Difference between revisions of "Optimalizace výměn a seřízení sekacích nožů při výrobě dřevařské štěpky"
(→Obsah modelu) |
|||
(27 intermediate revisions by the same user not shown) | |||
Line 19: | Line 19: | ||
Společnost Mondi Štětí a.s. je předním světovým výrobcem papírových materiálů, papíru a buničiny. Díky významným investicím do zvýšení kapacit a zlepšení jakosti výrobků Mondi Štětí a.s. je nyní největším výrobcem papírových obalů a buničiny na českém trhu. Společnost Mondi Štětí a.s. sídlí v severních Čechách ve Štětí. Areál závodu představuje přibližně polovinu rozlohy města. Tato simulace se omezuje na provoz Zpracování dřeva, kde dochází k výrobě dřevařské štěpky. | Společnost Mondi Štětí a.s. je předním světovým výrobcem papírových materiálů, papíru a buničiny. Díky významným investicím do zvýšení kapacit a zlepšení jakosti výrobků Mondi Štětí a.s. je nyní největším výrobcem papírových obalů a buničiny na českém trhu. Společnost Mondi Štětí a.s. sídlí v severních Čechách ve Štětí. Areál závodu představuje přibližně polovinu rozlohy města. Tato simulace se omezuje na provoz Zpracování dřeva, kde dochází k výrobě dřevařské štěpky. | ||
+ | |||
+ | [[File:mondi_steti_as.jpg]] | ||
=Definice problému= | =Definice problému= | ||
− | Jedním z hlavních klíčových indikátorů výroby úseku Zpracování dřeva je procentuální zastoupení vyrobené optimální štěpky. Štěpka vzniká nasekáním odkorněného dřeva v rotační sekačce s osazenými sekacími noži. S průběhem výroby dochází k opotřebení sekacích nožů a tím se ovlivňuje kvalita štěpky. Seká se více nežádoucích frakcí a méně žádoucích. Poměr frakcí hraje roli při dalším technologickém zpracování při výrobě papíru, proto je potřeba dodržet optimální velikost štěpky. Procento optimální štěpky tedy součet frakcí 3., 4. a 5. je třeba držet co nejvíce nad 80%. | + | Jedním z hlavních klíčových indikátorů výroby úseku Zpracování dřeva je procentuální zastoupení vyrobené optimální štěpky. Štěpka vzniká nasekáním odkorněného dřeva v rotační sekačce s osazenými sekacími noži. S průběhem výroby dochází k opotřebení sekacích nožů a tím se ovlivňuje kvalita štěpky. Seká se více nežádoucích frakcí a méně žádoucích. Poměr frakcí hraje roli při dalším technologickém zpracování při výrobě papíru, proto je potřeba dodržet optimální velikost štěpky. Procento optimální štěpky tedy součet frakcí 3., 4. a 5. je třeba držet co nejvíce '''nad 80%'''. |
+ | |||
+ | == Cíl simulace == | ||
+ | * Zjistit optimální interval výměny nožů. | ||
== Popis štěpky == | == Popis štěpky == | ||
Line 34: | Line 39: | ||
[[File:Frakce.jpg]] | [[File:Frakce.jpg]] | ||
− | '''1. frakce (F1)''' | + | ''' 1. frakce (F1)''' |
První frakce představuje největší kusy štěpky ve vybraném vzorku. | První frakce představuje největší kusy štěpky ve vybraném vzorku. | ||
+ | * Tloušťka 45mm a větší. | ||
+ | ''' 2. frakce (F2)''' | ||
+ | |||
+ | Druhá frakce představuje vetšinou dlouhé vlasovité kusy štěpky ve vybraném vzorku. | ||
+ | * Tloušťka 8mm a větší. | ||
+ | |||
+ | ''' 3. frakce (F3)''' | ||
+ | |||
+ | Třetí frakce představuje větší přijatelné kusy štěpky ve vybraném vzorku. | ||
+ | * Tloušťka 13mm a větší. | ||
+ | |||
+ | ''' 4. frakce (F4)''' | ||
+ | |||
+ | Čtvrtá frakce představuje menší přijatelné kusy štěpky ve vybraném vzorku. | ||
+ | * Tloušťka 7mm a větší. | ||
+ | |||
+ | ''' 5. frakce (F5)''' | ||
