基于數(shù)字化工廠的生產(chǎn)流程仿真與優(yōu)化

宋云鵬，孫海龍，向 雷，王 月

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；3.浙江科技學(xué)院，杭州 310023）

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化的加速發(fā)展以及現(xiàn)代物流技術(shù)的革新，使得企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)超越了原有界限，競(jìng)爭(zhēng)范圍也已從地方到區(qū)域再到國(guó)際，競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜度和激烈度也越來越高。為了提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和占領(lǐng)市場(chǎng)，制造企業(yè)新產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間越來越短，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)組織方式呈現(xiàn)了更新速度越來越快，產(chǎn)品定制化生產(chǎn)等特點(diǎn)[1]。這些新特點(diǎn)要求企業(yè)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期并加快新產(chǎn)品的上市時(shí)間，同時(shí)還需保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高生產(chǎn)線柔性，并提供產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)售后服務(wù)等多個(gè)方面。數(shù)字化工廠技術(shù)把傳統(tǒng)制造行業(yè)的設(shè)計(jì)制造規(guī)劃變?yōu)榱艘杂?jì)算機(jī)仿真為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)制造規(guī)劃，大大縮短了產(chǎn)品在工藝和流程規(guī)劃上的時(shí)間，減少了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還可以優(yōu)化生產(chǎn)資源配置，降低企業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)[2,3]。隨著計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，目前很多大型制造企業(yè)都開始了自家的數(shù)字化工廠建設(shè)，如西門子公司，數(shù)字化工廠技術(shù)在未來制造行業(yè)中應(yīng)用會(huì)越來越普遍。

1 數(shù)字化工廠概念

數(shù)字化工廠是通過采集制造企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造以及產(chǎn)品配送等在內(nèi)的所有階段進(jìn)行模擬生產(chǎn)規(guī)劃和優(yōu)化，并深入到產(chǎn)品全生命周期的一種新型組織形式，它是計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)信息化相融合的產(chǎn)物[4]。數(shù)字化工廠借助三維模型、模擬仿真系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)等現(xiàn)代信息技術(shù)，借助實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可視化手段，虛擬模型為支撐，進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的一個(gè)過程[5]。數(shù)字化工廠根據(jù)研究的角度不同有廣義和狹義的兩種概念[6]。廣義上的數(shù)字化工廠指的是以參與組織產(chǎn)品制造運(yùn)輸再到提供產(chǎn)品服務(wù)的企業(yè)為核心，把所有產(chǎn)業(yè)鏈上先關(guān)成員的信息進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)以企業(yè)為中心的虛擬制造系統(tǒng)[7]。狹義的數(shù)字化工廠指的是采集制造企業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際生產(chǎn)工藝和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，放入到計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中，通過模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過程分析存在的問題進(jìn)而優(yōu)化處理的生產(chǎn)方式[8]。本文研究的對(duì)象為某制造企業(yè)的生產(chǎn)流水線，所以涉及研究屬于狹義層面的數(shù)字化工廠。

數(shù)字化工廠是制造企業(yè)數(shù)字集成化的應(yīng)用平臺(tái)，它的最終成果表現(xiàn)是一套完善可靠的數(shù)字化管理系統(tǒng)[9]。數(shù)字化工廠包括了工廠規(guī)劃與布局，產(chǎn)品導(dǎo)入管理信息系統(tǒng)等內(nèi)容，它同時(shí)也集合了眾多信息，輸入信息有產(chǎn)品信息，生產(chǎn)信息，模型信息等，輸出信息有可視化信息，生產(chǎn)指令，模型的布局仿真，生產(chǎn)仿真等。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化工廠系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)仿真流程

本文研究對(duì)象是某機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)流水線，它是一個(gè)離散事件系統(tǒng)，離散事件系統(tǒng)的仿真遵循以下流程：

1）系統(tǒng)定義。在進(jìn)行生產(chǎn)線建模之前將其作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行定義，確定系統(tǒng)仿真活動(dòng)的內(nèi)容，仿真的目的，仿真的預(yù)期目標(biāo)以及局限之處。

