基于Plant Simulation的生產(chǎn)物流虛擬仿真*

張寶元，袁艷麗，黃 杰，寧浩騫，余夢圓

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

“精益生產(chǎn)”指的是豐田生產(chǎn)方式，通過持續(xù)改善實現(xiàn)最小的浪費（包括過度加工、不良品、等待等）和最大的流動狀態(tài)[1]，然而，實際系統(tǒng)往往極為復(fù)雜，且造價極為昂貴。所以，需要新手段來描述系統(tǒng)運行狀態(tài)，預(yù)測系統(tǒng)行為。利用計算機的強大資源可以使傳統(tǒng)實驗過程中的硬件軟件化[2]。虛擬仿真是通過一個系統(tǒng)對另一個真實的系統(tǒng)進行模擬的技術(shù)[3]，通過構(gòu)建虛擬實驗場景、實驗內(nèi)容和操作對象，以及靈活多樣的交互環(huán)節(jié)，操作界面簡潔明了，安全可靠，由于在PC端上進行操作，極大地節(jié)約了操作時間和投入成本，且可以反復(fù)進行操作，不會造成浪費，能清楚準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)的行為。

本文基于Plant Simulation仿真軟件，對某工廠的生產(chǎn)線、裝配線和存儲區(qū)建立模型，并對其生產(chǎn)瓶頸和運輸環(huán)節(jié)進行仿真，從而改善瓶頸工位、優(yōu)化運輸方式及存儲參數(shù)，提供生產(chǎn)效率，降低成本。

1 生產(chǎn)物流虛擬仿真概述

生產(chǎn)物流是指整個生產(chǎn)過程中的物品流動[4]，從原材料、零配件等投入生產(chǎn)開始，經(jīng)歷生產(chǎn)系統(tǒng)各工段和工序進行加工、儲存、流轉(zhuǎn)的全部運動。即當(dāng)原材料或外部加工件等投入生產(chǎn)之后，通過下料、發(fā)料、輸送的方式到各個加工工位和存儲處，作為在制品，從其中一個生產(chǎn)單元流入另外一個生產(chǎn)單元，根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)工藝來進行加工儲存，使用特定的運輸工具從一個生產(chǎn)點加工后又流轉(zhuǎn)到另一個生產(chǎn)點，可以看成是不間斷的生產(chǎn)物料的流轉(zhuǎn)過程[5]。生產(chǎn)物流系統(tǒng)是企業(yè)物流系統(tǒng)的子系統(tǒng)，也是制造系統(tǒng)的重要組成部分[6]。生產(chǎn)物流系統(tǒng)的優(yōu)化不但可以提高企業(yè)生產(chǎn)中物流的順暢程度，也可提高生產(chǎn)效率，對于保障生產(chǎn)、降低物流成本、縮短交付期具有重要作用[7]。

虛擬仿真是采用計算機技術(shù)，通過對一個真實系統(tǒng)進行模擬，構(gòu)建虛擬實驗場景、實驗內(nèi)容和操作對象，輔助設(shè)計和優(yōu)化，對資源進行合理配置，從而提高整個物流系統(tǒng)的運行效率[8]，大大縮減了資金成本。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，利用計算機軟件開展布局規(guī)劃仿真的相關(guān)技術(shù)逐漸成熟[9]。近年來，一些學(xué)者研究了生產(chǎn)物流的建模仿真。Ludek采用Plant Simulation仿真方法研究了傾析離心機的生產(chǎn)物流，提出了涉及車間布局、新設(shè)備購置的物流優(yōu)化方案[10]。Mendes等在建模仿真照相機裝配生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上優(yōu)化了物流線路的配置[11]。Martinez等人通過拓展時間Petri網(wǎng)來描述動態(tài)的生產(chǎn)物流[12]。李琦等依據(jù)輪胎壓裝工藝流程對壓裝生產(chǎn)線進行計算機模擬仿真，規(guī)范了輪胎壓裝生產(chǎn)線的工藝布局流程。為第三方物流企業(yè)的生產(chǎn)決策提供了參考[13]。航空設(shè)計研究規(guī)劃院崔晶等通過仿真技術(shù)量化分析，論證了復(fù)合材料生產(chǎn)線的工藝布局方案，從而指導(dǎo)了復(fù)合材料生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計及運營[14]。肖福龍應(yīng)用Plant Simulation和工業(yè)工程的方法對LED液晶模組生產(chǎn)線進行平衡優(yōu)化，提高了生產(chǎn)平衡率并降低了生產(chǎn)節(jié)拍[15]。綜上可知，對生產(chǎn)物流的建模與仿真可有效地支持生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

