продукции

сырье

брак

брак

упаковка

тара

Готовая продукция

Продукция для розлива

Упакованная

 продукция

Рисунок 1 –  Молочное предприятие как СМО

1.2 Аппаратно-сырьевой цех

Технология молочного  производства полностью автоматизирована и герметична, включает в себя следующие  процессы и участки по переработке  молока и выпуску молочной продукции и соков.

 

Участок приемки сырого молока

Узел забора молока включает в себя 3 модуля приемки MRU-2. Охладитель сырого молока, производительность 3 х 25 000 л/час. Система хранения сырого молока состоит из пяти танков, изолированных, емкостью 75 000 л.  каждый.

Автоцистерны вручную  подсоединяются к приемной линии  молока с помощью шланга. Молоко подается самотеком, а затем перекачивается в охладитель, после чего поступает  в систему хранения сырого молока.

Участок производства и хранения пастеризационного молока. Охлаждение и хранение сливок.

Система пастеризации и хранения молока состоит из двух пастеризаторов молока и 10 резервуаров хранения пастеризованного молока  20 000 л каждый. Пастеризатор молока Тетра Терм Лакта 10 – М 20.

Нормализованные сливки с  пастеризационных установок охлаждаются  на охладителях для сливок (производительность охладителей 1000 – 3000 л/час) и подаются для хранения в буферные емкости.  Система хранения молока состоит  из десяти  резервуаров, емкостью по 20 000 л. каждый.  Буферная система  хранения не пастеризованных сливок состоит из трех резервуаров емкостью по 10 000 л.

Сырое молоко подается в пастеризатор молока, затем молоко подвергается охлаждению в пастеризационной установке, после чего подается в резервуары хранения пастеризованного молока. Не пастеризованные сливки при температуре сепарирования поступают на охладители сливок и после охлаждения перекачиваются в резервуары для хранения сырых сливок. Возможно выдерживание сливок в резервуаре хранения до 3 часов.

Участок смешивания/восстановления молока

Смешивание молочных продуктов, таких как восстановленное молоко, обогащенное молоко для производства йогуртов, молоко с вкусовыми наполнителями, с сахаром, молоко со стабилизаторами.

Основными компонентами в  установках ТМВ-2 с производительностью  до 100-225 кг/ч является  смесительное устройство, расположенное в нижней части смесительного танка. Смесительное устройство, состоящее из ротора и  статора, обеспечивает получение продукта, не содержащего комков, обеспечивая  его оптимальную обработку. Оборудование для смешения и восстановления молока состоит из четырех танков емкостью по 15 000 л каждый, технологической  клапанной обвязки, 2 теплообменников  (производительность 10 000 л/час).

Участок производства стерилизованного молока и ферментированных продуктов

Система стерилизации молока и молочных смесей состоит из стерилизатора, деаэратора, гомогенизатора и спирального выдерживателя на 300 секунд.

Опорожнение пастеризатора  происходит в выбранный буферный резервуар сливок  или в танки  для ферментации сметаны/йогурта  путем выталкивания молока/сливок водой. Смесь воды и молока/сливок направляется в слив.

Закваска для кефира/сметаны

Система подготовки закваски состоит из четырех резервуаров, 2 танка емкостью  по 300 л. и 2 танка  емкостью по 2000 л. Резервуары оборудованы  кожухом и змеевиком для нагрева  паром, а также охлаждения водой. Молоко нагревается до температуры  пастеризации в резервуаре, после  чего выдерживается в течение  определенного периода времени. После выдерживания молоко охлаждается  до температуры ферментации.

Добавление заквасочной культуры производится в емкость 300 л. через люк. Мешалка работает  в течение определенного периода времени для замешивания заквасочной культуры в молоко. После смешивания молоко подвергается ферментации в резервуаре.

Производство питьевого йогурта

Система ферментационного хранения состоит из шести изолированных  резервуаров, каждый емкостью 10 000 л  и пластинчатого охладителя 12 000 л/час.

Молоко охлаждается до температуры заквашивания в пастеризаторе, после чего подается в ферментационные  резервуары. После выгрузки молока из пастеризатора к ферментационным  резервуарам молоко смешивается  в линии с предварительно заданным количеством заквасочной культуры. В ферментационных резервуарах  мешалка резервуара работает в течение  заполнения резервуара и 15 минут после  заполнения резервуара для замешивания  заквасочной культуры в молоко. После  смешивания молоко подвергается ферментации  в резервуаре в течение определенного  периода времени. В процессе ферментации  мешалки подлежат остановке для  улучшения коагуляции.