Ефремов Денис Николаевич. Методы автоматизации производства упаковки из картона

brief description

Ефремов Денис Николаевич. Методы автоматизации производства упаковки из картона : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06.- Москва, 2002.- 143 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/992-6

Министерство образования Российской Федерации Московский государственный университет печати
На правах рукописи
ЕФРЕМОВ
ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ
МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
Специальность:
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и
производствами (по отраслям)
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
г. Москва, 2002 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
1Л. Обзор технологии производства упаковки из картона 13
1.2. Анализ производства упаковки из картона как объекта
комплексной автоматизации 15
1.3. Исследование и анализ автоматизации проектирования упаковки
из картона 18
1.4. Исследование и анализ автоматизации производства упаковки из
картона 22
1.5. Разработка структуры автоматизированного комплекса и
алгоритма автоматизированного процесса проектирования и производства упаковки из картона 28
1.6. Исследование и анализ автоматизации управления предприятием
по производству упаковки из картона 41
Выводы по главе. Цели и задачи исследования . 52
Глава 2. ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
2.1. Исследование принципов и методологий структурного анализа 53
2.2. Исследование принципов и нотации методологии IDEF0 55
2.3. Разработка структурных моделей специализированных
производственных систем 60
Выводы по главе 68
Глава 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
з
3.1. Анализ функционирования системы и исследование
протекающего в системе процесса 69
3.2. Разработка математической модели задачи проектирования
производственной системы из одного участка, состоящего из одного рабочего места 76
3.3. Разработка математической модели задачи проектирования
производственной системы из одного участка, состоящего из нескольких рабочих мест 82
3.4. Разработка математической модели задачи проектирования
производственной системы из нескольких участков (последовательные работы) 87
3.5. Разработка математической модели задачи проектирования
производственной системы из нескольких участков (параллельные работы) 97
Выводы по главе 106
Глава 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ УПАКОВКИ ИЗ КАРТОНА
4.1. Определение расчетных параметров рабочих мест и портфеля
заказов специализированной производственной системы 107
4.2. Оценка математической модели специализированной
производственной системы 111
4.3. Определение зависимости среднего времени пребывания заказа и
коэффициента загрузки от стоимости производственного участка 116
4.4. Разработка структуры и параметров специализированной производственной системы 122
Выводы по главе 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
ЛИТЕРАТУРА 129
ВВЕДЕНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Индустрия упаковки является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей промышленности в Российской Федерации, имеющей, независимо от изменения промышленной и финансовой политики государства, ежегодный прирост не менее 10-15 %. Прошедшее десятилетие характеризует начальный этап в развитии индустрии упаковки в РФ - этап первичного насыщения рынка производственным оборудованием, технологиями, материалами и конечной продукцией - упаковкой.
Этапу первичного насыщения рынка присуще отсутствие конкурентной борьбы и, как следствие, отсутствие системности в развитии. Наиболее показателен процесс развития полиграфического производства упаковки - упаковки из картона, которая составляет более половины всей упаковки в РФ. Сегодня 45 % российских предприятий по производству упаковки из картона сосредоточено в Москве и Санкт-Петербурге, причем эти предприятия выпускают 89 % всего объема упаковки из картона в России - в восемь раз больше, чем остальные регионы страны, вместе взятые. Для производства упаковки из картона применяется высокопроизводительное дорогостоящее оборудование, однако, по причине отсутствия комплексного подхода к автоматизации и отсутствия методов построения автоматизированных производств упаковки из картона, возможности данного оборудования используются на 30-40 %. Как результат - заниженные технико-экономические показатели производства и низкое качество упаковки.
По мнению ведущих ученых, аналитиков и специализированных отечественных и зарубежных компаний в 2002-2005 годах этап первичного насыщения рынка РФ упаковкой должен завершиться и плавно перейти в следующую стадию развития - этап острой конкурентной борьбы. Основными направлениями конкурентной борьбы на рынке упаковки являются: повышение
качества упаковки; создание инфраструктуры, направленной на координацию действий смежных производств и повышение уровня работы с клиентами; создание новых производств и размещение их в различных регионах РФ. При этом на первый план выходят проблемы повышения эффективности производства.
Отсутствие работ в данных областях обуславливает необходимость научного подхода к решению практических задач построения и комплексной автоматизации производства упаковки из картона. Основной проблемой является отсутствие системного подхода к разработке принципов построения автоматизированных производственных систем и методов комплексной автоматизации производства упаковки из картона с учетом его территориальной распределенности. „
Объектом исследования диссертационной работы являются методы автоматизации производства упаковки из картона, обеспечивающие его комплексную автоматизацию: автоматизацию процессов проектирования, производственных процессов и процессов управления производством.
Целями диссертационной работы являются исследование и развитие принципов построения автоматизированных систем производства упаковки из картона и разработка методов автоматизации производства упаковки из картона.
