基于WITNESS的FMS物流系統(tǒng)仿真研究

趙月霞，惠 娜，韓美貴（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京210031）

ZHAO Yue-xia,HUI Na,HAN Mei-gui (Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

為了同時提高制造業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，提高企業(yè)在日益激烈的市場環(huán)境中的競爭力，柔性制造系統(tǒng) （FMS）被生產(chǎn)企業(yè)所重視而成為現(xiàn)代生產(chǎn)方式的主流[1]?？v向分析，F(xiàn)MS主要是由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，而FMS的物流系統(tǒng)主要包括三個流：工件流、工具流和配套流[2]。

使用仿真技術(shù)研究FMS這樣一個高度離散和復(fù)雜的系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢，因此學(xué)者們在該問題的研究上做了大量工作，并取得了一定成果，比較有代表性的有：王守海[3]利用Flexsim對柔性制造車間綠色物流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，針對物流系統(tǒng)存在的問題，提出了優(yōu)化設(shè)計方案。喻明、吳澄[4]針對FMS的調(diào)度問題，考慮到多臺機(jī)器、機(jī)器不可靠及緩沖庫容量有限等特點，在滿負(fù)載平衡的條件下，建立了一種近似的布朗網(wǎng)絡(luò)模型，然后鑒于求解這個模型的最優(yōu)控制問題而得到的最優(yōu)隊長和最優(yōu)空閑時間，提出了一種最優(yōu)控制策略，包括排序策略和輸入控制策略。王卡停、吳鐵軍[5]利用petri網(wǎng)理論建立了FMS物流系統(tǒng)的petri網(wǎng)模型，并結(jié)合事件調(diào)度法和活動掃描法兩種仿真策略，編制了寶鋼鋼管分公司高壓鍋爐管線物流仿真軟件。通過分析仿真結(jié)果對實際的生產(chǎn)物流系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析和研究。參考文獻(xiàn)表明，對FMS物流系統(tǒng)的研究大多集中在建模方法上，仿真研究較少。因此，通過物流仿真軟件建立FMS物流系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行實證研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 問題描述及研究目的

某柔性制造車間以來料加工為主，通過加工各種原材料鋼管，生產(chǎn)不同品種的管材件。該工廠的主體生產(chǎn)單位是管材加工車間，擁有近30臺打扁、銑、沖、鉆、切管機(jī)等加工設(shè)備。管材加工車間分為3個作業(yè)單元，分別是原材料區(qū)、生產(chǎn)加工區(qū)和產(chǎn)品檢驗區(qū)。

生產(chǎn)加工區(qū)是由各種不同的機(jī)床組成的，分為緩存區(qū)、切管、打扁、銑弧口、沖弧口、鉆空、去毛刺等7個基本作業(yè)單元；產(chǎn)品檢驗區(qū)分為緩存區(qū)、檢驗、分類打捆3個基本作業(yè)單元。該工廠現(xiàn)在主要生產(chǎn)A1、A2、B、C、D1、D2六種管材產(chǎn)品，分別是由四種不同的原材料鋼管經(jīng)過各自的工序加工制成的，而A、D兩種管材原料及加工路線均相同，只不過型號不同，不同型號的管材在每臺設(shè)備上的加工時間不同。具體工序及相關(guān)數(shù)據(jù)如下表表1所示。

表1 產(chǎn)品加工工序及時間參數(shù)

產(chǎn)品的計劃投產(chǎn)批量方案：5,5,4,5,4,3。

產(chǎn)品的計劃投產(chǎn)間隔為均值為95分鐘的possion分布，即不同批次的原材料從原料區(qū)出發(fā)，以時間間隔為均值為95分鐘的possion型隨機(jī)變量到達(dá)切管機(jī)器組。

如果一項作業(yè)在特定時間到達(dá)車間，發(fā)現(xiàn)該機(jī)器組全都忙著，該作業(yè)就在該機(jī)器組處排入一個FCFS規(guī)則的隊列，如果前一天沒有完成任務(wù)，第二天繼續(xù)加工。在特定機(jī)器上完成一個工序的時間是一負(fù)指數(shù)型隨機(jī)變量，它的平均值取決于作業(yè)的類別以及機(jī)器組的類別。

