Имитационная модель технологических процессов молочного производства

Станция дозирования фруктов

Установка дозирования состоит из резервуарной секции с двумя точками подсоединения контейнеров с фруктовым джемом.

Резервуары с фруктовым  джемом имеют пневмосистему со стерильным воздухом. Контейнеры с фруктами/джемом вручную подсоединяются при помощи шлангов к установке. Перед запуском производства соединения резервуара с джемом, находящиеся на воздухе, могут стерилизоваться паром. Фрукты поступают из стерильных контейнеров и поточным способом смешиваются со сквашенным молоком. Правильное дозирование фруктов выполняется при помощи поршневого насоса с частотным регулированием и расходомера.

Производство  кефира

Молоко охлаждается до температуры ферментации 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, которая подается из отделения приготовления закваски в пропорции 5% от общего запланированного объема продукта.

В ферментационных резервуарах  мешалка резервуара работает в течение  наполнения резервуара и 15 минут по окончании наполнения для замешивания  заквасочной культуры в молоко. После  смешивания молоко подвергается ферментации  в резервуаре в течение определенного  периода времени. В процессе ферментации  мешалки подлежат остановке. По окончании  сквашивания  продукцию, перекачивают  в свободный резервуар и затем направляют на автомат для фасовки.

Производство сметаны

Сливки подаются в ферментационные  резервуары и смешиваются в линии  с предварительно заданным количеством  заквасочной культуры.  В ферментационных  резервуарах мешалка резервуара работает в течение наполнения резервуара и 10-15 мин по окончании наполнения для замешивания заквасочной  культуры в сливки. После смешивания сливки подвергаются ферментации в  резервуаре в течение определенного  периода времени. В процессе ферментации  мешалки подлежат. По окончании сквашивания  продукцию, перекачивают  в свободный резервуар и затем направляют на автомат  для фасовки.

Производство вязкого/густого  йогурта

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 наполнения резервуара и 15 минут по окончании наполнения для замешивания заквасочной культуры в молоко. После смешивания молоко подвергается ферментации в резервуаре в течение определенного периода времени. В процессе ферментации мешалки подлежат остановке.

1.3 Участок розлива и упаковки

Розлив и упаковка продукции  предприятия производится на автоматизированных линиях, по которым подается упаковочный  материал в виде заготовок пакетов (плоский рукав), уложенных в рулоны, пластиковые стаканы и  разливаемый  продукт. В состав линий входят расфасовочные  аппараты А3Flex PT, A3FlexDIMC, TT3, TREPKO 106 KSF,  аппликаторы крышек  ТСА49, аппликатор соломок TSA 21.

При продвижении к расфасовочному аппарату  проводится дезинфекция  внутренней оболочки будущих пакетов  раствором  перекиси водорода, разложение остатков дезинфицирующего раствора на внутренних стенках упаковки до воды и кислорода после кратковременного  воздействия горячей проточной  водой и формирование пакета.

Как только пакет промыт  и сформирован, производится заполнение  его продуктом, поступающим по трубопроводам, с участков аппаратно-сырьевого  цеха, сразу же осуществляется герметизация емкости (точечное воздействие электрического тока на металлизированные края пакета, с расплавлением и запайкой полимерного  слоя упаковки). Производится оснащение  упаковок крышками,  соломками, в  зависимости от вида продукции.

По данным предприятия  процент брака упаковочного материала составляет  до 1,5% от годовой потребности в упаковочном материале.

1.4 Участок укладки продукции и хранения продукции

На участке готовый  продукт подготавливается к дальнейшей транспортировке в торговые сети. С участка розлива и упаковки готовая продукция поступает  на участок укладки по роликовому транспортеру.

Транспортная тара состоит  из коробки гофрокартона, заготовки  коробок из гофрокартона поступают  со стороннего предприятия. С помощью  оборудования для групповой упаковки осуществляется формирование паллет, укрепление паллет полиэтиленовой пленкой  и передача с помощью транспортера в холодильную камеру. Паллеты  формируются на деревянных поддонах.

По данным предприятия  процент брака составляет  от 0,1% до 3,0%  годовой потребности в упаковочном материале.

Для хранения пастеризованной  продукции предусмотрены холодильные камеры с температурой 0°С, хранение стерилизованной продукции производится в неохлаждаемых помещениях.

