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1工藝流程

不同的印刷包裝產品工藝流程不同，下面介紹一種常見且具有代表性的工藝盒加工流程，如圖1所示。紙張的準備→根據客戶的要求進行切紙→選擇色料進行排版印刷→覆膜保護及增加光澤→根據要求進行UV上光→裱紙增加紙張厚度來保證產品質量→模切→粘合組裝。粘合組裝可以根據待加工紙張的數量來選擇何種方式進行作業，如果數量多和交貨期短，便可選擇加工速度快的糊盒機進行加工。

2印刷包裝生產線模型

2.1模型的定義及邊界的確定(1)根據印刷包裝生產制造過程的特點以及在制品緩沖區的現狀，在保證邏輯結構的基礎上，建立了印刷包裝生產線的印刷包裝的總工序，如圖2所示。待切紙張儲存在緩沖區B中，而后進入切紙區E1，切好的紙張經過緩沖區B1進入印刷區E2。為了實時監測紙張的印刷效果，需要階段性抽查紙張的質量，以觀察印刷的色調，及時動態地調整相應的色彩。本工序以一個分流模塊F來設定抽查紙張的概率，B3為未被抽查到的紙張緩沖儲存區，B2為抽查到的紙張緩沖儲存區，經C1判定模塊判斷紙張的質量；合格的紙張送至緩沖區B3進入下一步工藝，不合格的則進入緩沖區B9回收處理。印刷合格的紙張進行覆膜工藝E3，經判定模塊C2將覆膜合格的紙張送入緩沖區B4進行下一步生產工藝，不合格的送入緩沖區B9。(2)由圖2可知，生產線工序的加工設備E={E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7}；緩沖區B={B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9}。粘合組裝存在人工組裝和機器糊合兩種加工工藝，不同的加工工藝生產周期不同，效率也有所區別。影響生產單元系統結構和在制品緩沖區動態變化過程的因素較多，建模時提出以下假設：生產設備完全可靠、無故障；緩沖區B有充足的貨源，除了印刷E2和覆膜E3加工設備有檢測紙張質量外，其他設備生產的產品均認為合格；忽略印刷機的校板時間；各在制品緩沖區的容量有限。

2.2基于TPN的建模Petri網由CarlA.Petri博士提出，它是一種可視化圖形，描述離散事件系統的靜態結構和動態特性。本文采用TimedPetriNet(TPN)的建模方法，通過包含時間參數的庫所和變遷，描述事件驅動離散系統(DES)，有效地對具有并發、同步和沖突等動態過程進行模擬和分析[6]。TimedPetriNet定義為如下六元組[7-8]：TPN={P,T,I,O,M,D}其中：庫所(Place)的有限集合采用P={P1,P2,•••,Pn}表示，n>0為庫所數量；變遷(Transition)有限集合采用T={t1,t2,•••,tm}表示，變遷數量為m>0；P∩T=Ф；輸入函數為I:PXT→N，定義了從庫所P到變遷T的有向弧的重復數或權的集合，N={0,1,•••}為非負整數集；輸出函數為O:TXP→N，定義了從變遷T到庫所P的有向弧的重復數或權的集合；PN的標識為M:P→N，它是一個列向量，Mi表示第i個庫所中的令牌(Token)數目。每個令牌賦有其隱含特征屬性和庫所的時間信息，為一維行向量TK={d1,•••,dn}(1Xn)，n>0為庫所的數量，di表示第i個庫所的延時。D:T→R+(正實數域)，表示庫所的延時集合，它為一個kXn的矩陣，其中k>0為令牌的數量，n>0為庫所的數量。印刷包裝生產線是由多個加工單元組合而成，因此，根據模型圖2分析生產單元的布局特點，首先對在制品緩沖區進行分類，并建立相應的Petri網模塊，包括：①在制品從一臺設備經在制品緩沖區流向下一臺設備(如P1→P2→P3)；②在制品從一臺設備經具有分類作用的緩沖區分別流向多個緩沖區(如P7→P8→P9/P19)。其次將各加工設備和緩沖區之間的關系描述成Petri網中的庫所、變遷及其相應的活動，定義各模塊之間連接所需的變遷或庫所，建立印刷包裝生產線總TPN模型，如圖3所示，模型說明如表1所示。通過TPN模型，描述了印刷包裝生產過程的離散的制造過程，為下一步圖形化的仿真模型的建立奠定基礎。在TPN的有向圖中，庫所采用圓圈表示，變遷采用矩形表示，令牌采用圓點●表示，帶有令牌的庫所表示在制品存在設備或緩沖區中。部分庫所因有容量的限制而形成抑制弧，用k表示，k(Pi)=mi。文中采用的變遷ti表示經一定時間后發生的事件或操作，將時間與變遷關聯(賦時變遷)，一旦變遷使能，則立即從該變遷的輸入庫所中移去一定數量的令牌(完成在制品的運送)，但變遷要延遲一段時間(滿足加工時間或緩沖時間的要求)后再觸發，并在輸出庫所中放入一定數量的令牌。然而，并不是每個變遷都是賦時，有些變遷的延時相對非常小，可以忽略不計；有些變遷(如Ti)表示控制邏輯，本身無延時[9]。

