基于Flexsim的冷柜產(chǎn)線柔性優(yōu)化

張永輝，王維棟，周元慧，關(guān)德同

（山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590）

1 背景及現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)背景

隨著人們生活水平的提高、食品安全意識的提升，生鮮市場以及新零售的崛起，主要制冷設(shè)備市場實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長[1]。同時(shí)冷柜生產(chǎn)制造作為中國傳統(tǒng)制造業(yè)中的典型，亟需進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級[2]。本文以冷柜生產(chǎn)車間為研究對象，針對生產(chǎn)系統(tǒng)中的現(xiàn)存問題，提出產(chǎn)線平衡方案，并進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)柔性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀及問題

某品牌冷柜生產(chǎn)的流程中共有44 道工序，為管理方便，將生產(chǎn)線劃分為發(fā)泡、總裝、檢測、包裝4 部分。受空間限制，分設(shè)于兩層樓的生產(chǎn)現(xiàn)場。短期內(nèi)該產(chǎn)線計(jì)劃于6.5 d內(nèi)完成共4 300 件冷柜的生產(chǎn)，員工每天工作8 h。

經(jīng)過對產(chǎn)線流程的分析，記錄現(xiàn)場各工序的耗時(shí)并利用Flexsim 仿真軟件建立產(chǎn)線模型，輸出阻塞率數(shù)據(jù)并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線存在如下兩個(gè)問題：①瓶頸工序問題突出。裝內(nèi)膽（24.82 s）、貼條碼（24.03 s）、固定腳輪（33.48 s）、固定鉸鏈（24.60 s）和清擦（24.04 s）這5 項(xiàng)工序?yàn)樵撋a(chǎn)線上的瓶頸工序。②工位劃分不合理。該產(chǎn)線采用每個(gè)工序一個(gè)工位的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)節(jié)拍CT=37 s，生產(chǎn)線平衡率W1=49.89%。該生產(chǎn)線上工位劃分方法限制了生產(chǎn)平衡率的提升，生產(chǎn)線柔性較低。

2 瓶頸工序的分析與改善

通過對產(chǎn)線上瓶頸問題的分析，本研究對5 個(gè)突出的瓶頸工序運(yùn)用“5W1H”和“ECRS 四原則”進(jìn)行分析，找到影響其效率的根源所在，通過改進(jìn)雙手作業(yè)方式、改進(jìn)工器具擺放位置、增加定員、推行5S 現(xiàn)場管理法等針對性地提出改進(jìn)方案。

經(jīng)過對瓶頸工序的分析與改善后，通過現(xiàn)場實(shí)踐獲得數(shù)據(jù)、Flexsim 建立模型仿真運(yùn)行，利用左右手分析、模特法等科學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，得到5 個(gè)瓶頸工序的時(shí)間及其改進(jìn)率，如圖1 所示。

圖1 改善前后時(shí)間對比柱狀圖

3 工位的動(dòng)態(tài)分配方法及程序

3.1 工位的動(dòng)態(tài)分配方法

實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)訂單通常有一定的不確定性。傳統(tǒng)生產(chǎn)中心在面對生產(chǎn)訂單的波動(dòng)性作用時(shí)，通常保持以固有模式及較高投入進(jìn)行生產(chǎn)，造成了傳統(tǒng)生產(chǎn)中心只能被動(dòng)地接受生產(chǎn)需求變化，系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境的變化和不確定性的能力較低[3]，即柔性較低。

現(xiàn)為提高生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)對客戶訂單波動(dòng)性的能力，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性，建立一種工作地的動(dòng)態(tài)分配方法以實(shí)現(xiàn)工位的定制化分配。根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)目標(biāo)，考慮產(chǎn)品庫存量，利用產(chǎn)品的生產(chǎn)工序進(jìn)行生產(chǎn)工位的動(dòng)態(tài)分配，以提高生產(chǎn)平衡率。本分配方法對工作地的劃分是根據(jù)生產(chǎn)訂單進(jìn)行的，即在得到生產(chǎn)訂單后，按照不斷變化的需求和不確定性環(huán)境，根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)計(jì)算生產(chǎn)理論節(jié)拍，以各工序?qū)嶋H生產(chǎn)時(shí)長為基礎(chǔ)，根據(jù)工作地劃分原則分配工作地，對生產(chǎn)作業(yè)方式、人員等進(jìn)行重新分配整合，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置，得到適宜生產(chǎn)目標(biāo)的生產(chǎn)線工位劃分結(jié)果，來滿足終端客戶訂單的需求。

3.2 工位的動(dòng)態(tài)分配程序

現(xiàn)依據(jù)工位的動(dòng)態(tài)分配方法，利用Visual Basic 程序連接ACCESS 數(shù)據(jù)庫，建立系統(tǒng)的產(chǎn)線工位動(dòng)態(tài)分配程序。本程序可實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)計(jì)劃下生產(chǎn)地的動(dòng)態(tài)分配。其中，工位動(dòng)態(tài)分配程序如圖2 所示。

