CC BY
27
УДК 636.085.55+65.015.13
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ СЫРЬЯ ПРИ ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИКОРМОВ
БРАГИНЕЦ С.В.,
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела механизации животноводства Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» e-mail: [email protected]
БАХЧЕВНИКОВ О.Н.,
кандидат технических наук, научный сотрудник отдела механизации животноводства Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства»; e-mail: [email protected]
Реферат. Рассматривается задача алгоритмизация процесса формирования структуры технологического процесса подготовки сырья при внутрихозяйственном производстве комбикормов. Исследования выполнены в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» в городе Зерноград, Ростовская область, Россия. Исследования проводились на основе методов теории технологического потока пищевых производств, базирующейся на положениях системного анализа и синтеза. Разработан алгоритм формирования структуры технологического процесса подготовки сырья, суть которого состоит в его декомпозиции на операции, оценке стабильности, выявлении операции, вносящей нестабильность, ее исследовании с последующей модернизацией или заменой, либо включении дополнительной технологической операции, последующем синтезе оптимизированного технологического потока. Использование алгоритма позволит сократить сроки проектирования внутрихозяйственных предприятий, существенно упростить его путем формализации и четкого определения содержания всех этапов. Результатом является формирование состоящей из взаимодополняющих операций функционально завершенной подсистемы подготовки сырья в составе технологической системы производства комбикормов, реализация которой создает основу для организации производства на качественно более высоком уровне.
Ключевые слова: комбикорм, внутрихозяйственное производство, алгоритм, подготовка сырья, технологический поток сырья, технологический процесс, технологическая операция, подсистема.
ALGORITHMIZATION STRUCTURE FORMATION OF OPERATING PROCEDURE OF RAW MATERIAL PREPARATION UNDER INTRAECONOMIC FEED MILL INDUSTRY
BRAGINETS S.V.,
Candidate of Technological Sciences, Leading scientific associate, Federal State Government-Financed Scientific Institution of the North-Caucasian Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture; e-mail: [email protected].
BAKHCHEVNIKOV O.N.,
Candidate of Technological Sciences, Scientific associate, Federal State Government-Financed Scientific Institution of the North-Caucasian Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture; e-mail: [email protected].
Essay. The problem foundation of process algorithmization structure formation of operating procedure of raw material preparation under intraeconomic feed mill industry is being considered. Scientific research is carried out in Federal State Government-Financed Scientific Institution of the North-Caucasian Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture in town Zernograd, Rostov region, Russia. The research has been made in terms of procedure theory workflow of food productions, based on postulates of system analysis and synthesis. The algorithm structure formation of operating procedure of raw material preparation is worked out, the essence of which lay in its decomposition on operation, stability evaluation, operation detection depositing the instability, its examining accompanied by the modernization or substitution, or inclusion of additional technological operation, consecutive synthesis of optimized workflow. Algorithm use will make it possible reduce the periods of design of intraeconomic enterprises, essentially to simplify its way formalization and clear content determination of all stages. Result is the formation composed of mutually complementing operations of functionally completed subsystem of raw material preparation consisting of technological system of feed mill industry, realization of which creates the basis for industrial engineering on qualitatively higher level.
Key words: compound feed, intraeconomic manufacture, rial, operating procedure, working operation, subsystem.
Введение. При проектировании новых и реконструкции существующих комбикормовых производств необходимо сформировать и обосновать оптимальную структуру потоков сырья при выполнении технологических операций его подготовки. Поток сырья в процессе его подготовки к смешиванию структурно представляет собой последовательность технологических
algorithm, raw material preparation, workflow of raw mate-
операций и связей между ними, образуя подсистему подготовки конкретного вида сырья в рамках технологической системы производства комбикорма, например подсистему подготовки зерновых компонентов, подсистему подготовки белкового сырья и др. С течением времени существующие варианты структуры технологических процессов подготовки сырья в рамках соот-
ветствующих подсистем перестают удовлетворять все возрастающим требованиям потребителей к качеству продукции, и возникает необходимость синтеза усовершенствованных технологических процессов. В частности, в последнее время значительно ужесточились требования по биологической безопасности производимого комбикорма в части содержания в нем плесневых грибов и продуктов их жизнедеятельности, что потребовало введения в технологический процесс операций обеззараживания сырья, основанных на новых для этой отрасли физических и химических процессах [1].
