基于Em-plant的包装制造生产系统仿真研究

李明辉，石宇强，王俊佳，蔡炳万

（西南科技大学，绵阳 621010）

基于Em-plant的包装制造生产系统仿真研究

李明辉，石宇强，王俊佳，蔡炳万

（西南科技大学，绵阳 621010）

0 引言

当前，随着经济全球化与市场竞争的日趋激烈，企业生产系统也逐渐呈现出柔性化、自动化、集成化、智能化以及市场导向化的发展趋势。在制造系统，尤其是大型复杂的离散制造系统中，其规划设计和运行管理正面临着越来越多的问题，如由于系统本身的复杂性难以评估设计风险、系统适应性差和系统运行过程中生产调度困难等。

包装属于离散型制造业，我国包装制造业的订单特性为多品种、小批量，产品工艺复杂，生产线自动化程度亟待提高，目前在生产管理的过程中，传统数学和运筹学的方法对其生产系统中的各种具体问题进行抽象、建模和分析时都难以准确的描述、分析和判断。

作为一种系统建模和实验分析的方法，计算机仿真技术能够把生产资源、产品工艺路线、库存和管理等信息动态地结合起来，以系统活动过程的“生动再现”代替以往数学方法的抽象描述，表达形式易于理解，并能全面反映生产系统动态的过程和特征，为生产系统的设计、方案验证和运行过程中的管理提供了一种比较理想的分析手段和工具。

基于包装行业的需求，以及计算机仿真技术的理论基础，本文对包装制造车间整个生产系统进行仿真，全面的诊断系统中存在的问题，并借助实验设计，通过对仿真模型的优化，进而达到优化原系统的目的，实现包装生产系统全面优化。达到包装生产系统的合理化，降低包装车间的生产成本，缩短产品生产周期的目的，最终增强企业竞争力。

1 运用Petri网建模法建立单件产品在一个机床上的加工模型

经典的Petri网是简单的过程模型，由两种节点（库所和变迁），有向弧，以及令牌等元素组成的。用圆圈表示库所，方框和竖线表示变迁，用从x到y的有向弧表示序偶（x,y）。K(s)值表示库所中允许中允许存放令牌的最大数量，权W（x,y）的值表示的是变迁发生时消耗的和产出的令牌数量，不标明时表示权值为1；库所（圆圈）中的黑点表示令牌，其中令牌表示的是原料、部件、产品、人员、工具、设备、数据和信息等组成系统的资源。

建立本部分模型的目标在于，了解一个产品到达机床后的加工工艺，找出更有效的操作方式和在制品堆放的最佳数量和较佳的人机配置。

该模型的基本情况为，一名技术工、一名搬运工、一批产品、一台机床、上下料工具、测量精度工具、保护套、暂存区。主要流程为：

1）搬运工将一批毛坯料搬运至暂存区，产品等待加工；

2）工人运用上下料工具进行上料；

3）上料完成后机床开始加工产品；

4）加工完成后，工人检查产品的精度是否符合要求；

5）如果符合要求则工人下料，不符合则用机床进行修料处理后再循环4的过程；

6）下料完成后为半成品加保护套并将其放置在暂存区，当暂存区的半成品数量一定时，由搬运工将办成品运至下一工序。然后再从1循环。

其Petri网模型图如图1所示。其中在加工完成后放置在暂存区处的半成品数量未标出，将在后面的仿真中给出更优数量。

由此对包装制造生产系统中以一个产品流入系统、该产品在进入班组时选择加工机床、单件产品在机床上的加工情况以及机群中的单独人机配置进行了建模。

因包装产品型号多样，且可根据客户的需求变化而变化，属于混流装配线问题。加工工艺数多，并且可以分别用不同型号的机床加工同一工艺，但是一个工件不能够同时在几台机床上进行加工，且每台机床在加工一件产品时只能加工该件产品，不能加工其他产品，属于流水车间调度问题。通过以上分析可知，该系统模型是混流装配线与流水车间调度问题的混合模型。

2 运用Em-plant对生产系统进行仿真分析

在文选用包装制造领域中2500自动瓦楞纸板生产线为仿真对象，运用Em-plant将Petri网建模理论模型转化为仿真模型，建立仿真系统，其模型层命名为shijimoxing。

