印刷包装生产线的建模范文

本站小编为你精心准备了印刷包装生产线的建模参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

1工艺流程

不同的印刷包装产品工艺流程不同，下面介绍一种常见且具有代表性的工艺盒加工流程，如图1所示。纸张的准备→根据客户的要求进行切纸→选择色料进行排版印刷→覆膜保护及增加光泽→根据要求进行UV上光→裱纸增加纸张厚度来保证产品质量→模切→粘合组装。粘合组装可以根据待加工纸张的数量来选择何种方式进行作业，如果数量多和交货期短，便可选择加工速度快的糊盒机进行加工。

2印刷包装生产线模型

2.1模型的定义及边界的确定(1)根据印刷包装生产制造过程的特点以及在制品缓冲区的现状，在保证逻辑结构的基础上，建立了印刷包装生产线的印刷包装的总工序，如图2所示。待切纸张储存在缓冲区B中，而后进入切纸区E1，切好的纸张经过缓冲区B1进入印刷区E2。为了实时监测纸张的印刷效果，需要阶段性抽查纸张的质量，以观察印刷的色调，及时动态地调整相应的色彩。本工序以一个分流模块F来设定抽查纸张的概率，B3为未被抽查到的纸张缓冲储存区，B2为抽查到的纸张缓冲储存区，经C1判定模块判断纸张的质量；合格的纸张送至缓冲区B3进入下一步工艺，不合格的则进入缓冲区B9回收处理。印刷合格的纸张进行覆膜工艺E3，经判定模块C2将覆膜合格的纸张送入缓冲区B4进行下一步生产工艺，不合格的送入缓冲区B9。(2)由图2可知，生产线工序的加工设备E={E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7}；缓冲区B={B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9}。粘合组装存在人工组装和机器糊合两种加工工艺，不同的加工工艺生产周期不同，效率也有所区别。影响生产单元系统结构和在制品缓冲区动态变化过程的因素较多，建模时提出以下假设：生产设备完全可靠、无故障；缓冲区B有充足的货源，除了印刷E2和覆膜E3加工设备有检测纸张质量外，其他设备生产的产品均认为合格；忽略印刷机的校板时间；各在制品缓冲区的容量有限。

2.2基于TPN的建模Petri网由CarlA.Petri博士提出，它是一种可视化图形，描述离散事件系统的静态结构和动态特性。本文采用TimedPetriNet(TPN)的建模方法，通过包含时间参数的库所和变迁，描述事件驱动离散系统(DES)，有效地对具有并发、同步和冲突等动态过程进行模拟和分析[6]。TimedPetriNet定义为如下六元组[7-8]：TPN={P,T,I,O,M,D}其中：库所(Place)的有限集合采用P={P1,P2,•••,Pn}表示，n>0为库所数量；变迁(Transition)有限集合采用T={t1,t2,•••,tm}表示，变迁数量为m>0；P∩T=Ф；输入函数为I:PXT→N，定义了从库所P到变迁T的有向弧的重复数或权的集合，N={0,1,•••}为非负整数集；输出函数为O:TXP→N，定义了从变迁T到库所P的有向弧的重复数或权的集合；PN的标识为M:P→N，它是一个列向量，Mi表示第i个库所中的令牌(Token)数目。每个令牌赋有其隐含特征属性和库所的时间信息，为一维行向量TK={d1,•••,dn}(1Xn)，n>0为库所的数量，di表示第i个库所的延时。D:T→R+(正实数域)，表示库所的延时集合，它为一个kXn的矩阵，其中k>0为令牌的数量，n>0为库所的数量。印刷包装生产线是由多个加工单元组合而成，因此，根据模型图2分析生产单元的布局特点，首先对在制品缓冲区进行分类，并建立相应的Petri网模块，包括：①在制品从一台设备经在制品缓冲区流向下一台设备(如P1→P2→P3)；②在制品从一台设备经具有分类作用的缓冲区分别流向多个缓冲区(如P7→P8→P9/P19)。其次将各加工设备和缓冲区之间的关系描述成Petri网中的库所、变迁及其相应的活动，定义各模块之间连接所需的变迁或库所，建立印刷包装生产线总TPN模型，如图3所示，模型说明如表1所示。通过TPN模型，描述了印刷包装生产过程的离散的制造过程，为下一步图形化的仿真模型的建立奠定基础。在TPN的有向图中，库所采用圆圈表示，变迁采用矩形表示，令牌采用圆点●表示，带有令牌的库所表示在制品存在设备或缓冲区中。部分库所因有容量的限制而形成抑制弧，用k表示，k(Pi)=mi。文中采用的变迁ti表示经一定时间后发生的事件或操作，将时间与变迁关联(赋时变迁)，一旦变迁使能，则立即从该变迁的输入库所中移去一定数量的令牌(完成在制品的运送)，但变迁要延迟一段时间(满足加工时间或缓冲时间的要求)后再触发，并在输出库所中放入一定数量的令牌。然而，并不是每个变迁都是赋时，有些变迁的延时相对非常小，可以忽略不计；有些变迁(如Ti)表示控制逻辑，本身无延时[9]。