Новый технологический процесс подготовки сырья при производстве комбикормов формируется не с нуля, а на основе уже существующего - сначала в виде усовершенствованных элементов (операций), которые, по мере замены ими выявленных в ходе системного анализа неэффективных элементов, образуют технологическую подсистему, отличную от исходной. На каждом из этапов такого преобразования необходимо сохранять эффективные составляющие технологической системы и заменять регрессивные. Таким образом, формирование нового технологического процесса - это синтез новых и совершенствование существующих элементов, связей и структуры, которые, в сочетании с неизменными элементами, образуют качественно новую технологическую подсистему, причем происходит повышение ее устойчивости и целостности [2]. К сожалению, разработка технологических процессов подготовки сырья в ходе внутрихозяйственного производства комбикормов осуществляется зачастую бессистемно, без использования строго научных формализованных методов, что негативно сказывается на их эффективности. При этом исследуется несколько вариантов структурного построения технологического процесса, причем возникают затруднения при выборе оптимального, так как четко не сформулирован порядок определения их эффективности.
Цель исследований. Целью исследований является формирование состоящей из взаимодополняющих операций функционально завершенной подсистемы подготовки сырья в составе технологической системы произ-
водства комбикормов.
Методика исследований. Исследования проводились на основе методов теории технологического потока пищевых производств [2, 3], базирующейся на положениях системного анализа и синтеза. В терминах данной теории понятия «технологический поток сырья» и технологический процесс подготовки (обработки) сырья фактически являются тождественными. Также использовались принципы блочно-модульного построения внутрихозяйственной системы производства комбикормов [4]. В ходе исследований осуществлялась структурная алгоритмизация процесса принятия решений при формировании технологического потока сырья комбикормового производства.
Результаты исследований и их обсуждение. Была исследована структура технологического процесса (потока) подготовки сырья, под которой в данном случае понимается его материальная реализация, заданная на декомпозиционном уровне совокупностью элементов, т.е. выполняемых в его ходе технологических операций и составляющих их физических процессов, а также материальных связей между ними, образующих отдельную подсистему в общей технологической системе производства комбикорма. Для повышения эффективности технологического процесса (потока) при его формировании необходимо снижать чувствительность его элементов к изменениям входных параметров, т.е. повышать стабильность их функционирования, увеличивать эффективность материальных связей между ними и совершенствовать структуру потока [3]. При этом следует учитывать, что изучение и оптимизация технологической операции, как и входящих в нее процессов в машинах или аппаратах, без учета закономерностей всей подсистемы подготовки сырья не приведет к ее оптимизации.
Исходя из особенностей различных видов сырья и соответствующих им технологических потоков, характерных для системы производства комбикорма, был разработан алгоритм формирования эффективной структуры технологического процесса (потока) подготовки сырья при внутрихозяйственном производстве комбикормов, представленный на рисунке 1.
Рисунок 1 - Алгоритм формирования структуры при внутрихозяйственном производстве комбикормов
технологического процесса подготовки сырья
Для формирования технологического процесса (потока) подготовки сырья необходимо, в первую очередь, определить и четко сформулировать конечную цель исследования и дать прогноз ожидаемого результата [3]. Для подсистем подготовки сырья при производстве комбикорма цель обычно заключается в улучшении определенных выходных показателей качества подготовленного сырья благодаря применению усовершенствованных или новых технологических и технических решений, либо в повышении производительности соот-
ветствующей линии, а также в обеспечении общей стабильности системы.
