基于Flexsim的中密度纖維板生產(chǎn)線仿真建模與優(yōu)化分析

周 沫，吳金卓，王瀟雨，和寒肖

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

隨著住房建筑業(yè)的發(fā)展，無論是作為地基板材還是墻體材料，以采伐剩余物、造材剩余物等為主要原料生產(chǎn)的中密度纖維板，不消耗大徑級原木，應(yīng)用范圍廣泛，市場潛力巨大。對于生產(chǎn)企業(yè)來說，在有限的資源配置下，保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗的同時，提高生產(chǎn)效率進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是每個制造企業(yè)的理想目標(biāo)。然而，在復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)中，通過人為監(jiān)測和簡單的計算找到適宜的解決方法是很難達(dá)到最優(yōu)化的。因此，計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運而生，此技術(shù)以計算機(jī)仿真為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)制造過程進(jìn)行仿真建模，能夠快速且有效地評價不同的工藝設(shè)計方案并優(yōu)化生產(chǎn)過程，不僅可以帶動低成本效應(yīng)，對計算機(jī)仿真技術(shù)的使用還可進(jìn)一步提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，獲得更大的利潤。

張衛(wèi)德等對南京某汽車制造廠的一條生產(chǎn)線的建模和仿真過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，闡述了其基本流程和關(guān)鍵技術(shù)，體現(xiàn)了Flexsim在生產(chǎn)線仿真中的優(yōu)越性[1]。曹玉華等運用Flexsim仿真軟件對浙江某公司煉漂車間生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中的問題，進(jìn)而對其進(jìn)行改造，并對改造前后的生產(chǎn)線進(jìn)行對比分析，得到生產(chǎn)系統(tǒng)仿真優(yōu)化后的結(jié)果[2]。王晶以漢達(dá)精密科技股份有限公司的BSP機(jī)種裝配線為研究對象，結(jié)合企業(yè)自身產(chǎn)品的特點，利用Flexsim仿真軟件對現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行改善優(yōu)化，把系統(tǒng)仿真技術(shù)與工業(yè)工程平衡理論相結(jié)合，解決了生產(chǎn)實際問題，獲得了顯著的效果，生產(chǎn)效率明顯提高[3]。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的大型仿真軟件有AutoMod、Witness、Arena、Flexsim、eM-Plant、SIMAnimation、Show Flow 等專業(yè)仿真軟件。Flexsim是由美國Flexsim公司開發(fā)的，是迄今世界上第一個在圖形環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件。該仿真軟件的重要特點是可建立三維立體模型，顯示能力強，所包含的實體對象也很完備，與其他仿真軟件不同的是“拖拽式”實體對于建模來說方便快捷，可以直接在個人電腦上運行。與現(xiàn)實系統(tǒng)相比，使用Flexsim仿真軟件，可以創(chuàng)建真實系統(tǒng)的3D計算機(jī)模型，較研究實際系統(tǒng)可以節(jié)省更多時間與成本。

本文依托計算機(jī)仿真技術(shù)，運用Flexsim6.0仿真軟件，對黑龍江省某木材廠生產(chǎn)12mm厚度的中密度纖維板產(chǎn)線的實際生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真建模，把成型的生產(chǎn)線實體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成仿真模型，應(yīng)用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，通過模型運行后輸出的數(shù)據(jù)報告分析現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的不足并提出改進(jìn)方法，為企業(yè)進(jìn)一步提高生產(chǎn)線生產(chǎn)率提供理論支持。

2 黑龍江省某木材廠中密度纖維板生產(chǎn)工藝流程

通過對黑龍江省某木材廠中密度纖維板生產(chǎn)流程的實地考察，了解該木材廠中密度纖維板生產(chǎn)工藝流程，如圖1所示。該木材廠采用干法生產(chǎn)中密度纖維板。由于該工藝流程復(fù)雜且整個生產(chǎn)線很長，因此，在不影響仿真精度的基礎(chǔ)上，可以對該木材廠中密度纖維板生產(chǎn)流程進(jìn)行相應(yīng)簡化。

圖1 某集團(tuán)MDF生產(chǎn)工藝流程

將該廠中密度纖維板生產(chǎn)流程簡化為四部分。由于對原材料加工工藝段進(jìn)行建模優(yōu)化沒有較大的現(xiàn)實意義，因此在建模時統(tǒng)歸為備料階段，直接連接到模型的第一道工序，也是第一部分—干纖維料倉工序。第二部分是成型（前處理）工序段，包括纖維鋪裝成型、板坯齊邊、板坯橫截、板坯裝板和板坯熱壓工序。第三部分為后處理過程，包括毛板的卸板、毛板冷卻、毛板縱橫鋸邊、毛板陳放和毛板砂光。最后一部分是成品打包入庫過程，包括成品檢驗、成品打包和成品入庫。

