基于Flexsim的混合流水生產(chǎn)線的仿真研究

劉 哲 孫先富

摘要:文章以企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)線為例,在建立生產(chǎn)流程圖的基礎(chǔ)上使用Flexsim仿真軟件對(duì)其生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真研究,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的瓶頸程序,依此提出優(yōu)化方案,并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

關(guān)鍵詞:Flexsim;流水生產(chǎn)線;仿真;最佳生產(chǎn)技術(shù)

一、引言

在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中,企業(yè)的核心生產(chǎn)流程主要包括四個(gè)工序,即煉鋼-精煉-鑄造-軋制,這四個(gè)生產(chǎn)工序階段是有層次的、連續(xù)的和緊密銜接的關(guān)系,如果其中一個(gè)生產(chǎn)工序發(fā)生中斷,將使企業(yè)產(chǎn)生損失。因此,如何合理地安排各個(gè)工序中生產(chǎn)機(jī)械的加工任務(wù),使得各工序的加工任務(wù)量大小適中,并且盡量減少在制品積壓,這些是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問題。

生產(chǎn)線仿真作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分,其本質(zhì)就是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提,對(duì)生產(chǎn)線的各個(gè)元素和生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一的建模。在虛擬的環(huán)境中反映出生產(chǎn)制造全過程,從而更有效地組織生產(chǎn)計(jì)劃使企業(yè)獲得更大的利潤。本文使用Flexsim軟件對(duì)某鋼廠的一條生產(chǎn)線進(jìn)行建模和仿真,通過模型的運(yùn)行找到生產(chǎn)線中的瓶頸工序,并提出優(yōu)化方案,以提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)速率,減少在制品的等待加工時(shí)間,以提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

二、最佳生產(chǎn)技術(shù)(OPT)

OPT(Optimized Production Technology,最佳生產(chǎn)技術(shù))是以色列物理學(xué)家Eli Goldratt博士于20世紀(jì)70年代提出的一種改善生產(chǎn)管理的技術(shù),也是一種用于安排企業(yè)生產(chǎn)人力和物料調(diào)度的計(jì)劃方法。OPT追求物流過程的均衡,即實(shí)現(xiàn)物流的同步化,以求生產(chǎn)周期最短、在制品最少。在生產(chǎn)制造過程中,影響生產(chǎn)進(jìn)度的是瓶頸環(huán)節(jié)。所謂“瓶頸”是指生產(chǎn)能力小于或等于生產(chǎn)負(fù)荷的資源。瓶頸資源的損失和浪費(fèi)即是制造系統(tǒng)的損失和浪費(fèi),因此,瓶頸資源是制造系統(tǒng)控制的重點(diǎn),瓶頸資源的能力決定制造系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的利用率和生產(chǎn)效率,也決定了整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)出量和庫存水平。OPT系統(tǒng)將重點(diǎn)放在控制整體產(chǎn)出的瓶頸資源上,優(yōu)先處理所有瓶頸作業(yè),并以平衡物料流動(dòng)為原則,使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)出最大的目的。因此,生產(chǎn)管理中首先要找出“瓶頸”工序和關(guān)鍵資源,然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。為了使得生產(chǎn)過程流暢,企業(yè)應(yīng)在“瓶頸”工序前建立適當(dāng)?shù)膸齑婢彌_區(qū),以保證“瓶頸”工序滿負(fù)荷運(yùn)行。

三、案例仿真

(一)Flexsim簡(jiǎn)介

Flexsim是美國Flexsim公司開發(fā)的迄今為止世界上第一個(gè)在圖形環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件。Flexsim應(yīng)用深層開發(fā)對(duì)象,這些對(duì)象代表著一定的活動(dòng)和排序過程。要應(yīng)用模板里的某個(gè)對(duì)象,只需要用鼠標(biāo)把該對(duì)象從庫里拖出來放在模型視窗即可。每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)坐標(biāo)、速度、旋轉(zhuǎn)和一個(gè)動(dòng)態(tài)行為。對(duì)象可以創(chuàng)建和刪除,而且可以彼此嵌套移動(dòng),它們都有自己的功能或繼承來自其他對(duì)象的功能。Flexsim中的對(duì)象很多,像處理器、操作員、運(yùn)輸機(jī)、合成器、分解器、叉車、交通控制燈等,幾乎囊括了現(xiàn)實(shí)中的所有實(shí)物對(duì)象,并且用戶還可以自己創(chuàng)建對(duì)象并應(yīng)用到模型中。同時(shí)Flexsim的資料、圖像和結(jié)果都可以與其他軟件公用。

(二)仿真模型建立

某企業(yè)進(jìn)行鋼水澆次加工,一個(gè)澆次的任務(wù)有12爐鋼水需要加工,每一個(gè)澆次加工又由4道工序來完成,分別為煉鋼、精煉、連鑄和軋制。其中,煉鋼和精煉過程可由3臺(tái)相同的并行加工設(shè)備來完成,連鑄和軋制過程可由2臺(tái)相同的并行加工設(shè)備來完成。鋼水澆鑄加工流程見圖1。

