提高立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化水平的Flexsim仿真

趙晶英，常 亮

(1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000;2.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

0 引言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、傳感器和自動(dòng)控制等多種技術(shù)于一體［1］，從而實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)存取及物料信息的自動(dòng)管理.目前大部分的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)均是由巷道堆垛機(jī)與剛性立體貨架結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的［2］，這種方式機(jī)械化程度高、吞吐能量大且有較強(qiáng)的應(yīng)變能力，能適應(yīng)企業(yè)所要求的多品種變形生產(chǎn)和隨時(shí)變更生產(chǎn)計(jì)劃的柔性生產(chǎn)需要.

生產(chǎn)實(shí)踐中，可以從多個(gè)角度對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化.針對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題，黃揚(yáng)波等［3］提出一種基于作業(yè)時(shí)間最短的優(yōu)化設(shè)計(jì);王雯等［4］則提出一種基于GA/AHP的調(diào)度規(guī)則優(yōu)化方法;徐香玲等［5］通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)研究出入庫(kù)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題;馬明云等［6］應(yīng)用Petri網(wǎng)理論來(lái)仿真和優(yōu)化出入庫(kù)調(diào)度問(wèn)題;段其昌等［7］根據(jù)庫(kù)位等效思想，在此基礎(chǔ)上提出螺旋排位法，可以提高堆垛機(jī)的貨物出入庫(kù)效率.筆者則以珠三角某大型電子產(chǎn)品制造企業(yè)的一個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為研究對(duì)象，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上提出一些可以提升該立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化水平并適當(dāng)改變庫(kù)存策略的改進(jìn)措施(把目前生產(chǎn)狀況下的方案稱(chēng)為當(dāng)前方案，將采取優(yōu)化措施之后的方案稱(chēng)為優(yōu)化方案，下同)，建立并運(yùn)行當(dāng)前方案及優(yōu)化方案的Flexsim仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性.

1 背景及優(yōu)化目標(biāo)

D企業(yè)是一個(gè)大型的電子產(chǎn)品制造企業(yè)，產(chǎn)品范圍涉及電腦、通訊、消費(fèi)電子、數(shù)位內(nèi)容、汽車(chē)零組件、通路等6C產(chǎn)業(yè).筆者所選擇的研究對(duì)象是該企業(yè)屬下某工廠的一個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，該工廠主要從事臺(tái)式電腦的整機(jī)、主板、機(jī)箱、零組件及服務(wù)器的機(jī)箱、主板、零組件生產(chǎn)，客戶(hù)主要分布在日本、歐美、中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣等地.

1.1 優(yōu)化背景

珠三角地區(qū)特別是深圳的勞動(dòng)力成本快速增加，D企業(yè)計(jì)劃將該工廠生產(chǎn)的部分產(chǎn)品搬遷至中國(guó)大陸的內(nèi)地進(jìn)行生產(chǎn)，在珠三角的企業(yè)總部則大力推行自動(dòng)化，成品的出入庫(kù)采用自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ).

1.2 優(yōu)化方案需要解決的問(wèn)題及目標(biāo)

需解決的問(wèn)題:在滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的條件下合理減少倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)位(面積)、提高倉(cāng)庫(kù)利用率;進(jìn)一步提升出貨效率;檢驗(yàn)優(yōu)化方案中自動(dòng)化措施的可行性.為解決這些問(wèn)題，我們提出下列目標(biāo).

(1)核心目標(biāo).優(yōu)化方案的倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)位比當(dāng)前方案減少10%.目前單體包倉(cāng)庫(kù)容量為74 880盒，多體包倉(cāng)庫(kù)容量為6 912箱，整板倉(cāng)庫(kù)容量為228板;則優(yōu)化方案中單體包倉(cāng)庫(kù)容量為67 392盒，多體包倉(cāng)庫(kù)容量為6 220箱，整板倉(cāng)庫(kù)容量為205板.

(2)倉(cāng)儲(chǔ)目標(biāo).為達(dá)到減少倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)位的核心目標(biāo)，有效提高各部分立體倉(cāng)庫(kù)的利用率是關(guān)鍵，而且要設(shè)置合理的安全庫(kù)存以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求.

(3)傳輸線(xiàn)目標(biāo).由于優(yōu)化方案中涉及到部分設(shè)備的更換或增加，所以還需確定合理的傳輸路線(xiàn)及其長(zhǎng)度、合理的輸送速度，并驗(yàn)證設(shè)備的可行性及自動(dòng)化連線(xiàn)作業(yè)的合理性.

2 優(yōu)化措施

2.1 實(shí)施單體包入庫(kù)及出庫(kù)分揀的自動(dòng)化

在單體包入庫(kù)時(shí)，當(dāng)單體包到達(dá)指定的入庫(kù)點(diǎn)，相應(yīng)位置的轉(zhuǎn)向滾筒升上來(lái)，單體包沿著轉(zhuǎn)向滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向滑入暫存區(qū)，再完成入庫(kù)流程，見(jiàn)圖1;出庫(kù)過(guò)程的分揀原理與之相同.