+ | |||
+ | Pátá frakce představuje takzvané "sirky".Tvar a velikost kusů odpovídá klasické zápalce. | ||
+ | * Tloušťka 3mm a větší. | ||
+ | |||
+ | ''' 6. frakce (F6)''' | ||
+ | |||
+ | Šestá frakce představuje nejmenší součásti vzorku. Jendá se o piliny a prach. | ||
+ | |||
+ | === Požadavek na kvalitu štěpky === | ||
+ | |||
+ | * '''součet procentuálního zastoupení 3., 4. a 5. frakce ve vybraném vzorku nad 80%.''' | ||
=Metoda= | =Metoda= | ||
+ | |||
+ | Pro řešení tohoto problému jsem si zvolil metodu Monte Carlo, a to v programu Microsoft Excel 2016. Metoda je pro toto zadání vhodná kvůli využití velkého množství generovaných pseudonáhodných čísel. V tomto modelu bylo generováno 30000 řádků jendotlivých "vzorků štěpky". | ||
+ | |||
+ | Nástroj Microsoft Excel 2016 jsem si vybral z důvodu seznámí se s funkcemi v průběhu výuky. Nenarazil jsem v průběhu simulace na žádná omezení ze strany nástroje. | ||
=Model= | =Model= | ||
+ | ==Obsah modelu== | ||
+ | Listy souboru Simulace-stepka.xlsx: | ||
+ | *'''Popis''' - Úvodní list modelu. Obsahuje základní charakteristiky modelu, štěpky a vybraných parametrů. Dále stanovuje otázku, jaký interval výměň nastavit? | ||
+ | *'''Simulace''' - List s vlastní logikou simulace. Nastavují se zde výchozí parametry a generuje se zde 30000 pseudonáhodných vzorků. Obsahuje graf vykreslující aktuálně vygenerovanou křivku poklesu efektivity. | ||
+ | *'''FixRunSimulace''' - Obsahuje jednu z vygenerovaných sestav dat. Z této sestavy je následně odvozen výsledek a závěr. | ||
+ | *'''Výsledek + grafy''' - obsahuje závěr simulace, graf simulace a odpověd na otázku z prvního listu. | ||
+ | |||
+ | ==Metoda vlastní simulace== | ||
+ | ===Definování výchozího vzorku=== | ||
+ | Výchozí vzorek, tedy střední hodnoty hmotností a směrodatné odchylky pro jednotlivých frakcí v testovácím vzorku, byl vytvořen jako průměrné hodnoty a směrodatné odchylky ze souboru 20 reálně zanalyzovaných vzorků. | ||
+ | [[File:vychozi_vzorek.jpg]] | ||
+ | |||
+ | Soubor s výchozími 20 vzorky: [[File:vychozi_vzorky.xlsx]] | ||
+ | |||
+ | ===Definování parametrů=== | ||
+ | Klíčové pro opotřebovávání sekacích nožů je množství posekaného dřeva. To a další parametry je v modelu definováno pomocí vychézích parametrů. | ||
+ | |||
+ | [[File:parametry.png]] | ||
+ | |||
+ | *parametr "počet polen INFEED" je vypočten dle následujícího vzorce. <code>=ZAOKROUHLIT(NÁHČÍSLO()*2+1;1)*$M$2</code>, kde $M$2 znač rychlost dopravníku. Náhodná veličina zde představuje výstup z odkorňovacího bubnu, který není rovnoměrný. | ||
+ | |||
+ | === Definování opotřebení nožů v čase === | ||
+ | Zatímco paramtery výše jsou údaje z reálných hodnot, tak u opotřebení bylo nutné provést odhad. Výchozí opotřebení bylo stanoveno jako pokles 1% efektivity za každých 1000 posekaných kusů dřeva. Tento odhad byl ověřen u vedoucího údržby provozu. Opotřebení je nadále rovnoměrně rozděleno mezi nastavený počet nožů. | ||
+ | |||
+ | [[File:opotrebeni.png]] Hodnoty pro jednotlivé hodiny jsou vypočteny vzorcem: <code>=(100-$A8*($M$4/1000)/$M$1)/100</code>, kde: $A8 = uběhlá hodina; $M$4 = počet posekaných kusů za hodinu (z paramterů výše); $M$1 = počet nožů. | ||
+ | |||
+ | ===Generování hodnot testovaných vzorků=== | ||
+ | Při generování jednotlivých testovacích vzorků byly využity hodnoty z výchozího vzorku. Bylo vygenerováno 30000 řádků. | ||