3印刷包裝生產線的仿真

對于復雜系統，系統的解析式難于描述和求解困難等問題，而仿真是一種有效解決復雜系統的研究方法。雖然TPN模型可以描述一個離散事件系統的動態行為特征，但是，印刷包裝制造過程的運行、調度和控制是現場工程技術人員的工作，這樣的TPN模型對于工程技術人員來說比較抽象，研究人員需要為工程技術人員提供一個易于理解和操作的工具。因此，運用仿真平臺eM-Plant將Petri網模型中的庫所和變遷進行映射，使其與仿真模型中的實體相對應，并設置實體的相關參數，即可形成直觀的生產系統的仿真模型，從而實現從Petri網模型到eM-Plant模型的轉化。

3.1eM-Plant在生產制造領域應用較廣的仿真軟件eM-Plant，由以色列Tecnomatix公司開發，主要用于生產系統與生產過程的建模與仿真的軟件系統。用戶可在eM-Plant環境下分析和優化生產系統的各種性能指標如生產率、在制品水平、設備利用率和工人負荷平衡等。

3.2仿真模型的框架在印刷包裝過程的TPN模型的邏輯結構基礎上，運用eM-Plant仿真軟件將圖3所建立的TPN模型進行映射，具體過程如下。(1)設置對象及模型映射eM-Plant將系統的基本對象劃分為四大類：物流對象、信息流對象、服務對象以及移動對象(MU)，并按照生產工序進行連接。基于表1的定義，仿真模型的參數映射說明如下：庫所P0映射模型中的待切紙緩沖區B；P1，P3，P7，P10，P12，P14和P16分別映射為加工設備E1，E2，E3，E4，E5，E6和E7，P18，P20映射倉庫Drain1和回收站Drain2；模型中的普通緩沖區B1，B5，B6，B7和B8是由庫所P2，P11，P13，P15和P17映射而來，分類緩沖區B3，B2，B4，B9則由P4，P5，P9，P19映射所得；庫所P6，P8分別映射為判定模塊C1和C2。(2)定義對象及變遷觸發在仿真模型中，Source對象更名為Entry，表示紙張原料的投入(加工單元入口)，并在MU屬性里選擇MUs中的紙張paper對象，用來描述系統中的物流；SingleProc對象表示各加工工藝或判定模塊，即觸發變遷t1，t3，t5，t7，t9，t11，t13，t4，t6進行工作；緩沖Buffer對象表示紙張由一個工藝轉移到下一個工藝的過程；如果Ei的紙張paper移動到Bi上，表明紙張paper在該工藝加工完成或判定結束準備進入緩沖區，即觸發變遷t2，t8，t10，t12，t14；分流對象FlowControl將紙張paper送入相應的加工單元中；對象Drain表示工件加工結束(加工單元出口)，儲存或回收不合格產品，即觸發變遷t15，t16；對象Chart用來顯示加工設備的工作情況；TimeSequence實時記錄產品；對象Gauge監控緩沖區B中紙張的數量；兩個變量Variable(Counter1和Counter2)計算經過印刷和覆膜加工設備的數量MU來設置檢測工作模式，使產品分類處理；對象Method為SimTalk程序控件，在事件發生時觸發該程序，從而實現對該事件發生的控制。由此建立的生產線的仿真模型如圖4所示。