圖1 單體包入庫(kù)分揀的自動(dòng)化Fig.1 Single package＇s automation of incoming sorting

2.2 自動(dòng)分揀貨物

當(dāng)貨物到達(dá)分揀口時(shí)，分揀機(jī)上相對(duì)應(yīng)的出口處轉(zhuǎn)向輪啟動(dòng)預(yù)定動(dòng)作，使得物品沿分揀滾筒線(xiàn)滑向指定地點(diǎn)，見(jiàn)圖2.

圖2 自動(dòng)分揀貨物示意圖Fig.2 Sorting goods automatically

2.3 單體包轉(zhuǎn)換為多體包過(guò)程的自動(dòng)化

采用自動(dòng)開(kāi)紙箱機(jī)、自動(dòng)裝箱機(jī)、自動(dòng)封紙箱機(jī)及實(shí)時(shí)打印標(biāo)簽機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開(kāi)紙箱、自動(dòng)裝箱、自動(dòng)封裝紙箱、自動(dòng)實(shí)時(shí)打印標(biāo)簽等工序，見(jiàn)圖3.

圖3 單體包轉(zhuǎn)換為多體包的自動(dòng)化Fig.3 Automation of single conversion for multi-body

2.4 實(shí)施裹膜及打帶工序的自動(dòng)化

采用自動(dòng)裹膜機(jī)、自動(dòng)垂直(或水平)打帶機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裹膜、自動(dòng)垂直(或水平)打帶等工序，見(jiàn)圖4.

圖4 自動(dòng)裹膜及打帶系統(tǒng)Fig.4 Automatic system of wrappers membrane and print tie

2.5 實(shí)施多體包的自動(dòng)化堆棧

采用自動(dòng)棧板分配機(jī)及自動(dòng)堆棧機(jī)，自動(dòng)棧板分配機(jī)分配和發(fā)送棧板，當(dāng)棧板到達(dá)堆棧點(diǎn)，自動(dòng)堆棧機(jī)進(jìn)行作業(yè)，待自動(dòng)堆棧機(jī)作業(yè)完畢之后鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)將棧板送達(dá)倉(cāng)庫(kù)裝載點(diǎn)，見(jiàn)圖5.

圖5 多體包的自動(dòng)化堆棧Fig.5 Automation stack of multi-body package

2.6 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)措施

為進(jìn)一步規(guī)范物品存放區(qū)域、提高各區(qū)域利用率、降低相互干擾，單體包統(tǒng)一存放于重力式貨架區(qū)域，多體包及棧板則分別存放于立體倉(cāng)庫(kù)區(qū)域中的各自區(qū)域.

3 仿真模擬

運(yùn)用Flexsim軟件分別建立并運(yùn)行優(yōu)化方案及當(dāng)前方案的仿真模型，再統(tǒng)計(jì)和對(duì)比兩個(gè)方案的部分指標(biāo)以驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性.

3.1 主要參數(shù)

(1)產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn).使用該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的工廠有16條生產(chǎn)線(xiàn)，每條生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能為350件/h.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所有產(chǎn)品中使用單體包倉(cāng)庫(kù)的占15%，使用多體包倉(cāng)庫(kù)的占65%，使用整板倉(cāng)庫(kù)的占20%.

(2)出貨標(biāo)準(zhǔn).單體包與棧板的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)為160盒/棧板，多體包與棧板的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)為90箱/棧板，整板倉(cāng)庫(kù)以棧板為單位存放，出貨時(shí)每個(gè)貨柜可容納40棧板.

(3)儲(chǔ)位參數(shù).倉(cāng)庫(kù)的儲(chǔ)位分別按照1.2(1)中當(dāng)前方案及優(yōu)化方案的目標(biāo)值來(lái)設(shè)置.

(4)生產(chǎn)時(shí)間.白班為8:00至20:00，晚班為20:00至次日8:00，白班及晚班的上班中途都有2小時(shí)休息時(shí)間.

(5)出貨時(shí)間.為亞太地區(qū)客戶(hù)的出貨時(shí)間為8:30至19:30，為美洲國(guó)家客戶(hù)的出貨時(shí)間為8:00至20:30.

(6)庫(kù)存時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).實(shí)行先進(jìn)先出的規(guī)則，產(chǎn)品存放時(shí)間為5～17 h，即最小安全庫(kù)存為5 h，產(chǎn)品最多存放17 h.

3.2 建立Flexsim仿真模型

應(yīng)用Flexsim軟件為當(dāng)前方案及優(yōu)化方案分別建立仿真模型.首先是構(gòu)建立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的物理模型，筆者采取以系統(tǒng)作業(yè)流程為順序的思路，即按照生成區(qū)、緩沖區(qū)、入庫(kù)區(qū)、輸送系統(tǒng)、立庫(kù)區(qū)、出庫(kù)區(qū)的順序構(gòu)建物理模型，根據(jù)此主體流程建立起各實(shí)體間的邏輯關(guān)聯(lián).再對(duì)系統(tǒng)中各實(shí)體相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)所滿(mǎn)足的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行擬合和構(gòu)建，把擬合結(jié)果運(yùn)用到仿真模型中.

