CC BY
38
Contribution of the authors: Vladimir V. Kirsanov, research supervision.
Leonid P. Karmanovsky, managed the research project, analysing and supplementing the text. Dmitry Y. Palvin, analysed data, wrote most parts of the text. Evgeny A. Nikitin, reviewing the relevant literature. Vladimir Y. Matveev, writing the final text.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.00
УДК 636.085.55:658.5.011
МОДУЛЬНАЯ ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА НА ПРИМЕРЕ МАЛЫХ КОМБИКОРМОВЫХ ЗАВОДОВ
© 2018
Олег Николаевич Бахчевников, кандидат технических наук, научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства Елена Викторовна Бенова, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства
Сергей Валерьевич Брагинец, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства Аграрный научный центр «Донской», Зерноград (Россия)
Аннотация
Введение: в настоящее время существует необходимость преобразования традиционной негибкой системы производства комбикормов в современную реконфигурируемую производственную систему. Для этого необходимо, чтобы она соответствовала базовым принципам: модульности, интегрируемости, трансформируемо-сти и масштабируемости. Основой модульной системы является совместимый технологический модуль, оборудование которого размещается в стандартном контейнере. Целью исследования был синтез модульной трансформируемой производственной системы на примере малых комбикормовых заводов. Материалы и методы: применялись принципы формирования реконфигурируемых производственных систем. Синтез новой производственной системы малых комбикормовых заводов был осуществлен на основе применения модульного принципа построения производственных систем.
Результаты: современная трансформируемая производственная система приготовления комбикормов состоит из совместимых типовых модулей, изготовленных на базе единой конструктивной платформы, которой является стандартный грузовой контейнер. Оборудование, выполняющее каждый из основных фрагментов технологического процесса, образует технологический модуль. Основным является модуль смешивания сырья, к нему присоединяются дополнительные модули. Модули соединяются посредством стандартного интерфейса. Из модулей составляется ряд компоновок предприятий, соответствующих структуре различных технологических схем приготовления комбикорма, что обеспечивает вариабельность производства. Масштабируемость производства обеспечивается путем кратного увеличения числа входящих в него технологических модулей. Модульная производственная система может быть трансформирована путем изменения состава ее модулей. Обсуждение: модульные трансформируемые производственные системы могут эффективно функционировать в форме малых локальных комбикормовых заводов производительностью до 4 т/ч. На основе типовых технологических модулей возможно путем масштабирования создавать комбикормовые заводы мощностью 1, 2, 3 и 4 т/ч, что удовлетворяет потребности сельхозпредприятий в кормах.
Заключение: структура модульной трансформируемой производственной системы создает возможность ее поэтапного совершенствования способом добавления модулей, что обеспечивает переход к более сложным схемам организации приготовления качественных полнорационных комбикормов в условиях сельхозпредприятия. Ключевые слова: грузовой контейнер, комбикорм, комбикормовый завод, локальное предприятие, масштабируемость производства, модульное предприятие, реконфигурируемая производственная система, трансформируемая производственная система, трансформируемость производства, технологический модуль.
Для цитирования: Бахчевников О. Н., Бенова Е. В., Брагинец С. В. Модульная трансформируемая производственная система на примере малых комбикормовых заводов // Вестник НГИЭИ. 2018. № 3 (82). С. 73-87.
MODULAR TRANSFORMABLE MANUFACTURING SYSTEM ON THE EXAMPLE OF SMALL-SCALE FORMULA-FEED PLANTS
© 2018
Oleg Nikolaevich Bakhchevnikov, Ph. D. (Engineering), the scientific worker
of the Department Vegetable Feedstock Processing Elena Viktorovna Benova, Ph. D. (Engineering), the senior scientific worker of the Department Vegetable Feedstock Processing Sergey Valerievich Braginets, Ph. D. (Engineering), the leading scientific worker of the Department Vegetable Feedstock Processing Agricultural Scientific Centre Donskoy, Zernograd (Russia)
Abstract
Introduction: Need of conversion traditional inflexible system of production the compound feeds to the modern reconfigurable manufacturing system exists now. This system shall correspond to the basic principles: modularity, inte-grability, transformability and scalability. The compatible technological module is a basis of modular system. The machinery of the module is placed in a standard container. The synthesis of modular transformable manufacturing system as an example of small-scale formula-feed plants was a research objective.
Materials and Methods: The principles of formation the reconfigurable manufacturing systems were applied. Synthesis of a new production system the small-scale formula-feed plants was realized on the basis of use the modular principle creation of manufacturing systems.
Results: The modern transformable manufacturing system of production the compound feeds consists of compatible standard modules. Modules produce on the basis of a unified constructive platform which is the intermodal shipping container. The machinery executing each of the main fragments of technological process forms the technological module. The module mixing raw material is main. The additional modules join to him. The modules are connected through standard interface. The series of structural configuration of the enterprises, corresponding to structure of different manufacturing scheme production the compound feeds is formed from modules. This provides the variability of manufacturing system. The scalability of manufacturing system is provided by the method of multiple increasing the number technological modules constituent this system. The modular manufacturing system can be transformed by the method of composition variation of modules.
Discussion: The modular transformable manufacturing systems can effectively function in the form of small-scale local formula-feed plants productivity to 4 t/h. On the basis of standard technological modules possibly the scaling method to create the 1, 2, 3 and 4 t/h formula-feed plants which correspond to need for feed of agricultural enterprises. Conclusion: The structure of modular transformable manufacturing system creates a possibility of its phased enhancement by a method of modules addition. It provides the transition to more complex flow diagram of production the qualitative nutrient ration compound feeds in conditions of agricultural enterprise.
Keywords: intermodal shipping container, compound feed, formula-feed plant, local plant, scalability of manufacture, modular plant, reconfigurable manufacturing system, transformable manufacturing system, transformability of manufacture, technological module.
