基于Em-plant的包裝制造生產(chǎn)系統(tǒng)仿真研究

李明輝，石宇強(qiáng)，王俊佳，蔡炳萬(wàn)

（西南科技大學(xué)，綿陽(yáng) 621010）

基于Em-plant的包裝制造生產(chǎn)系統(tǒng)仿真研究

李明輝，石宇強(qiáng)，王俊佳，蔡炳萬(wàn)

（西南科技大學(xué)，綿陽(yáng) 621010）

0 引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)全球化與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)也逐漸呈現(xiàn)出柔性化、自動(dòng)化、集成化、智能化以及市場(chǎng)導(dǎo)向化的發(fā)展趨勢(shì)。在制造系統(tǒng)，尤其是大型復(fù)雜的離散制造系統(tǒng)中，其規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理正面臨著越來(lái)越多的問(wèn)題，如由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性難以評(píng)估設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)適應(yīng)性差和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中生產(chǎn)調(diào)度困難等。

包裝屬于離散型制造業(yè)，我國(guó)包裝制造業(yè)的訂單特性為多品種、小批量，產(chǎn)品工藝復(fù)雜，生產(chǎn)線自動(dòng)化程度亟待提高，目前在生產(chǎn)管理的過(guò)程中，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)和運(yùn)籌學(xué)的方法對(duì)其生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種具體問(wèn)題進(jìn)行抽象、建模和分析時(shí)都難以準(zhǔn)確的描述、分析和判斷。

作為一種系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)分析的方法，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠把生產(chǎn)資源、產(chǎn)品工藝路線、庫(kù)存和管理等信息動(dòng)態(tài)地結(jié)合起來(lái)，以系統(tǒng)活動(dòng)過(guò)程的“生動(dòng)再現(xiàn)”代替以往數(shù)學(xué)方法的抽象描述，表達(dá)形式易于理解，并能全面反映生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的過(guò)程和特征，為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、方案驗(yàn)證和運(yùn)行過(guò)程中的管理提供了一種比較理想的分析手段和工具。

基于包裝行業(yè)的需求，以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的理論基礎(chǔ)，本文對(duì)包裝制造車(chē)間整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，全面的診斷系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)仿真模型的優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化原系統(tǒng)的目的，實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)系統(tǒng)全面優(yōu)化。達(dá)到包裝生產(chǎn)系統(tǒng)的合理化，降低包裝車(chē)間的生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的，最終增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 運(yùn)用Petri網(wǎng)建模法建立單件產(chǎn)品在一個(gè)機(jī)床上的加工模型

經(jīng)典的Petri網(wǎng)是簡(jiǎn)單的過(guò)程模型，由兩種節(jié)點(diǎn)（庫(kù)所和變遷），有向弧，以及令牌等元素組成的。用圓圈表示庫(kù)所，方框和豎線表示變遷，用從x到y(tǒng)的有向弧表示序偶（x,y）。K(s)值表示庫(kù)所中允許中允許存放令牌的最大數(shù)量，權(quán)W（x,y）的值表示的是變遷發(fā)生時(shí)消耗的和產(chǎn)出的令牌數(shù)量，不標(biāo)明時(shí)表示權(quán)值為1；庫(kù)所（圓圈）中的黑點(diǎn)表示令牌，其中令牌表示的是原料、部件、產(chǎn)品、人員、工具、設(shè)備、數(shù)據(jù)和信息等組成系統(tǒng)的資源。

建立本部分模型的目標(biāo)在于，了解一個(gè)產(chǎn)品到達(dá)機(jī)床后的加工工藝，找出更有效的操作方式和在制品堆放的最佳數(shù)量和較佳的人機(jī)配置。

該模型的基本情況為，一名技術(shù)工、一名搬運(yùn)工、一批產(chǎn)品、一臺(tái)機(jī)床、上下料工具、測(cè)量精度工具、保護(hù)套、暫存區(qū)。主要流程為：

1）搬運(yùn)工將一批毛坯料搬運(yùn)至?xí)捍鎱^(qū)，產(chǎn)品等待加工；

2）工人運(yùn)用上下料工具進(jìn)行上料；

3）上料完成后機(jī)床開(kāi)始加工產(chǎn)品；

4）加工完成后，工人檢查產(chǎn)品的精度是否符合要求；

5）如果符合要求則工人下料，不符合則用機(jī)床進(jìn)行修料處理后再循環(huán)4的過(guò)程；

6）下料完成后為半成品加保護(hù)套并將其放置在暫存區(qū)，當(dāng)暫存區(qū)的半成品數(shù)量一定時(shí)，由搬運(yùn)工將辦成品運(yùn)至下一工序。然后再?gòu)?循環(huán)。

其Petri網(wǎng)模型圖如圖1所示。其中在加工完成后放置在暫存區(qū)處的半成品數(shù)量未標(biāo)出，將在后面的仿真中給出更優(yōu)數(shù)量。

由此對(duì)包裝制造生產(chǎn)系統(tǒng)中以一個(gè)產(chǎn)品流入系統(tǒng)、該產(chǎn)品在進(jìn)入班組時(shí)選擇加工機(jī)床、單件產(chǎn)品在機(jī)床上的加工情況以及機(jī)群中的單獨(dú)人機(jī)配置進(jìn)行了建模。