+ | [[File:generovane.png]] | ||
+ | |||
+ | Vzorec pro výpočet hodnot (1.frakce): <code>=MAX(0;NORM.INV(NÁHČÍSLO();$B$3*$E$8;$B$4))</code>, kde $B$3 = střední hodnota; $E$8 = korekce střední hodnoty; $B$4 = směrodatná odchylka. | ||
+ | Funkce MAX byla zabraňuje generování záporných čísel, které jsou v tomto problému nemožné. | ||
+ | |||
+ | Následně je na součet vybraných frakcí aplikována korekce v čase. Z těcho údajů pak odvozuji optimální interval výměny. Pokles je možno vidět i zde. Obrázek zachycuje pouze prvních 18 hod. | ||
+ | [[File:pokles.png]] | ||
+ | |||
+ | Vzorec pro výpočet: <code>=$O36*$B$8</code>, kde $O36 = procentuální zastoupení optimálních frakcí ve vzorku; $B$8 = korekce efektivity z tabulky poklesu výše. | ||
+ | |||
+ | ===Průběh simulace=== | ||
+ | |||
+ | Z uložené sestavy vygenerovaných hodnot byl následně zprůměrováním určen trend poklesu optimální štěpky v čase. Vizualizace v podobě grafu se nachází v sekci [http://www.simulace.info/index.php/Optimalizace_v%C3%BDm%C4%9Bn_a_se%C5%99%C3%ADzen%C3%AD_sekac%C3%ADch_no%C5%BE%C5%AF_p%C5%99i_v%C3%BDrob%C4%9B_d%C5%99eva%C5%99sk%C3%A9_%C5%A1t%C4%9Bpky#V.C3.BDsledky Výsledky] | ||
=Výsledky= | =Výsledky= | ||
+ | |||
+ | Z dat uložených z jednoho průběhu simulace byl průměrem určen trend křivky poklesu optimálního zastoupení akceptovatelného množství štěpky ve vzorcích v průběhu výroby. | ||
+ | Odpověd na zadaní této simulace je tedy '''interval výměny 8 hodin'''. | ||
+ | [[File:Graf_vysledek.png]] | ||
+ | |||
+ | ==Doporučení== | ||
+ | '''Výsledkem této simulace, jsou tedy doporučení:''' | ||
+ | * pro zachování optimální kvality štěpky měnit sekací nože v intervalu 8 hodin. V připadě 24-hodinové výroby a 3-směnného provozu měnit nože v čase přestávek při střídaní směn. | ||
+ | * pro prodloužení výdrže nožů zpomalit dopravník před sekačkou, omezí se tak počet posekaných kusů a tím i opotřebení. Klesá však i produkce. | ||
+ | * rozložit opotřebení nožů mezi více kusů. Přidáním dalších nozů se životnost prodlouží. | ||
=Závěr= | =Závěr= | ||
+ | |||
+ | Zadání bylo v této simulaci naplněno. Podařilo se zjistit optimální čas výměny sekacích nožů, a to 8 hodin. Při konzultaci vygenerovaného výsledku s vedoucími zaměstnanci Úseku zpracování dřeva, zodpovědnými za stav nožů a kvalitu štěpky byla zjištěna odchylka mezi mým výsledkem a reálným intervalem. Ve skutečnosti se nože mění po 12 hodinách. Rozdíl je způsoben především ekonomickou stránkou výměny nožů. V průběhu let došlo ke kompromisu mezi finanční stránkou výměny a pohledem na kvalitu štěpky. | ||
+ | |||
+ | Kód a modely simulace jsou volně dostupné komukoliv k doplnění a obohacení o další vlivy. | ||
+ | Pro mé praktické využití modelu budu model pravděpodobně rozšiřovat právě o finanční faktor výměn. | ||
=Kód= | =Kód= | ||
+ | Zdrojový soubor simulace. | ||
+ | |||
+ | [[File:Simulace-stepka.xlsx]] |
Latest revision as of 22:33, 5 June 2016
Úvodem
Vítejte na stránkách semestrální práce z předmětu 4IT495 - Simulace systémů. Tato práce se zaměřuje na simulaci a vyhodnocení optimálního intervalu pro výměnu sekacích nožů v rotační sekačce v papírenském závodu Mondi Štětí a.s. Při řešení této otázky byla použita simulace Monte Carlo s využitím nástroje Excel 2016. Jako podklady pro simulaci byly využity reálné hodnoty vyplívající ze současné výroby.