For citation: Bakhchevnikov O. N., Benova E. V., Braginets S. V. Modular transformable manufacturing system on the example of small-scale formula-feed plants // Bulletin NGIEI. 2018. № 3 (82). P. 73-87.
Введение
В настоящее время производство комбикормов является одной из самых консервативных отраслей промышленности в том, что касается организации производства и его структуры. Особенно это характерно для малых внутрихозяйственных комбикормовых заводов. Такое положение дел более не соответствует современной экономической ситуации.
Новыми основными требованиями к современному инновационному промышленному произ-
водству являются индивидуализация (персонализа-ция) готового продукта [1, с. 77] и адаптируемость структуры предприятий к изменяющимся требованиям потребителей и условиям функционирования [1, с. 227-230].
Индивидуализация готового продукта выражается в производстве продукции, максимально удовлетворяющей требованиям конкретного потребителя [1, с. 77-82]. Применительно к комбикормовой промышленности это означает необходимость выпуска комбикорма, состав, качество и стоимость
которого соответствуют требованиям конкретного сельхозпредприятия. Изменения внешней среды состоят в использовании новых видов сырья, ужесточении требований к качеству выполнения технологических операций, появлении новых технологий обработки сырья и изменении требований потребителей к качеству и форме готового продукта. Адаптируемость к этим изменениям реализуется путем изменяемости самого производства, т. е. предприятие должно обладать трансформируемой (рекон-фигурируемой) структурой [1, с. 232-234].
Следует учитывать, что за последние десятилетия темп изменений среды функционирования промышленных предприятий значительно ускорился, что привело к появлению понятий «экономика» и «предприятие реального времени» [2, с. 408]. Особенностью таких промышленных предприятий является резкое сокращение сроков подготовки производства к выпуску нового продукта [2, с. 409-410] и сокращение жизненного цикла готового продукта [2, с. 411-412], что приводит и к уменьшению жизненного цикла самого предприятия [3, с. 15-16].
Концепция преобразования традиционного (негибкого) промышленного производства в рекон-фигурируемую производственную систему (Reconfigurable Manufacturing System - RMS) была предложена Y. Koren в статье [3, с. 14-21] и развита им в последующих работах, например [4, с. 1-14]. Согласно Y. Koren реконфигурируемая производственная система должна соответствовать следующим принципам: модульность, интегрируемость, обратимость (трансформируемость), диагностируемость, настраиваемость, масштабируемость [3, с. 17]. Предприятия, основанные на принципах RMS, уже существуют [5, с. 210]. Они относятся в основном к отрасли машиностроения, так как основаны на применении реконфигурируемых машин - многооперационных модульных металлообрабатывающих станков с заменяемыми рабочими органами, объединяемых в гибкие технологические линии [4, с. 4], т. е. на машинном уровне [6, с. 1105]. Для пищевой и комбикормовой промышленности же характерны однооперационные машины и аппараты, поэтому такой способ преобразования производственной системы для них не подходит. Однако такие базовые научные принципы RMS, как модульность, интегрируемость, трансформируемость и масштабируемость, по нашему мнению, должны лежать в основе всех современных производственных систем, в том числе комбикормовых заводов. Но реализовы-ваться они могут другим способом - путем преобра-
зования структуры предприятий из фиксированной в трансформируемую, т. е. на системном уровне.
S. Lier и др. была предложена концепция трансформируемой модульной производственной системы в химической промышленности, заключающаяся в формировании малых предприятий из базовых технологических модулей определенной производительности, включающих однооперацион-ные машины и аппараты, размещаемые в контейнере и выполняющие группы типовых взаимосвязанных операций обработки сырья, автономные в рамках общего технологического процесса [7, с. 809-816; 8, с. 227-238]. Такое предприятие образуется путем соединения нескольких технологических модулей [8, с. 228]. При этом оборудование для модулей подбирается по критериям необходимой производительности и соответствия его размеров габаритам выбранного контейнера [7, с. 813; 9, с. 61]. Производительность модульного предприятия может кратно увеличиваться путем увеличения количества входящих в его состав базовых модулей [9, с. 61]. Благодаря этому обеспечивается масштабируемость производства и его универсальность [9, с. 62-63]. Размещение оборудования в транспортабельных контейнерах обеспечивает мобильность производства [9, с. 62; 10, с. 6]. По нашему мнению, именно такая структура в наибольшей степени подходит для преобразования традиционного (негибкого) комбикормового производства в реконфигурируе-мую (трансформируемую) производственную систему.
Выбор контейнера для размещения технологического оборудования был предопределен тем, что в последние 20 лет получил широкое распространение способ строительства быстровозводимых жилых и промышленных зданий из предварительно изготовляемых вне строительной площадки модулей, которые доставляются автотранспортом и соединяются в единую конструкцию [11, с. 77-79]. Необходимость доставки грузовым автотранспортом обусловила стандартную форму модуля: его габариты соответствуют габаритам стандартного морского грузового контейнера (intermodal shipping container) [11, с. 174]. В строительстве такой модуль получил название «Международная стандартная строительная единица» (International Standard Building Units - ISBU) [11, с. 174].
Именно на основе стандартных грузовых 20-футовых контейнеров (реже 40-футовых) активно создаются малые химические заводы [12, с. 99-100] (рисунок 1).
Рис. 1. Малые контейнерные химические заводы [12, с. 100] Fig. 1. Small-scale container chemical plants
На основе использования контейнеров с установленным в них оборудованием была предложена концепция локальных мини-фабрик [10, с. 188-193; 13, с. 1368-1373]. Такие малые фабрики, размещаемые в контейнерах, располагаются в непосредственной близости от потребителя их продукции [13, с. 1370], что позволяет максимально удовлетворить его потребности и сократить транспортные издержки. Особенно эффективны такие локальные предприятия в случае, когда местоположение источника сырья совпадает с местом потребления продукции, что характерно для малых внутрихозяйственных комбикормовых заводов [14, с. 35-36].