3印刷包装生产线的仿真

对于复杂系统，系统的解析式难于描述和求解困难等问题，而仿真是一种有效解决复杂系统的研究方法。虽然TPN模型可以描述一个离散事件系统的动态行为特征，但是，印刷包装制造过程的运行、调度和控制是现场工程技术人员的工作，这样的TPN模型对于工程技术人员来说比较抽象，研究人员需要为工程技术人员提供一个易于理解和操作的工具。因此，运用仿真平台eM-Plant将Petri网模型中的库所和变迁进行映射，使其与仿真模型中的实体相对应，并设置实体的相关参数，即可形成直观的生产系统的仿真模型，从而实现从Petri网模型到eM-Plant模型的转化。

3.1eM-Plant在生产制造领域应用较广的仿真软件eM-Plant，由以色列Tecnomatix公司开发，主要用于生产系统与生产过程的建模与仿真的软件系统。用户可在eM-Plant环境下分析和优化生产系统的各种性能指标如生产率、在制品水平、设备利用率和工人负荷平衡等。

3.2仿真模型的框架在印刷包装过程的TPN模型的逻辑结构基础上，运用eM-Plant仿真软件将图3所建立的TPN模型进行映射，具体过程如下。(1)设置对象及模型映射eM-Plant将系统的基本对象划分为四大类：物流对象、信息流对象、服务对象以及移动对象(MU)，并按照生产工序进行连接。基于表1的定义，仿真模型的参数映射说明如下：库所P0映射模型中的待切纸缓冲区B；P1，P3，P7，P10，P12，P14和P16分别映射为加工设备E1，E2，E3，E4，E5，E6和E7，P18，P20映射仓库Drain1和回收站Drain2；模型中的普通缓冲区B1，B5，B6，B7和B8是由库所P2，P11，P13，P15和P17映射而来，分类缓冲区B3，B2，B4，B9则由P4，P5，P9，P19映射所得；库所P6，P8分别映射为判定模块C1和C2。(2)定义对象及变迁触发在仿真模型中，Source对象更名为Entry，表示纸张原料的投入(加工单元入口)，并在MU属性里选择MUs中的纸张paper对象，用来描述系统中的物流；SingleProc对象表示各加工工艺或判定模块，即触发变迁t1，t3，t5，t7，t9，t11，t13，t4，t6进行工作；缓冲Buffer对象表示纸张由一个工艺转移到下一个工艺的过程；如果Ei的纸张paper移动到Bi上，表明纸张paper在该工艺加工完成或判定结束准备进入缓冲区，即触发变迁t2，t8，t10，t12，t14；分流对象FlowControl将纸张paper送入相应的加工单元中；对象Drain表示工件加工结束(加工单元出口)，储存或回收不合格产品，即触发变迁t15，t16；对象Chart用来显示加工设备的工作情况；TimeSequence实时记录产品；对象Gauge监控缓冲区B中纸张的数量；两个变量Variable(Counter1和Counter2)计算经过印刷和覆膜加工设备的数量MU来设置检测工作模式，使产品分类处理；对象Method为SimTalk程序控件，在事件发生时触发该程序，从而实现对该事件发生的控制。由此建立的生产线的仿真模型如图4所示。

