包裝生產線建模仿真與優化

(鄭州輕工業大學機電工程學院 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，且對市場需求的穩定性要求很高[2]。消除生產瓶頸[3]、配置暫存區[4]、對工藝進行合理的優化[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化。

一、水瓶包裝生產線仿真

整個包裝產線屬于復雜系統，系統的模型難以用數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，使用戶可以仿真和優化生產物流系統與工藝，可以在仿真環境下分析生產線各個工位的性能指標，例如分析系統產出率、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

根據實際生產線各個工位前可配比最大暫存區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暫存區的容量從1到31，增量為5；設置BF3與BF4暫存區的容量從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，根據實驗數據可以明顯的發現生產率最大值與最小值有較大的極差，由表格數據可以看出最大配比31/31/17/17并非為最高生產效率。

(二)實驗數據分析

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組數據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，可以采用一定的加工工藝減少瓶頸工序的加工時間。根據生產系統存在的問題，設置模型中設備的相關參數，進行仿真實驗，提出生產線的優化方案，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以及歷史生產數據進行分析建模，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容量多級仿真實驗結果進行擇優篩選，運用TOC理論對瓶頸工序進行優化。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，并為企業生產管理提供高效快速的解決方案。為了負荷數字化發展趨勢，實現實時仿真優化決策，還有待進一步研究。