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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 이와 같이 국내산 조사료가 거의 첨가되어 있지 않는 TMR 사료의 문제점을 개선하고, 규모화에 저해되는 노동력을 최소화하고, 사료생산비용을 절감시킬 수 있고, 10여 농가가 1,000 여두 내외 규모의 공동사육이 가능한 TMR 사료 일관 조제를 위한 소형 플랜트의 농가 단지형 모델을 개발하는데 있다.
- 본 연구에서 작업시간의 측정은 개발 모델의 안정화와 작업자가 각 공정 작업에 숙달되었다고 판단되었을 때 측정하였다. 표 4에 모델의 적응시험 결과 각 공정별로 소요되는 시간을 요약하였다.
가설 설정
- 총 시뮬레이션 시간은 1일 4시간 365일로 하였으며, 단위시간은 분으로 가정하였다. 기계의 고장 및 기타의 지연 요인은 없다고 가정하였고, 분포함수는 일괄적으로 정규분포인 NORM 함수를 사용하고 표준편차는 평균값의 5%로 가정하였다.
- 모델 개발에 사용된 기본적인 가정은 다음과 같다. 총 시뮬레이션 시간은 1일 4시간 365일로 하였으며, 단위시간은 분으로 가정하였다. 기계의 고장 및 기타의 지연 요인은 없다고 가정하였고, 분포함수는 일괄적으로 정규분포인 NORM 함수를 사용하고 표준편차는 평균값의 5%로 가정하였다.
제안 방법
- (1) 본 모델 플랜트에 적용될 조사료 반입･세절기는 원형 베일을 적재하여 이송하고 원형베일을 세절한 후 세절된 조사료는 팬에 의해 송출되고 송출방향은 조절할 수 있는 회전커터형 원심배출방식의 트랙터 견인형 세 절기로 선정하였으며, TMR 배합기는 정치형의 조사료용 2 오거형 배합기로 용량은 11㎥로 결정하였다.
- (2) 모델 플랜트의 배치도(layout)는 핵심이 되는 배합기를 플랜트 중심의 지하에 배치하고 배합기의 한쪽은 원료 반입 → 저장 → 세절 → 배합기 투입되는 장소이고, 다른 한쪽은 배합이 완료된 TMR 사료 배출 → 저장→ 포장 → 반출되는 장소가 되도록 하였다.
- 각 작업공정별로 예비시험을 통하여 모델의 작업사이클 및 가공공정도(process flow diagram)를 작성하였다.
- 사용된 원료는 주로 부산물사료를 이용하였으며 조사료는 원형 베일볏짚과 총체보리 랩사일리지 등을 이용하여 생산작업을 실시하였다. 개발된 모델은 TMR 생산작업을 통하여 각 공정별 특성분석과 실작업소요시간을 조사하였다.
- 개발된 시뮬레이션으로 공정별 처리시간, 정체시간, 각각 단위기계의 가동률, 시간당 생산용량 등을 비교분석하였다.
- 개발된 모델의 제원은 표 3과 같다. 계산된 배합기의 용량은 약 10.6 m3으로 나타났는데 일반적으로 국내에 판매되고 있는 트랙터 견인형의 조사료용 TMR 배합기의 규격을 비교 하여 1회 배합용량을 11 m3로 결정하였으며, 컨베이어의 벨트의 속도는 0.75 m/s, 벨트의 폭은 0.8 m로 결정하였다.
- 배합기 측면에 설치된 배출구를 통하여 경사진 벨트 컨베이어에 의해 제품 저장빈으로 투입이 된다. 농가에서 사용하고 있는 일반적인 2톤 용량의 트랙터 견인형 TMR 배합기를 이용하여 TMR 사료 배출에 소요되는 작업시간을 측정하였는데 7～8분으로 나타났다.
- 따라서 축산농가에서 널리 사용되고 있으며 조사료와 농후 사료를 동시에 골고루 혼합할 수 있는 2개의 오거형과 배합 기의 교반기 스크루에 원형칼날을 부착하여 길게 투입된 조사료(주로 볏짚)를 배합과정 중에 잘게 세절이 될 수 있으며, 고정으로 설치될 수 있도록 정치형(stationary)으로 모델에 적용하였다.
- 또한 TMR 사료의 산물밀도는 0.24～0.32 kg/m3 정도로 매우 낮은데 본 연구에서는 일반적인 적용수치인 0.27 kg/m3을 적용하였다(Spain et al, 1993). TMR 사료의 건물량(DM-%) 은 60%를 적용하였다(Beede, 1990).