В последнее время такие контейнерные мини-фабрики находят применение в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой и комбикормовой [15, с. 1-4]. Разработаны предназначенные для сельхозпредприятий малые комбикормовые заводы (производительность от 1 до 5 т/ч), размещаемые в транспортабельных 20-футовых контейнерах (рисунок 2) [16, с. 48-52; 17, с. 28-34]. Оборудование таких заводов выполняет все основные операции производства комбикорма: измельчение, дозирование и смешивание сырья. Такая компоновка оборудования может быть использована как основа для обеспечения модульности производства.
Например, завод на рисунке 2, б фактически состоит из двух модулей - измельчения сырья (верхний) и дозирования и смешивания (нижний).
Такая структура предприятий, предусматривающая совмещение оборудования, выполняющего различные технологические операции в одном модуле-контейнере, может обеспечить модульность всей производственной системы [18, с. 135-136] путем присоединения модулей, выполняющих некие дополнительные операции, к уже имеющемуся основному модулю, но плохо соответствует принципам интегрируемости (совместимости), транс-формируемости и масштабируемости.
В результате анализа литературы установлено, что для преобразования традиционного (негибкого) комбикормового производства в реконфигу-рируемую (трансформируемую) производственную систему необходимо, чтобы она соответствовала базовым принципам RMS: модульность, интегрируемость (совместимость), трансформируемость и масштабируемость. Для этого наиболее подходит предложенная S. Lier концепция трансформируемой модульной системы в химической промышленности [7, с. 809-816; 8, с. 227-238], которую необходимо приспособить к особенностям производства кормов в условиях сельхозпредприятий.
a/a б/b
Рис. 2. Малые контейнерные комбикормовые заводы: а - малый комбикормовый завод СКНИИМЭСХ; б - малый комбикормовый завод FaMix 50 [17, с. 31]
Fig. 2. Small-scale formula-feed plants: a - small-scale formula-feed plant SKNIIMESH; b - small-scale formula-feed plant FaMix 50
Основной структурной единицей трансформируемой производственной системы приготовления комбикормов (малые комбикормовые заводы) будет совместимый транспортабельный автономный технологический модуль, оборудование которого размещается в стандартном контейнере [16, с. 50]. Такой модуль в составе предприятия выполняет одну или несколько тесно связанных технологических операций, т. е. определенный фрагмент общего технологического процесса.
Малые комбикормовые заводы производительностью от 1 до 4 т/ч, состоящие из модулей -
контейнеров, благодаря своей мобильности могут быть размещены непосредственно в сельхозпредприятиях, т. е. основной источник сырья, производство продукта (комбикорма) и место его потребления будут совмещены, что соответствует концепции локального предприятия [10, с. 190-191].
Целью исследования является синтез модульной трансформируемой производственной системы на примере малых локальных комбикормовых заводов на основе сформулированных выше принципов (рисунок 3).
Рис. 3. Принципы синтеза модульной трансформируемой производственной системы применительно к малым локальным комбикормовым заводам Fig. 3. The principles of synthesis the modular transformable manufacturing system in relation to small-scale local formula-feed plants
Материалы и методы
Исследования выполнены в «Аграрном научном центре «Донской». Объектом исследования являлись модульные производственные системы на примере малых внутрихозяйственных (локальных) комбикормовых заводов (производительность 1-4 т/ч). Данная статья развивает положения, ранее изложенные авторами в работе.
Исследования проводились с использованием методов системного анализа и синтеза [19, с. 133-137; 21, с. 67-75]. Для синтеза изменяемой производственной системы приготовления комбикормов частично применялись предложенные Y. Koren принципы формирования реконфигурируемых производственных систем (RMS) [3, с. 17]. Синтез новой трансформируемой производственной структуры малых комбикормовых заводов был осуществлен на
основе применения модульного принципа построения технических [21; с. 180-185] и производственных систем [22, с. 799-801]. Использована концепция создания и применения малых локальных предприятий, изложенная в статьях M. Jackson, E. Rauch и др . [10, с. 188-193; 13, с. 1368-1373], и концепция трансформируемой модульной производственной системы в химической промышленности, предложенная S. Lier и др. [7, с. 809-816; 8, с. 227-238].
Результаты Современная трансформируемая производственная система приготовления комбикормов должна состоять из совместимых типовых технологических модулей, изготовленных на базе единой конструктивной платформы, которой является стандартный грузовой контейнер (рисунок 2). Каждый такой модуль содержит оборудование, обеспечивающее
выполнение определенного базового фрагмента (блока операций) технологического процесса приготовления комбикормов. К таким основным фрагментам следует отнести следующие технологические операции и их группы: очистка сырья, измельчение (в основном зерна), обеззараживание, сушка, экструдирование, смешивание, экспандирование, гранулирование, тепловая обработка зерна, приготовление смеси микрокомпонентов (премикса), приготовление предварительной смеси белково-витаминных минеральных концентратов (БВМК). Операция дозирования не выделена в отдельный фрагмент, а совмещается с операциями того фрагмента технологического процесса, перед которыми выполняется, в частности смешивания сырья.
Оборудование, выполняющее каждый из основных фрагментов технологии, образует технологический модуль, размещаемый на стандартной конструктивной платформе. В качестве примера на рисунке 4 показан типовой технологический модуль экструдирования. Этот модуль выполняет автономную группу взаимосвязанных технологических опе-
раций: предварительное измельчение растительного сырья, его дозирование, экструдирование, охлаждение и измельчение экструдата. Модуль с установленным внутри него оборудованием собирается на предприятии-изготовителе и доставляется заказчику в готовом виде.