Contents
Zadání
Název simulace: Optimalizace výměn a seřízení sekacích nožů při výrobě dřevařské štěpky
Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2015/2016)
Autor: Bc. Jakub Kos
Typ modelu: Monte Carlo
Modelovací nástroj: Excel
Představení společnosti
Společnost Mondi Štětí a.s. je předním světovým výrobcem papírových materiálů, papíru a buničiny. Díky významným investicím do zvýšení kapacit a zlepšení jakosti výrobků Mondi Štětí a.s. je nyní největším výrobcem papírových obalů a buničiny na českém trhu. Společnost Mondi Štětí a.s. sídlí v severních Čechách ve Štětí. Areál závodu představuje přibližně polovinu rozlohy města. Tato simulace se omezuje na provoz Zpracování dřeva, kde dochází k výrobě dřevařské štěpky.
Definice problému
Jedním z hlavních klíčových indikátorů výroby úseku Zpracování dřeva je procentuální zastoupení vyrobené optimální štěpky. Štěpka vzniká nasekáním odkorněného dřeva v rotační sekačce s osazenými sekacími noži. S průběhem výroby dochází k opotřebení sekacích nožů a tím se ovlivňuje kvalita štěpky. Seká se více nežádoucích frakcí a méně žádoucích. Poměr frakcí hraje roli při dalším technologickém zpracování při výrobě papíru, proto je potřeba dodržet optimální velikost štěpky. Procento optimální štěpky tedy součet frakcí 3., 4. a 5. je třeba držet co nejvíce nad 80%.
Cíl simulace
- Zjistit optimální interval výměny nožů.
Popis štěpky
Štěpka je meziprodukt při výrobě papíru. Jedná se o na kousky nasekané odkorněné dřevo. V navazujících provozech a technologických postupech dochází k rozvaření štěpky na buničinu, která se následně nalevá na síta a sušením vzniká papír.
Frakce štěpky
V každém zkoumaném množství štěpky se pozorují dané charakteristiky, dle kterých se určuje kvalita štěpky. Jedná se o distribuci velikosti jednotlivých kusů a o vlhkost (vlhkost není tématem této práce). Při tloušťkové analýze se pomocí nástroje Lorenz-Wettre oddělí jednotlivé frakce, které se následně váží a zjištuje se jejich procentuální zastoupení.
1. frakce (F1)
První frakce představuje největší kusy štěpky ve vybraném vzorku.
- Tloušťka 45mm a větší.
2. frakce (F2)
Druhá frakce představuje vetšinou dlouhé vlasovité kusy štěpky ve vybraném vzorku.
- Tloušťka 8mm a větší.
3. frakce (F3)
Třetí frakce představuje větší přijatelné kusy štěpky ve vybraném vzorku.
- Tloušťka 13mm a větší.
4. frakce (F4)
Čtvrtá frakce představuje menší přijatelné kusy štěpky ve vybraném vzorku.
- Tloušťka 7mm a větší.
5. frakce (F5)
Pátá frakce představuje takzvané "sirky".Tvar a velikost kusů odpovídá klasické zápalce.
- Tloušťka 3mm a větší.
6. frakce (F6)
Šestá frakce představuje nejmenší součásti vzorku. Jendá se o piliny a prach.
Požadavek na kvalitu štěpky
- součet procentuálního zastoupení 3., 4. a 5. frakce ve vybraném vzorku nad 80%.
Metoda
Pro řešení tohoto problému jsem si zvolil metodu Monte Carlo, a to v programu Microsoft Excel 2016. Metoda je pro toto zadání vhodná kvůli využití velkého množství generovaných pseudonáhodných čísel. V tomto modelu bylo generováno 30000 řádků jendotlivých "vzorků štěpky".
Nástroj Microsoft Excel 2016 jsem si vybral z důvodu seznámí se s funkcemi v průběhu výuky. Nenarazil jsem v průběhu simulace na žádná omezení ze strany nástroje.
Model
Obsah modelu
Listy souboru Simulace-stepka.xlsx:
- Popis - Úvodní list modelu. Obsahuje základní charakteristiky modelu, štěpky a vybraných parametrů. Dále stanovuje otázku, jaký interval výměň nastavit?
- Simulace - List s vlastní logikou simulace. Nastavují se zde výchozí parametry a generuje se zde 30000 pseudonáhodných vzorků. Obsahuje graf vykreslující aktuálně vygenerovanou křivku poklesu efektivity.
- FixRunSimulace - Obsahuje jednu z vygenerovaných sestav dat. Z této sestavy je následně odvozen výsledek a závěr.
- Výsledek + grafy - obsahuje závěr simulace, graf simulace a odpověd na otázku z prvního listu.