- , Pittsburgh, USA)을 이용하였다. 또한, 제작된 기계 및 시스템을 설치하여 각 공정별 작업 및 전체 공정에 대한 가동시험과 특성을 분석하였다.
- 모델의 소요기계 용량 및 크기 결정은 볏짚 등 조사료의 배합비가 약 15% 정도가 되며, 250∼300 kg 원형볏짚베일을 한 번에 세절하여 투입이 가능한 배합기의 용량과 크기를 결정한 후 배합기를 기준으로 기타 소요기계의 용량과 크기를 선정하였다.
- 배합기 → 제품저장빈 → 톤백 포장 또는 벌크반출을 연결하여 주는 반송기의 용량은 1일 TMR 생산량을 최대로 늘리고 전체 배합주기를 줄이기 위하여 2톤 용량의 배합기에서 배합이 완료된 배합사료를 10분 내에 배출하도록 하였다.
- 맥류 사일리지 등의 조사료는 세절기로 미리 세절하여 놓은 다음 배합기에 투입할 때 벌크 상태로 스키드로더를 이용할 수 있도록 하였다. 벌크 또는 톤백 상태의 부산물사료, 강피류, 곡류 등의 농후사료는 저장고에서 스키드로더를 이용하여 직접 배합기에 투입이 되도록 하며, 광물질, 소금 등과 같이 적은 양이 필요한 사료는 작업자가 간이 저울을 이용하여 정량 투입하도록 하였다. 최종적으로 배합기에서 배합이 완료된 TMR 사료의 반송은 일반적으로 TMR 배합소에서 사용하고 있는 마력당 운반능력이 높은 벨트 컨베이어로 선정하였다.
- 벨트 컨베이어는 운반능력과 재료를 확실히 반송하기 위하여 트로프각이 20°인 트로프형의 아이들러를 이용하고 벨트를 30°까지 경사지게 할 수 있도록 하였으며, 벨트 컨베이어의 전체 길이는 약 10 m 내외가 될 수 있도록 벨트의 속도와 폭을 구한 다음 소요마력수를 계산하여 결정하였다(CEMA, 1966)
- 본 연구에서는 앞서의 문제점을 해결하고자 모델에 소요되는 기계형식 선정, 작업공정 설계, 배치도(layout) 설계, 소요 기계 용량과 크기 결정, 제어시스템 설계의 순서로 모델을 개발하였고, 공정설계 후 이론적으로 분석할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였고 시뮬레이션 모델링은 ARENA V12.0 (Rockwell Automation Inc., Pittsburgh, USA)을 이용하였다. 또한, 제작된 기계 및 시스템을 설치하여 각 공정별 작업 및 전체 공정에 대한 가동시험과 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 원형베일 조사료용 소형 TMR 플랜트를 개발하고자 모델에 소요되는 기계형식 선정, 작업공정 설계, 배치도(layout) 설계, 소요기계 용량과 크기 결정, 제어시스템 설계의 순서로 모델을 개발하였고, 공정설계 후 이론적으로 분석할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 제작된 모델의 적응시험을 실시하여 각 공정별 특성분석과 실 작업소요 시간을 측정하였다.
- 일반적으로 배합기의 배합작업은 10분이면 충분한 것으로 알려지고 있다(Park, 1998). 본 연구에서는 조사료 투입 후에 바로 배합기를 가동하기 때문에 원료 투입 기간 중인 10분과 투입이 완료된 10분 등 모두 20분간 배합작업을 할 수 있도록 하였다.
- 임시저장은 저장빈에 대기하였다가 SEPARATE 모듈을 이용하여 400 kg의 5개체로 분리된다. 분리된 각각의 개체는 PROCESS 모듈을 이용하여 포장기에서 포장되며, 1개체의 포장시간은 3분으로 RECORD 모듈을 이용하여 개체를 카운트하였다. 포장된 개체는 PROCESS 모듈을 사용하여 스키드로더로 1분 동안 적재한 후 DISPOSE 모듈로 TMR 사료 생산을 완료하였다.
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4) 반송기 선정
선정되어야 할 반송기는 크게 세절기를 통하여 세절된 볏짚을 배합기에 투입하는 시스템, 맥류 랩사일리지 등의 조사료를 배합기에 투입하는 시스템, 부산물사료, 강피류, 곡류 등의 사료를 배합기에 투입하는 시스템, 배합이 완료된 TMR 사료를 포장시스템에 연결하여 주는 시스템으로 구분하였다.