本文中工件在各機(jī)器上的加工時(shí)間的數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)鋼水澆鑄加工流程,可以在Flexsim軟件中進(jìn)行模型的仿真,工件可由Flexsim軟件的Source實(shí)體產(chǎn)生的臨時(shí)實(shí)體替代,各種加工機(jī)械就相當(dāng)于Flexsim中的Processor實(shí)體,暫存區(qū)相當(dāng)于Queue實(shí)體,接收區(qū)相當(dāng)于Flexsim軟件中的Sink接收器實(shí)體。在Flexsim仿真軟件中以加工機(jī)器為最小單位,著力研究每臺(tái)加工機(jī)器的使用情況以及暫存區(qū)的存貨情況,據(jù)此可以判斷加工流程中的瓶頸工序。

根據(jù)流程及表1中的數(shù)據(jù)設(shè)置各實(shí)體的參數(shù)如下:

第一,對(duì)于Source實(shí)體,Arrival Style下拉菜單選擇Arrival Sequence,Number of Arrival改為12并刷新,將每個(gè)Arrival的ItemType依次改為1.00-12.00并在Repeat Schedule/Sequence前面打勾。在Flow選項(xiàng)卡中的Send To Port下拉菜單中選擇Random Available Port,在SourceTriggers選項(xiàng)卡中的OnExit下拉菜單中選擇Set Color By ItemType,點(diǎn)擊確定按鈕完成Source實(shí)體的參數(shù)設(shè)置。

第二,對(duì)于Processor實(shí)體,Processor Time下拉菜單中選擇By ItemType(indirect)并編寫代碼,比如在Processor2中編寫如下代碼:case1:return45;case2:return45;case3:return50;case4:return50;case5:return45;case6:return45;case7:return47;case8:return50;case9:return48;case10:return45;case11:return46;case12:return48;default:return 0;這會(huì)使得處理器2按照表1中的時(shí)間對(duì)到達(dá)的臨時(shí)實(shí)體按照其類型進(jìn)行不同時(shí)間的處理。其余處理器實(shí)體做同樣的設(shè)置。

第三,對(duì)于Queue實(shí)體,其最大容量設(shè)為10。因?yàn)镼ueue實(shí)體連接的是不同的工序所對(duì)應(yīng)的加工機(jī)械,并且各工序中的機(jī)械都是功能相同,因此,在Flower選項(xiàng)卡中Send To Portable下拉菜單中選擇Random Available Port,即Queue實(shí)體在向下游實(shí)體發(fā)送臨時(shí)實(shí)體時(shí),會(huì)檢查下游實(shí)體是否空閑并向其發(fā)送臨時(shí)實(shí)體。

各種參數(shù)都設(shè)置完畢后對(duì)各個(gè)實(shí)體進(jìn)行連接。建立好連接后的模型如圖2所示。

(三)仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

編譯模型,重置模型并運(yùn)行模型。在仿真運(yùn)行中,可以實(shí)時(shí)觀察模型運(yùn)行情況。在透視圖中可以清晰的看出,在模型開始運(yùn)行不久,Queue2就開始出現(xiàn)產(chǎn)品積壓等待加工現(xiàn)象,但Queue1未出現(xiàn)產(chǎn)品等待加工現(xiàn)象。隨著模型運(yùn)行時(shí)間變長,Queue2的積壓現(xiàn)象也變的越來越嚴(yán)重,當(dāng)模型運(yùn)行到9000s時(shí),由于Queue2得最大容量限制為10,當(dāng)Queue2容量達(dá)到其最大容量時(shí),第2道工序上的產(chǎn)品加工完成后不能送往Queue2,從而使得該工序上已加工完成的產(chǎn)品停滯在本工序加工機(jī)器上,并由此而造成了Queue1也出現(xiàn)產(chǎn)品積壓現(xiàn)象,如圖3所示。

通過對(duì)模型的分析可以發(fā)現(xiàn),Queue2出現(xiàn)產(chǎn)品積壓主要是由于第3道工序中的加工機(jī)械不能及時(shí)的處理產(chǎn)品所導(dǎo)致的,這可以從第3道工序加工機(jī)械的數(shù)據(jù)中看出。第3道工序中的兩臺(tái)設(shè)備的使用率高達(dá)98%,而第2道工序和第4道工序中的設(shè)備使用率分別為70%和84%。由此可見,此加工流程的瓶頸工序?yàn)榈?道工序的連鑄機(jī)。

企業(yè)為了使工件加工流程更加順暢并減少在制品的積壓,可以通過對(duì)模型的進(jìn)一步優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化方案可以在第3道工序中增加連鑄機(jī)數(shù)量。首先在模型中增加一臺(tái)連鑄機(jī),新增加的連鑄機(jī)的處理時(shí)間參照第3道工序中第1臺(tái)連鑄機(jī)的處理時(shí)間,其他實(shí)體的參數(shù)不變,編譯后運(yùn)行模型。從模型的運(yùn)行來看,生產(chǎn)加工過程中沒有出現(xiàn)在制品的積壓,模型運(yùn)行到10000s時(shí)仍然沒有出現(xiàn)積壓現(xiàn)象,并且第3道程序的連鑄機(jī)的使用率降低到了67%,其他的設(shè)備使用率也都低于85%?？梢?優(yōu)化后的模型加工過程更加順暢,加工效率也更高。

四、結(jié)論

本文以某個(gè)企業(yè)的實(shí)際加工流程為例,對(duì)其生產(chǎn)加工流程在Flexsim軟件中進(jìn)行仿真研究,通過模型的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)加工過程中的瓶頸工序,并提出改進(jìn)方案,優(yōu)化加工流程,結(jié)果證明了優(yōu)化方案的有效性。

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(作者單位:河南工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院。其中,劉哲為副教授、博士)