Следует отметить, что технологический модуль не обязательно представляет собой закрытый контейнер с размещенным внутри оборудованием (рисунок 1). Конструктивная платформа для создания модулей в общем случае представляет собой металлический каркас с габаритами стандартного контейнера, который может иметь стеновые панели (рисунок 4). Каркас снабжен соединительными элементами: внутренними - для установки машин и наружными - для стыковки с другими модулями. Если все оборудование модуля невозможно разместить внутри одного стандартного каркаса, то предусматривается его размещение в двух и более каркасах, образующих при стыковке в вертикальной или горизонтальной плоскости единый технологический модуль.
Рис. 4. Технологический модуль экструдирования сырья Fig. 4. The technological module of extrusion of raw materials
Совместимость модулей друг с другом достигается не только совпадением их габаритных размеров, но и наличием стандартизованных точек «входа-выхода», рассчитанных на установку связывающего их транспортного оборудования и подключения к электросетям. Таким образом, модули соединяются посредством стандартного интерфейса: соединительные элементы и установочные места под коммуникации. Это обеспечивает интегрируемость новых технологических модулей в уже существующие модульные производственные системы и возможность их совместного функционирования.
Уже разработанные технологические модули не являются неизменными, а должны совершенст-
воваться по мере появления более совершенного оборудования и прогрессивных технологий.
При создании модульных предприятий порядок соединения модулей, выполняющих законченные фрагменты технологического процесса приготовления комбикорма, очевидно, должен соответствовать очередности их выполнения. Структура технологического процесса приготовления комбикорма морфологически представляет собой разветвленный сходящийся поток, в котором нескольких видов сырья, часто обрабатываемых параллельно, путем смешивания соединяются в единый продукт, который затем последовательно подвергается окончательной обработке. Поэтому для создания модуль-
ного комбикормового производства применима лишь централизованная «звездообразная» структурная схема, включающая «жесткий» центр (основной модуль смешивания), связывающий периферийные автономные элементы (дополнительные модули подготовки сырья и, опционально, окончательной обработки комбикорма) и оказывающий на них координирующее воздействие (рисунок 5) [23, с. 130].
Предложенная модульная структура обеспечивает адаптируемость системы к потребностям
потребителя, возможность комбинирования и изменения состава периферийных элементов (модулей), т. е. реконфигурирование (трансформацию) системы при сохранении централизованной координации параметров ее функционирования.
Формируемая таким образом производственная система соответствует таким базовым принципам RMS, как модульность и трансформи-руемость.
Центральный модуль смешивания сырья / Central module of mixing of raw materials
Модули окончательной обработки комбикорма / Modules of final processing of compound feed
Рис. 5. «Звездообразная» структура модульной производственной системы приготовления комбикормов Fig. 5. Star-shaped structure of modular manufacturing system of production the compound feeds
Так как существует определенный набор базовых технологических схем производства комбикормов, то возможно составление из модулей ряда компоновок предприятий, соответствующих структуре определенных технологических схем, т. е. наборов модулей, соединяемых транспортным обору-
дованием: основной модуль смешивания + дополнительные модули + вспомогательные модули. Пример компоновки такого малого модульного комбикормового завода показан на рисунке 6 (транспортное оборудование, связывающее модули, не показано).
Рис. 6. Пример компоновки малого модульного комбикормового завода: 1 - модуль дозирования и смешивания; 2 - модуль измельчения; 3 - модуль подготовки предварительной смеси БВМК; 4 - модуль экспандирования; 5 - модуль гранулирования; 6 - емкости для сырья и готового комбикорма; стрелкой показано направление технологического потока Fig. 6. Example of configuration the small-scale modular formula-feed plant: 1 - module of dispensing and mixing; 2 - grinding module; 3 - module of preparation of a preliminary compound of protein and mineral supplement; 4 - expanding module; 5 - granulation module; 6 - capacities for raw materials and finished compound feed; the direction of a workflow is shown by an arrow
Производственная модульная система, помимо основного и дополнительных, включает также вспомогательные модули. В комбикормовом производстве вспомогательными модулями являются стандартизованные бункеры для сырья, а также для хранения готового комбикорма (рисунок 6).
Для обеспечения совместимости различных типовых технологических модулей и их интегрируемости в производственную систему необходимо согласование их производительности. Вопрос производительности модулей важен и для обеспечения масштабируемости всего производства [24, с. 34].
Так как основным модулем производства комбикорма является модуль смешивания сырья, то его производительность соответствует производительности всего предприятия и является базовой для дополнительных модулей. В таком случае модули окончательной обработки комбикорма будут иметь
производительность, равную производительности основного модуля смешивания (обычно 1 т/ч), а производительность модулей подготовки сырья должна соответствовать количеству обрабатываемого в них сырья и составляет определенную долю от мощности основного модуля. Например, производительность модуля экструдирования сырья может составлять половину от мощности основного модуля смешивания, т. е. 0,5 т/ч.
Для обеспечения масштабируемости производства рационально принять производительность основного модуля смешивания равной 1 т/ч либо 2 т/ч. В таком случае производительность предприятия может увеличиваться кратно этому значению путем кратного увеличения числа всех входящих в него типовых технологических модулей (рисунок 7). Одноименные модули при этом работают параллельно.
Рис. 7. Масштабирование модульной производственной системы приготовления комбикорма: а - модульное предприятие производительностью 1 т/ч; б - модульное предприятие производительностью 2 т/ч; 1 - основной модуль смешивания; 2-5 - дополнительные модули; 6-7 - вспомогательные модули Fig. 7. Scaling of a modular manufacturing system of production the compound feed: a - modular plant with a productivity of 1 t/h; b - modular plant with a productivity of 2 t/h; 1 - basic module of mixing; 2-5 - additional modules; 6-7 - auxiliary modules
Модульность производственной системы обеспечивает ее вариабельность, что позволяет обеспечить ее максимальное соответствие наличию конкретных видов сырья и потребностям сельхозпредприятия в комбикорме определенного состава и качества (рисунок 8). Благодаря наличию номенкла-
туры типовых технологических модулей появляется возможность составить из них компоновку, т. е. набор соединенных модулей - модульное предприятие, максимально соответствующее возможностям и потребностям заказчика.
