基于FlexSim機群式布置木質(zhì)家具生產(chǎn)線仿真

王 巍 王云婷 宋文龍

(1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 哈爾濱 150040)

近年來，隨著市場需求的多樣化和個性化，多品種小批量生產(chǎn)已成為工業(yè)企業(yè)主要的生產(chǎn)方式之一(季學(xué)金，2005)。在家具領(lǐng)域，越來越多的木質(zhì)家具生產(chǎn)線采用機群式布置生產(chǎn)，即將具有相同功能的同種設(shè)備集中在一個工作站內(nèi)(曹振新等，2005)。這種生產(chǎn)方式的最大特點是能夠靈活適應(yīng)市場的多樣化需求，但也由于其產(chǎn)品品種多、產(chǎn)量變化大(管在林等，2007；Wang，2009)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程復(fù)雜，給生產(chǎn)和管理帶來諸多困難。

Sivasubramanian等(2000)研究指出，先識別瓶頸工序再制訂生產(chǎn)計劃，能夠高效完成從車間原材料到成品的資源轉(zhuǎn)換過程。FlexSim7.lnk是一種離散事件仿真軟件程序，可以快速、準(zhǔn)確構(gòu)建車間設(shè)備布置的三維模型，通過對現(xiàn)實車間進行仿真模擬，能夠識別生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸，獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料，節(jié)約車間運行成本(葛安華等，2007；Srinivasetal.，2011；孫軍艷等，2008)。學(xué)者們提出了基于FlexSim的流水線布置車間(即按產(chǎn)品原則布置車間的建模方法)(張衛(wèi)德等，2005)、基于FlexSim的混流生產(chǎn)線建模仿真方法(馬云等，2009)以及基于FlexSim的倉儲作業(yè)系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法(朱小蓉，2012)等，而且還可通過分析最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)(optimized production technology, OPT)的特點描述瓶頸資源，計算工作中心的負荷率識別瓶頸工作中心，并運用計算機技術(shù)實現(xiàn)了瓶頸識別模塊，解決了車間作業(yè)計劃存在的問題(張鵬，2009)。

目前，對機群式布置車間建模和仿真的研究較少。鑒于此，本研究以從事木質(zhì)家具制造的A企業(yè)為例，對其一條集群式布置的木質(zhì)家具生產(chǎn)線采用FlexSim7.lnk構(gòu)建仿真模型，詳細闡述建模的流程以及生產(chǎn)線的瓶頸識別方法，以期節(jié)約木質(zhì)家具生產(chǎn)線的實際運行成本，為提高木質(zhì)家具生產(chǎn)效率提供思路和方法。

1 A企業(yè)木質(zhì)家具生產(chǎn)線概況

A企業(yè)木質(zhì)家具生產(chǎn)線主要由下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測設(shè)備組成，屬于多品種小批量生產(chǎn)方式。現(xiàn)有4個生產(chǎn)訂單，分別生產(chǎn)CAH001、CAH002、CAH003、CAH004共4種不同型號的木質(zhì)家具(表1)。

表1 家具訂貨計劃

1.1 工藝流程

木質(zhì)家具生產(chǎn)基礎(chǔ)工藝流程包括下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測6道工序。根據(jù)生產(chǎn)線統(tǒng)計數(shù)據(jù)，4種不同型號木質(zhì)家具各工序的生產(chǎn)工時見表2，各工序之間的運輸工時見表3。叉車搬運的容量為10，4種型號產(chǎn)品原材料分別以4、6、4、8的批量每隔10 min到達生產(chǎn)線投入生產(chǎn)。

1.2 設(shè)備布置

木質(zhì)家具生產(chǎn)線設(shè)備采用機群式布置，且生產(chǎn)線整體按U形布置(圖1)，以方便叉車運輸，減小運輸距離和運輸成本，提高生產(chǎn)效率。

設(shè)備的平均故障間隔時間(mean time between failure,MTBF)和平均維修時間(mean time to repair,MTTR)均服從均值為1 500 min和30 min的指數(shù)分布(尹靜等，2014)，生產(chǎn)過程中有5%不合格品分別返回相應(yīng)工段進行再加工，生產(chǎn)線各工序配備不同數(shù)量的設(shè)備(表4)。

1.3 生產(chǎn)作業(yè)計劃預(yù)編制

根據(jù)訂貨計劃以及各工序的生產(chǎn)工時和運輸工時，從最后一道工序開始自后向前計算，得出木質(zhì)家具生產(chǎn)作業(yè)計劃預(yù)編制，CAH001型號木質(zhì)家具開始下料的時間為第54 min，CAH002、CAH003和CAH004型號木質(zhì)家具開始下料的時間分別為第552、504和110 min(表5)。

表2 家具生產(chǎn)工時

表3 工序間運輸工時

圖1 木質(zhì)家具生產(chǎn)線布局

表4 工序設(shè)備數(shù)