Metoda vlastní simulace
Definování výchozího vzorku
Výchozí vzorek, tedy střední hodnoty hmotností a směrodatné odchylky pro jednotlivých frakcí v testovácím vzorku, byl vytvořen jako průměrné hodnoty a směrodatné odchylky ze souboru 20 reálně zanalyzovaných vzorků.
Soubor s výchozími 20 vzorky: File:Vychozi vzorky.xlsx
Definování parametrů
Klíčové pro opotřebovávání sekacích nožů je množství posekaného dřeva. To a další parametry je v modelu definováno pomocí vychézích parametrů.
- parametr "počet polen INFEED" je vypočten dle následujícího vzorce.
=ZAOKROUHLIT(NÁHČÍSLO()*2+1;1)*$M$2
, kde $M$2 znač rychlost dopravníku. Náhodná veličina zde představuje výstup z odkorňovacího bubnu, který není rovnoměrný.
Definování opotřebení nožů v čase
Zatímco paramtery výše jsou údaje z reálných hodnot, tak u opotřebení bylo nutné provést odhad. Výchozí opotřebení bylo stanoveno jako pokles 1% efektivity za každých 1000 posekaných kusů dřeva. Tento odhad byl ověřen u vedoucího údržby provozu. Opotřebení je nadále rovnoměrně rozděleno mezi nastavený počet nožů.
Hodnoty pro jednotlivé hodiny jsou vypočteny vzorcem: =(100-$A8*($M$4/1000)/$M$1)/100
, kde: $A8 = uběhlá hodina; $M$4 = počet posekaných kusů za hodinu (z paramterů výše); $M$1 = počet nožů.
Generování hodnot testovaných vzorků
Při generování jednotlivých testovacích vzorků byly využity hodnoty z výchozího vzorku. Bylo vygenerováno 30000 řádků.
Vzorec pro výpočet hodnot (1.frakce): =MAX(0;NORM.INV(NÁHČÍSLO();$B$3*$E$8;$B$4))
, kde $B$3 = střední hodnota; $E$8 = korekce střední hodnoty; $B$4 = směrodatná odchylka.
Funkce MAX byla zabraňuje generování záporných čísel, které jsou v tomto problému nemožné.
Následně je na součet vybraných frakcí aplikována korekce v čase. Z těcho údajů pak odvozuji optimální interval výměny. Pokles je možno vidět i zde. Obrázek zachycuje pouze prvních 18 hod.
Vzorec pro výpočet: =$O36*$B$8
, kde $O36 = procentuální zastoupení optimálních frakcí ve vzorku; $B$8 = korekce efektivity z tabulky poklesu výše.
Průběh simulace
Z uložené sestavy vygenerovaných hodnot byl následně zprůměrováním určen trend poklesu optimální štěpky v čase. Vizualizace v podobě grafu se nachází v sekci Výsledky
Výsledky
Z dat uložených z jednoho průběhu simulace byl průměrem určen trend křivky poklesu optimálního zastoupení akceptovatelného množství štěpky ve vzorcích v průběhu výroby. Odpověd na zadaní této simulace je tedy interval výměny 8 hodin.
Doporučení
Výsledkem této simulace, jsou tedy doporučení:
- pro zachování optimální kvality štěpky měnit sekací nože v intervalu 8 hodin. V připadě 24-hodinové výroby a 3-směnného provozu měnit nože v čase přestávek při střídaní směn.
- pro prodloužení výdrže nožů zpomalit dopravník před sekačkou, omezí se tak počet posekaných kusů a tím i opotřebení. Klesá však i produkce.
- rozložit opotřebení nožů mezi více kusů. Přidáním dalších nozů se životnost prodlouží.
Závěr
Zadání bylo v této simulaci naplněno. Podařilo se zjistit optimální čas výměny sekacích nožů, a to 8 hodin. Při konzultaci vygenerovaného výsledku s vedoucími zaměstnanci Úseku zpracování dřeva, zodpovědnými za stav nožů a kvalitu štěpky byla zjištěna odchylka mezi mým výsledkem a reálným intervalem. Ve skutečnosti se nože mění po 12 hodinách. Rozdíl je způsoben především ekonomickou stránkou výměny nožů. V průběhu let došlo ke kompromisu mezi finanční stránkou výměny a pohledem na kvalitu štěpky.
Kód a modely simulace jsou volně dostupné komukoliv k doplnění a obohacení o další vlivy. Pro mé praktické využití modelu budu model pravděpodobně rozšiřovat právě o finanční faktor výměn.
Kód
Zdrojový soubor simulace.