Вариант I / Alternative I
Вариант II / Alternative II
Рис. 8. Вариабельность модульной производственной системы приготовления комбикорма: 1 - модуль дозирования и смешивания; 2 - модуль измельчения; 3 - модуль экструдирования; 4 - модуль экспандирования; 5 - модуль гранулирования; 6 - модуль тепловой обработки зерна; 7 - емкости для сырья; 8 - емкости для готового комбикорма Fig. 8. Variability of a modular manufacturing system of production the compound feed: 1 - module of dispensing and mixing; 2 - grinding module; 3 - extrusion module; 4 - expanding module; 5 - granulation module; 6 - module of heat treatment of grain; 7 - capacities for raw materials;
8 - capacities for finished compound feed
Трансформация производственной системы путем изменения состава ее модулей возможна не только на этапе проектирования. Предложенная модульная архитектура комбикормового предприятия является открытой и позволяет производить его поэтапное совершенствование путем включения новых дополнительных модулей или исключения действующих без длительной остановки про-
изводства, т. е. обеспечивает трансформируемость системы (рисунок 9). Например, представленная на рисунке 9, а производственная система может быть легко трансформирована путем исключения из ее состава модуля экструдирования и включения модулей тепловой обработки зерна и гранулирования комбикорма (рисунок 9, б).
а / a
б / b
Рис. 9. Трансформация модульной производственной системы приготовления комбикорма с изменением состава модулей: а - производственная система до трансформации; б - производственная система после трансформации; 1 - модуль дозирования и смешивания; 2 - модуль измельчения; 3 - модуль экструдирования; 4 - модуль экспандирования; 5 - модуль гранулирования; 6 - модуль тепловой обработки зерна; 7 - емкости для сырья; 8 - емкости для готового комбикорма Fig. 9. Transformation of a modular manufacturing system of production the compound feed with change composition of modules: a - manufacturing system before transformation; b - manufacturing system after transformation 1 - module of dispensing and mixing; 2 - grinding module; 3 - extrusion module; 4 - expanding module; 5 - granulation module; 6 - module of heat treatment of grain; 7 - capacities for raw materials;
8 - capacities for finished compound feed
Модульная структура производственной системы допускает ее временную трансформацию, при которой состав ее модулей физически не изменяется, но временно меняется состав модулей, непосредственно участвующих в выполнении техноло-
гического процесса (рисунок 10). При этом отдельные дополнительные технологические модули временно исключаются из технологического процесса, а затем снова могут быть включены в него. Например, производственная система на рисунке 10 в
конфигурации I включает все физически входящие в ее состав модули; в конфигурации II из ее состава временно исключается модуль экструдирования 3 (при отсутствии сырья, подвергаемого экструдиро-
ванию); в конфигурации III этот модуль включается в технологический процесс, а исключаются модули экспандирования 4 и гранулирования 5 (при производстве рассыпного комбикорма).
Временные конфигурации: у
Interim configurations: * —
Рис. 10. Трансформация модульной производственной системы приготовления
комбикорма без физического изменения состава ее модулей Fig. 10. Transformation of a modular manufacturing system of production the compound feed without physical change of composition of its modules
Итоговая схема, наглядно иллюстрирующая достоинства модульной трансформируемой производственной системы приготовления комбикорма и ее соответствие принятым базовым принципам RMS: модульность, интегрируемость (совмести-
мость), трансформируемость и масштабируемость, представлена на рисунке 11. Данная схема (рисунок 11) разработана на основе схемы, предложенной S. Lier в статье [9, с. 61].
Рис. 11. Модульная трансформируемая производственная система приготовления комбикорма (на примере малых комбикормовых заводов) [9, с. 61]: 1 - модуль дозирования и смешивания; 2 - модуль измельчения; 3 - модуль экструдирования; 4 - модуль приготовления премикса; 5 - модуль экспандирования; 6 - модуль тепловой обработки зерна; 7 - модуль сушки; 8 - модуль подготовки предварительной смеси БВМК; 9 - модуль гранулирования Fig. 11. Modular transformable manufacturing system (on the example of small-scale formula-feed plants): 1 - module of dispensing and mixing; 2 - grinding module; 3 - extrusion module; 4 - module of premix production; 5 - expanding module; 6 - module of heat treatment of grain; 7 - drying module; 8 - module of preparation of a preliminary compound of protein and mineral supplement; 9 - granulation module
Представленные на рисунках 6-11 модульные производственные системы имеют горизонтальную пространственную планировку размещения модулей и, соответственно, оборудования, при которой сырье в ходе технологического процесса перемещается в горизонтальной плоскости (рисунок 12, а). Это отличает их от традиционных комбикормовых производств, имеющих вертикальную пространственную
планировку, при которой сырье в процессе обработки перемещается в вертикальной плоскости, т. е. «сверху вниз» [25, с. 50] (рисунок 12, б). Горизонтальная планировка предприятия принята потому, что позволяет полностью реализовать базовые принципы реконфи-гурируемых производственных систем, особенно трансформируемость и масштабируемость (рисунок 11), в рамках малого комбикормового завода.