表5 木質(zhì)家具生產(chǎn)作業(yè)計劃預(yù)編制

2 機群式布置木質(zhì)家具生產(chǎn)線建模與仿真

2.1 模型建立

基于FlexSim7.1nk模擬生產(chǎn)過程，建立仿真模型。生產(chǎn)線用到的實體抽象成FlexSim仿真軟件中的實體，主要包括發(fā)生器、處理器、暫存區(qū)、運輸機、傳送帶、貨架和吸收器。

表6生產(chǎn)線實體與模型實體的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.2.1 發(fā)生器 發(fā)生器作為生產(chǎn)線出口，可以創(chuàng)建通過模型的臨時實體，且每個發(fā)生器可以創(chuàng)建一類臨時實體。根據(jù)A企業(yè)生產(chǎn)計劃，設(shè)現(xiàn)有4個生產(chǎn)訂單分別對應(yīng)4種不同型號的餐桌，在本模型中共創(chuàng)建4個發(fā)生器，臨時實體的到達類型選為Arrival Schedule，發(fā)生器1的生產(chǎn)批量為4，臨時實體類型為1，投料時間分別為第54、64和74 min，以此類推，直到第144 min。同理，可設(shè)置生產(chǎn)CAH002、CAH003、CAH004型號餐桌的發(fā)生器2、3、4的參數(shù)。在觸發(fā)器選項卡中，臨時實體離開觸發(fā)器的顏色分別設(shè)置為白色、紅色、藍色和綠色。

表6 生產(chǎn)線實體與模型實體的對應(yīng)關(guān)系

2.2.2 處理器 利用全局表設(shè)置各工序的加工時間，全局表命名為Process。處理器選項卡中的加工時間選擇通過全局表，其中Row選擇getitemtype(item)，表示類型1的臨時實體對應(yīng)Row1，類型2的臨時實體對應(yīng)Row2，Column選擇該道工序?qū)?yīng)的工序數(shù)。在故障選項卡中設(shè)置處理器的平均故障間隔時間(MTBF)和平均維修時間(MTTR)。

2.2.3 暫存區(qū)和運輸機 暫存區(qū)的作用是存儲后面實體目前不能存儲的臨時實體，本模型設(shè)有下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測暫存區(qū)，分別用于下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測工序前的緩存，臨時實體流Flow選項卡中的輸出端口Send To Port選項選擇First available；當(dāng)需要用運輸機傳送產(chǎn)品時，臨時實體流Flow選項卡中勾選Use Transport選項。運輸機主要用來將臨時實體從一個實體運往另一個實體，根據(jù)現(xiàn)場計時得出本模型中運輸機的最大速度為2 m·s-1，加速度、減速度均為1 m·s-2。

2.2.4 返工零件 檢測工序在輸出產(chǎn)品時會有5%不合格品返回相應(yīng)工段，因此在檢測工序臨時實體流選項卡中，輸出端口Send To Port選擇By Percentage，通往傳送帶暫存區(qū)產(chǎn)品的比例占95%，通往返工暫存區(qū)產(chǎn)品的比例占5%。返工暫存區(qū)的產(chǎn)品會返回到問題工序進行再加工，返回各工序的概率均相同，下料、銑型、砂光、組裝和噴漆工序的返回概率均為20%。

2.3 運行模型及仿真結(jié)果分析

2.3.1 瓶頸工序識別方法 在生產(chǎn)系統(tǒng)中，識別瓶頸工序就是將各工序的實際生產(chǎn)能力與其在給定時間內(nèi)的可用能力相比，計劃期內(nèi)工序負荷率的計算公式如下：

(1)

式中：lk為工序k的負荷率；Ti為訂單i在工序k上的加工時間，含生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；n為總訂單數(shù)；td為工序k上加工的所有制品中允許完工的最遲日期；ts為工序k上加工的所有制品中允許開工的最早日期；h為工序k每天的運行時間。

實際上，這種方法是對各工序的生產(chǎn)速度進行比較，在生產(chǎn)系統(tǒng)中，加工速度最慢的工序很可能就是瓶頸工序。若整個企業(yè)所有工序的加工速度均小于市場的需求速度，則該企業(yè)相對于市場就是一個瓶頸。

利用仿真軟件對企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)進行模擬，仿真整個生產(chǎn)過程可以得到企業(yè)在實際生產(chǎn)中的運行情況，根據(jù)仿真結(jié)果，通過對各工序前的在制品堆積程度判斷瓶頸工序，工序前的在制品堆積越多，該工序就越有可能是瓶頸工序。

2.3.2 結(jié)果分析 運行仿真模型可以得到木質(zhì)家具生產(chǎn)線各工序的狀態(tài)參數(shù)，并得出仿真結(jié)果(表7)。根據(jù)仿真結(jié)果計算出各工序的平均空閑率、平均加工率和平均故障率見表8。

表7 工序狀態(tài)參數(shù)

表8 木質(zhì)家具生產(chǎn)線運行參數(shù)