Для достижения поставленных целей решаются следующие задачи:
- исследование производства упаковки из картона в аспекте комплексной автоматизации;
- определение и формализованное описание автоматизированных систем проектирования и производства упаковки из картона;
- разработка моделей специализированных производственных систем при распределенном производстве упаковки из картона;
- разработка методов планирования мощностей специализированных производственных систем как задач инновационного уровня управления производством упаковки из картона.
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы системного и структурного анализа, теории систем массового обслуживания, теории сетей массового обслуживания
(стохастических сетей), теории графов, теории сетевого планирования, аппарат конечных систем линейных алгебраических уравнений.
Научная новизна работы состоит в следующем: ,
- На основе системного подхода предложена структурная схема автоматизированного комплекса, материальных потоков и потоков цифровых данных при проектировании и производстве упаковки из картона, а также алгоритм автоматизированного процесса проектирования и производства упаковки из картона.
- Показана применимость универсальных методологий управления
предприятием для решения задач управления производством упаковки из картона.
- Доказана целесообразность распределенного производства упаковки из картона, предложены принципы построения специализированных производственных систем при распределенном производстве упаковки из картона, в рамках которых определены типы и на основе структурного анализа разработаны функциональные модели специализированных производственных систем.
- Разработаны математические модели производственных систем из одного производственного участка с одним или несколькими рабочими местами, из нескольких производственных участков с последовательным и параллельным принципами организации работ, а также математические модели портфелей заказов производственных систем различных типов структурной организации.
- Разработаны математические модели задачи проектирования производственных систем на основе портфеля заказов с целевой функцией минимизации затрат для каждого из типов структурной организации производственных систем как задачи инновационного уровня управления производством упаковки из картона.
- Для разработки математической модели задачи проектирования производственной системы с параллельным принципом организации работ предложен комбинированный метод использования теории сетей массового обслуживания в сочетании с теорией графов и теорией сетевого планирования.
Все результаты получены впервые и составляют основу для дальнейшего исследования методов автоматизации производства упаковки из картона и разработки методологического, математического, информационного,
программного и технического обеспечения автоматизированных систем управления производством упаковки из картона. Разработанный
математический аппарат может представлять интерес для решения задач моделирования других производств дискретного типа.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- Предложена структурная схема автоматизированного комплекса проектирования и производства упаковки из картона, обеспечивающая максимальную производительность входящего в его состав оборудования (например, производительность штанцевальных линий увеличивается с 5000-7000 до 14000-15000 циклов в час).
- Предложен алгоритм автоматизированного процесса проектирования и производства упаковки из картона, позволяющий сократить общее время производства тиража упаковки за счет снижения коэффициента параллельности работ.
- Предложены принципы построения и определены типы специализированных производственных систем при распределенном производстве упаковки из картона.
- На основе разработанного математического аппарата и программного обеспечения предложены методы ранних стадий автоматизированного проектирования производственных систем, а также модернизации действующих производств упаковки из картона.
- Разработаны методы, основанные на принципах оптимизации использования производственных мощностей, математический аппарат и программное обеспечение для количественной оценки производственных систем различных типов структурной организации.
- Предложены формулы для определения расчетных параметров рабочих мест производственных систем в индустрии упаковки из картона.
Реализация результатов работы состоит в применении разработанных методов и математических моделей для проектирования структуры и состава производственных филиалов ООО «РАСТР-технология» в г. Снежинск и г. Санкт-Петербург, а также для рекомендаций по модернизации производственных филиалов ООО «РАСТР-технология» в г. Москва и г. Обнинск, что подтверждено актом о внедрении. Предложенные структурные схемы, алгоритмы, методы, функциональные и математические модели являются основой учебного курса «Системы автоматизированного проектирования упаковочных производств» учебной специальности 072500 «Технология и дизайн упаковочных производств».
Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:
• на 3-ей Международной научно-технической конференции «Создание конкурентоспособного оборудования и технологий для изготовления бумажно-картонной продукции из вторичного волокнистого сырья» в ЦНИИБ (Московская область, 2002);
• на 41-ой научно-технической конференции профессорско¬преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников МГУП (Москва, 2001);
• на международной конференции «Индустрия упаковки - PakkoTech 2000» (Москва, 2000);
• на семинаре «Автоматизированные системы управления предприятием» в ООО «РАСТР-технология» (Москва, 2001);
• на расширенном заседании кафедры «Информационные технологии» МГУП
(Москва, 2002). ,
• на заседаниях аттестационной комиссии при ежегодной аттестации аспирантов кафедры «Информационные технологии» МГУП (Москва, 2000¬2002). .