其加工過程的流程圖如圖1所示。

圖1 加工系統(tǒng)模型流程圖

研究目的：建立FMS物流系統(tǒng)的仿真模型，從物流的角度對柔性制造車間進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2 對FMS物流系統(tǒng)三個流的描述

物料在加工車間從原材料區(qū)出發(fā)，運輸至生產(chǎn)加工區(qū)，在這里被加工制造成各種產(chǎn)品后，再由叉車運輸至產(chǎn)品檢驗區(qū)，檢驗合格的產(chǎn)品在檢驗區(qū)分類打捆后運往倉庫，不合格的產(chǎn)品進(jìn)入廢物回收區(qū)，這些原材料、半成品、成品在系統(tǒng)中的流動構(gòu)成了該系統(tǒng)的工件流。

由于切管、沖弧口、鉆孔、去毛刺等機(jī)器上能夠加工不同的原材料，但是在加工不同的原材料時需要更換刀具，所以在每臺機(jī)器上都有專門的工具庫，當(dāng)加工不同的原料時，機(jī)器自動調(diào)整或由人工干預(yù)更換刀具，刀具的流動就構(gòu)成了該系統(tǒng)的刀具流。

由于每種原材料在剛進(jìn)入系統(tǒng)時形狀等是差不多的，機(jī)器不能識別是哪種材料，需要不斷更換刀具，所以在原材料進(jìn)入系統(tǒng)時先由人工將其分類，給每個原材料加上一個托盤，相同的原材料的托盤上具有相同的條形碼，當(dāng)原材料進(jìn)入機(jī)器時，機(jī)器可以根據(jù)條形碼自動識別是哪種原料，當(dāng)原料加工成成品后，托盤與成品分離，托盤由人工搬回托盤區(qū)。托盤在系統(tǒng)中的流動構(gòu)成了該FMS物流系統(tǒng)的配套流。

3 模型的假設(shè)

假定原材料的到達(dá)間隔時間服從possion分布，供給無缺貨現(xiàn)象發(fā)生；原材料接受加工的時間服從負(fù)指數(shù)分布；各個緩沖區(qū)的容量假定是無限的；同一機(jī)器組不同機(jī)器的服務(wù)質(zhì)量相同且運轉(zhuǎn)正常無故障；原料從各個站點出來以后，到達(dá)下一級服務(wù)站的到達(dá)率服從possion分布；檢驗合格率為90%。

4 仿真模型的建立

應(yīng)用witness仿真軟件，建立仿真模型，模型的可視化設(shè)計如圖2所示。

以管材車間的統(tǒng)計參數(shù)作為仿真的初始化參數(shù)，設(shè)置仿真鐘14 400分鐘，進(jìn)行仿真試驗，A1、A2、B、C、D1、D2六種產(chǎn)品的平均生產(chǎn)時間與管材的實際加工時間差距不大。將該仿真模型的仿真結(jié)果與排隊論模型的結(jié)果比較，機(jī)器的利用率都相差不大，在允許的誤差范圍內(nèi)。因此，我們認(rèn)為該模型是符合可信度要求的。

5 實驗設(shè)計與仿真結(jié)果的分析

模型運行14 400分鐘，通過對仿真報表的分析，我們發(fā)現(xiàn)：（1）產(chǎn)品在系統(tǒng)中的平均逗留時間在4 000分鐘左右，是相關(guān)工序的總服務(wù)時間的30倍以上。因此，系統(tǒng)存在改善余地。（2）切管緩沖區(qū)和去毛刺緩沖區(qū)的隊長還是比較大的，可以推測是切管或者去毛刺的機(jī)器組的生產(chǎn)負(fù)荷不夠。（3）切管機(jī)組和去毛刺組機(jī)器的利用率都在90%以上，進(jìn)一步驗證第2步的推測是正確的。