3.3 仿真模型有效性的驗(yàn)證

建立了當(dāng)前方案和優(yōu)化方案的仿真模型，優(yōu)化方案的仿真模型主要是以當(dāng)前方案的仿真模型為基礎(chǔ)，考慮到優(yōu)化措施所帶來(lái)的影響并把這種影響反映到仿真模型中.所以，關(guān)于仿真模型的有效性可以通過(guò)驗(yàn)證當(dāng)前方案仿真模型的運(yùn)行指標(biāo)和實(shí)際系統(tǒng)的吻合程度來(lái)觀察.

通過(guò)觀察當(dāng)前方案仿真模型的主要運(yùn)行指標(biāo)，例如單體包倉(cāng)庫(kù)的最大庫(kù)存，單體包倉(cāng)庫(kù)、多體包倉(cāng)庫(kù)及整板倉(cāng)庫(kù)在一個(gè)庫(kù)存周期的庫(kù)存變化趨勢(shì)，在當(dāng)前生產(chǎn)速度和出貨速度下所能達(dá)到的最大安全庫(kù)存水平等指標(biāo)，經(jīng)過(guò)研究人員與該立體倉(cāng)庫(kù)的技術(shù)人員和管理人員確認(rèn)，一致認(rèn)為筆者所建立的仿真模型能夠反應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況.

3.4 仿真模型的運(yùn)行及部分指標(biāo)

(1)單體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化及倉(cāng)庫(kù)最大利用率.當(dāng)前方案中，單體包倉(cāng)庫(kù)在一個(gè)庫(kù)存周期(48 h，下同)的庫(kù)存變化見(jiàn)圖6，最高庫(kù)存水平為28 579盒，其最大利用率為 28 579/74 880=38.17%;優(yōu)化方案中，單體包倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)存變化見(jiàn)圖6，最高庫(kù)存水平為34 055盒，其最大利用率為34 055/67 392=50.53%.優(yōu)化方案中單體包倉(cāng)庫(kù)的最大利用率比當(dāng)前方案提高12.36%.

圖6 單體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化圖Fig.6 Single package warehouse variations

(2)多體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化及倉(cāng)庫(kù)平均利用率.以仿真模型的運(yùn)行結(jié)果為數(shù)據(jù)源，當(dāng)前方案的多體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化見(jiàn)圖7，仿真模型的運(yùn)行結(jié)果還顯示其倉(cāng)庫(kù)平均利用率為68.76%;同理，優(yōu)化方案的多體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化見(jiàn)圖7，其倉(cāng)庫(kù)平均利用率為74.08%.優(yōu)化方案中多體包倉(cāng)庫(kù)的平均利用率比當(dāng)前方案提高5.32%.

圖7 多體包倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化圖Fig.7 Multi-body package warehouse variations

(3)整板倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化及倉(cāng)庫(kù)平均利用率.當(dāng)前方案中整板倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化見(jiàn)圖8，仿真模型的運(yùn)行結(jié)果顯示倉(cāng)庫(kù)平均利用率為61.62%;同理，優(yōu)化方案中整板倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化見(jiàn)圖8，其倉(cāng)庫(kù)平均利用率為62.89%.優(yōu)化方案中整板倉(cāng)庫(kù)的平均利用率比當(dāng)前方案提高1.27%.

(4)安全庫(kù)存.當(dāng)前方案最多可設(shè)置15 h的安全庫(kù)存，優(yōu)化方案最多可以設(shè)置12 h的安全庫(kù)存.盡管優(yōu)化方案的最大安全庫(kù)存時(shí)間比當(dāng)前方案小，但優(yōu)化方案已能夠滿(mǎn)足該工廠5 h的安全庫(kù)存需要.

圖8 整板倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存變化圖Fig.8 Entire board warehouse variations

4 結(jié)論

立足于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的現(xiàn)有設(shè)施，在不需要增加大量設(shè)備的情況下，通過(guò)采取一些提高立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化水平的措施，在同樣滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的條件下達(dá)到了將全部倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)位減少10%的核心目標(biāo).依據(jù)仿真模型的運(yùn)行結(jié)果將優(yōu)化方案和當(dāng)前方案進(jìn)行比較:單體包倉(cāng)庫(kù)的最大利用率提高12.36%，多體包倉(cāng)庫(kù)的平均利用率提高5.32%，整板倉(cāng)庫(kù)的平均利用率提高1.27%.由于優(yōu)化方案中的倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)位被壓縮，所以?xún)?yōu)化方案的最大安全庫(kù)存時(shí)間比當(dāng)前方案的最大安全庫(kù)存時(shí)間減少3 h，但是優(yōu)化方案中12 h的最大安全庫(kù)存時(shí)間仍然遠(yuǎn)大于該工廠5 h的安全庫(kù)存需要.

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