印刷包裝生產(chǎn)線的建模范文
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1工藝流程
不同的印刷包裝產(chǎn)品工藝流程不同，下面介紹一種常見且具有代表性的工藝盒加工流程，如圖1所示。紙張的準(zhǔn)備→根據(jù)客戶的要求進(jìn)行切紙→選擇色料進(jìn)行排版印刷→覆膜保護(hù)及增加光澤→根據(jù)要求進(jìn)行UV上光→裱紙?jiān)黾蛹垙埡穸葋肀ＷC產(chǎn)品質(zhì)量→模切→粘合組裝。粘合組裝可以根據(jù)待加工紙張的數(shù)量來選擇何種方式進(jìn)行作業(yè)，如果數(shù)量多和交貨期短，便可選擇加工速度快的糊盒機(jī)進(jìn)行加工。
2印刷包裝生產(chǎn)線模型
2.1模型的定義及邊界的確定(1)根據(jù)印刷包裝生產(chǎn)制造過程的特點(diǎn)以及在制品緩沖區(qū)的現(xiàn)狀，在保證邏輯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了印刷包裝生產(chǎn)線的印刷包裝的總工序，如圖2所示。待切紙張儲(chǔ)存在緩沖區(qū)B中，而后進(jìn)入切紙區(qū)E1，切好的紙張經(jīng)過緩沖區(qū)B1進(jìn)入印刷區(qū)E2。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測紙張的印刷效果，需要階段性抽查紙張的質(zhì)量，以觀察印刷的色調(diào)，及時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整相應(yīng)的色彩。本工序以一個(gè)分流模塊F來設(shè)定抽查紙張的概率，B3為未被抽查到的紙張緩沖儲(chǔ)存區(qū)，B2為抽查到的紙張緩沖儲(chǔ)存區(qū)，經(jīng)C1判定模塊判斷紙張的質(zhì)量；合格的紙張送至緩沖區(qū)B3進(jìn)入下一步工藝，不合格的則進(jìn)入緩沖區(qū)B9回收處理。印刷合格的紙張進(jìn)行覆膜工藝E3，經(jīng)判定模塊C2將覆膜合格的紙張送入緩沖區(qū)B4進(jìn)行下一步生產(chǎn)工藝，不合格的送入緩沖區(qū)B9。(2)由圖2可知，生產(chǎn)線工序的加工設(shè)備E={E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7}；緩沖區(qū)B={B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9}。粘合組裝存在人工組裝和機(jī)器糊合兩種加工工藝，不同的加工工藝生產(chǎn)周期不同，效率也有所區(qū)別。影響生產(chǎn)單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和在制品緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)變化過程的因素較多，建模時(shí)提出以下假設(shè)：生產(chǎn)設(shè)備完全可靠、無故障；緩沖區(qū)B有充足的貨源，除了印刷E2和覆膜E3加工設(shè)備有檢測紙張質(zhì)量外，其他設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品均認(rèn)為合格；忽略印刷機(jī)的校板時(shí)間；各在制品緩沖區(qū)的容量有限。
2.2基于TPN的建模Petri網(wǎng)由CarlA.Petri博士提出，它是一種可視化圖形，描述離散事件系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。本文采用TimedPetriNet(TPN)的建模方法，通過包含時(shí)間參數(shù)的庫所和變遷，描述事件驅(qū)動(dòng)離散系統(tǒng)(DES)，有效地對具有并發(fā)、同步和沖突等動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬和分析[6]。TimedPetriNet定義為如下六元組[7-8]：TPN={P,T,I,O,M,D}其中：庫所(Place)的有限集合采用P={P1,P2,•••,Pn}表示，n>0為庫所數(shù)量；變遷(Transition)有限集合采用T={t1,t2,•••,tm}表示，變遷數(shù)量為m>0；P∩T=Ф；輸入函數(shù)為I:PXT→N，定義了從庫所P到變遷T的有向弧的重復(fù)數(shù)或權(quán)的集合，N={0,1,•••}為非負(fù)整數(shù)集；輸出函數(shù)為O:TXP→N，定義了從變遷T到庫所P的有向弧的重復(fù)數(shù)或權(quán)的集合；PN的標(biāo)識為M:P→N，它是一個(gè)列向量，Mi表示第i個(gè)庫所中的令牌(Token)數(shù)目。每個(gè)令牌賦有其隱含特征屬性和庫所的時(shí)間信息，為一維行向量TK={d1,•••,dn}(1Xn)，n>0為庫所的數(shù)量，di表示第i個(gè)庫所的延時(shí)。