3.3離散事件及其控制通過對印刷包裝生產線的系統進行仿真，可以建立應用對象模型，對系統各離散事件的組織行為和交互作用進行分析。eM-Plant的每個對象都包括屬性和事件，屬性是對象的特性，而事件則是指對象的狀態發生變化。在本次建立的仿真模型中，通過時間和事件觸發兩種方式來調用對象SimTalk語句，從而控制仿真模型的運行和狀態的變化。仿真具有對仿真模型的事件控制和算法控制。印刷包裝生產系統中的事件控制是通過對對象EventControl的操作來實現，并在模型中加入兩個對象Reset和INIT進行模型的重置和初始化。算法控制通過控件Method來實現。系統的主要離散事件在于印刷和覆膜工序中對加工后的產品進行驗證，即要求在模型中對印刷和覆膜兩個加工設備工作概況給予調整，其Method控制流程圖如圖5所示。圖5印刷和覆膜程序控制流程圖印刷后的產品，采用分流對象FlowControl設置抽查紙張paper的比例。編寫程序前，在紙張paper的屬性CustomAttributes中設置一個名為quality的屬性，令其Value值為Good，數據類型Datatype為字符串string。根據2.1節中的工序，采用SimTalk語言，撰寫程序并封裝在Method對象Work1(2)和Move1(2)中，使其分別在B2(E3)和C1(C2)的控制屬性Exit被調用。對象Work1(2)的作用是判斷印刷和覆膜后紙張paper的質量，然后通過對Move1(2)中程序的調用，使不同質量的紙張paper選擇正確的路徑，貫徹下一步加工工藝。在每個加工設備的作業中，需要準確描述活動的執行時間，如紙張paper的加工時間以及緩沖(搬運)時間，另外，還要設置緩沖的容量限制，即k(Pi)，所有這些參數都可通過對SingleProc對象的屬性進行修改。為了便于對仿真數據分析，在TimeSequence的Record處設置Value值為Drain1.numIN，系統記錄了合格工件加工完成的時間和數量。

4仿真結果的分析及生產過程的優化

4.1仿真數據和瓶頸分析以某印刷包裝企業的月餅禮盒包裝的生產流程為仿真對象，生產過程如下。該產品的客戶生產要求為：275克鐳射銀卡紙→四色印刷→覆膜(光膜)→UV工藝→裱紙(300克白板底紙)→模切成型→粘合組裝→質檢入庫。由于訂單數量為20000個，統計生產線各機器的歷史作業時間和分析生產成本，粘合組裝工藝采取人工組裝的方式。通過調研車間各設備的加工速度和作業時間，在仿真模型中輸入加工參數：切紙機E1：0.5秒/張；印刷機E2：0.5秒/張；覆膜機E3：2秒/張；UV絲印機E4：2秒/張；裱紙機E5：8秒/張；模切機E6：5秒/張；粘合組裝E7：10秒/張；輸紙Entry：共計20000張；緩沖裝置容量與緩沖時間如表2所示。(1)圖表數據。eM-Plant的分析工具—統計分析、圖、表，可以分析緩存區和設備的利用率。因此，通過創建統計數據和圖表，對生產線工作負荷和設備生產效率等生產性能參數進行動態分析，并比較生產線現行的狀況與理想狀況的差距，找出瓶頸資源進行優化[11-12]。根據模型的仿真，得出1~7小時的仿真數據統計，如表3所示。(2)瓶頸分析。根據約束理論和仿真數據來分析生產瓶頸。約束理論(TheoryofConstraints，TOC)指出，系統的生產效率是由系統中一個或者幾個約束環節(瓶頸)所決定。而生產系統中常見的瓶頸資源通常為某工作中心或某臺生產設備，其使用率最高、生產負荷超過生產能力。因此，通過對生產設備不同時刻的仿真數據，可得出該生產系統的使用率較高且持續上升的加工設備，由表3數據可知裱紙機和粘合組裝工序為瓶頸工序。然而，生產中存在不確定的因素，易造成生產瓶頸的變動。TOC的關鍵就在于不斷突破系統約束，合理調節瓶頸設備以增加系統生產效率，并針對性地對系統瓶頸資源進行改進[13]。文獻[14]對瓶頸轉移的成因進行了深入分析，提出了相應的預防與應對方案。因此，為了保證在規定加工時間內正確識別瓶頸資源，需對每臺生產設備在相應時間段內的工作負荷率進行分析。當系統繼續仿真至11小時后，其工作狀況如圖6所示。由此可知，從1~11小時的仿真，裱紙加工E5和粘合組裝E7的任務負荷率最大，根據TOC的基本思想可判斷E5和E7為該生產系統的瓶頸設備。