Рис. 12. Малый модульный комбикормовый завод (производительность 2 т/ч) в различных вариантах пространственной планировки: а - горизонтальная планировка; б - вертикальная планировка; 1 - модуль дозирования и смешивания; 2 - модуль измельчения; 3 - модуль подготовки предварительной смеси БВМК; 4 - модуль экспандирования; 5 - модуль гранулирования; 6 - емкости для сырья; 7 - емкости для готового комбикорма; стрелкой показано направление технологического потока Fig. 12. Small-scale modular formula-feed plant (productivity of 2 t/h) in different alternative of a layout design:
a - horizontal layout design; b - vertical layout design; 1 - module of dispensing and mixing; 2 - grinding module; 3 - module of preparation of a preliminary compound of protein and mineral supplement; 4 - expanding module; 5 - granulation module; 6 - capacities for raw materials; 7 - capacities for finished compound feed
Вертикальная пространственная планировка модульного комбикормового предприятия, при которой контейнерные модули образуют этажи производственного здания, также возможна, как показано на рисунке 12. Она также позволяет полностью реализовать такие базовые принципы RMS, как модульность и интегрируемость (совместимость). В то же время принцип трансформируемости реализуется лишь частично - на этапе проектирования и создания нового предприятия. Вертикальная конструкция завода (рисунок 12, б) препятствует трансформации структуры действующего предприятия путем удаления или добавления дополнительных модулей. Такая трансформация потребует полной реконструкции предприятия, сопровождаемой длительной остановкой производства. Временная трансформация такой системы путем использования в технологическом процессе разных конфигураций модулей (рисунок 10) также трудно реализуема на практике. Принцип же масштабируемости системы (рисунок 7) реализовать при вертикальной планировке крайне
сложно. Это потребует не просто кратного увеличения числа технологических модулей, а увеличения числа состоящих из модулей многоэтажных производственных зданий, что не рационально.
Таким образом, горизонтальная пространственная планировка размещения модулей является оптимальной для трансформируемой производственной системы приготовления комбикормов.
Обсуждение
Предлагаемая модульная трансформируемая производственная система имеет границы эффективной применимости. Модульное построение эффективно для малых локальных комбикормовых заводов производительностью до 4 т/ч, используемых непосредственно в сельхозпредприятиях. Объясняется это несколькими причинами. Для малых предприятий рационально использовать основные модули смешивания производительностью 1 т/ч либо 2 т/ч. Габариты оборудования производительностью более 2 т/ч обычно не соответствуют габаритам стандартного 20-футового контейнера, что естественным образом
ограничивает возможную мощность типовых технологических модулей величиной 2 т/ч.
Преодолеть приведенное выше ограничение производительности основного модуля смешивания и, соответственно, всего предприятия, возможно путем масштабирования системы (рисунок 7). Однако масштабированные системы также имеют границы применимости. Производственное предприятие, основой которого является модуль смешивания мощностью 1 т/ч, путем кратного увеличения числа одноименных параллельно работающих модулей может быть масштабировано до предприятия мощностью 2 т/ч и 3 т/ч. Строить предприятие производительностью 4 т/ч путем параллельного соединения 4 основных модулей мощностью 1 т/ч (и соответствующего количества дополнительных и вспомогательных модулей) уже не рационально. Для этого оптимально параллельное соединение двух основных модулей мощностью 2 т/ч и соответствующего количества дополнительных и вспомогательных модулей. Объединение в рамках предприятия более 3 основных модулей мощностью 1 т/ч и более 2 основных модулей мощностью 2 т/ч (с соответствующим числом дополнительных модулей) нерационально. Объясняется это тем, что при таком масштабировании значительно возрастают эксплуатационные расходы, особенно затраты на транспортировку сырья между модулями (при горизонтальном размещении оборудования увеличиваются на 20-30 % по сравнению с традиционным вертикальным).
Таким образом, модульные трансформируемые производственные системы могут эффективно функционировать в форме малых локальных (внутрихозяйственных) комбикормовых заводов производительностью до 4 т/ч. На основе типовых технологических модулей возможно путем масштабирования создавать предприятия мощностью 1, 2, 3 и 4 т/ч, что удовлетворяет потребности в кормах малых и средних сельхозпредприятий. Комбикормовые заводы производительностью 5 т/ч и более рационально создавать на основе традиционных не-
модульных схем с вертикальной планировкой размещения оборудования.
Общим недостатком малых модульных заводов по сравнению с крупными традиционными предприятиями являются более высокие эксплуатационные расходы [26, с. 123]. Но этот недостаток компенсируется снижением стоимости производимых в сельхозпредприятии в основном из собственного сырья комбикормов по сравнению с покупными.
Заключение
Модульные трансформируемые производственные системы объединяют в себе преимущества традиционного негибкого производства, способного производить лишь один вид продукции, и гибкого многопрофильного производства, способного производить различные виды продукции.
Реализация модульной трансформируемой производственной системы в форме малых локальных комбикормовых заводов позволяет превратить эту консервативную отрасль промышленности в инновационную, соответствующую базовым принципам RMS.
Масштабируемость модульных заводов позволяет обеспечить соответствие между производительностью предприятия и спросом на его продукцию (потребностью в кормах).
Трансформируемость модульных заводов позволяет обеспечить адаптируемость предприятия к изменению спроса на его продукцию и требований потребителей к ее составу и качеству. Это означает возможность приготовления комбикорма, состав, качество, форма выпуска и стоимость которого полностью соответствуют требованиям конкретного сельхозпредприятия.
Структура модульной трансформируемой производственной системы создает возможность ее поэтапного совершенствования способом добавления дополнительных модулей, что обеспечивает переход к более сложным схемам организации технологического процесса приготовления качественных полнорационных комбикормов в условиях сельхозпредприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Koren Y. The global manufacturing revolution: product-process-business integration and reconfigurable systems. John Wiley & Sons, 2010. 422 p.
2. Reichwald R., Stotko C. M., Piller F. T. Distributed mini-factory networks as a form of real-time enterprise: concept, flexibility potential and case studies // The Practical Real-Time Enterprise. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. P.407-438.
3. Koren Y., Ulsoy A. G. Vision, principles and impact of Reconfigurable manufacturing systems // Powertrain International. 2002. P. 14-21.
4. Koren Y., GuXi, Guo W. Reconfigurable manufacturing systems: Principles, design, and future trends // Frontiers of Mechanical Engineering, 2017.