D:T→R+(正實(shí)數(shù)域)，表示庫所的延時(shí)集合，它為一個(gè)kXn的矩陣，其中k>0為令牌的數(shù)量，n>0為庫所的數(shù)量。印刷包裝生產(chǎn)線是由多個(gè)加工單元組合而成，因此，根據(jù)模型圖2分析生產(chǎn)單元的布局特點(diǎn)，首先對在制品緩沖區(qū)進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)的Petri網(wǎng)模塊，包括：①在制品從一臺(tái)設(shè)備經(jīng)在制品緩沖區(qū)流向下一臺(tái)設(shè)備(如P1→P2→P3)；②在制品從一臺(tái)設(shè)備經(jīng)具有分類作用的緩沖區(qū)分別流向多個(gè)緩沖區(qū)(如P7→P8→P9/P19)。其次將各加工設(shè)備和緩沖區(qū)之間的關(guān)系描述成Petri網(wǎng)中的庫所、變遷及其相應(yīng)的活動(dòng)，定義各模塊之間連接所需的變遷或庫所，建立印刷包裝生產(chǎn)線總TPN模型，如圖3所示，模型說明如表1所示。通過TPN模型，描述了印刷包裝生產(chǎn)過程的離散的制造過程，為下一步圖形化的仿真模型的建立奠定基礎(chǔ)。在TPN的有向圖中，庫所采用圓圈表示，變遷采用矩形表示，令牌采用圓點(diǎn)●表示，帶有令牌的庫所表示在制品存在設(shè)備或緩沖區(qū)中。部分庫所因有容量的限制而形成抑制弧，用k表示，k(Pi)=mi。文中采用的變遷ti表示經(jīng)一定時(shí)間后發(fā)生的事件或操作，將時(shí)間與變遷關(guān)聯(lián)(賦時(shí)變遷)，一旦變遷使能，則立即從該變遷的輸入庫所中移去一定數(shù)量的令牌(完成在制品的運(yùn)送)，但變遷要延遲一段時(shí)間(滿足加工時(shí)間或緩沖時(shí)間的要求)后再觸發(fā)，并在輸出庫所中放入一定數(shù)量的令牌。然而，并不是每個(gè)變遷都是賦時(shí)，有些變遷的延時(shí)相對非常小，可以忽略不計(jì)；有些變遷(如Ti)表示控制邏輯，本身無延時(shí)[9]。
3印刷包裝生產(chǎn)線的仿真
對于復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的解析式難于描述和求解困難等問題，而仿真是一種有效解決復(fù)雜系統(tǒng)的研究方法。雖然TPN模型可以描述一個(gè)離散事件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特征，但是，印刷包裝制造過程的運(yùn)行、調(diào)度和控制是現(xiàn)場工程技術(shù)人員的工作，這樣的TPN模型對于工程技術(shù)人員來說比較抽象，研究人員需要為工程技術(shù)人員提供一個(gè)易于理解和操作的工具。因此，運(yùn)用仿真平臺(tái)eM-Plant將Petri網(wǎng)模型中的庫所和變遷進(jìn)行映射，使其與仿真模型中的實(shí)體相對應(yīng)，并設(shè)置實(shí)體的相關(guān)參數(shù)，即可形成直觀的生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)從Petri網(wǎng)模型到eM-Plant模型的轉(zhuǎn)化。
3.1eM-Plant在生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣的仿真軟件eM-Plant，由以色列Tecnomatix公司開發(fā)，主要用于生產(chǎn)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的建模與仿真的軟件系統(tǒng)。用戶可在eM-Plant環(huán)境下分析和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)如生產(chǎn)率、在制品水平、設(shè)備利用率和工人負(fù)荷平衡等。
3.2仿真模型的框架在印刷包裝過程的TPN模型的邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)用eM-Plant仿真軟件將圖3所建立的TPN模型進(jìn)行映射，具體過程如下。(1)設(shè)置對象及模型映射eM-Plant將系統(tǒng)的基本對象劃分為四大類：物流對象、信息流對象、服務(wù)對象以及移動(dòng)對象(MU)，并按照生產(chǎn)工序進(jìn)行連接。基于表1的定義，仿真模型的參數(shù)映射說明如下：庫所P0映射模型中的待切紙緩沖區(qū)B；P1，P3，P7，P10，P12，P14和P16分別映射為加工設(shè)備E1，E2，E3，E4，E5，E6和E7，P18，P20映射倉庫Drain1和回收站Drain2；模型中的普通緩沖區(qū)B1，B5，B6，B7和B8是由庫所P2，P11，P13，P15和P17映射而來，分類緩沖區(qū)B3，B2，B4，B9則由P4，P5，P9，P19映射所得；庫所P6，P8分別映射為判定模塊C1和C2。