- 세절된 볏짚을 배합기에 투입하는 시스템은 흙먼지의 제거가 용이하고 배합기 상부에 투입이 용이한 사이클론 장치인 뉴메틱컨베이어를 이용하였다. 맥류 사일리지 등의 조사료는 세절기로 미리 세절하여 놓은 다음 배합기에 투입할 때 벌크 상태로 스키드로더를 이용할 수 있도록 하였다.
- 앞서 제시된 배합기를 기준으로 반송기, 제품저장빈 등의 용량과 크기를 결정하였다. 제품저장빈의 용량은 배합기 용량보다 15～20%가 더 크게 하였다.
- 앞서 제시된 조사료 반입․세절기의 기능과 국내 조사료 여건에 부합하는 트랙터 견인형 조사료 원형베일 세절기를 개발 하여 세절성능이 우수하다고 보고한 바 있으며(Hong et al., 2007), 이를 모델에 적용하였다.
- 완성된 모델은 한우를 사육하는 전라북도 정읍시 정우면의 보리마을에 설치하여 인근의 10농가가 공동으로 이용하여 실제 급여할 수 있도록 계속하여 적응시험을 실시하였다. 사용된 원료는 주로 부산물사료를 이용하였으며 조사료는 원형 베일볏짚과 총체보리 랩사일리지 등을 이용하여 생산작업을 실시하였다.
- 원형베일 조사료를 쉽게 처리할 수 있는 조사료 반입･세절기, 배합기, 포장기, 반송기로 구분하여 국내외에 보급된 여러 기종들을 조사하고, 장단점을 분석하여 적합한 기계를 선정하였다.
- 본 연구에서는 원형베일 조사료용 소형 TMR 플랜트를 개발하고자 모델에 소요되는 기계형식 선정, 작업공정 설계, 배치도(layout) 설계, 소요기계 용량과 크기 결정, 제어시스템 설계의 순서로 모델을 개발하였고, 공정설계 후 이론적으로 분석할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 제작된 모델의 적응시험을 실시하여 각 공정별 특성분석과 실 작업소요 시간을 측정하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 처음 원료의 반입과정은 2개의 CREATE 모듈을 사용하여 세절기를 통한 조사료 반입과 농후사료 등의 벌크원료 반입으로 나누었으며, 조사료 반입은 300 kg을 1개체로 보고 25분의 시간간격으로, 벌크원료 반입은 1700 kg을 1개체로 보고 25분의 시간간격으로 반입이 된다. 반입되는 원료는 PROCESS 모듈을 이용하여 세절기에서 10분 동안 세절되어 배합기로 투입되고, 벌크원료는 스키드로더를 이용하여 5분 동안 배합기에 투입된다.
- 분리된 각각의 개체는 PROCESS 모듈을 이용하여 포장기에서 포장되며, 1개체의 포장시간은 3분으로 RECORD 모듈을 이용하여 개체를 카운트하였다. 포장된 개체는 PROCESS 모듈을 사용하여 스키드로더로 1분 동안 적재한 후 DISPOSE 모듈로 TMR 사료 생산을 완료하였다.
대상 데이터
- 모델에서 사용이 되는 주원료는 사일리지 등 습조사료, 볏짚 등 건초, 맥주박 등 부산물 사료, 소맥피 등 강피류, 대두박, 면실박 등 박류, 옥수수 등 곡류사료, 소금, 비타민 등 첨가제 사료 등으로 구분이 된다.
- 본 연구는 2단계로 나누어 보고되는데 1단계는 연구의 모델 개발 및 개발된 모델의 파일롯트 플랜트의 시설이며 2단계는 파일롯트 플랜트의 적응시험 및 최적작업 시스템의 선정이다.
- 완성된 모델은 한우를 사육하는 전라북도 정읍시 정우면의 보리마을에 설치하여 인근의 10농가가 공동으로 이용하여 실제 급여할 수 있도록 계속하여 적응시험을 실시하였다. 사용된 원료는 주로 부산물사료를 이용하였으며 조사료는 원형 베일볏짚과 총체보리 랩사일리지 등을 이용하여 생산작업을 실시하였다. 개발된 모델은 TMR 생산작업을 통하여 각 공정별 특성분석과 실작업소요시간을 조사하였다.
성능/효과
- (3) 시뮬레이션 결과를 살펴보면 가동률은 배합기가 75.5%로 양호하였으며, 대기시간은 저장빈에서 1개체 당 3.9분으로 높게 나타나 작업의 효율성을 제약하였으며, 생산용량은 4,070 kg/h로 나타났다.