因包裝產(chǎn)品型號(hào)多樣，且可根據(jù)客戶的需求變化而變化，屬于混流裝配線問(wèn)題。加工工藝數(shù)多，并且可以分別用不同型號(hào)的機(jī)床加工同一工藝，但是一個(gè)工件不能夠同時(shí)在幾臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行加工，且每臺(tái)機(jī)床在加工一件產(chǎn)品時(shí)只能加工該件產(chǎn)品，不能加工其他產(chǎn)品，屬于流水車(chē)間調(diào)度問(wèn)題。通過(guò)以上分析可知，該系統(tǒng)模型是混流裝配線與流水車(chē)間調(diào)度問(wèn)題的混合模型。

2 運(yùn)用Em-plant對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析

在文選用包裝制造領(lǐng)域中2500自動(dòng)瓦楞紙板生產(chǎn)線為仿真對(duì)象，運(yùn)用Em-plant將Petri網(wǎng)建模理論模型轉(zhuǎn)化為仿真模型，建立仿真系統(tǒng)，其模型層命名為shijimoxing。

本次仿真將對(duì)來(lái)自于C包裝公司生產(chǎn)實(shí)際中產(chǎn)品到達(dá)后管理人員對(duì)機(jī)床的的分配問(wèn)題、機(jī)床本身的可利用率、一件產(chǎn)品在到達(dá)后人機(jī)加工的實(shí)動(dòng)工時(shí)（即Processing），校模實(shí)動(dòng)（在仿真中表述為Setup time準(zhǔn)備時(shí)間）等進(jìn)行綜合考慮，用Em-plant仿真軟件中的Data Fit工具對(duì)產(chǎn)品的來(lái)料、校模時(shí)間、人機(jī)作業(yè)時(shí)間分布函數(shù)進(jìn)行擬合。

首先，在需要在模型中建立全局變量，全局變量情況如表1所示。

圖1 單件產(chǎn)品在機(jī)床加工系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型

表1 模型中全局變量的含義

生成基本對(duì)象（CreateInitObject）的主要是根據(jù)擬合出的分布函數(shù)，生成2500MM機(jī)群的校模時(shí)間（SetupTime）、機(jī)床加工時(shí)間（ProcTime）、機(jī)床可利用率（Availability)、暫存區(qū)（zancunqu）初始化數(shù)據(jù)、BOM表以及生產(chǎn)計(jì)劃表等，并將其BOM表中的值賦給對(duì)應(yīng)的時(shí)間表中，局部編程如圖2所示。

圖2 生成基本對(duì)象CreateInitObject的部分Method編程

生成數(shù)據(jù)表（CreatedataTable）用于生成800-高速立加機(jī)群的校模時(shí)間（SetupTime）、機(jī)床加工時(shí)間（ProcTime）、機(jī)床可利用率（Availability)、暫存區(qū)（zancunqu）初始化數(shù)據(jù)、BOM表以及生產(chǎn)計(jì)劃表等的數(shù)據(jù)表，局部編程如圖3所示。

圖3 生成數(shù)據(jù)表CreatedataTable的部分Method編程

在生成基本對(duì)象的Method中運(yùn)行，其運(yùn)行后Emplant的界面如圖4所示。

圖4 運(yùn)行生成基本對(duì)象后的Em-plant界面

圖中的生產(chǎn)計(jì)劃、BOM表、暫存區(qū)數(shù)據(jù)為T(mén)able數(shù)據(jù)表的表單，校模時(shí)間、加工時(shí)間、機(jī)床可利用率為Frame數(shù)據(jù)子層，里面包含2500MM機(jī)群的所有機(jī)床對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

打開(kāi)生產(chǎn)計(jì)劃表可以看見(jiàn)其表中內(nèi)容如圖5所示。

該生產(chǎn)計(jì)劃表為在一定產(chǎn)品數(shù)及一定產(chǎn)品規(guī)格內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)訂單。

圖5 生產(chǎn)計(jì)劃表

圖6 BOM表及其表中表

BOM表為一張具有嵌入式表格的表中表，如圖6所示。

表中表里面包含的內(nèi)容有產(chǎn)品以及數(shù)量等。主表（圖6）第1列Product記錄的是產(chǎn)品的種類(lèi)以及型號(hào)，第2列Bill of Material記錄的是的是內(nèi)表的索引。雙擊Bill of Material索引打開(kāi)表中表。表中表的第1列表示名稱(chēng)；第3列為產(chǎn)品的總數(shù)量；第4列表示該產(chǎn)品在2500MM加工時(shí)首件的校模時(shí)間；第5列為該產(chǎn)品在2500MM班組加工時(shí)首件的校模時(shí)間；第6列表示的是該產(chǎn)品在2500MM上加工的實(shí)動(dòng)工時(shí)；第7列表示的是該產(chǎn)品在2500MM加工的實(shí)動(dòng)工時(shí)；第8、9列表示高速立加及2500MM機(jī)床的可利用率。

