基于Flexsim的混合流水線系統(tǒng)仿真與優(yōu)化*

孟 哲，王紅軍

（北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192）

基于Flexsim的混合流水線系統(tǒng)仿真與優(yōu)化*

孟 哲，王紅軍

（北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192）

對某企業(yè)的一條混流生產線進行了研究，分析了其車間混流生產線加工的特點和現狀。應用工業(yè)工程方法和物流系統(tǒng)建模與仿真技術，在建立車間加工流程圖的基礎上，利用Flexsim仿真軟件建立車間系統(tǒng)加工流程模型，并進行生產線加工流程仿真。在多次優(yōu)化仿真運行的基礎上，通過對仿真數據輸出結果的分析，得出生產線“瓶頸”所在的工位。通過分析其生產特點，提出針對性的改善方案，通過對不同改善方案的實際仿真運行，對比仿真輸出結果，最后驗證得出改善方案二的可行性。

Flexsim；混流生產線；系統(tǒng)仿真；方案優(yōu)化

0 引言

在混合流水生產線中，多對象生產是其基本生產形式。其特點是：在相同的加工時間內，生產方式按照預先排定好的混合生產方式組織生產，多種類型的產品在車間流水線上混合同時生產，即把不同類型的產品按預先設定好的比例和生產順序編制成組，生產設備根據成組工藝的原理編排成組，產品按編制的組形式，在流水線上進行生產。

生產線仿真是對生產線及其生產過程進行模擬，在虛擬的環(huán)境中反應出生產制造的全過程，從而有效的確定生產瓶頸位置，有針對性地進行改善，解決流水線生產能力不平衡及效率低等問題［1-3］。Flexsim是一個集系統(tǒng)仿真、模型設計、制作與分析的三維生產系統(tǒng)仿真軟件，可以幫助企業(yè)生產者建立生產線的三維虛擬生產環(huán)境，分析設備的空閑時間、工作時間、產品在設備的等待時間、產品的平均停留時間、輸入和輸出產品數等目標。

基于生產系統(tǒng)建模及工業(yè)工程的方法，以某企業(yè)的一條混合生產線為例，對該混流生產線進行了建模與仿真，分析其生產瓶頸工位，并提出相應的改善方案，并對改善方案的可行性進行驗證。

1 Flexsim仿真軟件

Flexsim是由美國的Flexsim Software Production公司開發(fā)的，是一個基于Windows的，面向對象的仿真環(huán)境，是一款商業(yè)化的三維物流仿真軟件，它是迄今為止世界上唯一的一個在圖形建模環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件［4］。在這個軟件環(huán)境中，C++不但能夠直接用來定義模型，而且不會在編譯中出現任何問題。這樣，就不再需要傳統(tǒng)的動態(tài)鏈接庫和用戶定義變量的復雜鏈接。與早期的仿真軟件如Arena、ProModel和AutoMod相比，Flexsim有很好的面向對象性，此外，Flexsim具備上述軟件所沒有的新功能。軟件的所有可視窗體都可以向定制的用戶公開，建模者可以根據自己的需要建立部件，而且能夠一次進行多套方案的仿真實驗，這些方案能自動進行，同時Flexsim可以把仿真結果輸出到微軟的Word、Excel等大眾應用軟件里（這是其它仿真軟件不具備的功能），而且可以從Excel表中讀取數據，可以從生產線上讀取實時資料以用來分析。Flexsim具有強大的分析能力，可以解決服務、制造、物流等方面的問題，也可以按照操作人員的不同需求進行仿真分析。另外，Flexsim可以使用戶利用Microsoft Visual C++的層次體系特性進行系統(tǒng)的二次開發(fā)［5-6］。

2 混合流水線系統(tǒng)建模與仿真

2.1 混合流水線簡述

某制造型企業(yè)有5個不同的加工車間（普通車間、鉆床車間、銑床車間、磨床車間、檢測車間），加工生產三種不同類型的產品（產品A、產品B、產品C）。這三種不同類型的產品按照加工工藝需在5個不同的車間完成5道工序。車間加工流程圖如圖1所示。

假定車間設備在保持每天工作8個小時，每周5天，連續(xù)工作的條件下生產三種不同類型的產品，在加工生產過程中，通過控制不同加工順序來生產固定數量的三種產品。通過改變加工順序使產品加工時間、產品平均停留時間、在制品等待時間和負荷趨于平衡，來縮小成本和減小時間損失。

圖1 車間加工流程圖

在車間產品加工生產過程中，如果產品A在設定的時間內到達下一道加工工序時，發(fā)現該工序組的加工設備都忙著，則產品A就在該工序組機器處實施“排隊規(guī)則—等待制”，排入一個FIFO規(guī)則（Fist In Fist Out規(guī)則）的隊列的暫存區(qū)，在暫存區(qū)等待前面產品B加工完成后，產品A按照排隊規(guī)則進入加工設備，如果有前一天沒有完成的任務，第二天則繼續(xù)前一天的加工任務［7-9］。