- (4) 모델의 적응시험 결과 1회의 작업에 소요되는 작업시간이 약 37분이었으나, 연속적인 작업을 수행 할 경우 작업사이클은 25분으로 나타났으며, 2 배치(batch)에는 62분이 소요되고 4 배치(batch)에는 112분으로 나타났는데 한우 1,000 두의 급여를 위한 사료 생산에 소요되는 시간은 4시간 미만으로 나타났다
- 포장작업은 배합작업의 후반부 약 10분의 시간과 배출작업 기간의 10분의 시간으로 전체 20분의 시간에 이루어질 수 있다. TMR 배합소에서 예비 실험한 결과 1개의 톤백 포장작업에 약 3분 정도 소요가 되는 것으로 나타났다. 따라서 총 15분 정도면 포장작업은 충분한 것으로 나타났다
- TMR 사료를 직접 계량하여 무게를 측정하여 본 결과 실제로 톤백에 투입되는 무게는 약 400kg인 것으로 나타났다. TMR 사료가 습량기준 함수율이 약 40% 내외인 습사료이므로 안식각이 적어 계량용 호퍼빈에서 브리지(bridge)현상이 종종 발생하였다.
- 6분으로 나타났다. 각 공정별 대기시간은 저장빈에서 1개체 당 3.9분으로 가장 높게 나타났으며, 포장기 앞에서 대기하는 시간이 길어져 작업의 효율성을 제약하는 요인으로 나타났다. 이는 시뮬레이션 모델에서 저장빈에 임시 저장된 개체를 트럭이나 이동식 배합조 등을 이용하여 벌크로 반출하는 시스템을 공정에 추가시킬 경우 작업의 효율성은 높아 질 것으로 판단되었다.
- 각각 단위기계의 가동률은 배합기가 75.5%로 처리용량은 양호한 것으로 나타났으며, 스키드로더, 세절기, 저장빈, 포장기의 가동률은 38∼50%로 낮은 수준을 보이고 있어 설비의 처리용량은 부족 하지 않은 것으로 나타났다.
- 실제로 적응시험시에 원형베일 내부의 이물질에 의해 세절기의 세절날이 손상되었다. 따라서 세절기 설치시는 이러한 쇳조각 또는 돌 등의 큰 이물질을 분리할 수 있도록 원형베일을 풀면서 선별할 수 있는 시스템이 필요할 것으로 판단되었다. 또한 모델 플랜트에 적용된 세 절기는 트랙터 견인형이기 때문에 트랙터의 탈․부착시 작업자의 불편이 따른다.
- TMR 배합소에서 예비 실험한 결과 1개의 톤백 포장작업에 약 3분 정도 소요가 되는 것으로 나타났다. 따라서 총 15분 정도면 포장작업은 충분한 것으로 나타났다
- 그림 6에서는 작업사이클을 나타내었다. 모델 플랜트에서는 단 1회의 작업에 소요되는 작업시간이 약 37분이었으나, 연속적인 작업을 수행 할 경우 작업 사이클은 25분으로 관행의 TMR 조제시보다 소요작업시간이 짧은 것으로 나타났다. 또한 연속적인 작업시 2 배치(batch)에는 62분이 소요되고 4 배치(batch)에는 112분으로 나타났다.
- 이는 시뮬레이션 모델에서 저장빈에 임시 저장된 개체를 트럭이나 이동식 배합조 등을 이용하여 벌크로 반출하는 시스템을 공정에 추가시킬 경우 작업의 효율성은 높아 질 것으로 판단되었다. 발생된 개체수는 400 kg의 타이콘백이 40.7개 발생되어 생산용량은 4,070 kg/h로 나타났다.
- 그러나 볏짚을 세절하여 배합기에 투입시에는 습사료를 동시에 투입하여 배합기를 가동하는 것으로 해결되었다. 배합시에도 배합기의 스크류에 장착되어 있는 세절날의 마모와 손상으로 TMR 사료 급여시에 가축에게 치명적이므로 미 분리된 TMR 사료 안의 쇳조각을 분리하기 위하여 TMR 배합기의 배출구와 벨트컨베이어에 마그네틱분리기를 설치하여 최대한 분리할 수 있도록 하여야 할 것으로 판단되었다.
- 이상의 결과에서 시뮬레이션 모델은 많은 가정과 제약의 전제하에서 이루어진 분석으로 최적해라고 하기 보다는 실제 모델과 비교해 볼 때 많은 유사성을 갖고 있어 유용성을 가지는 모델로 판단되었다.
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