2 虛擬仿真方案的設(shè)計

2.1 虛擬仿真工具

本文基于Plant Simulation對生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行仿真。Plant Simulation是一類典型的離散事件仿真軟件工具。其應(yīng)用非常廣泛，既可以用于生產(chǎn)、物流和工程領(lǐng)域的分析研究，也可以用來優(yōu)化結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)對系統(tǒng)流程的控制。

Plant Simulation是面向?qū)ο蟮膶哟位Y(jié)構(gòu)的仿真軟件，除了提供豐富的對象庫，還能通過Sim Talk語言實現(xiàn)仿真控制策略[16]。運用該仿真軟件建立生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型并分析，能夠驗證方案的合理性，并為制造型企業(yè)在生產(chǎn)管理方面做出有效的決策提供支持[17]。以Plant Simulation仿真軟件為工廠進行系統(tǒng)仿真，構(gòu)建生產(chǎn)車間，可將系統(tǒng)仿真作為方案評估和驗證的重要手段[18]。

2.2 虛擬仿真框架

本文基于2020年工業(yè)工程專業(yè)教指委課程設(shè)計題目——手電筒工廠設(shè)計，對手電筒工廠進行了布局設(shè)計，在CAD環(huán)境下繪制布局圖。并將布局圖導(dǎo)入到仿真軟件Plant Simulation中，構(gòu)建生產(chǎn)物流系統(tǒng)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。物流系統(tǒng)主要涉及存儲區(qū)、生產(chǎn)線、裝配線及各區(qū)域的運輸方案。

本物流系統(tǒng)虛擬仿真通過主生產(chǎn)計劃確定工廠布局及環(huán)節(jié)的設(shè)計，從原材料購入到成品入庫，各部分環(huán)環(huán)相扣，工廠布局仿真建模如圖1所示。

圖1 工廠布局仿真建模圖

3 裝配線瓶頸工序的仿真

3.1 裝配線工藝過程

裝配線共有7道工序，表1為工廠裝配線工序名稱及作業(yè)時間表。

表1 工廠裝配線工序及作業(yè)時間表

3.2 裝配線參數(shù)在虛擬環(huán)境下的設(shè)置

根據(jù)裝配區(qū)面積和產(chǎn)能平衡，設(shè)置兩條裝配線，U型裝配線具有柔性高，空間緊湊，節(jié)奏易于控制等優(yōu)點，固采用U型布局[19]。圖2為手電筒工廠裝配線在Plant Simulation中的仿真建模圖。

圖2 手電筒工廠裝配線建模圖

設(shè)置每道工序的時間參數(shù)，如圖3所示。

圖3 手電筒工廠裝配線時間參數(shù)設(shè)置

3.3 瓶頸工序的分析和改進

將標(biāo)準(zhǔn)時間設(shè)置為每道工序處理時間，將模型中的時間控制器的結(jié)束時間設(shè)置為48小時，即手電筒廠裝配線的仿真模型連續(xù)運行48小時。利用Plant Simulation仿真軟件的作業(yè)率測定表對其進行分析，如圖4所示。

圖4 手電筒工廠裝配線作業(yè)率測定表

工位OP04、OP05的工位作業(yè)負(fù)荷率均在90%以上，其中工位OP04的作業(yè)負(fù)荷率最高，其次是工位OP05。在工位OP04前的工位出現(xiàn)阻塞狀態(tài)，其后續(xù)的工位出現(xiàn)等待狀態(tài)。說明了工位OP04影響了整條裝配線的生產(chǎn)。工位OP05的等待率不到5%且作業(yè)負(fù)荷第二高，而其前后工位OP06的等待率為36%，說明了工位OP05的生產(chǎn)有一定的瓶頸，影響后段的生產(chǎn)。經(jīng)過上述對手電筒工廠裝配線模型仿真結(jié)果的分析，找出了手電筒工廠裝配線的瓶頸工位。裝配線的瓶頸工位為工位OP04和工位OP05。

先對其通過動素分析進行正常時間的測定及改善，然后通過模特排時法進行標(biāo)準(zhǔn)時間的計算，將工序OP04時間參數(shù)由23秒改為17秒，將工序OP05時間參數(shù)由21秒改為17秒，優(yōu)化后計算出裝配線優(yōu)化前后的產(chǎn)能：

優(yōu)化前產(chǎn)能=425×60÷22.79=1119（件/天）

優(yōu)化后產(chǎn)能=425×60÷16.48=1547（件/天）

日產(chǎn)能提高了428件，相較于優(yōu)化前產(chǎn)能提升了38.25%，由此可見改變工序工時可以縮小瓶頸時間，有利于提高產(chǎn)能[20]，進而增加手電筒工廠利潤。

4 配送方式的虛擬仿真

4.1 運輸需求及運輸方式設(shè)計

手電筒工廠現(xiàn)有以下運輸環(huán)節(jié)：將原材料從存儲區(qū)運送到生產(chǎn)線，生產(chǎn)線工序間的在制品運輸，生產(chǎn)線到裝配線的運輸，裝配線工序間半成品的運輸，以及成品到存儲區(qū)的運輸。