(2)定義對象及變遷觸發(fā)在仿真模型中，Source對象更名為Entry，表示紙張?jiān)系耐度?加工單元入口)，并在MU屬性里選擇MUs中的紙張paper對象，用來描述系統(tǒng)中的物流；SingleProc對象表示各加工工藝或判定模塊，即觸發(fā)變遷t1，t3，t5，t7，t9，t11，t13，t4，t6進(jìn)行工作；緩沖Buffer對象表示紙張由一個(gè)工藝轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工藝的過程；如果Ei的紙張paper移動(dòng)到Bi上，表明紙張paper在該工藝加工完成或判定結(jié)束準(zhǔn)備進(jìn)入緩沖區(qū)，即觸發(fā)變遷t2，t8，t10，t12，t14；分流對象FlowControl將紙張paper送入相應(yīng)的加工單元中；對象Drain表示工件加工結(jié)束(加工單元出口)，儲(chǔ)存或回收不合格產(chǎn)品，即觸發(fā)變遷t15，t16；對象Chart用來顯示加工設(shè)備的工作情況；TimeSequence實(shí)時(shí)記錄產(chǎn)品；對象Gauge監(jiān)控緩沖區(qū)B中紙張的數(shù)量；兩個(gè)變量Variable(Counter1和Counter2)計(jì)算經(jīng)過印刷和覆膜加工設(shè)備的數(shù)量MU來設(shè)置檢測工作模式，使產(chǎn)品分類處理；對象Method為SimTalk程序控件，在事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)該程序，從而實(shí)現(xiàn)對該事件發(fā)生的控制。由此建立的生產(chǎn)線的仿真模型如圖4所示。
3.3離散事件及其控制通過對印刷包裝生產(chǎn)線的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以建立應(yīng)用對象模型，對系統(tǒng)各離散事件的組織行為和交互作用進(jìn)行分析。eM-Plant的每個(gè)對象都包括屬性和事件，屬性是對象的特性，而事件則是指對象的狀態(tài)發(fā)生變化。在本次建立的仿真模型中，通過時(shí)間和事件觸發(fā)兩種方式來調(diào)用對象SimTalk語句，從而控制仿真模型的運(yùn)行和狀態(tài)的變化。仿真具有對仿真模型的事件控制和算法控制。印刷包裝生產(chǎn)系統(tǒng)中的事件控制是通過對對象EventControl的操作來實(shí)現(xiàn)，并在模型中加入兩個(gè)對象Reset和INIT進(jìn)行模型的重置和初始化。算法控制通過控件Method來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的主要離散事件在于印刷和覆膜工序中對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，即要求在模型中對印刷和覆膜兩個(gè)加工設(shè)備工作概況給予調(diào)整，其Method控制流程圖如圖5所示。圖5印刷和覆膜程序控制流程圖印刷后的產(chǎn)品，采用分流對象FlowControl設(shè)置抽查紙張paper的比例。編寫程序前，在紙張paper的屬性CustomAttributes中設(shè)置一個(gè)名為quality的屬性，令其Value值為Good，數(shù)據(jù)類型Datatype為字符串string。根據(jù)2.1節(jié)中的工序，采用SimTalk語言，撰寫程序并封裝在Method對象Work1(2)和Move1(2)中，使其分別在B2(E3)和C1(C2)的控制屬性Exit被調(diào)用。對象Work1(2)的作用是判斷印刷和覆膜后紙張paper的質(zhì)量，然后通過對Move1(2)中程序的調(diào)用，使不同質(zhì)量的紙張paper選擇正確的路徑，貫徹下一步加工工藝。在每個(gè)加工設(shè)備的作業(yè)中，需要準(zhǔn)確描述活動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間，如紙張paper的加工時(shí)間以及緩沖(搬運(yùn))時(shí)間，另外，還要設(shè)置緩沖的容量限制，即k(Pi)，所有這些參數(shù)都可通過對SingleProc對象的屬性進(jìn)行修改。為了便于對仿真數(shù)據(jù)分析，在TimeSequence的Record處設(shè)置Value值為Drain1.numIN，系統(tǒng)記錄了合格工件加工完成的時(shí)間和數(shù)量。
4仿真結(jié)果的分析及生產(chǎn)過程的優(yōu)化