3 仿真建模與優(yōu)化分析

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）備料工序段。以工作時間280d（一年工作時間）作為一個生產(chǎn)周期，根據(jù)木材廠生產(chǎn)計劃表中的數(shù)據(jù)得知所需的原材料計劃總數(shù)量為108 901.26t。在仿真模型的建立過程中，假設(shè)生產(chǎn)原材料是充足的。

（2）成型（前處理）工序段。該工序段包括以下工序：

①纖維鋪裝成型。纖維鋪裝成型工序所使用的設(shè)備是傳送帶裝置，其實際運行速度為15m/min。

②板坯齊邊：該工序加工時間較短，僅為3-5s的時間。

③板坯橫截：由于受到傳送帶實際運行速度的限制，在鋪裝傳送帶運行速度為15m/min的情況下，將板坯截成3塊雙幅板為5m的板坯（橫截后為兩塊同等大小厚度的板坯）。

④板坯裝板：是由裝板機(jī)進(jìn)行操作，待板坯裝板暫存區(qū)堆積12塊板坯后進(jìn)行成批熱壓處理。

⑤板坯熱壓工序：在此工藝生產(chǎn)中，采用多層間歇式熱壓機(jī)進(jìn)行實際操作，經(jīng)過一次熱壓處理出一車即12張雙幅毛板，合計0.875m3，從而才能達(dá)到熱壓機(jī)的額定輸出。

（3）后處理工序段

①毛板卸板：是繼板坯熱壓工序之后進(jìn)行的，一般需要10s。

②毛板冷卻：采用冷卻翻板機(jī)設(shè)備，一般需要15min，即900s。

③毛板縱橫鋸邊：繼冷卻工序后進(jìn)行，在實際生產(chǎn)中由于加工時間短，處于能力過剩的狀態(tài)，加工時間一般為3-5s左右。

④毛板陳放：在毛板縱橫鋸邊與毛板陳放兩個工序添置一個暫存區(qū)，需要將毛板陳放48h后，再進(jìn)行下一道工序。一般在陳放處堆積兩天的產(chǎn)量。

⑤毛板砂光：采用砂光機(jī)設(shè)備，是在毛板陳放48h后進(jìn)行的最后一道后處理工序。

（4）成品檢驗，打包入庫工序段。一般來說，在設(shè)備沒有出現(xiàn)大故障的情況下，成板的質(zhì)量也不可能都是優(yōu)等板。根據(jù)以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，大約95%的成板為優(yōu)等板，大約3%的成板為合格板，其余為等外板。每一部分的成板都需要打包，在實際生產(chǎn)過程中，需要人工進(jìn)行打包處理。不存在廢板回收工序。

3.2 仿真模型的建立

對實際生產(chǎn)模型進(jìn)行仿真的目的就是對所建立的生產(chǎn)模型仿真結(jié)果進(jìn)行分析并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化。所以，要有針對性地建立與生產(chǎn)過程有關(guān)的模型，而對于與生產(chǎn)過程無關(guān)或?qū)ιa(chǎn)過程影響不大的設(shè)備或者過程等就可以適當(dāng)簡化，使得所建立的仿真模型確切地反映實際的情況，不必要將所有的細(xì)節(jié)全部仿真出來。

因此，根據(jù)黑龍江省某木材廠中密度纖維板工藝流程，結(jié)合生產(chǎn)概念模型，利用Flexsim建立木材廠中密度纖維板生產(chǎn)制造系統(tǒng)的仿真模型，并按照實際生產(chǎn)情況設(shè)置各個模塊的參數(shù)和屬性。

通過調(diào)查木材廠生產(chǎn)線的實際情況，收集到的數(shù)據(jù)如下：該木材廠中密度纖維板生產(chǎn)線年產(chǎn)量計劃為62 814.75m3，折合約1 722 919張成板。一年工作時間為280天，工人工作班次使用兩班制（即一天工作24h），且在生產(chǎn)過程中沒有廢板回收。

根據(jù)各工序的加工時間以及運行速度進(jìn)行約束，確定工序組合。從實體庫中找到所需要的實體類型，在模型中生成所有實體（1個Source，3個Queue，2個Processor，1個Sink等）放在模型視圖中，調(diào)整適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｐ薷墓潭▽嶓w的名稱，修改名稱后的模型如圖2所示，即建立的初步仿真模型。