Следует отметить, что для внутрихозяйственного производства комбикормов в большинстве случаев актуально не повышение производительности, которая обычно является достаточной для нужд сельхозпредприятия, а повышение выходных показателей качества производимого корма. Конечной целью совершенствования такого производства является формирование структуры технологического процесса, обеспечиваю-
щей получение в условиях сельхозпредприятия высококачественного полнорационного комбикорма, не уступающего корму промышленного производства, для чего необходимо осуществлять качественную подготовку его компонентов.
Так как номенклатура видов сырья при производстве комбикорма в основном постоянна, то формирование нового технологического потока подготовки конкретного вида сырья производится, как правило, на основе уже существующего, не полностью удовлетворяющего современным требованиям. Поэтому, прежде всего, необходимо проанализировать уже существующий аналогичный поток. Для анализа подсистемы, образуемой технологическим потоком сырья, необходимо провести ее декомпозицию и выявить составляющие ее технологические операции, а также определить характерные показатели качества подготовленного сырья в точке выхода подсистемы. Это позволит оценить уровень стабильности подсистемы, т.е. ее способность обеспечивать стабильное качество подготовки сырья, и сделать вывод о необходимости ее совершенствования. Под стабильностью технологического потока сырья (подсистемы его подготовки) нами понимается постоянство статистических характеристик выбранного показателя качества.
Оценку уровня стабильности целесообразно проводить на основе энтропийной оценки распределения значений выбранного показателя качества подготовленного сырья в точке выхода подсистемы [5]. При этом для оценки стабильности подсистемы рационально принимать параметр (выходной показатель), значимый для состояния последующей подсистемы, т.е. подсистемы дозирования и смешивания сырья. На основе экспериментальных данных, полученных при эксплуатации существующей технологической линии, определяется уровень стабильности функционирования подсистемы по формуле (1) на основе энтропийной оценки распределения значений выбранного показателя качества подготовки сырья [2]:
Н
где Н - энтропия состояния подсистемы; Нтах - максимальная энтропия подсистемы, Нтах = 1.
При этом принимается, что в производстве комбикормов все подсистемы являются бинарными, т.е. возможен выпуск только качественного или некачественного корма. Для бинарной подсистемы энтропия определяется по формуле (2) [5]:
Н = -/> 1св2 р - (1 - р ) 1 og2 (1 - Р, ) (2)
где Р, - вероятность попадания значения выбранного показателя качества в принятое поле допуска (интервал),
1 - Р, - вероятность выхода значения выбранного показателя качества из принятого поля допуска (интервала).
На основе проведенной статистической оценки необходимо выявить технологическую операцию, вносящую нестабильность в поток сырья и не обеспечивающую его стабильное качество в точке выхода подсистемы. Затем, исходя из требований к технологическому процессу и принятых показателей качества сырья на выходе подсистемы, следует дать ответ на вопрос: необходимо ли для улучшения выходных показателей качества сырья ввести в технологический процесс до-
полнительную операцию его подготовки, либо достаточно ограничиться совершенствованием или заменой существующих?
Очевидно, что введение в технологический процесс дополнительной операции подготовки сырья усложнит его структуру и повысит итоговую себестоимость комбикорма, поэтому идти по такому пути необходимо лишь тогда, когда нет возможности усовершенствовать существующие операции и составляющие их процессы. Характерным примером такого случая является невозможность обеспечить обеззараживание зернового сырья для комбикорма путем совершенствования операций его подготовки - для этого необходимо введение дополнительных специальных операций, таких как обработка СВЧ-излучением [1]. После выбора дополнительной операции необходимо определить ее место в структуре подсистемы подготовки сырья, таким образом, чтобы избежать ее переусложнения и, по возможности, не разрывать существующие между ее операциями материальные связи.
В большинстве же случаев достаточно выявить на основе имеющегося производственного опыта и экспериментальных исследований технологическую операцию, вносящую нестабильность в поток сырья и усовершенствовать ее. Именно эта операция, а точнее протекающий в ее ходе физический процесс, обладает наибольшей чувствительностью, т.е. наибольшей мерой реакции на внешние воздействия [6].