在將產(chǎn)品型號及對應(yīng)工序錄入數(shù)據(jù)庫后，在操作界面選擇生產(chǎn)產(chǎn)品后可查看產(chǎn)品的庫存及對應(yīng)生產(chǎn)工序，輸入生產(chǎn)周期及目標(biāo)后，將輸出工位的定制化分配結(jié)果、員工分配、改善前后生產(chǎn)平衡率數(shù)據(jù)及工位耗時(shí)圖等。

圖2 工位動(dòng)態(tài)分配程序圖

本方法及程序的創(chuàng)新之處在于，工作地的劃分隨生產(chǎn)訂單的變化而變化，即生產(chǎn)線工作地的分配是由該生產(chǎn)周期的訂單決定的。充分利用生產(chǎn)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)按訂單調(diào)節(jié)生產(chǎn)步伐，產(chǎn)線的生產(chǎn)彈性加強(qiáng)，生產(chǎn)能力的柔性加大，避免產(chǎn)線生產(chǎn)過剩造成的生產(chǎn)庫存的浪費(fèi)。

3.3 工作地動(dòng)態(tài)分配應(yīng)用

現(xiàn)利用提出的生產(chǎn)工作地的動(dòng)態(tài)分配方法及程序，以目標(biāo)產(chǎn)線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立產(chǎn)線工序數(shù)據(jù)庫，包含生產(chǎn)線上各工序的工作內(nèi)容、時(shí)間等。

以本生產(chǎn)線為例，輸入產(chǎn)品周期（6.5 d）及生產(chǎn)目標(biāo)（4 300臺）后，將本產(chǎn)線生產(chǎn)工序內(nèi)容及改善后的時(shí)間導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，本程序計(jì)算節(jié)拍后依據(jù)工作地劃分原理進(jìn)行工作地的劃分，輸出工作地分配結(jié)果。

在瓶頸工序改善完成之后，平衡率W3=68.18%。由于冷柜的生產(chǎn)具有嚴(yán)格的順序，工位動(dòng)態(tài)分配程序按照生產(chǎn)順序?qū)珊喜⒌墓ば蜻M(jìn)行合并，重新劃分工位，將原有的44個(gè)工位合并為25 個(gè)工位。各工位上的工作時(shí)間趨于均衡，得到其平衡率W4=76.65%。

4 Flexsim 模型及效果評估

Flexsim 是一款三維物流仿真分析軟件，可應(yīng)用于系統(tǒng)建模、仿真以及實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程可視化[4]?，F(xiàn)以該冷柜生產(chǎn)線為原型建立Flexsim 模型進(jìn)行仿真，建立的模型中分為一樓及二樓工作區(qū)，共設(shè)有11 個(gè)發(fā)生器、17 個(gè)暫存區(qū)、44 個(gè)處理器、8 個(gè)合成器及56 名操作人員，發(fā)生器用來產(chǎn)生原材料，暫存區(qū)用來臨時(shí)存放排隊(duì)的加工工件，處理器模擬機(jī)床生產(chǎn)[5]。改善后設(shè)有9 個(gè)發(fā)生器、16 個(gè)暫存區(qū)、22 個(gè)處理器、7 個(gè)合成器及57 名操作人員。

在理想情況下，即不存在原料短缺和機(jī)器故障時(shí)，以一天工作8 h，原有的裝配工序可生產(chǎn)604 件成品?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)安排，對生產(chǎn)線上瓶頸工序進(jìn)行改善優(yōu)化后的裝配工序進(jìn)行系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)運(yùn)行8 h 后的得到仿真結(jié)果，可以得到：優(yōu)化后的裝配工序生產(chǎn)的冷柜數(shù)量為662 件，較未優(yōu)化時(shí)多生產(chǎn)了58 件。優(yōu)化后的產(chǎn)線產(chǎn)量提高，工作人員的作業(yè)效率提升。在產(chǎn)線改善前后的仿真對比中發(fā)現(xiàn)，改善前瓶頸工序貨物堆積嚴(yán)重，改善后的各工序工作時(shí)間趨于均衡，產(chǎn)線平衡率提高，改善前后瓶頸工序堵塞率對比如表1 所示。

表1 瓶頸工序堵塞率對比表（單位：%）

5 結(jié)束語

從改進(jìn)結(jié)果中，可以明顯看出應(yīng)用工業(yè)工程相關(guān)理論對于加工制造工作所帶來的巨大變化。相較于追加資本投入、擴(kuò)大規(guī)模等外部方式來提高企業(yè)整體效率與收益，遵循工業(yè)工程的相關(guān)原則，能更經(jīng)濟(jì)地提出產(chǎn)線平衡方案解決生產(chǎn)問題。結(jié)合VB 及ACCESS 提出的工位的動(dòng)態(tài)分配方法及程序能有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過對生產(chǎn)資源的重新組合，完成動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)作業(yè)要求，提高生產(chǎn)能力的柔性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)量波動(dòng)情況下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)平衡運(yùn)行。不同于傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)方案，本研究提出的工作地的動(dòng)態(tài)分配方法及程序，可以有效地提升生產(chǎn)制造企業(yè)在應(yīng)對市場波動(dòng)的能力，更加快捷、有效地為企業(yè)提供多變的市場環(huán)境下的生產(chǎn)方案；適用于生產(chǎn)線上生產(chǎn)工序的靈活性較高的生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其適用于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)。