1.5 Обоснование потребности в имитационной модели

Даже при наличии столь  высокой автоматизации производственных процессов, предприятие нуждается  в имитационной модели. Так как, данная модель позволит производить:

• различные изменения в структуре предприятия, для получения более высокой рентабельности;
• оценку устойчивости оборудования на длительном промежутке времени, при непрерывном производстве, тем самым выявлять узкие места производственной линии;
• имитацию модернизации производства, не осуществляя серьезных финансовых затрат.

 

2 Этапы построение имитационной модели технологических процессов молочного производства

2.1 Формализация описания молочного производства

Следующим этапом в построение имитационной модели, после описания технологических процессов, то есть создания концептуальной модели, является формализация данной модели. Для этого в работе будет создана UML-диаграмма классов оборудования.

Диаграмма классов служит для представления статической  структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов  может отражать, в частности, различные  взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты  и подсистемы, а также описывает  их внутреннюю структуру и типы отношений. На данной диаграмме не указывается  информация о временных аспектах функционирования системы. С этой точки  зрения диаграмма классов является дальнейшим развитием концептуальной модели проектируемой системы. [3]

Диаграмма классов представляет собой некоторый граф, вершинами  которого являются элементы типа "классификатор", которые связаны различными типами структурных отношений. Следует  заметить, что диаграмма классов  может также содержать интерфейсы, пакеты, отношения и даже отдельные  экземпляры, такие как объекты  и связи. Когда говорят о данной диаграмме, имеют в виду статическую  структурную модель проектируемой системы, поэтому диаграмму классов принято считать графическим представленном таких структурных взаимосвязей логической модели системы, которые не зависят или инвариантны от времени.

Произведем построение данной диаграммы в программе Microsoft Visio и представим ее на рисунке 2.

Рисунок 2 – Диаграмма классов «Оборудование»

После того, как концептуальная модель формализована средствами языка UML, можно непосредственно приступить к созданию дискретно-событийной модели в AnyLogic.

 

2.2 Разработка модели в AnyLogic

Для создания модели использовались элементы «Основной библиотеки». Основная библиотека AnyLogic поддерживает дискретно-событийный, или, если быть более точным, "процессный" подход моделирования. С помощью объектов Основной библиотеки, возможно моделировать системы реального мира, динамика которых представляется как последовательность операций (прибытие, задержка, захват ресурса, разделение, и прочее) над некими сущностями (заявками), представляющими клиентов, документы, транспортные средства и т.п.[4] В создаваемой модели, в виде заявки выступает один литр сырья (молока). Эти сущности пассивны, они сами не контролируют свою динамику, но могут обладать определёнными атрибутами, влияющими на процесс их обработки (например, сложность работы) или накапливающими статистику (общее время ожидания, стоимость).

Процессы задаются в форме  потоковых диаграмм - графическом  представлении, принятом во многих областях: производстве, бизнес-процессах, логистике  и т.д. Потоковые диаграммы AnyLogic иерархичны, масштабируемы, расширяемы и объектно-ориентированы, что позволяет пользователю моделировать сложные системы любого уровня детальности.

Так как моделируемое предприятие  является большим, то размещение всех элементов на одной потоковой диаграмме являлось бы не удобным, как с точки зрения разработчика, так и последующих пользователей данной имитационной модели. Поэтому был создан дополнительный класс активного объекта, в котором отобразили аппаратно-сырьевой цех.

 

Из приведённого анализа на уровне концептуальной модели, а так же при разработке UML-диаграммы, были определены основные параметры модели, которые необходимы для ее корректного функционирования. После чего была сформирована область для отображения этих параметров, которая представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Параметры модели молочного производства

На представленном выше рисунке  обозначены параметры, которые приведены  к табулированному виду и представлены в таблице номер 1.

Таблица 1 – Расшифровка параметров модели.

Параметр	Тип данных	Описание
ОбъемАвто	int	Объем сырья который поставляется с каждой автоцистерной
МаксМолоковозов	int	Максимальное  число автоцистерн, которое будет  допущено на предприятие
ВремяМеждуМолоковозами	double	Интервал  прибытия автоцистерн
ПроцБракаТары	double	Процентный  показатель брака тары
ПроцБракаУпак	double	Процентный  показатель брака упаковки
ПроцСливок	double	Процент жирности молока, поставляемого как сырье.