由木質(zhì)家具生產(chǎn)線運行參數(shù)可知，砂光工序的平均加工率最高(74.13%)，且砂光工序暫存區(qū)的釋放率也最高(72.40%)，為此木質(zhì)家具生產(chǎn)線的瓶頸工序。該工序的利用率低，同時生產(chǎn)系統(tǒng)容易受外界因素影響，導(dǎo)致生產(chǎn)延誤等問題。

3 生產(chǎn)線的優(yōu)化

3.1 設(shè)置時間緩沖

生產(chǎn)過程充滿不確定性，而時間緩沖是保護瓶頸資源有效產(chǎn)出的最好機制(徐學(xué)軍等，2001；Schrageheimetal.，1990)，因此，本研究在瓶頸工序之前設(shè)置瓶頸緩沖(bottleneck cushion，BC)，保護瓶頸工序不受前工序隨機波動的影響，在交貨點前設(shè)置出貨緩沖(shipping cushion，SC)，保證在規(guī)定時間內(nèi)滿足顧客對提前期的要求(陳偉達等，2010)。瓶頸緩沖和出貨緩沖的計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：BCi為訂單i的瓶頸緩沖時間；SCi為訂單i的出貨緩沖時間；PTij為訂單i在第j道工序上的加工時間；q表示第q道工序為瓶頸工序；m表示產(chǎn)品共經(jīng)過m道工序；R為寬放系數(shù)，其值一般基于經(jīng)驗設(shè)定。

根據(jù)木質(zhì)家具生產(chǎn)線實際生產(chǎn)可知，寬放時間包括工具借出與退還10 min，機器清掃與加油10 min，領(lǐng)導(dǎo)指示15 min，上洗手間10 min，聊天12 min，思考15 min，每日總上班時間為8 h，即480 min，因此寬放系數(shù)R=0.15。在此寬放系數(shù)下，得到各訂單的緩沖時間見表9。

表9 各訂單的緩沖時間

制訂考慮時間緩沖的各訂單開工時間和完工時間生產(chǎn)作業(yè)計劃預(yù)編制見表10。

表10 考慮時間緩沖的生產(chǎn)作業(yè)計劃預(yù)編制

3.2 運用SPT規(guī)則進行排產(chǎn)

瓶頸工序即砂光工序，4個生產(chǎn)訂單的排程發(fā)生了沖突和等待。加工時間最短優(yōu)先(shortest processing time,SPT)規(guī)則可使平均流程時間最短，從而減少在制品(葉明春，2005)。本研究運用SPT規(guī)則對4個訂單進行瓶頸工序的排產(chǎn)。由于訂單1和4的加工時間相同，而訂單1先加工，為避免時間浪費，先對訂單1進行排產(chǎn)。在考慮時間緩沖的基礎(chǔ)上，設(shè)置4個訂單在各工序上的開工時間和完工時間見表11。

表11 SPT規(guī)則下訂單排產(chǎn)方案

3.3 仿真驗證優(yōu)化方案

為驗證改進后生產(chǎn)線的效果，再次基于FlexSim對SPT規(guī)則下各訂單的排產(chǎn)方案進行仿真模擬，得到生產(chǎn)線的運行參數(shù)見表12。

3.4 改善方案的實施

為驗證排產(chǎn)方案的有效性和可行性，將改進后的方案應(yīng)用于A企業(yè)生產(chǎn)線中。運用秒表計時法測得各訂單的開工時間和完工時間見表13。

然后，根據(jù)式(5)、(6)分別計算出平均加工率(Rp)、平均空閑率(Ri)(表14)：

(5)

(6)

式中：tp為加工時間；ti為空閑時間；tb為故障時間。

再次基于FlexSim進行仿真，并與實際計算結(jié)果進行對比，計算誤差，見表15。

表12 再次仿真模擬得到生產(chǎn)線運行參數(shù)

表13 秒表測定的生產(chǎn)線運行參數(shù)

表14 計算求得的生產(chǎn)線運行參數(shù)

表15 再次仿真結(jié)果與計算結(jié)果誤差

4 結(jié)論

1)優(yōu)化前下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測工序的平均加工率分別為45.30%、62.70%、74.13%、52.80%、54.53%和54.20%，砂光工序的平均加工率最高，可知砂光工序為此木質(zhì)家具生產(chǎn)線的瓶頸工序，需進行優(yōu)化。

2)由優(yōu)化后的生產(chǎn)線運行參數(shù)可知，下料、銑型、砂光、組裝、噴漆和檢測工序的平均加工率分別為51.87%、82.75%、90.28%、73.70%、62.85%和61.73%，優(yōu)化后砂光工序的平均加工率從74.13%提高到90.28%，比原始方案提高16.15%，整個生產(chǎn)線的加工效率都得到大幅度提升。

3)對比改善方案實施結(jié)果和仿真驗證結(jié)果，生產(chǎn)線各工序的平均空閑率和平均加工率誤差均在±5%范圍內(nèi)，表明改善結(jié)果較好。

本研究結(jié)果可對指導(dǎo)機群式布置生產(chǎn)線的建模仿真提供幫助，也可為提高木質(zhì)家具生產(chǎn)效率提供思路和方法。