根據(jù)該工廠的實際情況，該廠的原料投產(chǎn)批量是固定的，但是投產(chǎn)順序可以改變，又由于公司資金周轉(zhuǎn)問題，公司每種類型的設(shè)備最多能添加一臺，添加設(shè)備的總和不能超過兩臺，故針對上述模型仿真的結(jié)果分析以及工廠的實際情況，現(xiàn)提出了以下方案：（1）改變不同原料的投產(chǎn)順序；（2）在切管機(jī)組增加一臺機(jī)器；（3）在去毛刺機(jī)組增加一臺機(jī)器；（4）在切管機(jī)組和去毛刺機(jī)組分別增加一臺機(jī)器。

通過對上述4種方案的仿真發(fā)現(xiàn)，方案1改變原料的投產(chǎn)順序切管機(jī)器的利用率為91%、去毛刺機(jī)組的平均利用率為96%，并沒有解決系統(tǒng)的瓶頸問題，并且產(chǎn)量為517，產(chǎn)量增幅很小，所以方案不可取。

方案2增加一臺切管機(jī)器后，雖然產(chǎn)量增加了10個，但切管機(jī)組的平均利用率為79%，去毛刺機(jī)組的平均利用率為96%，切管機(jī)組的設(shè)備利用率降低了，而去毛刺機(jī)組并沒降低，所以也沒有解決系統(tǒng)的瓶頸問題，方案也不可取。

方案4增加兩臺機(jī)器后雖然產(chǎn)量了很大提高，由原來的516增長到543，但去毛刺機(jī)組的設(shè)備利用率為94%，還沒有解決系統(tǒng)的瓶頸，所以也不可取。

最后通過比較發(fā)現(xiàn)方案3是較優(yōu)的方案。經(jīng)過優(yōu)化后的模型，產(chǎn)品在系統(tǒng)中的平均逗留時間比優(yōu)化前平均降低了接近100分鐘，緩沖區(qū)內(nèi)產(chǎn)品的平均隊長也大大降低，提高了服務(wù)效率，而且切管機(jī)組和去毛刺機(jī)組的設(shè)備利用率都降低到了93%以下，并且沒有向其它機(jī)器組轉(zhuǎn)移，解除了系統(tǒng)中存在的瓶頸問題，并且產(chǎn)量由開始的516上升為543，這表明，該方案是可行的。

6 總 結(jié)

本文主要應(yīng)用witness仿真軟件針對一柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，在仿真模型的構(gòu)造中著重體現(xiàn)出工件流、工具流和配套流。通過對仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸；通過對不同改進(jìn)方案的分析，得出較優(yōu)的系統(tǒng)配置。優(yōu)化后的系統(tǒng)較原系統(tǒng)又更均衡的設(shè)備利用率、較低的產(chǎn)品逗留時間和較高的產(chǎn)量，系統(tǒng)具有了更高的柔性。但是，新方案可行與否還需要權(quán)衡成本與柔性這一二律背反問題。此外，要想確切得到新方案所有性能指標(biāo)的值，需要選取合適的置信度，進(jìn)行置信區(qū)間的估計。

[1]張海峰.基于petri網(wǎng)的FMS物流系統(tǒng)建模及仿真[D].西安：西安理工大學(xué) （碩士論文），2007.

[2]王紅軍.基于eM-plant的FMS仿真建模技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝，2004(5):9-11.

[3]王守海.制造車間綠色生產(chǎn)物流決策模型及其仿真研究[D].武漢：武漢科技大學(xué) （碩士論文），2007.

[4]喻明，吳澄.柔性制造系統(tǒng)的一種建模方法及最優(yōu)控制策略[J].控制理論與應(yīng)用，1993,10(5):529-530.

[5]王卡停.柔性制造系統(tǒng)的petri網(wǎng)物流仿真[D].杭州：浙江大學(xué) （碩士論文），2001.

[6]Bruno,et al.Petri net based Object-oriented modeling of distributed systems[J].ACM SIGPLAN,1986(10):284-293.

[7]陸萍.基于排隊論的柔性制造系統(tǒng)建模[J].科技信息，2008(32):269.