初步模型建立后，根據(jù)之前收集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各個模塊的參數(shù)設(shè)置。經(jīng)重置后將停止時間設(shè)置為24 192 000s，即仿真模擬一年280d工作時間的實際生產(chǎn)情況，再點擊仿真時間控件“運行（Run）”來運行模型。

圖2 初步模型

3.3 仿真結(jié)果統(tǒng)計與分析

由于Flexsim是實時的仿真軟件，在仿真過程中，可對每一個生產(chǎn)工序如纖維鋪裝成型、各個暫存區(qū)等輸出標(biāo)準(zhǔn)報告及狀態(tài)報告和輸出統(tǒng)計餅狀圖來檢測其當(dāng)前的狀態(tài)，也可以在仿真結(jié)束后輸出匯總報告。標(biāo)準(zhǔn)報告的輸出變量主要包括當(dāng)前容量、最小容量、平均容量、輸入、輸出等變量。狀態(tài)報告的輸出變量主要包括對象的空閑時間（即工作時間內(nèi)沒有執(zhí)行有效工作任務(wù)的那段時間）、加工時間、阻塞、空載運行時間、裝載運行時間、裝載時間、卸載時間等變量。

仿真結(jié)束時的部分匯總輸出結(jié)果見表1。此表是仿真模型運行一個周期即280天（24 192 000s）所得出的部分輸出結(jié)果報告，其統(tǒng)計了各個工序?qū)嶓w的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

表1 Flexsim部分輸出結(jié)果報告

模型運行過程中，可以隨時統(tǒng)計某一道工序的狀態(tài)，如空閑狀態(tài)等。例如，對板坯橫截的屬性統(tǒng)計分析，可以得到板坯橫截的餅狀圖，如圖3所示。從餅狀圖上能夠清楚地看到板坯橫截在一定運行時間的各評價指標(biāo)所占的百分比等仿真結(jié)果，如空閑時間占57.3%。

由仿真結(jié)束時所得到的輸出結(jié)果匯總報告可知，仿真模型中成品入庫量即Sink接受數(shù)量為1 723 001張成板，計劃生產(chǎn)表中的生產(chǎn)計劃量約為1 722 919張板，相差約0.39%的成品數(shù)量，相差不足1%，因此，建立的初步模型在未進(jìn)行優(yōu)化前是符合現(xiàn)實生產(chǎn)的，驗證了所建立的仿真模型的有效性。

圖3 板坯橫截統(tǒng)計餅狀圖

通過仿真報告和統(tǒng)計餅狀圖可以看出，在板坯熱壓工序中，雖然多層熱壓機(jī)已達(dá)到額定輸出，但是其加工時間過長會造成上游工序和下游工序設(shè)備較長時間處于閑置狀態(tài)，這樣不僅僅增加了生產(chǎn)成本，而且消耗能源。從統(tǒng)計餅狀圖的各指標(biāo)百分比可以看出，此工序可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳苾?yōu)化。因此，熱壓工序參數(shù)的調(diào)整即平衡生產(chǎn)工藝是需要優(yōu)化的關(guān)鍵點，是初步建立的仿真生產(chǎn)模型的不足之處，為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)配置提供了重要的依據(jù)。

3.4 仿真模型優(yōu)化分析

對模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，就需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，保證系統(tǒng)的流暢性，利用生產(chǎn)平衡理論，即對生產(chǎn)線上的各工序進(jìn)行平均化，調(diào)整各工序的作業(yè)負(fù)荷與生產(chǎn)節(jié)拍，平衡優(yōu)化參數(shù)，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的工作效率，提高產(chǎn)線生產(chǎn)率，優(yōu)化方案如下：

（1）盡量縮短熱壓的時間，在毛板冷卻工序增加人工冷卻方法。

（2）將間歇式多層壓機(jī)更換為連續(xù)式壓機(jī)。相較于間歇式多層壓機(jī)來說，連續(xù)式壓機(jī)具有產(chǎn)能高，精度高的優(yōu)勢，并且能夠消除在生產(chǎn)線中不和諧的中斷，克服了其所存在的壓制板材厚度不均勻、原材料消耗高、能耗大的不足。

但由于更換設(shè)備需要大量投資，要經(jīng)過一系列的審批，過程復(fù)雜，短時間內(nèi)得不到優(yōu)化效果，暫且不論，故第二種優(yōu)化方法在實際生產(chǎn)過程中是目前較難實現(xiàn)的。因此，采用第一種優(yōu)化方案改進(jìn)初步生產(chǎn)模型。通過不斷調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)各模塊參數(shù)，平衡生產(chǎn)節(jié)拍，得到最優(yōu)配置參數(shù)。

操作方法如下：

①優(yōu)化板坯熱壓工序的現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)拍—1車24張成板：250s。