2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。在進(jìn)行仿真活動(dòng)之前，需要采集實(shí)際生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和相關(guān)的物流數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析處理，為后續(xù)仿真活動(dòng)提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3）模型構(gòu)造。建立一個(gè)邏輯模型，該模型需要符合相關(guān)約束，要與實(shí)際要求相符合。

4）仿真軟件選擇。Extend、Flexsim等是目前主流的幾款仿真軟件，有的軟件適用于離散型系統(tǒng)仿真，有的適用于連續(xù)型系統(tǒng)仿真，且各款軟件都有豐富的應(yīng)用功能，選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用，本文選用仿真平臺(tái)的是Flexsim軟件。

5）系統(tǒng)仿真模型建立。選擇仿真軟件后將已構(gòu)建好的概念模型與軟件平臺(tái)相結(jié)合在模型中構(gòu)建出初略的模型，并將其定義說明和進(jìn)行初步驗(yàn)證。

6）系統(tǒng)仿真運(yùn)行。將之前采集好的數(shù)據(jù)和相應(yīng)參數(shù)輸入系統(tǒng)中，待仿真結(jié)束后收集報(bào)告。

7）仿真結(jié)果分析。仿真結(jié)束后有的軟件平臺(tái)會(huì)生成綜合報(bào)告，有的是模塊的數(shù)據(jù)。獲得數(shù)據(jù)結(jié)果后要進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和統(tǒng)計(jì)然后進(jìn)行分析。當(dāng)仿真結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大時(shí)，可通過調(diào)節(jié)設(shè)置參數(shù)重獲得數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 A企業(yè)生產(chǎn)線物流系統(tǒng)仿真

3.1 A企業(yè)概況

A企業(yè)位于江蘇省昆山市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，公司制造基地占地面積超過4800平方米，擁有員工數(shù)量超過百人。A企業(yè)早期主要從事生產(chǎn)和銷售電機(jī)產(chǎn)品，現(xiàn)已發(fā)展成為事集管狀電機(jī)、歐式卷簾門窗、電動(dòng)門和配件的研發(fā)制造以及維護(hù)服務(wù)為一體的高新技術(shù)型企業(yè)。A企業(yè)經(jīng)過十多年的發(fā)展與壯大，形成了輻射長(zhǎng)三角地區(qū)的銷售和服務(wù)體系，并在國(guó)內(nèi)電機(jī)配套生產(chǎn)領(lǐng)域有一定的影響力。

該公司生產(chǎn)區(qū)域有備料、焊接、機(jī)加工、組裝以及存儲(chǔ)五種車間。本文研究的對(duì)象是組裝車間內(nèi)的CFDP1801型電機(jī)盒產(chǎn)品的組裝流水線。

3.2 CFDP1801流水線現(xiàn)狀分析

CFDP1801流水線主要用于CFDP1801型號(hào)的機(jī)電的裝配，該轉(zhuǎn)配線設(shè)有裝水平儀、接線、固定導(dǎo)軌、導(dǎo)通測(cè)試、裝螺釘和墊圈、裝保護(hù)套、打碼、檢驗(yàn)與貼標(biāo)簽共有8個(gè)工位，各工位使用7個(gè)小傳送帶傳送物品，傳送帶速度為0.2m/s，整條流水線操作工人11人，每日8小時(shí)工作時(shí)間，日生產(chǎn)量約640件。該流水線所處的車間布局情況如圖2所示。

圖2 電機(jī)盒裝配車間布局圖

3.3 Flexsim軟件的模型建立

建立Flexsim模型首先對(duì)生產(chǎn)實(shí)體和模型進(jìn)行定義明，該仿真中的模型實(shí)體如表2所示。

表1 CFDP16型電機(jī)盒生產(chǎn)流程盒生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)

表2 模型實(shí)體定義說明表

該車間流水線每日生產(chǎn)時(shí)間為8小時(shí)，考慮與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)相接近，本次仿真時(shí)間設(shè)定為連續(xù)一周7天共56小時(shí)，將表2產(chǎn)線的數(shù)據(jù)輸入到參數(shù)中，運(yùn)用Flexsim軟件對(duì)其進(jìn)行建模。圖3為生產(chǎn)線模擬圖。

