基于Witness的某企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)改進(jìn)仿真研究

趙美云 許和國(guó) 瞿 夔

(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002)

目前生產(chǎn)系統(tǒng)的改進(jìn)和運(yùn)行管理面臨著許多問(wèn)題,如系統(tǒng)的復(fù)雜性難以評(píng)估設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中生產(chǎn)調(diào)度困難和系統(tǒng)適應(yīng)性差等[1].制造系統(tǒng)的改進(jìn)依賴于系統(tǒng)的合理建模與分析.然而,制造系統(tǒng)一般都屬于復(fù)雜的離散事件系統(tǒng),具有動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性等特點(diǎn).傳統(tǒng)的建模與分析方法大多基于數(shù)學(xué)抽象,不能真實(shí)地反映實(shí)際系統(tǒng)的諸多特性[2],計(jì)算機(jī)仿真作為一種系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)分析方法,能把生產(chǎn)資源、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、庫(kù)存等信息動(dòng)態(tài)地結(jié)合起來(lái),以系統(tǒng)活動(dòng)過(guò)程的“復(fù)現(xiàn)”代替以往數(shù)學(xué)單純的抽象描述,表達(dá)形式易于理解,能全面反映制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)活動(dòng)過(guò)程和特征,因此為制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供了理想手段[3].

Witness仿真軟件,是一個(gè)關(guān)于生產(chǎn)、運(yùn)輸、規(guī)劃等的仿真軟件.先用該軟件建立起一個(gè)抽象的模型,然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的模擬運(yùn)行,就可以得到模型的生產(chǎn)產(chǎn)量、生產(chǎn)設(shè)備的利用率、物料配送及生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題的報(bào)告,仿真得到的數(shù)據(jù)為實(shí)際生產(chǎn)線的規(guī)劃、運(yùn)行提供了量化的依據(jù),可以預(yù)先測(cè)算出生產(chǎn)線運(yùn)行中可能發(fā)生的生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)管理等方面的問(wèn)題.Witness軟件的特點(diǎn)之一就是可以顯示生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的整個(gè)過(guò)程,讓使用者可以清楚地了解到生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題,及時(shí)地對(duì)模型的參數(shù)(對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù))進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)物流系統(tǒng)的優(yōu)化配置.

本文基于離散事件仿真軟件Witness建立該公司生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型,找到影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié),然后再對(duì)此環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真,得到影響關(guān)鍵環(huán)節(jié)的因素,針對(duì)這些因素提出改善方法,從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率,節(jié)約成本.

1 問(wèn)題描述

某機(jī)電有限公司是一家專門從事精密塑膠產(chǎn)品制造的公司,從事精密塑膠模具開(kāi)發(fā)制造、精密注塑、無(wú)塵裝、手機(jī)按鍵制作等業(yè)務(wù),是集生產(chǎn)、銷售于一體的股份制有限公司.該公司的生產(chǎn)系統(tǒng)主要分4個(gè)車間,分別是注塑車間、涂裝車間、按鍵車間和裝配車間,各車間的供需關(guān)系如圖1所示.各車間生產(chǎn)的產(chǎn)品由于工藝不同,一部分用于下一工序,一部分直接出貨.當(dāng)車間的生產(chǎn)能力不能滿足需求的時(shí)候,不得不采用外協(xié)加工的方式滿足需求.如表1所示為2010年各車間1～4月的供需表.

圖1 某企業(yè)各車間供需結(jié)構(gòu)圖

表1 四車間1～4月供需占比表

從表1中的供需占比表上可以看出注塑車間的產(chǎn)能并不能完全滿足涂裝、按鍵、裝配的需求;涂裝車間的產(chǎn)能也不能滿足裝配的需求.1～4月涂裝車間需求缺口是80.65萬(wàn)件;裝配車間的缺口是76萬(wàn)件;按鍵車間的缺口是154.32萬(wàn)件,這些缺口全部靠外協(xié)來(lái)補(bǔ)給.外協(xié)的增多直接增加了生產(chǎn)的成本,限制了公司的發(fā)展,直接影響到公司的交貨期,對(duì)公司會(huì)造成許多負(fù)面的作用.

造成這一現(xiàn)象的原因到底是企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備不足還是其他原因,現(xiàn)在還無(wú)法得出結(jié)論,所以這里建立生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型,從中找出問(wèn)題存在的關(guān)鍵原因.

2 仿真模型的建立及分析

2.1 整體生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型的建立和分析

(1)模型的建立

該公司的生產(chǎn)工藝流程是原料由注塑車間成型,然后大約13%的產(chǎn)品直接出貨,21%的產(chǎn)品進(jìn)入到按鍵車間,22%的產(chǎn)品進(jìn)入到裝配車間,44%的產(chǎn)品進(jìn)入到涂裝車間,然后涂裝車間有49%的產(chǎn)品輸入到裝配車間進(jìn)行加工,51%的產(chǎn)品直接出貨,按鍵車間和裝配車間均全部出貨.注塑車間的加工周期是15min、涂裝車間的加工周期設(shè)置180 min、裝配車間的加工周期是200 min、按鍵車間的加工周期是150 min.原材料批量進(jìn)入規(guī)則為服從均值為50的指數(shù)分布.各個(gè)實(shí)體元素的顯示特征定義設(shè)置如圖2所示.