外購的原料一部分運輸?shù)皆蟼}庫裝貨卸貨區(qū)暫時存放，之后由叉車搬運至貨垛或者貨架上存放；貨架上的物品在需要使用時，搬運至裝貨卸貨區(qū)，人工將其放置于叉車上，并將其搬運到生產(chǎn)區(qū)加工；在生產(chǎn)區(qū)，貨物由一個工序運送到另一個工序，路程短，搬運量少，且搬運次數(shù)較為頻繁。所以使用輥子輸送機進行運輸，可大大提高搬運效率[21]。手電筒經(jīng)生產(chǎn)線加工后，通過AGV小車將其運輸至裝配線對應(yīng)環(huán)節(jié)。在裝配線上，半成品通過U型傳送帶運輸至下一道工序。加工后的手電筒成品由AGV小車運輸?shù)匠善穫}庫，并放置于輸送機上，由系統(tǒng)分配適合的位進行存儲。

4.2 運輸方式的分析和改進

工廠原來使用工人駕駛叉車進行原材料區(qū)到生產(chǎn)線的運輸，通過觀察及計算，發(fā)現(xiàn)本手電筒工廠有供貨緩慢以及存在大量的人工成本的問題。文獻[22]對AGV小車普及前后的社會、經(jīng)濟以及環(huán)境效益進行了比較，AGV在提升智能制造水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、促進安全生產(chǎn)和實現(xiàn)綠色發(fā)展等方面取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。因此，本文提出采用AGV小車作為該工廠的運輸工具。通過調(diào)查，搬運工人目前工資為10萬元/年，叉車價格為2萬元/臺。則原來的成本第一年為10+2=12（萬元）。據(jù)現(xiàn)有市場數(shù)據(jù)可得，AGV小車目前市場價為10萬元/臺，相關(guān)輔助施工設(shè)施大概占小車單價的5%，即為5000元。如果將一個工人駕駛一輛叉車改為一輛AGV小車，則改善后的成本第一年為10+0.5=10.5（萬元）。并且AGV小車可以連續(xù)24小時工作，大大減少了工廠人力成本。本文采用Plant Simulation對運輸方式的改變進行了仿真。

在對運輸工具Transporter進行設(shè)置時，取消Is tractor的勾選，如圖5所示。

圖5 運輸工具的設(shè)置

對生產(chǎn)線到裝配線這段運輸?shù)腁GV小車進行裝載函數(shù)設(shè)置，AGV小車到達生產(chǎn)線半成品暫存區(qū)先停車，裝載50個手電筒半成品后，根據(jù)配送表，運送至裝配線對應(yīng)工序位置，如圖6所示。

圖6 基于sim talk語言物流裝載函數(shù)圖

接下來在裝配線上，基于教材[23]編寫裝配線工序需求AGV運輸函數(shù)，當(dāng)裝配線此半成品在本工序少于20件庫存時候，發(fā)起AGV小車運輸申請，即AGV小車將根據(jù)AGV Order表執(zhí)行配送任務(wù)。如圖7所示。

圖7 基于sim talk語言裝配線申請AGV運輸函數(shù)圖

在對現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)仿真時發(fā)現(xiàn)，模型運行48小時后，工廠裝配線工作率僅為27.02%，有較大提升空間。為了不增加成本，即不改變AGV小車尺寸、裝配線工序時間及搬運量的條件下，可對裝配線工位庫存容量進行縮減。現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)設(shè)置工序暫存容納量為150，可將容納量設(shè)置最多為100，即可縮減工序暫存區(qū)面積。參數(shù)的設(shè)置及改善后數(shù)據(jù)的分析如圖8所示。

圖8 改善后裝配線工序數(shù)據(jù)分析表圖

優(yōu)化后，裝配線工序工作率提升至40.52%，提升了13.50%，但裝配線暫存區(qū)面積縮小至原來的2/3，大大減少了不必要的浪費，降低了手電筒工廠運營成本，增加了工廠利潤。

5 結(jié)束語

本文在仿真軟件Plant Simulation中，對某手電筒工廠的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行了虛擬仿真，通過對瓶頸工位、運輸方式和存儲能力的分析，進行了參數(shù)優(yōu)化，并給出了優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比。虛擬仿真實驗可極大降低運營成本，為企業(yè)規(guī)避風(fēng)險、運籌規(guī)劃提供可靠支持，增加物流管理的靈活性、減少投資，提高物流管理的工作效率、為物流管理的決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和資料、為選擇最佳計劃方案和最優(yōu)決策提供充分的科學(xué)依據(jù)，可面向眾多企業(yè)生產(chǎn)物流建設(shè)進行推廣應(yīng)用。