 

Продолжение таблицы 1.

Параметр	Тип данных	Описание
ВыборПродукта	int	Один из вариантов  запуска производственной линии
Klap1	int	Параметр  для отслеживания первой клапанной  развязки
Klap2	int	Параметр  для отслеживания второй клапанной  развязки
Klap3	int	Параметр  для отслеживания третей клапанной  развязки
Klap4	int	Параметр  для отслеживания четвертой клапанной  развязки
Klap5	int	Параметр  для отслеживания пятой клапанной  развязки
Крышка	int	Параметр  для отслеживания необходимости  установки крышки на упаковку
Соломка	int	Параметр  для отслеживания необходимости  установки соломки на упаковку
ПроизПриемки	double	Производительность  технического модуля приемки сырого молока
ПроизПастер	double	Производительность  пастеризатора
ПроизСтерел	double	Производительность  стерилизатора
ВрЗакваски	double	Время требующееся для приготовления закваски
ВрФерм	double	Время необходимое  для ферментации продукции
КолСухМ	int	Количество  кг сухого молока затрачиваемого на одну емкость воды
ВместХрСырМ	double	Вместимость хранилища сырого молока
ВместХрПастМ	double	Вместимость хранилища пастеризованного молока
ВместХрСырСлив	double	Вместимость хранилища сливок
КолДоб	int	Необходимое количество кг добавок на одну емкость молока
ВместСмесит	int	Вместимость емкость смесителя
ПрОхСырМ	double	Производительность  охладителя сырого молока
ПрОхПастМ	double	Производительность  охладителя пастеризованного молока
ПрОхСлив	double	Производительность  охладителя сливок
ВрСмешив	double	Время требуемое смесителю, для замешивания одной емкости
ВместЕмФермент	int	Вместимость емкость под ферментацию
КолВоЗакваски	int	Количество  заквасочных культур необходимое  для одной емкости ферментации

 

Продолжение таблицы 1.

Параметр	Тип данных	Описание
КолВКоробке	int	Количество  упаковок в коробке
ПроизTCA49	double	Производительность  аппликатора крышек
ПроизвTSA_21	double	Производительность  аппликатора соломки
ПроизУпак	double	Производительность  разливочной системы
ВрДоСклада	double	Время транспортировки  паллета до склада
ПрПодТары	double	Производительность  формирования тары для упаковок
ВесФасовки	int	Объем упаковки для продукции(100,250,500 или 1000 грамм)
КолКорВПаллете	int	Количество  коробок размещаемых на одном  паллете
ПрФасовки	double	Производительность  модуля фасовки
КолвоТары	int	Количество  упаковок необходимое на 1 литр продукции
КолвоШтаблеров	int	Количество  штабелеров, задействованных на складе
СтоимТары	double	Стоимость одной  тары
СтоимУпаковки	double	Стоимость одной  упаковки
СтоимКрышки	double	Стоимость одной  крышки
СтоимСоломки	double	Стоимость одной  соломки
СтоимЗакваски	double	Стоимость одного кг закваски
СтоимВоды	double	Стоимость одного литра воды
СтоимСухМ	double	Стоимость одного кг сухого молока
СтоимДобавок	double	Стоимость одного кг добавок
СтоимМолока	double	Стоимость одного литра молока

 

Следующим этапом было необходимо отобразить основную структуру предприятия, на которой показывались бы взаимосвязи цехов и потоков сырья. Разработанная для этого диаграмма представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Потоковая диаграмма «Структура предприятия»

 

На данной диаграмме отображен  процесс поступления сырья на завод в виде автоцистерн, которые впоследствии подключаются к аппаратно-сырьевому цеху (АСЦ). Затем в АСЦ по выбранным параметрам производиться продукция. После того, как сырье прошло, все стадии в АСЦ из него поступает готовая продукция, которая в дальнейшем упаковывается, и фасуются в коробки, параметры упаковки и фасовки так же указываются в области «Параметры модели». Отметим, что поступление упаковок и тары для упаковок, начинается лишь с поступлением продукции. Затем расфасованную продукцию формируют в паллеты, которые поступают на склад, откуда будут транспортированы к потребителям.