2.2 系統(tǒng)數據收集

通過觀察裝配流水線，了解加工工序的前后關系，得知該企業(yè)生產三種不用類型的產品需要普通車床3臺，鉆床3臺，銑床2臺，磨床3臺，檢測設備1臺。通過對每道工序的觀察和計時，得到該生產線每道工序的加工時間和等待時間、一類產品每批生產數量、每道工序的故障率和解決故障所耗時間等。三種不同類型產品的加工時間數據信息如表1所示。

表1 各工序加工時間（min）

該車間生產這三種類型的產品總數量為1800個，產品A總數為1000個，每隔3 min生產一批10個；產品B總數為500個，每隔3 min生產一批5個；產品C總數300個，每隔3 min生產一批3個。

2.3 建立仿真模型并設置參數

根據圖1所示，所要建立的模型中對象實體包括1個發(fā)生器，5個暫存區(qū)，12個處理器，1個控制器，1個吸收器，發(fā)生器用來產生原材料，暫存區(qū)用來臨時存放排隊的加工工件，處理器主要是各種機床，控制器用來控制事件的觸發(fā)，吸收器用來存放成品產品，所建立的模型如圖2所示。

圖2 在Flexsim中建立的仿真模型

根據車間加工流程及表1中的數據設置各個實體對象的參數如下：

（1）指定Source實體流到達參數。雙擊Source，在屬性窗口中，在“Arrivals Editors”一欄中，添加4個Arrival。Arriavl1～Arriavl4的各個參數設置如表2所示。

表2 Source實體流參數設置

（2）設定各個車間機床加工參數。首先設定預處理車間的3臺機床加工參數，雙擊Machine1，在Process Time一欄中選擇Value By Case，根據表1中的數據設置加工時間參數。然后根據表1中的數據分別設置其他車間的機床加工時間參數。

（3）設定暫存區(qū)最大容量。雙擊Queue各個實體對象，在Maximum Content一欄中，設定暫存區(qū)最大容量為1800。

（4）設置模型停止時間。由于Flexsim的默認設置是不會自動停止模型的，然而本流水線加工的是固定總數的產品。通過對傳送帶Conveyor進行設置，可以使模型處理完1800個產品后，自動停止。雙擊Conveyor實體，選擇Triggers欄，點擊OnConveyEnd右邊的代碼編輯窗口，加入如下語句“if（condition==1799）｛stop（）；｝，即當Conveyor送走第1800個產品時，模型自動停止仿真。

2.4 仿真結果輸出與分析

編譯模型、重置模型并運行模型。在仿真運行的過程中，可以看到三種不同產品（即紅、綠、藍三種不同顏色的產品）在生產系統(tǒng)中流動，經過不同的機器組的加工，最后離開系統(tǒng)到達吸收器即倉庫所在位置，如圖3所示。

圖3 仿真運行場景

在仿真運行過程中，可以通過工具欄中的Run Speed工具（鼠標左鍵按住比例尺拖移）加快仿真模型運行速度，迅速得到仿真結果。從圖中可以看出各個工位上沒有滯留產品，并且在吸收器Storage中顯示進入1800個產品，表明所以的產品都以加工完成并進入倉庫存放。

仿真完成以后，就要對輸出結果進行分析，看是否符合企業(yè)規(guī)定的生產指標，采用以下幾個評價標準即“空閑時間、產品加工時間、產品加工完成后，在該設備等待時間、產品平均停留時間、設備輸入輸出產品數”來衡量生產線的生產狀態(tài)。當仿真運行結束后，打開Flexsim菜單欄里的Statistics菜單下的Reports and Statistics選項，選擇Summary Report選項，通過來增加以及來減少需要輸出的報告內容，使得輸出結果包含以上5個部分的數據，輸出結果如圖6所示。

從圖4中可以看出總加工運行時間是6085s，總共完成1800件產品。其中stats_input是輸入產品數，stats_output是輸出產品數，stats_staytimeavg是產品平均停留時間，idle空閑時間，processing是產品加工時間，blocked是產品加工完成后，在該設備等待時間。

從圖4輸出結果數據中可以發(fā)現，T_Queue中等待加工的產品等待時間最長，為1518.067222s，觀察其他工位的等待時間，除了傳送帶（Conveyor）10s外，均沒有超過6s的，可以認為T_Queue是整個混流生產線加工的主要“瓶頸”，如果要提高整體的生產率，就要從此處進行改善。

圖4 輸出結果

3 改善方案的提出

分析加工中出現的“瓶頸”環(huán)節(jié)［10-11］：

（1）T_Queue作為產品檢測前的暫存區(qū)，只有一個，有可能是數量不夠導致暫存區(qū)產品堆積。

（2）暫存區(qū)的產品堆積也有可能是執(zhí)行檢測任務的機床T_Machine只有一臺，數量不足導致的。

針對以上兩個原因，做出相應改善措施，在方案一中增加T_Queue為3個（與磨床組3臺機器對應），在方案二中增加T_Machine為2臺。

3.1 改善方案一

從上述分析中得知，方案一在磨床組（G_Machine）后面添加暫存區(qū)，即把磨床組（G_Machine）后面的暫存區(qū)（T_Queue）增加為3個，如圖5所示。暫存區(qū)（T_ Queue）的增加可以緩解因排隊規(guī)則引起的產品堆積。