本次仿真将对来自于C包装公司生产实际中产品到达后管理人员对机床的的分配问题、机床本身的可利用率、一件产品在到达后人机加工的实动工时（即Processing），校模实动（在仿真中表述为Setup time准备时间）等进行综合考虑，用Em-plant仿真软件中的Data Fit工具对产品的来料、校模时间、人机作业时间分布函数进行拟合。

首先，在需要在模型中建立全局变量，全局变量情况如表1所示。

图1 单件产品在机床加工系统的Petri网模型

表1 模型中全局变量的含义

生成基本对象（CreateInitObject）的主要是根据拟合出的分布函数，生成2500MM机群的校模时间（SetupTime）、机床加工时间（ProcTime）、机床可利用率（Availability)、暂存区（zancunqu）初始化数据、BOM表以及生产计划表等，并将其BOM表中的值赋给对应的时间表中，局部编程如图2所示。

图2 生成基本对象CreateInitObject的部分Method编程

生成数据表（CreatedataTable）用于生成800-高速立加机群的校模时间（SetupTime）、机床加工时间（ProcTime）、机床可利用率（Availability)、暂存区（zancunqu）初始化数据、BOM表以及生产计划表等的数据表，局部编程如图3所示。

图3 生成数据表CreatedataTable的部分Method编程

在生成基本对象的Method中运行，其运行后Emplant的界面如图4所示。

图4 运行生成基本对象后的Em-plant界面

图中的生产计划、BOM表、暂存区数据为Table数据表的表单，校模时间、加工时间、机床可利用率为Frame数据子层，里面包含2500MM机群的所有机床对应的相关数据。

打开生产计划表可以看见其表中内容如图5所示。

该生产计划表为在一定产品数及一定产品规格内的一个随机订单。

图5 生产计划表

图6 BOM表及其表中表

BOM表为一张具有嵌入式表格的表中表，如图6所示。

表中表里面包含的内容有产品以及数量等。主表（图6）第1列Product记录的是产品的种类以及型号，第2列Bill of Material记录的是的是内表的索引。双击Bill of Material索引打开表中表。表中表的第1列表示名称；第3列为产品的总数量；第4列表示该产品在2500MM加工时首件的校模时间；第5列为该产品在2500MM班组加工时首件的校模时间；第6列表示的是该产品在2500MM上加工的实动工时；第7列表示的是该产品在2500MM加工的实动工时；第8、9列表示高速立加及2500MM机床的可利用率。

图7 暂存区数据表

图7为自动生成的2500MM各机床处的暂存区数据表。其中的第1列max表示机床处暂存区可堆放的最大产品数量；第2列min为暂存区处的最低安全库存，当低于该库存时，就向系统提出配料的配送请求；第3列表示的搬运工人运用小车搬运物料时的最大装载产品数量；第4列为产品的总数量；第5列等于第4列除以第3列表示的是搬运工人搬运该订单的物料需要的次数；第6列为第4列除以第3列的余数，表示不够一次的余数；第8列为产品配送的目的地；第9列表示完成仿真后搬运的次数，其中当暂存区向系统发出请求后，第11列的Boolean型变为True，false表示的是在途配送已经到达即搬运工人处于空闲状态，可以提出新的配送请求。

通过仿真可知，2500MM自动瓦楞纸板生产系统存在人机配置不合理、暂存区物料堆积量不合理以及人的利用率低等问题。

3 结束语

本文利用计算机仿真技术，对包装车间生产系统进行全面地、系统地分析研究，对真实的生产系统建模，并转换成仿真模型，应用实际数据，在计算机上进行仿真，分析出真实生产系统存在的问题，为企业在现有产品约束条件下的最佳车间布置、最优生产调度、最佳人机配置的生产系统改善提供帮助，为管理决策提供依据。

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

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

以包装制造生产系统为应用背景，建立真实包装生产系统的Petri模型，结合真实包装生产系统的布局和生产参数，将Petri模型映射为Em-plant仿真模型，将经典IE、数学建模、仿真试验等方法相结合，进而为优化包装制造生产系统提供依据。

仿真；包装；生产系统

李明辉（1989 -），男，吉林人，硕士研究生，研究方向为精益生产和企业信息化。

TH166

A

1009-0134(2015)12(上)-0024-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.07

2015-08-07

2015年西南科技大学研究生创新基金（15ycx135）