5. Brunoe T. D., Andersen A. L., Nielsen K. Reconfigurable Manufacturing Systems in Small and Medium Enterprises // Managing Complexity. Springer International Publishing, 2017. P. 205-213.
6. Coppini A., Saliba M. A. Towards practical guidelines for conversion from a fixed to a reconfigurable manufacturing automation system // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 1102-1111.
7. Lier S., GrunewaldM. Net present value analysis of modular chemical production plants // Chemical Engineering & Technology. 2011. Vol. 34. № 5. P. 809-816.
8. Lier S., Worsdorfer D., Gesing J. Business models and product service systems for transformable, modular plants in the chemical process industry // Product-Service Integration for Sustainable Solutions. Berlin, Heidelberg: Springer, 2013. P. 227-238.
9. Lier S., Paul S., Ferdinand D., GrunewaldM. Modular Process Engineering: Development of Apparatuses for Transformable Production Systems // ChemBioEng Reviews. 2016. Vol. 4. № 1. P. 60-70.
10. Stillstrom C., Jackson M. The concept of mobile manufacturing // Journal of Manufacturing Systems. 2007. Vol. 26. P. 188-193.
11. Smith R. E. Prefab architecture: A guide to modular design and construction. John Wiley & Sons, 2011. 402 p.
12. Sievers S., Seifert T., Franzen M., Schembecker G., Bramsiepe C. Lead time estimation for modular production plants // Chemical Engineering Research and Design. 2017. Vol. 128. P. 96-106.
13. Rauch E., Matt D. T., Dallasega P. Mobile Factory Network (MFN) - Network of Flexible and Agile Manufacturing Systems in the Construction Industry // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 752. P. 1368-1373.
14. Пахомов В. И. Проектирование внутрихозяйственных комбикормовых предприятий // Комбикорма. 2005. № 2. С. 35-36.
15. Eijmberts P. Containerized plants as concept in feedmill design // Australasian Milling Conference Proceedings. 2014.
16. 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. С. 48-52.
17. Модульные заводы: практичные решения // Комбикорма. 2016. № 7-8. С. 28-34.
18. Kampker A., Voet H., Burggraf P., Krunke M., Kreiskother K. Methodology for the Development of Modular Factory Systems // FAIM Conference Proceedings. 2014. P. 131-138.
19. Винограй Э. Г. Методологический аппарат системной оптимизации сложных объектов // Социогума-нитарный вестник. 2014. № 1. С. 124-141.
20. Wasson C. S. System engineering analysis, design, and development: Concepts, principles, and practices. John Wiley & Sons, 2015. 818 p.
21. Baldwin C., Clark K. Modularity in the design of complex engineering systems // Complex engineered systems. Berlin: Springer, 2006. P. 175-205.
22. Shaik A. M., Rao V. V. S. K., Rao C. S. Development of modular manufacturing systems - a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 76. № 5-8. P. 789-802.
23. Винограй Э. Г. Аналитические подходы к структурированию целостных образований // Социогума-нитарный вестник. 2012. № 1. С. 128-138.
24. BejlegaardM., Brunoe T. D., Bossen J., Andersen A. L., Nielsen K. Reconfigurable Manufacturing Potential in Small and Medium Enterprises with Low Volume and High Variety: Pre-design Evaluation of RMS // Procedia CIRP. 2016. Vol. 51. P. 32-37.
25. Афанасьев В. А., Орлов Е., Богомолов И. Отечественные технические решения в производстве комбикормов // Комбикорма. 2016. № 12. С. 47-50.
26. Lier S., Riese J., Cvetanoska G., Lesniak A. K., Muller S., Paul S., Sengen L., Grunewald M. Innovative scaling strategies for a fast development of apparatuses by modular process engineering // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2018. Vol. 123. P. 111-125.
Дата поступления статьи в редакцию 17.01.2018, принята к публикации 20.02.2018.
Информация об авторах: Бахчевников Олег Николаевич, кандидат технических наук, научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства
Адрес: Аграрный научный центр «Донской», 347740, Россия, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 14 E-mail: [email protected] Spin-код: 3350-9055
Бенова Елена Викторовна, кандидат технических наук,
старший научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства
Адрес: Аграрный научный центр «Донской», 347740, Россия, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 14 E-mail: [email protected] Spin-код: 5436-4828
Брагинец Сергей Валерьевич, кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства
Адрес: Аграрный научный центр «Донской», 347740, Россия, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 14 E-mail: [email protected] Spin-код: 4849-0287
Заявленный вклад авторов:
Бахчевников Олег Николаевич: написание основной части текста, визуализация / представление данных в тексте.
Бенова Елена Викторовна: поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках, подготовка литературного обзора
Брагинец Сергей Валерьевич: научное руководство, формулирование основной концепции исследования, обозначение методологической основы исследования, проведение анализа и подготовка первоначальных выводов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Koren Y. The global manufacturing revolution: product-process-business integration and reconfigurable systems. John Wiley & Sons, 2010, 422 p.
2. Reichwald R., Stotko C. M., Piller F. T. Distributed mini-factory networks as a form of real-time enterprise: concept, flexibility potential and case studies. The Practical Real-Time Enterprise, Berlin, Heidelberg, Springer, 2005, pp.407-438.
3. Koren Y., Ulsoy A. G. Vision, principles and impact of Reconfigurable manufacturing systems. Powertrain International, 2002, pp. 14-21.
4. Koren Y., Gu Xi, Guo W. Reconfigurable manufacturing systems: Principles, design, and future trends. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017.
5. Brunoe T. D., Andersen A. L., Nielsen K. Reconfigurable Manufacturing Systems in Small and Medium Enterprises. Managing Complexity. Springer International Publishing, 2017, pp. 205-213.
6. Coppini A., Saliba M. A. Towards practical guidelines for conversion from a fixed to a reconfigurable manufacturing automation system. ProcediaManufacturing, 2017, Vol. 11, pp. 1102-1111.