4.2生產過程的優化生產過程的優化是指合適地選擇離散變量，使系統的某一性能指標實現近優或最優，最大限度地利用和合理分配資源，為企業降低生產成本和提高生產效率[15]。因此，可將生產線作為一個整體進行優化，通過合理配置各生產設備的節拍以及員工數，最終提高生產效率。此外，緩沖區容量的大小也直接影響生產效率。因此，在系統緩沖區容量總和一定的條件下，優化配置生產線各緩沖區的容量是提高系統性能指標的有效措施之一[16]。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[17]。而在印刷包裝企業中，為使其能夠發揮自身生產能力制定出合理的生產計劃，滿足客戶的需求，文獻[18]以約束理論及生產排程為指導思想，進行瓶頸資源的識別，給出了基于約束理論思想的詳細解決方案，實現資源共享與優勢互補。綜上考慮，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如下：(1)減少切紙和印刷加工區的操作人員數量，降低工位的生產周期、增加操作時間。(2)平衡系統中各工位的生產節拍和緩沖區容量的大小，提高設備的利用率，防止出現太多的空閑或加工繁忙的狀況。根據上述優化方案要求可以將切紙機E1、印刷機E2的加工速度調整為1秒/張，并增加E3，E4，E5，E6，E75個工位的操作人員的數量來縮短該工位的操作時間，將覆膜機E3，UV絲印機E4、裱紙機E5、模切機E6、粘合組裝E7的加工速度分別調整為：1.5秒/張、1秒/張、2秒/張、2秒/張、5秒/張；緩沖區容量與緩沖時間調度如表4所示。通過上述仿真參數的優化，運行仿真時間為7小時，觀察系統的生產情況，如圖7所示，可以發現，瓶頸設備E5和E7在運行6小時后，設備占有率開始下降。通過TimeSequence對象記錄的數據，如表5所示，優化方案生產出的首件產品時間雖然比原方案長，但隨后的生產速度為原方案的兩倍，達到5秒/張。這說明新方案充分利用了生產資源，為企業的生產管理和優化調度提供了決策支撐。然而，實際生產中要綜合考慮諸多因素的影響，比如動態的離散生產系統隨著加工時間的延長，控制變量隨離散狀態而變化，瓶頸設備可能會發生漂移，導致上述給出的優化方案不一定適用。因此，根據不同生產環境的特點，不斷調整各加工設備的速率和在制品緩沖容量及時間，并通過多次仿真實驗，反復優化，實現近優或最優方案。

5結論

采用TPN方法對印刷包裝生產系統進行建模，以仿真工具eM-Plant為平臺，針對具體訂單對生產線的各項性能指標進行仿真分析，運用TOC理論對瓶頸資源和生產系統進行優化。仿真結果表明，離散制造系統的數字化建模仿真能夠對生產線進行產能與設備負荷進行分析，判斷生產瓶頸，并優化生產運行的調度方案，為生產管理提供有效的決策支持。本文從印刷包裝企業的生產物流建模的角度出發，為提高企業生產效率提供了一條有效、快速的分析方法。當然，生產中會有多產品、多生產線同時生產情形，系統瓶頸的工件數量會發生波動，這些將給投料帶來影響，同時在非瓶頸處也會堆積。因此，如何適應印刷包裝企業的實時動態的調度，實現高生產率和低成本，這些還有待進一步研究。

作者：潘春榮黎良單位：江西理工大學機電工程學院