4.1仿真數(shù)據(jù)和瓶頸分析以某印刷包裝企業(yè)的月餅禮盒包裝的生產(chǎn)流程為仿真對象，生產(chǎn)過程如下。該產(chǎn)品的客戶生產(chǎn)要求為：275克鐳射銀卡紙→四色印刷→覆膜(光膜)→UV工藝→裱紙(300克白板底紙)→模切成型→粘合組裝→質(zhì)檢入庫。由于訂單數(shù)量為20000個(gè)，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線各機(jī)器的歷史作業(yè)時(shí)間和分析生產(chǎn)成本，粘合組裝工藝采取人工組裝的方式。通過調(diào)研車間各設(shè)備的加工速度和作業(yè)時(shí)間，在仿真模型中輸入加工參數(shù)：切紙機(jī)E1：0.5秒/張；印刷機(jī)E2：0.5秒/張；覆膜機(jī)E3：2秒/張；UV絲印機(jī)E4：2秒/張；裱紙機(jī)E5：8秒/張；模切機(jī)E6：5秒/張；粘合組裝E7：10秒/張；輸紙Entry：共計(jì)20000張；緩沖裝置容量與緩沖時(shí)間如表2所示。(1)圖表數(shù)據(jù)。eM-Plant的分析工具—統(tǒng)計(jì)分析、圖、表，可以分析緩存區(qū)和設(shè)備的利用率。因此，通過創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表，對生產(chǎn)線工作負(fù)荷和設(shè)備生產(chǎn)效率等生產(chǎn)性能參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并比較生產(chǎn)線現(xiàn)行的狀況與理想狀況的差距，找出瓶頸資源進(jìn)行優(yōu)化[11-12]。根據(jù)模型的仿真，得出1~7小時(shí)的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表3所示。(2)瓶頸分析。根據(jù)約束理論和仿真數(shù)據(jù)來分析生產(chǎn)瓶頸。約束理論(TheoryofConstraints，TOC)指出，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率是由系統(tǒng)中一個(gè)或者幾個(gè)約束環(huán)節(jié)(瓶頸)所決定。而生產(chǎn)系統(tǒng)中常見的瓶頸資源通常為某工作中心或某臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備，其使用率最高、生產(chǎn)負(fù)荷超過生產(chǎn)能力。因此，通過對生產(chǎn)設(shè)備不同時(shí)刻的仿真數(shù)據(jù)，可得出該生產(chǎn)系統(tǒng)的使用率較高且持續(xù)上升的加工設(shè)備，由表3數(shù)據(jù)可知裱紙機(jī)和粘合組裝工序?yàn)槠款i工序。然而，生產(chǎn)中存在不確定的因素，易造成生產(chǎn)瓶頸的變動(dòng)。TOC的關(guān)鍵就在于不斷突破系統(tǒng)約束，合理調(diào)節(jié)瓶頸設(shè)備以增加系統(tǒng)生產(chǎn)效率，并針對性地對系統(tǒng)瓶頸資源進(jìn)行改進(jìn)[13]。文獻(xiàn)[14]對瓶頸轉(zhuǎn)移的成因進(jìn)行了深入分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防與應(yīng)對方案。因此，為了保證在規(guī)定加工時(shí)間內(nèi)正確識別瓶頸資源，需對每臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的工作負(fù)荷率進(jìn)行分析。當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)仿真至11小時(shí)后，其工作狀況如圖6所示。由此可知，從1~11小時(shí)的仿真，裱紙加工E5和粘合組裝E7的任務(wù)負(fù)荷率最大，根據(jù)TOC的基本思想可判斷E5和E7為該生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸設(shè)備。
4.2生產(chǎn)過程的優(yōu)化生產(chǎn)過程的優(yōu)化是指合適地選擇離散變量，使系統(tǒng)的某一性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)近優(yōu)或最優(yōu)，最大限度地利用和合理分配資源，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率[15]。因此，可將生產(chǎn)線作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，通過合理配置各生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)拍以及員工數(shù)，最終提高生產(chǎn)效率。此外，緩沖區(qū)容量的大小也直接影響生產(chǎn)效率。因此，在系統(tǒng)緩沖區(qū)容量總和一定的條件下，優(yōu)化配置生產(chǎn)線各緩沖區(qū)的容量是提高系統(tǒng)性能指標(biāo)的有效措施之一[16]。對于具有瓶頸設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)，可以采用一定的加工工藝減少瓶頸工序的加工時(shí)間[17]。