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基于的小麦粉生产过程仿真与优化

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摘要：

粮食生产具有战略性地位，关系到人民生活健康及社会的稳定与发展［1］。小麦粉加工企业是粮食流通过程中的关键节点，其整体设备作业效率的提高是改善小麦粉加工水平和流通速度的重要保障。小麦粉加工生产线仿真是对其生产过程进行模拟，在虚拟环境中反映出小麦粉生产制造全过程，从而有效地确定生产瓶颈位置，有针对性地进行改善，解决流水线生产能力不平衡及低效率等问题，进而提高加工设备的整体利用率，提高小麦粉加工效率，减少企业运行成本。常用的模拟仿真软件有Auto Mod，Witness，Arena和Flexsim等。本研究选用Flexsim软件作为研究工具，它能够解决货物配送线路及拣货方式优化、资源合理配置、货物和服务次序优化等问题。加工生产线仿真亦有学者利用Flexsim软件研究［2-13］，邱伊健等［2］利用Flexsim与遗传算法相结合研究混流生产线仿真与优化；龚立雄等［3］分析了流水生产线的特点，并运用Flexsim对摩托车涂装生产线进行仿真及优化；王海燕等［4］运用Flexsim动态模拟食品冷链配送中心作业流程，分析相关参数并对其进行优化。可见，Flexsim生产加工仿真研究多针对离散系统构建。小麦粉产品具有小颗粒、流动性等特点，其生产过程的流体建模及优化研究鲜见。本研究针对小麦粉加工生产企业的生产现场实际，基于现场收集的数据，运用生产系统建模方法，利用Flexsim仿真软件，对小麦粉加工流程进行仿真，直观动态模拟小麦粉实时加工流程画面，分析仿真数据，找出生产过程中的瓶颈，并研究目前设备布局，对加工设备提出增减假设，优化小麦粉生产过程仿真模型。

1 小麦粉生产流程分析

小麦粉生产加工流程主要经过以下过程：小麦Triticum aestivum收购、分类入库、原粮配比、原粮清理、润麦入磨、小麦粉打包码垛销售。具体流程为：小麦在主产区种植收获后，按种植户和加工企业需求，由专门车辆运送至加工厂，车辆到达后排队等待扦样、初检，初检合格后，经过磅、称量、复检、初选，根据小麦分级结果自动化入不同种类粮仓；根据小麦粉加工计划确定不同级别小麦配比，小麦经自动化生产线配比后进入原麦仓；之后经过一次清理、着水润麦、二次清理后入净麦仓，然后经过皮磨、心磨、筛理、清粉、松粉、打麸等过程，生产出不同级别的小麦粉主产品和麸皮等副产品，不同级别小麦粉入不同粉仓；小麦粉检测合格后配比、计量、打包、码垛、入库储存，最后将包装好的小麦粉按订单规格出库销售（图1）。

图1 小麦粉加工流程图Figure 1 Wheat flour processing flow chart

2 小麦粉生产过程仿真建模

小麦收购过程中检测类别分为A级，B级，C级和D级等4个等级，通过调研统计出不同级别小麦占比、拟合小麦运输车辆到达时间分布，为仿真模型服务。现场调研和数据收集地点为山东德州某面粉加工集团，通过对小麦采购时间数据和小麦粉各环节加工时间数据收集，为小麦粉生产过程Flexsim仿真模型提供相关参数，是模型构建的依据。另外，仿真模型假设生产线生产的是普通级小麦粉，在模型建立前做如下假设：①小麦原料出入原料仓为先进先出（FIFO）；②以小麦运输车辆为原料批次单位，批次大小一致；③不考虑机器故障。

2.1 实体设备及相关参数

小麦粉生产过程中的实体设备用Flexsim仿真软件中的实体对象表示，两者之间的对应关系如表1所示。上游小麦原料运输车辆用实体发生器代替，不同颜色的盒子代表小麦检验出的不同类型，红色、蓝色、绿色、黄色分别代表A级，B级，C级和D级。小麦入库前原料看成以车辆为单位的实体，并且定义为一个批次；小麦初步筛选入库的过程看成实体转流体的过程，粮仓和原麦仓大小为250 t·个－1，净麦仓大小为100 t·个－1，根据生产要求小麦配比过程为3 h·仓－1，并且通过控制流速保证小麦混合均匀，用流体处理器模拟仿真初清筛、振动筛、平面回转筛、吸风分离器等设备进行筛选、风选、去石、磁选等过程，着水润麦时间约为25 h；小麦入磨前进入净麦罐，大小为100 t·罐－1，用流体处理器代表小麦五皮九心的研磨设备。最后流体混合器按比例配比不同级别小麦粉，通过打包设备包装，实体转换器转换成以袋为单位的小包装成品小麦粉。小麦粉出库过程中，暂存区代表小麦粉储存仓库，吸收器代表配送到小麦粉销售点的车辆。仿真模型相关参数如下设计：①小麦采购区。根据跟踪统计小麦60 d内采购类型数据分析得出其发生概率。其中：A级，B级，C级和D级小麦分别占比约59.8%，27.8%，8.9%和3.5%。统计柱状图如图2所示。②小麦车辆到达的频率分布。跟踪调查获得小麦车辆的到达时间数据，统计60 d的数据，得出小麦车辆1 d内的到达频率数，计算每小时车辆到达数（从7:00到19:00），分别为 3， 4， 4， 3， 2， 0， 3， 6， 5， 4， 2， 1，其余时间为0（图 3）。 ③管道流速。 Flexsim 仿真模型通过控制管道流速决定小麦粉生产各个环节的生产时间。本模型单位为分钟（min）和千克（kg）。管道质量流速v＝P× （M/t）。其中：v为管道流速（kg·min－1），P为小麦（小麦粉）混合配比，M为麦仓（粉仓）大小（kg），t为生产工艺要求时间（min）。根据公式计算出模型中各管道流速，部分管道流速如表2所示。