圖3 生產(chǎn)模擬圖示

圖4 轉(zhuǎn)換的3D效果圖

3.4 仿真結(jié)果分析及改進(jìn)建議

仿真運(yùn)行結(jié)束后,通過每個(gè)模塊Stat Report屬性可獲得每個(gè)工位的信息數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)信息及分析如下：

1）工位2接線操作的設(shè)備模擬數(shù)據(jù)如圖5所示，其設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率為100%，設(shè)備空閑率為0%。之前通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)工序2的加工時(shí)間最長(zhǎng)，模擬數(shù)據(jù)又顯示了該工位最為忙碌，因此工位2是瓶頸工位。

圖5 工位2設(shè)備運(yùn)行報(bào)告

2）工位3固定導(dǎo)軌操作的設(shè)備模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖6所示，該設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率為27.40%，設(shè)備空閑率為62.60%。造成該工位空閑率較大的原因是由于上工序是瓶頸工位，另外根據(jù)理論計(jì)算，工位3和工位2的工時(shí)之比的數(shù)值遠(yuǎn)大于工位3的運(yùn)轉(zhuǎn)率，因此該工位運(yùn)轉(zhuǎn)率較低的可能原因是工位2與工位三之間傳送帶的速度過快。

3）工位4導(dǎo)通測(cè)試操作模擬生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)率為38.20%，設(shè)備空閑率為61.80%。對(duì)比上工位設(shè)備27.40%的運(yùn)轉(zhuǎn)率，說明該工位有較多空閑時(shí)間，查找該工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)該工位配有兩名工人，則該工位配置工人過多，或者工位3和工位4之間的輸送帶速度過快。

4）工位5裝螺釘、墊圈操作的設(shè)備模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖7所示，該設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率為64.5%，設(shè)備空閑率為35.5%。由于上工位的運(yùn)轉(zhuǎn)率較低，且人員配置較多，在對(duì)比工位4和工位5的人均工時(shí)，該工位的運(yùn)轉(zhuǎn)率處于正常范圍內(nèi)。

圖6 工位4設(shè)備運(yùn)行報(bào)告

圖7 工位5設(shè)備運(yùn)行報(bào)告

5）工位6、工位7以及工位8三個(gè)工位的單位工時(shí)和人員配置和工位5都相近，該三個(gè)工位的運(yùn)轉(zhuǎn)率處于合理范圍內(nèi)。

3.5 改進(jìn)建議及其效果

1）改進(jìn)建議。通過對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，提出以下優(yōu)化建議：（1）工位2接線操作為瓶頸工位，該工位現(xiàn)實(shí)中的處理速率已最大，可以考慮通過增加一個(gè)操作人員（設(shè)備）來平衡生產(chǎn)線；（2）減小工位2和工位3之間的傳送帶速度，提高工位3的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率；（3）工位4上的操作人員由2名減少到1名，同時(shí)減慢工位3和工位4之間的輸送帶速度；（4）調(diào)整部分傳動(dòng)帶傳送速度；

2）優(yōu)化后效果。將上述修改后的數(shù)據(jù)和參數(shù)重新輸入到Flexsim軟件中，仿真時(shí)間依舊設(shè)定為連續(xù)一周7天共計(jì)56小時(shí)。通過對(duì)改進(jìn)后的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：優(yōu)化后的模型中所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率都在80%以上，改善后的日均產(chǎn)品的總產(chǎn)量約為820件，較改善前的日產(chǎn)量提高了近28%。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用數(shù)字化工廠模擬仿真的思路，對(duì)A企業(yè)某產(chǎn)品流水生產(chǎn)線進(jìn)行了生產(chǎn)模擬仿真。通過分析模擬生產(chǎn)獲得的數(shù)據(jù)并根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況提出了改善建議，通過對(duì)比改善后的模擬仿真數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線的擁堵情況有較明顯改善，改進(jìn)后的生產(chǎn)線日產(chǎn)量提高到了820件，較改善前提高了近28%，為企業(yè)帶來了較好的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益。由此說明，通過數(shù)字化工廠模擬仿真的方法既便捷又科學(xué)，對(duì)制造企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)情況有很大的幫助。