圖2 某企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型圖

(2)模型運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析

模型仿真鐘的時(shí)間單位為min,運(yùn)行147840 min (60min×22h×28d×4個(gè)月)仿真時(shí)間,也就是仿真實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中1～4月的生產(chǎn)時(shí)間,得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 某企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出涂裝車間、裝配車間、按鍵車間的空閑率都達(dá)到了60%,而注塑車間的利用率達(dá)到100%,處于非常忙碌的狀態(tài),整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備利用率十分不均衡,注塑車間是影響生產(chǎn)率的瓶頸工序.

2.2 瓶頸工序模型的建立及分析

從公司生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真,可知注塑車間是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸,因此需要建立注塑車間的仿真模型,并對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出影響注塑車間產(chǎn)能的主要因素,并進(jìn)行改善.

(1)模型的建立

注塑車間就是將原材料成型,原料由原料倉(cāng)進(jìn)入到注塑車間的原料暫放區(qū),進(jìn)入規(guī)則是每分鐘兩批,每批的批量是20包,原材料進(jìn)入的最大值是10000,然后通過(guò)注塑機(jī)注塑成型,輸入到成品暫放區(qū),再用搬運(yùn)機(jī)器將產(chǎn)品搬運(yùn)到半成品A倉(cāng),因?yàn)楣旧a(chǎn)的產(chǎn)品大多是多品種小批量,每次更換產(chǎn)品型號(hào)就需要更換模具,那樣注塑機(jī)就要停止工作等待,一般換模時(shí)間為240min.由于有些設(shè)備比較陳舊,故注塑機(jī)會(huì)產(chǎn)生一些故障,經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,故障發(fā)生間隔時(shí)間服從均值為1 800 min的負(fù)指數(shù)分布,每次故障平均維修時(shí)間為均值240min的負(fù)指數(shù)分布.每臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)一個(gè)批量的時(shí)間為300min,該公司注塑車間共有注塑機(jī)34臺(tái),并且全部投入使用.注塑車間各個(gè)實(shí)體元素的顯示特征定義設(shè)置如圖3所示.

圖3 某企業(yè)注塑車間仿真模型圖

(2)模型運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析

模型運(yùn)行147840min(60min×22h×28d×4個(gè)月)仿真時(shí)間,也即是仿真實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中1～4月的生產(chǎn)時(shí)間,得到各機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3 各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

從表3中可以看出注塑車間的設(shè)備利用率僅55%左右,而換模時(shí)間占有率達(dá)到了40%以上,設(shè)備故障率也占有一定的比例,嚴(yán)重影響了車間的產(chǎn)能,所以注塑車間的設(shè)備利用率成了其瓶頸問(wèn)題,應(yīng)對(duì)注塑車間設(shè)備利用率進(jìn)行改善.

3 結(jié)果分析及改進(jìn)

從企業(yè)總系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)中可以得出注塑車間是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸工序.但是從注塑車間的仿真模型輸出結(jié)果來(lái)看,注塑機(jī)的利用率僅有55%左右,換模時(shí)間和故障率較高,因此不能盲目地通過(guò)增加設(shè)備的數(shù)量來(lái)解決問(wèn)題,應(yīng)從提高設(shè)備利用率上解決問(wèn)題.提出改善方案如下:

(1)縮短換模時(shí)間.通過(guò)新型換模設(shè)備的使用可以將換模時(shí)間由2009年的平均4h減少到30min.

(2)降低設(shè)備的故障率.通過(guò)培訓(xùn)規(guī)范工人的操作,加強(qiáng)對(duì)設(shè)備及模具的保養(yǎng),使故障發(fā)生的平均間隔時(shí)間由1800min增加到2500min.

(3)提高故障的排除效率.對(duì)修理工進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn),將一次故障平均排除時(shí)間由240 min減少到120 min.

將這些改善的數(shù)據(jù)替換到注塑車間仿真模型中,進(jìn)行仿真運(yùn)行使注塑車間設(shè)備使用率平均提高到88%,基本實(shí)現(xiàn)了4個(gè)車間的供需平衡,減少了外協(xié),其他車間的生產(chǎn)率也有了較大提高,從而帶動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)率的提高.其他車間也可以采用這種方法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真,可以較容易發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)生產(chǎn)效率的瓶頸環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)瓶頸車間的仿真分析,找到了生產(chǎn)系統(tǒng)許多不足的方面,例如設(shè)備利用率低、內(nèi)部供需不平衡等,這些因素都直接影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率,針對(duì)這些不足提出了改善方案,這些方案都能大大地降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率,為公司以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

[1] 王亞超.生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真——Witness系統(tǒng)與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2005:14-15.

[2] 李永先.物流系統(tǒng)仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007(7):1411-1416.

[3] 候 揚(yáng),范秀敏,嚴(yán)雋琪,等.基于仿真的制造系統(tǒng)對(duì)象建模及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS,2001 (S):42-46.