圖7 暫存區(qū)數(shù)據(jù)表

圖7為自動(dòng)生成的2500MM各機(jī)床處的暫存區(qū)數(shù)據(jù)表。其中的第1列max表示機(jī)床處暫存區(qū)可堆放的最大產(chǎn)品數(shù)量；第2列min為暫存區(qū)處的最低安全庫(kù)存，當(dāng)?shù)陀谠搸?kù)存時(shí)，就向系統(tǒng)提出配料的配送請(qǐng)求；第3列表示的搬運(yùn)工人運(yùn)用小車(chē)搬運(yùn)物料時(shí)的最大裝載產(chǎn)品數(shù)量；第4列為產(chǎn)品的總數(shù)量；第5列等于第4列除以第3列表示的是搬運(yùn)工人搬運(yùn)該訂單的物料需要的次數(shù)；第6列為第4列除以第3列的余數(shù)，表示不夠一次的余數(shù)；第8列為產(chǎn)品配送的目的地；第9列表示完成仿真后搬運(yùn)的次數(shù)，其中當(dāng)暫存區(qū)向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求后，第11列的Boolean型變?yōu)門(mén)rue，false表示的是在途配送已經(jīng)到達(dá)即搬運(yùn)工人處于空閑狀態(tài)，可以提出新的配送請(qǐng)求。

通過(guò)仿真可知，2500MM自動(dòng)瓦楞紙板生產(chǎn)系統(tǒng)存在人機(jī)配置不合理、暫存區(qū)物料堆積量不合理以及人的利用率低等問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)包裝車(chē)間生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全面地、系統(tǒng)地分析研究，對(duì)真實(shí)的生產(chǎn)系統(tǒng)建模，并轉(zhuǎn)換成仿真模型，應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，分析出真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，為企業(yè)在現(xiàn)有產(chǎn)品約束條件下的最佳車(chē)間布置、最優(yōu)生產(chǎn)調(diào)度、最佳人機(jī)配置的生產(chǎn)系統(tǒng)改善提供幫助，為管理決策提供依據(jù)。

[1]王國(guó)新,寧汝新,王愛(ài)民,李海.仿真優(yōu)化在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2008.20(1).1-6.

[2]黃銀娣,卞榮花,張俊.國(guó)內(nèi)外物流系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用研究[J].工業(yè)工程與管理.2010.15(3):124-127.

[3]石曉輝.基于Flexsim的生產(chǎn)流程建模與仿真研究[D].安徽:安徽理工大學(xué),2009.

[4]高彩芝.基于Flexsim的生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[C].2010.

[5]劉莉,薛凡.包裝標(biāo)準(zhǔn)化影響因素實(shí)證分析:以長(zhǎng)株潭地區(qū)包裝企業(yè)為例[J].包裝報(bào),2012,4(4):50-54.

[6]肖田元,范文慧.離散事件系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7]周金平,生產(chǎn)系統(tǒng)仿真—Plant Simulation應(yīng)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.11.

[8]曾朝輝.珠三角中小型包裝印刷企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r研究[J].包裝世界,2009(2):14-16.

[9]程俊杰.基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真[D].重慶工商大學(xué).2009.05.

[10]劉莉,薛凡.包裝標(biāo)準(zhǔn)化影響因素實(shí)證分析:以長(zhǎng)株潭地區(qū)包裝企業(yè)為例[J].包裝學(xué)報(bào),2012,4(4):50-54.

[11]施於人,鄧易元,蔣維.eM-Plant仿真技術(shù)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2009.5.

[12]Mahdokht Kalantari, Masoud Rabbani*, Mahmood Ebadian.A decision support system for order acceptance/rejection in hybridMTS/MTO production systems[J].Applied Mathematical Modelling 35 (2011):1363-1377.

[13]J.R. Villamizar, F.C. Coelli, W.C.A. Pereira,R.M.V.R. Almeida[J].Discrete-eventcomputer simulation methods in the optimisation of a physiotherapy clinic.Physiotherapy97(2011):71-77.

[14]R. Shuff, D. Locke, D.Roulet[J].ITER Hot Cell process operability analysis using discrete event simulation tools[J].Fusion Engineering and Design 86(2011):1950-1953.

Production system simulation research based on the Em-packaging manufacturing plant

LI Ming-hui, SHI Yu-qiang, WANG Jun-jia, CAI Bing-wan

以包裝制造生產(chǎn)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，建立真實(shí)包裝生產(chǎn)系統(tǒng)的Petri模型，結(jié)合真實(shí)包裝生產(chǎn)系統(tǒng)的布局和生產(chǎn)參數(shù)，將Petri模型映射為Em-plant仿真模型，將經(jīng)典IE、數(shù)學(xué)建模、仿真試驗(yàn)等方法相結(jié)合，進(jìn)而為優(yōu)化包裝制造生產(chǎn)系統(tǒng)提供依據(jù)。

仿真；包裝；生產(chǎn)系統(tǒng)

李明輝（1989 -），男，吉林人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫嫔a(chǎn)和企業(yè)信息化。

TH166

A

1009-0134(2015)12(上)-0024-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.07

2015-08-07

2015年西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（15ycx135）