Modelado y optimización de la producción de una planta de bolsas plásticas

Abstract

Esta tesis introduce un modelo de programación mixto-entero no lineal (MINLP) para la planificación de las operaciones de corto plazo en una planta discontinua multi-etapa que produce diferentes tipos de bolsas plásticas. La planta debe completar el procesamiento de un conjunto de órdenes de producción a través de una serie de etapas integradas por un número fijo de unidades en paralelo de diferentes tamaños. La fecha de entrega, dimensiones y número de bolsas de cada orden están especificados en el horizonte de programación. En cada etapa, el tiempo de procesamiento de la orden en un equipo es una variable del modelo y se expresa como una función de su velocidad de procesamiento y la longitud de la bolsa. Adicionalmente, se plantean restricciones de calidad en la etapa de extrusión y se tienen en cuenta tanto el tiempo de cambio de rollos en cada unidad del proceso como los tiempos de preparación entre órdenes. La formulación permite determinar de forma óptima el secuenciamiento de las órdenes de producción de bolsas plásticas y la asignación de las mismas a las unidades en las diferentes etapas del proceso, como así también el número y diámetro de los rollos obtenidos en la etapa de extrusión. En cada etapa de la planta se calcula la capacidad de producción de los equipos y los tiempos de procesamiento de cada producto. Los criterios de desempeño utilizados consisten en minimizar la tardanza en la entrega de todas las órdenes en el horizonte de programación o el tiempo total de producción de todas las órdenes (makespan). La formulación MINLP fue implementada y resuelta usando la herramienta computacional GAMS (General Algebraic Modeling System). Aunque existe abundante literatura sobre problemas de planificación a corto plazo, en plantas productoras de plásticos no se han abordado aun formulaciones que incluyan las variables de proceso antes mencionadas. La tesis presenta resultados de la aplicación del modelo propuesto a un caso de estudio real de una planta ubicada en la ciudad de Guayaquil, Ecuador. Esta planta se dedica a la producción de bolsas de polietileno de alta y baja densidad, principalmente para el sector bananero. Para evaluar el desempeño del modelo, se compararon los resultados obtenidos con datos reales. El estudio implicó además explorar funciones objetivo y algoritmos de resolución (solvers) alternativos. Como conclusión, se recomienda minimizar el tiempo de ejecución de las órdenes (makespan) y emplear el solver SCIP, como alternativa preferida para una eventual aplicación en la planta real.

This thesis introduces a non-linear mixed-integer programming model (MINLP) for scheduling the short-term operations in a discontinuous multi-stage plant that produces different types of plastic bags. The plant must complete the processing of a set of orders through a series of integrated stages by a fixed number of units of different size in parallel. The date of delivery, size and number of bags of each order are specified in the scheduling horizon. At each stage, the processing time of an order in a unit is a model variable, and it is expressed as a function of its processing speed and the length of the bag. Additionally, quality restrictions are included in the extrusion step and consider both the time of change of rolls in each unit and the preparation times between orders. The formulation allows to determine an optimal sequencing of production orders of plastic bags and the assignment of these units at different stages of the process, as well as the number and diameter of the rolls obtained in the extrusion step. Likewise, at each section of the plant, the production capacity of each equipment and the processing time of each product are calculated. The performance criteria consist in minimizing the production time, such as the delay in the delivery (tardiness) of all orders in the scheduling horizon and the total production time of all orders (makespan). The MINLP formulation was implemented and solved using the software GAMS (General Algebraic Modeling System). Although literature on short-term planning problems is abundant, formulations that include the abovementioned process variables have not yet been addressed in plastics production plants. The thesis presents results of the application of the proposed model to a case study of a plant located in the city of Guayaquil, Ecuador. The bags produced are made of high and low-density polyethylene and are mainly used in the banana industry. To evaluate the performance of the model, the results obtained were contrasted with real data. The study also involved the use of alternative objective functions and solvers. In conclusion, minimizing the makespan and the use of the SCIP solver is the recommended option for a potential application in the real plant.