Для оптимизации существующей операции подготовки сырья необходимо провести ее исследование, заключающееся в декомпозиции операции на физические процессы, выявлении наиболее определяющего выходные показатели качества процесса, его экспериментальных и теоретических исследованиях, оптимизации на основе их результатов выбранного процесса и его соотношений с другими процессами в рамках операции, результатом которой будет снижение его чувствительности и повышение стабильности подсистемы.
В частности, для технологического процесса подготовки зерна в качестве показателей качества его обработки в точке выхода подсистемы принимаются показатели эффективности его измельчения, а именно гранулометрический состав получаемого продукта. Улучшить эти показатели и повысить стабильность технологического потока возможно путем совершенствования физического процесса измельчения зерна в рамках соответствующей технологической операции. Примером может служить замена традиционных молотковых дробилок на дробилки с вертикальным расположением ротора, обеспечивающие высокое качество измельчения зерна [7].
Проблема повышения стабильности технологического потока сырья в некоторых случаях может быть решена путем замены существующей операции его подготовки на новую, основанную на использовании другого физического процесса, но обеспечивающую сходный результат при повышении стабильности выходного показателя качества. Так, в некоторых случаях, возможно заменить операцию измельчения (дробления) зерна на операцию экструдирования, что обеспечивает повышение его усвояемости.
Одним из основных направлений анализа и совершенствования существующего технологического потока сырья при производстве комбикорма является выявление «узких мест» подсистемы, часто заключающихся в отсутствии или недостаточной вместимости промежуточных накопительных емкостей, т.е. в отсутствии в технологическом процессе операции промежуточного хранения (накопления) либо ее недостаточной эффективности, что приводит к снижению производительно-
сти, в результате чего не обеспечивается стабильность подсистемы. Технологический поток подготовки сырья при производстве комбикорма относится к потокам с полужесткой связью, т.е. он содержит операции, имеющие между собой жесткую связь, а с потоком дозирования и смешивания компонентов он имеет гибкую связь, реализуемую в виде операции промежуточного хранения подготовленного сырья в накопительной емкости, размещаемой перед смесителем. Также операция промежуточного хранения (накопления) сырья может размещаться на входе подсистемы. Именно эта операция может быть «узким местом» потока сырья, снижающим производительность соответствующей технологической линии и стабильность ее работы, а также стабильность последующей подсистемы дозирования и смешивания компонентов. Оптимизация (включение в технологический процесс) операции промежуточного хранения сырья заключается в расчете необходимой и достаточной вместимости накопительных емкостей и их установке или замене.
После проведения оптимизации технологического потока сырья по выбранному согласно разработанному алгоритму направлению производится синтез (композиция) нового оптимизированного технологического процесса его подготовки путем составления его структурной (операторной) модели и оценка его стабильности на основе энтропийной оценки распределения значений выбранного показателя качества подготовленного сырья в точке выхода подсистемы. Повышение уровня стабильности технологического потока подготовки сырья при производстве комбикорма по сравнению с уже существующим означает достижение поставленной цели исследования. В случае получения неудовлетворительного результата последовательность действий, предписанных алгоритмом, циклически повторяется до достижения положительного результата.
Таким образом, процесс формирования (синтеза) оптимальной структуры технологического процесса
(потока) подготовки сырья для производства комбикорма согласно разработанному алгоритму состоит в выявлении принципов ее построения Ж, определении множества ее элементов (технологических операций) С={С, I = 1, п} и множества материальных связей и между элементами [8], таких, что обеспечивается увеличение выбранного показателя оптимальности (показателя качества подготовки сырья):
(Ж, С, и) ^ тах (Ж, С, и). (3)
После окончательного формирования структуры технологического процесса (потока) осуществляется составление машинно-аппаратной схемы соответствующей ему технологической линии и подбор реализующего его оборудования. Синтез технологического процесса подготовки сырья рационально осуществлять таким образом, чтобы его результатом являлся целостный функциональный комплекс взаимодополняющих операций (подсистема) с возможностью автономного функционирования в рамках общей технологической системы производства комбикорма, т.е. образующий на машинно-аппаратном уровне технологический блок (модуль) оборудования [4].