而在印刷包裝企業(yè)中，為使其能夠發(fā)揮自身生產(chǎn)能力制定出合理的生產(chǎn)計(jì)劃，滿足客戶的需求，文獻(xiàn)[18]以約束理論及生產(chǎn)排程為指導(dǎo)思想，進(jìn)行瓶頸資源的識別，給出了基于約束理論思想的詳細(xì)解決方案，實(shí)現(xiàn)資源共享與優(yōu)勢互補(bǔ)。綜上考慮，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)存在的問題，設(shè)置模型中設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提出生產(chǎn)線的優(yōu)化方案如下：(1)減少切紙和印刷加工區(qū)的操作人員數(shù)量，降低工位的生產(chǎn)周期、增加操作時(shí)間。(2)平衡系統(tǒng)中各工位的生產(chǎn)節(jié)拍和緩沖區(qū)容量的大小，提高設(shè)備的利用率，防止出現(xiàn)太多的空閑或加工繁忙的狀況。根據(jù)上述優(yōu)化方案要求可以將切紙機(jī)E1、印刷機(jī)E2的加工速度調(diào)整為1秒/張，并增加E3，E4，E5，E6，E75個(gè)工位的操作人員的數(shù)量來縮短該工位的操作時(shí)間，將覆膜機(jī)E3，UV絲印機(jī)E4、裱紙機(jī)E5、模切機(jī)E6、粘合組裝E7的加工速度分別調(diào)整為：1.5秒/張、1秒/張、2秒/張、2秒/張、5秒/張；緩沖區(qū)容量與緩沖時(shí)間調(diào)度如表4所示。通過上述仿真參數(shù)的優(yōu)化，運(yùn)行仿真時(shí)間為7小時(shí)，觀察系統(tǒng)的生產(chǎn)情況，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，瓶頸設(shè)備E5和E7在運(yùn)行6小時(shí)后，設(shè)備占有率開始下降。通過TimeSequence對象記錄的數(shù)據(jù)，如表5所示，優(yōu)化方案生產(chǎn)出的首件產(chǎn)品時(shí)間雖然比原方案長，但隨后的生產(chǎn)速度為原方案的兩倍，達(dá)到5秒/張。這說明新方案充分利用了生產(chǎn)資源，為企業(yè)的生產(chǎn)管理和優(yōu)化調(diào)度提供了決策支撐。然而，實(shí)際生產(chǎn)中要綜合考慮諸多因素的影響，比如動(dòng)態(tài)的離散生產(chǎn)系統(tǒng)隨著加工時(shí)間的延長，控制變量隨離散狀態(tài)而變化，瓶頸設(shè)備可能會(huì)發(fā)生漂移，導(dǎo)致上述給出的優(yōu)化方案不一定適用。因此，根據(jù)不同生產(chǎn)環(huán)境的特點(diǎn)，不斷調(diào)整各加工設(shè)備的速率和在制品緩沖容量及時(shí)間，并通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，反復(fù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)近優(yōu)或最優(yōu)方案。
5結(jié)論
采用TPN方法對印刷包裝生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，以仿真工具eM-Plant為平臺(tái)，針對具體訂單對生產(chǎn)線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用TOC理論對瓶頸資源和生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，離散制造系統(tǒng)的數(shù)字化建模仿真能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)能與設(shè)備負(fù)荷進(jìn)行分析，判斷生產(chǎn)瓶頸，并優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行的調(diào)度方案，為生產(chǎn)管理提供有效的決策支持。本文從印刷包裝企業(yè)的生產(chǎn)物流建模的角度出發(fā)，為提高企業(yè)生產(chǎn)效率提供了一條有效、快速的分析方法。當(dāng)然，生產(chǎn)中會(huì)有多產(chǎn)品、多生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)情形，系統(tǒng)瓶頸的工件數(shù)量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這些將給投料帶來影響，同時(shí)在非瓶頸處也會(huì)堆積。因此，如何適應(yīng)印刷包裝企業(yè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和低成本，這些還有待進(jìn)一步研究。
作者：潘春榮黎良單位：江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