3.3离散事件及其控制通过对印刷包装生产线的系统进行仿真，可以建立应用对象模型，对系统各离散事件的组织行为和交互作用进行分析。eM-Plant的每个对象都包括属性和事件，属性是对象的特性，而事件则是指对象的状态发生变化。在本次建立的仿真模型中，通过时间和事件触发两种方式来调用对象SimTalk语句，从而控制仿真模型的运行和状态的变化。仿真具有对仿真模型的事件控制和算法控制。印刷包装生产系统中的事件控制是通过对对象EventControl的操作来实现，并在模型中加入两个对象Reset和INIT进行模型的重置和初始化。算法控制通过控件Method来实现。系统的主要离散事件在于印刷和覆膜工序中对加工后的产品进行验证，即要求在模型中对印刷和覆膜两个加工设备工作概况给予调整，其Method控制流程图如图5所示。图5印刷和覆膜程序控制流程图印刷后的产品，采用分流对象FlowControl设置抽查纸张paper的比例。编写程序前，在纸张paper的属性CustomAttributes中设置一个名为quality的属性，令其Value值为Good，数据类型Datatype为字符串string。根据2.1节中的工序，采用SimTalk语言，撰写程序并封装在Method对象Work1(2)和Move1(2)中，使其分别在B2(E3)和C1(C2)的控制属性Exit被调用。对象Work1(2)的作用是判断印刷和覆膜后纸张paper的质量，然后通过对Move1(2)中程序的调用，使不同质量的纸张paper选择正确的路径，贯彻下一步加工工艺。在每个加工设备的作业中，需要准确描述活动的执行时间，如纸张paper的加工时间以及缓冲(搬运)时间，另外，还要设置缓冲的容量限制，即k(Pi)，所有这些参数都可通过对SingleProc对象的属性进行修改。为了便于对仿真数据分析，在TimeSequence的Record处设置Value值为Drain1.numIN，系统记录了合格工件加工完成的时间和数量。

4仿真结果的分析及生产过程的优化

4.1仿真数据和瓶颈分析以某印刷包装企业的月饼礼盒包装的生产流程为仿真对象，生产过程如下。该产品的客户生产要求为：275克镭射银卡纸→四色印刷→覆膜(光膜)→UV工艺→裱纸(300克白板底纸)→模切成型→粘合组装→质检入库。由于订单数量为20000个，统计生产线各机器的历史作业时间和分析生产成本，粘合组装工艺采取人工组装的方式。通过调研车间各设备的加工速度和作业时间，在仿真模型中输入加工参数：切纸机E1：0.5秒/张；印刷机E2：0.5秒/张；覆膜机E3：2秒/张；UV丝印机E4：2秒/张；裱纸机E5：8秒/张；模切机E6：5秒/张；粘合组装E7：10秒/张；输纸Entry：共计20000张；缓冲装置容量与缓冲时间如表2所示。(1)图表数据。eM-Plant的分析工具—统计分析、图、表，可以分析缓存区和设备的利用率。因此，通过创建统计数据和图表，对生产线工作负荷和设备生产效率等生产性能参数进行动态分析，并比较生产线现行的状况与理想状况的差距，找出瓶颈资源进行优化[11-12]。根据模型的仿真，得出1~7小时的仿真数据统计，如表3所示。(2)瓶颈分析。根据约束理论和仿真数据来分析生产瓶颈。约束理论(TheoryofConstraints，TOC)指出，系统的生产效率是由系统中一个或者几个约束环节(瓶颈)所决定。而生产系统中常见的瓶颈资源通常为某工作中心或某台生产设备，其使用率最高、生产负荷超过生产能力。因此，通过对生产设备不同时刻的仿真数据，可得出该生产系统的使用率较高且持续上升的加工设备，由表3数据可知裱纸机和粘合组装工序为瓶颈工序。然而，生产中存在不确定的因素，易造成生产瓶颈的变动。TOC的关键就在于不断突破系统约束，合理调节瓶颈设备以增加系统生产效率，并针对性地对系统瓶颈资源进行改进[13]。文献[14]对瓶颈转移的成因进行了深入分析，提出了相应的预防与应对方案。因此，为了保证在规定加工时间内正确识别瓶颈资源，需对每台生产设备在相应时间段内的工作负荷率进行分析。当系统继续仿真至11小时后，其工作状况如图6所示。由此可知，从1~11小时的仿真，裱纸加工E5和粘合组装E7的任务负荷率最大，根据TOC的基本思想可判断E5和E7为该生产系统的瓶颈设备。