Выводы. Алгоритмизация формирования структуры технологического процесса подготовки сырья при производстве комбикормов позволит сократить сроки проектирования при модернизации или создании новых внутрихозяйственных предприятий, существенно упростить его путем формализации и четкого определения содержания всех его этапов, определения показателей его эффективности. Результатом является формирование состоящей из взаимодополняющих операций функционально завершенной подсистемы подготовки сырья в составе технологической системы производства комбикормов, реализация которой создает основу для организации внутрихозяйственного производства на качественно более высоком уровне.
Список использованных источников
1. Braginets S.V. and Bakhchevnikov O. N. Organizational Features of Process Flow of Combined Feed Production with Disinfection of Raw Materials // Russian Agricultural Sciences, 2015, Vol. 41, No. 6, pp. 494-497. DOI: 10.3103/S106836741506004X.
2. Панфилов В.А. Теория технологического потока. - М.: КолосС, 2007. - 319 с.
3. Теоретические основы пищевых технологий: в 2 кн. Кн. 1 / Под ред. В.А. Панфилова. - М.: КолосС, 2009. -608 с.
4. Пахомов В.И., Брагинец С.В., Бахчевников О.Н. Принципы создания внутрихозяйственных комбикормовых предприятий и их практическая реализация // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - 2015. - № 4 (20). - С. 48-52.
5. Черняев Н.П. Оценка стабильности технологического процесса // Комбикорма. - 2012. - № 3. - С. 51-53.
6. Андреев С.П., Панфилов В.А. Научные основы создания систем технологий и систем машин для АПК / С.П. Андреев, В.А. Панфилов. - Германия: LAP Lamber, 2015. - 64 с.
7. Алфёров А.С., Кочегура Е.С. Типоразмерный ряд низкоэнергоемких дробилок для внутрихозяйственного приготовления комбикормов / А.С. Алфёров, Е.С. Кочегура // Агротехника и энергообеспечение. - 2014. - № 4 (4). - С. 6-10.
8. Егоров Б.В., Макаринская А.В. К вопросу об оптимизации структуры комбикормовых технологических систем / Б.В. Егоров, // Зерновые продукты и комбикорма. - 2009. - № 3. - С. 40-44.
List of sources used
1. Braginets S.V., Bakhchevnikov O. N. Organizational Features of Process Flow of Combined Feed Production with Disinfection of Raw Materials // Russian Agricultural Sciences, 2015, Vol. 41, No. 6, pp. 494-497. DOI: 10.3103/S106836741506004X.
2. Panfilov V.A. Theory of workflow. - M.: KolosS, 2007. - 319 p.
3. Theoretical basis of food technologies: in 2 books. Book 1 / Under the editorship of V.A. Panfilov. - M.: KolosS, 2009. - 608 p.
4. Pakhomov V.I., Braginets S.V., Bakhchevnikov O. N. Принципы создания внутрихозяйственных комбикормовых предприятий и их практическая реализация // Messenger of All-Russian Research Institute Of Livestock Farming Mechanization. - 2015. - No 4 (20). - P. 48-52.
5. Chernyaev N.P. Evaluation of operating procedure stability // Compound Feeds. - 2012. - No 3. - P. 51-53.
6. Andreev S.P. Scientific principles of system creation of technologies and machine systems for agroindustry complex / S.P. Andreev, V.A. Panfilov. - Germany: LAP Lamber, 2015. - 64 p.
7. Alferov A.S., Kochegura E.S. Type-dimension number of low energy-intensive crushers for intraeconomic feed mill industry // Agricultural Technician and Energy Supply. - 2014. - № 4 (4). - P. 6-10.
8. Egorov B.VMakarinskaya ., A.V. On the problem structure optimization of mixed fodder technological systems // Cereal products and compound feeds. - 2009. - № 3. - P. 40-44.