圖5 方案一仿真模型

編譯和運行方案一的仿真模型，得到方案一的的輸出結果，如圖6所示。

圖6 方案一輸出結果

3.2 改善方案二

在暫存區(qū)（T_Queue）后面添加檢測機床，即把暫存區(qū)（T_Queue）后面的檢測機床（T_Machine）增加為2個，如圖7所示。2臺檢測機床（T_Machine）的增加可以加速三種產品快速通過質檢站，又不會因為機床數量的增加而造成整個生產線的不協(xié)調和機床的閑置。

圖7 方案二仿真模型

編譯和運行方案二的仿真模型，得到方案二的的輸出結果，如圖8所示。

圖8 方案二輸出結果

4 方案對比分析

從圖6方案一的輸出結果數據中可以看出，雖然增加了2個T_Queue暫存區(qū)，T_Queue1的產品等待時間減小了，但是新增加的T_Queue2和T_Queue3的產品等待時間依然很高。所以這種改善措施不可取。

從圖8方案二的輸出結果數據中中可以看出增加了一個T_Machine之后，T_Machine1的產品等待時間（19.596583）與改善前的時間（1518.067222）相比大大減小。所以這種改善措施在時間利用上可以采取。并且方案二的產品總加工時間為3065.333s，和改善前相比，縮短了大約一半的時間，提高了整個生產線的生產效率，經濟效益有很明顯的改善，綜合考慮可知改善后的方案二更為合理。

5 結論

本文運用Flexsim仿真軟件對某企業(yè)的混流生產線加工過程進行仿真研究，通過仿真模型的實際運行結果，找出生產線系統(tǒng)中的“瓶頸”工位，并提出針對性的改善方案，通過對方案的實際驗證，得到優(yōu)化后的系統(tǒng)相對于優(yōu)化前，其加工時間減小了50.33min，整個系統(tǒng)的生產率有較大提高，因此，本文提出的改善方案是實際有效的，為企業(yè)提高生產率、降低成本提供了有效的途徑，對實際生產具有指導性的意義。

［1］黃鵬鵬，張云，魏清.基于FLEXSIM的雜質泵生產線仿真改善［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（8）：46-48.

［2］萬鵬，王紅軍.汽車零部件生產線數字化建模及分析［J］.機械設計與制造，2012（12）：86-88.

［3］王紅軍，董婷，楊慶東.基于資源約束的凸輪軸生產線用工策略仿真［J］.北京信息科技大學學報（自然科學版），2012，27（1）：22-27.

［4］Flexsim User Guide.Version2.6［Z］.Flexsim Software Products，Inc.

［5］李鋼，安勝敏，廖俊軍.汽車涂裝生產線的優(yōu)化與仿真［J］.工業(yè)工程，2008，11（6）：71-75.

［6］William B.Nordqren.Flexsim simulation environment［C］. Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference：197-200.

［7］陳子俠，龔劍虹.物流仿真軟件的應用現狀與發(fā)展［J］.浙江工商大學學報，2007（4）：29-33.

［8］張衛(wèi)德，嚴洪森，徐成.基于Flexsim的生產線仿真和應用［J］.工業(yè)控制計算機，2005，18（9）：45-47.

［9］李文鋒，袁兵，張煜.物流系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：科學出版社，2010.

［10］王紅軍，韓秋實，柴樹峰.基于仿真的生產系統(tǒng)規(guī)劃技術研究［J］.機械設計與制造，2007（10）：205-208.

［11］曹振新.基于約束理論的制造單元瓶頸分析及對策［J］.機械設計與制造，2004（4）：109-112.

（編輯 李秀敏）

Simulation and Optimization of the Mixed Assembly Line Based on Flexsim Software

MENG Zhe，WANG Hong-jun
（School of Mechanic and Electric Engineering，Beijing Information S&T University，Beijing 100192，China）

A mixed production line of an enterprise is studied.The characteristics and situation of this mixed flow production line is analyzed.Industrial engineering methods and logistics systems modeling and simulation technology are introduced.Machining process model of workshop systems and simulation are made by Flexsim simulation software.Run and optimize simulation models many times.Through the analysis of the results of simulation output，the“bottleneck”is found in the production line.Through the analysis of‘'bottleneck''station production characteristics，a targeted improvement program is proposed.Run the simulation of the different programs many times.At last verified the feasibility of Program II through software system.

Flexsim；mixed production line；system simulation；program optimization

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）01-0142-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.040

2014-04-08；

2014-05-05

北京市自然科學基金重點項目（KZ201211232039）；國家自然科學基金（51275052）；北京市科技計劃資助項目（D121100004112001）

孟哲（1988—），男，河南焦作人，北京信息科技大學碩士研究生，研究方向為制造信息化，（E-mail）mengzhe7679@163.com。