4.2生产过程的优化生产过程的优化是指合适地选择离散变量，使系统的某一性能指标实现近优或最优，最大限度地利用和合理分配资源，为企业降低生产成本和提高生产效率[15]。因此，可将生产线作为一个整体进行优化，通过合理配置各生产设备的节拍以及员工数，最终提高生产效率。此外，缓冲区容量的大小也直接影响生产效率。因此，在系统缓冲区容量总和一定的条件下，优化配置生产线各缓冲区的容量是提高系统性能指标的有效措施之一[16]。对于具有瓶颈设备生产系统，可以采用一定的加工工艺减少瓶颈工序的加工时间[17]。而在印刷包装企业中，为使其能够发挥自身生产能力制定出合理的生产计划，满足客户的需求，文献[18]以约束理论及生产排程为指导思想，进行瓶颈资源的识别，给出了基于约束理论思想的详细解决方案，实现资源共享与优势互补。综上考虑，根据生产系统存在的问题，设置模型中设备的相关参数，进行仿真实验，提出生产线的优化方案如下：(1)减少切纸和印刷加工区的操作人员数量，降低工位的生产周期、增加操作时间。(2)平衡系统中各工位的生产节拍和缓冲区容量的大小，提高设备的利用率，防止出现太多的空闲或加工繁忙的状况。根据上述优化方案要求可以将切纸机E1、印刷机E2的加工速度调整为1秒/张，并增加E3，E4，E5，E6，E75个工位的操作人员的数量来缩短该工位的操作时间，将覆膜机E3，UV丝印机E4、裱纸机E5、模切机E6、粘合组装E7的加工速度分别调整为：1.5秒/张、1秒/张、2秒/张、2秒/张、5秒/张；缓冲区容量与缓冲时间调度如表4所示。通过上述仿真参数的优化，运行仿真时间为7小时，观察系统的生产情况，如图7所示，可以发现，瓶颈设备E5和E7在运行6小时后，设备占有率开始下降。通过TimeSequence对象记录的数据，如表5所示，优化方案生产出的首件产品时间虽然比原方案长，但随后的生产速度为原方案的两倍，达到5秒/张。这说明新方案充分利用了生产资源，为企业的生产管理和优化调度提供了决策支撑。然而，实际生产中要综合考虑诸多因素的影响，比如动态的离散生产系统随着加工时间的延长，控制变量随离散状态而变化，瓶颈设备可能会发生漂移，导致上述给出的优化方案不一定适用。因此，根据不同生产环境的特点，不断调整各加工设备的速率和在制品缓冲容量及时间，并通过多次仿真实验，反复优化，实现近优或最优方案。

5结论

采用TPN方法对印刷包装生产系统进行建模，以仿真工具eM-Plant为平台，针对具体订单对生产线的各项性能指标进行仿真分析，运用TOC理论对瓶颈资源和生产系统进行优化。仿真结果表明，离散制造系统的数字化建模仿真能够对生产线进行产能与设备负荷进行分析，判断生产瓶颈，并优化生产运行的调度方案，为生产管理提供有效的决策支持。本文从印刷包装企业的生产物流建模的角度出发，为提高企业生产效率提供了一条有效、快速的分析方法。当然，生产中会有多产品、多生产线同时生产情形，系统瓶颈的工件数量会发生波动，这些将给投料带来影响，同时在非瓶颈处也会堆积。因此，如何适应印刷包装企业的实时动态的调度，实现高生产率和低成本，这些还有待进一步研究。

作者：潘春荣黎良单位：江西理工大学机电工程学院