包裝生產線建模仿真與優(yōu)化

(鄭州輕工業(yè)大學機電工程學院 河南 鄭州 450000)

引言

瓶裝包裝產線成產流程復雜，有套標、激光打碼、熱縮、分堆打包等多道工序。然而，每一道工序的加工設備不同，各個工序的理論加工時間與實際加工時間不同，各設備可靠性不同，在大批量生產時容易造阻塞，導致各個工位生產負荷產生不均勻現(xiàn)象，嚴重可導致整條產線癱瘓。備料過少，則會造成因缺料待料而引起的產線停線問題，最終影響企業(yè)的生產效率[1]不能充分利用設備的生產能力，且對市場需求的穩(wěn)定性要求很高[2]。消除生產瓶頸[3]、配置暫存區(qū)[4]、對工藝進行合理的優(yōu)化[5]是提高生產線效率的主要途徑。為了使不同型號設備整合成一條高效全自動化生產線，本文采用西門子plant simulation軟件對產線進行仿真，設計多級多因子實驗分析影響產線效率因素，并應用約束理論尋找瓶頸，針對上述問題進行優(yōu)化。

一、水瓶包裝生產線仿真

整個包裝產線屬于復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的模型難以用數(shù)學公式描述所以我們可以使用仿真的手段有效解決這個問題，使分析產線變得直觀高效。但是水瓶包裝過程運行各個工位加工時間存在波動，機器設備普遍存在可靠性問題。因此，運用仿真平臺plant simulation將物理車間各個設備工位在仿真平臺中映射，使物理生產線與虛擬生產線對應，并將其理論參數(shù)輸入虛擬模型中，即可得到仿真模型。

(一)plant simulation

Plant simulation是在車間仿真領域應用比較廣泛的軟件，由西門子開發(fā)，使用戶可以仿真和優(yōu)化生產物流系統(tǒng)與工藝，可以在仿真環(huán)境下分析生產線各個工位的性能指標，例如分析系統(tǒng)產出率、人員設備負荷、生產瓶頸等問題。

(二)仿真模型的建立

在水瓶包裝過程物理產線的基礎上，運用plant simulation仿真軟件將物理車間實際設備工位進行映射，具體過程如下。該生產線是單向流水線，根據(jù)加工工序流程圖以及生產線實際布局，建立如圖1所示的生產線模型。

圖1 瓶包裝生產線的仿真模型

二、多因子多水平仿真實驗

(一)72×62因子設計

根據(jù)實際生產線各個工位前可配比最大暫存區(qū)容量空間設計多因子多水平實驗，實際最大容量BF1和BF2容量為31的，BF3和BF4可設置容量最大為21。為了提高仿真效率，設置BF1與BF2暫存區(qū)的容量從1到31，增量為5；設置BF3與BF4暫存區(qū)的容量從1到21，增量為4，共計1764次仿真實驗.每次仿真時長為8h仿真試驗后可得到HTML格式報告，可得到1764組實驗結果，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以明顯的發(fā)現(xiàn)生產率最大值與最小值有較大的極差，由表格數(shù)據(jù)可以看出最大配比31/31/17/17并非為最高生產效率。

(二)實驗數(shù)據(jù)分析

利用Minitab軟件所具有的分析法對仿真實驗結果進行分析評價。將實驗得到的1763組數(shù)據(jù)導入表格在軟件中進行信噪比分析可得到主效應圖，如圖2所示:

圖2 緩沖容量大小主要影響圖

我們將選擇的暫存區(qū)配比對生產線進行設置后進行24h仿真得到生產效率提升至87.67%，生產效率明顯提升。

三、瓶頸分析

對于具有瓶頸設備生產系統(tǒng)，可以采用一定的加工工藝減少瓶頸工序的加工時間。根據(jù)生產系統(tǒng)存在的問題，設置模型中設備的相關參數(shù)，進行仿真實驗，提出生產線的優(yōu)化方案，熱縮套標工序加工時間是由經過熱縮套標工位的傳送帶速度決定的，為了縮減熱縮套標工位的加工時間，我們可以適當調整傳送帶速度，為了不影響加工質量，同時增加熱收縮爐溫度，并通過多次仿真實驗，反復優(yōu)化，使生產效率得到較高的提升，并且在物理生產線進行測試，對比優(yōu)化前生產效率有明顯提升。

四、結論

采用對物理生產線的參數(shù)以及歷史生產數(shù)據(jù)進行分析建模，通過plant simulation軟件平臺對生產線各個工位進行性能指標仿真分析，通過信噪比分析對暫存區(qū)容量多級仿真實驗結果進行擇優(yōu)篩選，運用TOC理論對瓶頸工序進行優(yōu)化。仿真結果表明，生產線建模仿真能夠對生產線進行生產效率與設備負荷進行分析，判斷生產瓶頸，并為企業(yè)生產管理提供高效快速的解決方案。為了負荷數(shù)字化發(fā)展趨勢，實現(xiàn)實時仿真優(yōu)化決策，還有待進一步研究。