②纖維成型工序?qū)魉蛶俣仍O(shè)置為13m/min。

③在毛板冷卻工序處添加人工操作。

運行優(yōu)化模型并輸出仿真后的運行結(jié)果，優(yōu)化后部分輸出匯總報告見表2，板坯熱壓工序的餅狀統(tǒng)計如圖4所示。

表2 模型優(yōu)化后部分輸出報告

圖4 優(yōu)化前后熱壓餅狀統(tǒng)計圖

仿真模型優(yōu)化前后的輸出比較結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化前后模型輸出結(jié)果比較表

可以看出，在消耗相同能源的情況下，優(yōu)化模型后成品入庫量即生產(chǎn)成板量相比優(yōu)化前提高21.96%，其中利用率增長幅度較大的是板坯熱壓工序設(shè)備，提高了16.69%，設(shè)備處理率提高了12.8%，其他工位設(shè)備優(yōu)化前后變化見表4。

表4 優(yōu)化前后指標(biāo)對比

從優(yōu)化后的模型運行匯總輸出報告和以上輸出結(jié)果比較表中可以得到：（1）經(jīng)過平衡生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍，調(diào)整部分工序的工作時間，使得熱壓工序設(shè)備利用率提高，得到了優(yōu)化。（2）在仿真運行時間為24 192 000s的整個過程中，成品入庫量得到了明顯的提高。各個工序的生產(chǎn)節(jié)拍得到了協(xié)調(diào)，使得設(shè)備的利用率都有所改善，物流更加順暢。

通過建立計算機(jī)仿真模型，將各工序運行實際數(shù)據(jù)輸入仿真模型，多次進(jìn)行仿真實驗并進(jìn)行比較，調(diào)整參數(shù)，平衡生產(chǎn)線各工序節(jié)拍，可以看到生產(chǎn)線上瓶頸所在并找到解決方案。計算機(jī)仿真對于創(chuàng)建那些可能產(chǎn)生瓶頸的復(fù)雜系統(tǒng)是必不可少的，通過預(yù)先創(chuàng)建系統(tǒng)模型，可以考察各種假設(shè)的場景，同時不會產(chǎn)生改變實際系統(tǒng)時所面臨的成本和風(fēng)險。

4 結(jié)束語

利用物流仿真軟件Flexsim針對12mm厚度的中密度纖維板生產(chǎn)實際運作情況進(jìn)行仿真模擬。在仿真模型建立前，進(jìn)行實地考察并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)黑龍江省某木材廠中密度纖維板實際工藝流程，初步建立生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型，運行初步建立的模型并進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計、分析，進(jìn)而找到優(yōu)化的關(guān)鍵點。改進(jìn)初始生產(chǎn)模型，通過將優(yōu)化后模型的運行結(jié)果輸出報告與優(yōu)化前進(jìn)行對比，可以看出在消耗相同能源、同等原材料成本的情況下，通過優(yōu)化生產(chǎn)模型，可以提高年產(chǎn)量21.96%，優(yōu)化后設(shè)備利用率也都有了相應(yīng)的提高。同時，減少環(huán)境污染達(dá)到了仿真優(yōu)化的目的，為企業(yè)進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益、改進(jìn)中纖維密度板生產(chǎn)線提供了理論支持。

[1]張衛(wèi)德,嚴(yán)洪森,徐成.基于Flexsim的生產(chǎn)線仿真和應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機(jī),2005,18（9）:50-51.

[2]曹玉華,彭鴻廣,馬杭育.基于Flexsim仿真技術(shù)在生產(chǎn)線上應(yīng)用研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報,2009,21（1）:10-14.

[3]王晶.基于Flexsim的BSP機(jī)種裝配線平衡研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2010.

[4]潘金行.基于Flexsim的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化研究[D].重慶:重慶工商大學(xué),2011.

[5]Kim J,Gershwin S B.Integrated quality and quantity modeling of a production line[J].Operations Research-Spektrum,2005,27（2）:287-314.

[6]李雪紅,胡廣斌.我國中密度纖維板生產(chǎn)能力區(qū)域發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國人造板,2008,（7）:4-5,22.

[7]齊英杰,吳勃生,徐楊.我國中密度纖維板生產(chǎn)能力發(fā)展概況[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2009,37（8）:4-6.

[8]歐陽琳.中密度纖維板生產(chǎn)工藝學(xué)[J].北京木材工業(yè),1994,（1）:4-39.

[9]Yan H S,Xia Q F,Zhu M R.Integrated production planning and scheduling on automobile assembly lines[J].IIE Transactions,2003,35（8）:711-725.