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных и 1 учебно-методической работе.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, изложенных на 138 страницах машинописного текста, 1 приложения и акта внедрения, содержит 22 рисунка и 3 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен анализ производства упаковки из картона в аспекте комплексной автоматизации. Предложены структурная схема автоматизированного комплекса и алгоритм автоматизированного процесса проектирования и производства упаковки из картона. Показано, что универсальные методологии управления предприятием и поддерживающие их программно-аппаратные комплексы применимы для управления производством упаковки из картона. Показано, что отсутствие решений задач инновационного и стратегического планирования затрудняет внедрение полнофункциональных интегрированных информационно-управляющих систем в индустрии упаковки и ведет к увеличению длительности и стоимости внедрения. Показана необходимость разработки методов и средств проектирования производственных систем как задачи инновационного уровня планирования. Предложено решать данную задачу с учетом территориальной распределенности производства.
Во второй главе предложены принципы построения специализированных производственных систем при распределенном производстве упаковки из картона. Предложены четыре типа специализации производственных систем по их функциональности: «дизайн-студия», «типография», «штанц-бюро» и «завод упаковки». На основе структурного анализа построены функциональные модели специализированных производственных систем предложенных типов.
В третьей главе разработан комплекс математических моделей задач проектирования производственных систем при распределенном производстве упаковки из картона для четырех типов структурной организации производственных систем: из одного производственного участка с одним и несколькими рабочими местами, из нескольких производственных участков с последовательным и параллельным принципом организации работ. Для решения задачи проектирования производственных систем использованы аналитические методы теории массового обслуживания. Для количественной оценки производственных систем предложены формулы расчета коэффициента загрузки.
В четвертой главе предложены формулы для определения расчетных параметров рабочих мест и портфеля заказов, экспериментально показана адекватность разработанных математических моделей на примере штанц-бюро. На основе разработанных математических моделей определены зависимости среднего времени пребывания заказа и коэффициента загрузки от стоимости производственной системы. На основе разработанных математических моделей и программного обеспечения предложены методы ранних стадий автоматизированного проектирования производственных систем, а также
модернизации действующих производственных систем в индустрии упаковки из картона.
В приложении приведены коды программ на языке C++, разработанных в среде C++ Builder.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведен анализ производства упаковки из картона как объекта автоматизации и предложены схемы технологических процессов и их формализованное описание для мелко-, средне- и крупносерийных производств.
2. Разработаны принципы построения автоматизированных систем производства упаковки из картона, базирующиеся на следующих положениях:
- Производство упаковки из картона представляет собой совокупность последовательно-параллельных автоматизированных процессов, состав и последовательность выполнения которых определяется конструкцией и техническими требованиями к упаковке.
- Производство упаковки из картона целесообразно рассматривать как комплекс специализированных автоматизированных систем, совокупная функциональность которых обеспечивает получение заданной конструкции упаковки с требуемым качеством. Предложены четыре типа специализации производственных систем: «дизайн-студия», «типография», «штанц-бюро», «завод упаковки». Благодаря специализации систем возможно достижение комплексности автоматизации производства при максимальной экономической отдаче.
- Специализированные производственные системы могут быть территориально распределены и образуют систему взаимосвязанных материальных и информационных потоков.
- Важнейшей характеристикой специализированной производственной системы является портфель заказов - структура, характеризующая интенсивность входного потока заказов, их сложность и трудоемкость.
- Оптимальной считается структура производственной системы, для которой функция затрат на построение системы принимает минимальное значение при условии обеспечения заданного среднего времени выполнения заказа.
3. При разработке методов автоматизации производства упаковки из картона решены следующие задачи:
- Проведен анализ производства упаковки из картона в аспекте комплексной автоматизации.
- Предложена структурная схема автоматизированного комплекса проектирования и производства упаковки из картона, не имеющего аналогов в РФ по степени автоматизации, благодаря чему достигается максимальная производительность входящего в его состав оборудования, в основном, штанцевальных линий (производительность увеличивается с 5000-7000 до 14000-15000 циклов в час).
- Предложен алгоритм автоматизированного процесса проектирования и производства упаковки из картона, позволяющий сократить общее время производства тиража упаковки, в основном, благодаря сокращению времени изготовления штанцевальной оснастки за счет снижения коэффициента параллельности работ.
- Разработан комплекс функциональных и математических моделей специализированных производственных систем различных типов структурной организации.
- Разработан комплекс математических моделей задач проектирования производственной системы в соответствии с портфелем заказов с целевой функцией минимизации затрат при условии обеспечения заданного среднего времени выполнения заказа.
4. На основе разработанного математического аппарата и программного обеспечения предложены методы ранних стадий автоматизированного проектирования производственных систем, а также модернизации действующих производственных систем в индустрии упаковки из картона. Данные методы доведены до стадии инженерного внедрения и являются основой учебного курса «Системы автоматизированного проектирования