7. Lier S., Grunewald M. Net present value analysis of modular chemical production plants. Chemical Engineering & Technology, 2011, Vol. 34, No. 5, pp. 809-816.
8. Lier S., Worsdorfer D., Gesing J. Business models and product service systems for transformable, modular plants in the chemical process industry. Product-Service Integration for Sustainable Solutions. Berlin, Heidelberg, Springer, 2013, pp. 227-238.
9. Lier S., Paul S., Ferdinand D., Grunewald M. Modular Process Engineering: Development of Apparatuses for Transformable Production Systems. ChemBioEng Reviews, 2016, Vol. 4, No. 1, pp. 60-70.
10. Stillstrom C., Jackson M. The concept of mobile manufacturing. Journal of Manufacturing Systems, 2007, Vol. 26, pp. 188-193.
11. Smith R. E. Prefab architecture: A guide to modular design and construction. John Wiley & Sons, 2011, 402 p.
12. Sievers S., Seifert T., Franzen M., Schembecker G., Bramsiepe C. Lead time estimation for modular production plants. Chemical Engineering Research and Design, 2017, Vol. 128, pp. 96-106.
13. Rauch E., Matt D. T., Dallasega P. Mobile Factory Network (MFN) - Network of Flexible and Agile Manufacturing Systems in the Construction Industry. Applied Mechanics and Materials, 2015, Vol. 752, pp. 1368-1373.
14. Pakhomov V. I. Proektirovanie vnutrihozyajstvennyh kombikormovyh predpriyatij [Design of the on-site feed mill enterprises], Kombikorma [Compound Feeds Magazine], 2005, No. 2, pp. 35-36.
15. Eijmberts P. Containerized plants as concept in feedmill design. Australasian Milling Conference Proceedings, 2014.
16. Pakhomov V. I., Braginets S. V., Bakhchevnikov O. N. Principy sozdaniya vnutrihozyajstvennyh kombi-kormovyh predpriyatij i ih prakticheskaya realizaciya [Principles of creation of on-site feed-milling enterprises and their practical implementation], Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotno-vodstva [Journal of VNIIMZH], 2015, No. 4, pp. 48-52.
17. Modul'nye zavody: praktichnye resheniya [Modular plants: practical decisions], Kombikorma [Compound Feeds Magazine], 2016, No. 7-8, pp. 28-34.
18. Kampker A., Voet H., Burggraf P., Krunke M., Kreiskother K. Methodology for the Development of Modular Factory Systems. FAIMConference Proceedings, 2014, pp. 131-138.
19. Vinograj EH. G. Metodologicheskij apparat sistemnoj optimizacii slozhnyh ob"ektov [Methodological apparatus of system optimization of difficult objects], Sociogumanitarnyj vestnik [Social and Humanitarian Bulletin], 2014, No. 1, pp. 124-141.
20. Wasson C. S. System engineering analysis, design, and development: Concepts, principles, and practices. John Wiley & Sons, 2015, 818 p.
21. Baldwin C., Clark K. Modularity in the design of complex engineering systems. Complex engineered systems. Berlin, Springer, 2006, pp. 175-205.
22. Shaik A. M., Rao V. V. S. K., Rao C. S. Development of modular manufacturing systems - a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, Vol. 76, No. 5-8, pp. 789-802.
23. Vinograj Eh. G. Analiticheskie podhody k strukturirovaniyu celostnyh obrazovanij [Analytical approaches to structuring integral objects], Sociogumanitarnyj vestnik [Social and Humanitarian Bulletin], 2012, No. 1, pp. 128-138.
24. Bejlegaard M., Brunoe T. D., Bossen J., Andersen A. L., Nielsen K. Reconfigurable Manufacturing Potential in Small and Medium Enterprises with Low Volume and High Variety: Pre-design Evaluation of RMS. Procedia CIRP, 2016, Vol. 51, pp. 32-37.
25. Afanas'ev V. A., Orlov E., Bogomolov I. Otechestvennye tekhnicheskie resheniya v proizvodstve kombi-kormov [Domestic technical solutions in production of compound feeds], Kombikorma [Compound Feeds Magazine], 2016, No. 12, pp. 47-50.
26. Lier S., Riese J., Cvetanoska G., Lesniak A. K., Muller S., Paul S., Sengen L., Grunewald M. Innovative scaling strategies for a fast development of apparatuses by modular process engineering. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2018, Vol. 123, pp. 111-125.
Submitted 17.01.2018; revised 20.02.2018.
About the authors:
Oleg N. Bakhchevnikov, Ph. D. (Engineering), the scientific worker of the Department Vegetable Feedstock Processing
Address: Agricultural Scientific Centre Donskoy, 14 Lenin St., Zernograd, Rostov Region, Russia, 347740 E-mail: [email protected] Spin-code: 3350-9055
Elena V. Benova, Ph. D. (Engineering), the senior scientific worker of the Department Vegetable Feedstock Processing
Address: Agricultural Scientific Centre Donskoy, 14 Lenin St., Zernograd, Rostov Region, Russia, 347740 E-mail: [email protected] Spin-code: 5436-4828
Sergey V. Braginets, Ph. D. (Engineering), the leading scientific worker of the Department Vegetable Feedstock Processing
Address: Agricultural Scientific Centre Donskoy, 14 Lenin St., Zernograd, Rostov Region, Russia, 347740 E-mail: [email protected] Spin-code: 4849-0287
Contribution of the authors: Oleg N. Bakhchevnikov: wrote most parts of the text, visualization / presentation of the data in the text. Elena V. Benova: search for analytical materials in Russian and international sources, reviewing the relevant literature. Sergey V. Braginets: research supervision, developed the theoretical framework, specified a methodological basis of the study, analysis and preparation of the initial ideas.
All authors have read and approved the final manuscript.
