鋼卷精整包裝物流系統(tǒng)的仿真分析

李 鵬，王紅軍，3，康運江，付爽寧

（1.北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192；2.機科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國際科技合作基地，北京100192））

0 引言

在冶金行業(yè)中，最后一道工序是精整包裝，精整包裝的效果關(guān)系著產(chǎn)品從出庫到使用之前的方方面面，好的精整包裝效果可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。隨著智能制造不斷推進和企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求，研制全自動智能型鋼卷打捆機成為冶金企業(yè)迫切需求[2]。提高鋼材的包裝水平對于提高鋼材產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的市場競爭力有著重要意義。

隨著制造業(yè)高速發(fā)展，冶金企業(yè)精整生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)的物流倉儲方式已無法滿足發(fā)展需求，工藝和技術(shù)升級勢在必行，通過生產(chǎn)工藝和物流運輸?shù)暮侠砀咝б?guī)劃，產(chǎn)能匹配優(yōu)化，采用網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化技術(shù)和工藝設(shè)備，提高物品運輸?shù)乃俣纫约巴七M各方面智能科技化。

使用Flexsim 軟件對某冷軋鋼廠的精整包裝線進行模擬仿真，通過仿真模型找到存在的不足，并提出優(yōu)化方案，以提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1 Flexsim 仿真流程

Flexsim 由Flexsim Software Products 公司出品，是一款商業(yè)化離散事件系統(tǒng)仿真軟件，是目前市面上唯一擁有C++IDE接口及編譯器的圖形仿真環(huán)境的軟件。Flexsim 是一種多功能工具，曾經(jīng)為大量不同的產(chǎn)業(yè)模擬過多種系統(tǒng)。

Flexsim 軟件的建模與仿真流程[3]：

（1）確定仿真目標，設(shè)計相應(yīng)的研究方案。這個步驟中主要是為了明確仿真的主要目的，以及結(jié)構(gòu)組成。

（2）對數(shù)據(jù)進行準確的收集和整理。仿真過程中需要使用大量的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)輸入，如果這些數(shù)據(jù)的正確率很低，那么仿真輸出的結(jié)果正確率也會很低。下列是需要收集的數(shù)據(jù)資料：

結(jié)構(gòu)參數(shù)：它是用來對車間結(jié)構(gòu)進行描述的一個物理量，或者說成是幾何參數(shù)。車間內(nèi)的平面布局，物品的形狀和設(shè)備組成等都屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)的范疇。

工藝參數(shù)：它是用來展現(xiàn)車間零件們工藝流程之間的邏輯上的關(guān)系的參數(shù)。

動態(tài)參數(shù)：動態(tài)參數(shù)用來描述生產(chǎn)過程中的動態(tài)變化。比方車的裝卸時間以及運輸過程中的速度和加速度，這些和貨物相關(guān)的參數(shù)都屬于動態(tài)參數(shù)。

邏輯參數(shù)：邏輯參數(shù)用來展示流程和作業(yè)，在邏輯上的詳細關(guān)系。狀態(tài)變量：用來描述狀態(tài)的變化情況。比方說描述工作狀態(tài)的空閑繁忙情況，或者說緩沖區(qū)貨物隊列的空滿情況。

輸入、輸出變量：仿真輸入變量包含隨機變量和確定性變量兩種變量類型，輸出變量隨仿真目標的變化而變化，是有仿真目標設(shè)定的變量。

（3）建立車間布局模型，根據(jù)系統(tǒng)機構(gòu)和作業(yè)策略，分析車間內(nèi)的各種參數(shù)，在數(shù)學(xué)邏輯上的相應(yīng)聯(lián)系，建立符合要求的車間布局模型。

（4）對車間仿真模型進行建立，要使得仿真的車間模型符合現(xiàn)實中的布局情況，貼合所收集到的數(shù)據(jù)。

（5）驗證模型。對該模型進行精細的問題優(yōu)化，比方說對參數(shù)進行更為合理的設(shè)置，使用的邏輯策略是不是可以客觀地對現(xiàn)實中的系統(tǒng)進行模擬。

（6）仿真運行。開始對需要研究的系統(tǒng)進行仿真運行，并且多次重復(fù)，以便獲得足夠參考的仿真輸出資料。

（7）對實驗得出的結(jié)果進行分析。找到其問題所在并對相應(yīng)的優(yōu)化措施進行設(shè)計。

2 鋼卷精整包裝物流系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 精整線概述

研究對象的帶鋼精整車間占地面積54 000 m2，車間擁有多臺加工機組，包括熱鍍鋅機組（CGL）1 臺；連續(xù)退火機組（CAL）2 臺；重卷檢查機組（RCL）2 臺；重卷拉矯機組（2#RCL）1臺；鋼卷包裝機組（CPL）3 臺；鋼卷小車6 臺；子母車11 臺；車間內(nèi)還有3 條物流通道（WLTD），其兩側(cè)均布緩存鞍座。操作車間里入口和出口各3 個，還有用于放置成品的成品庫。其工藝路線如圖1 所示，車間內(nèi)以鋼卷小車和子母車作為搬運單位，鋼卷小車每次可搬運鋼卷數(shù)為1 卷，子母車最大搬運數(shù)量為1 卷。

圖1 精整包裝工藝流程

模擬此精整車間主要加工3 種規(guī)格重量鋼卷，初定熱鍍鋅機組與連續(xù)退火機組生產(chǎn)鋼卷的規(guī)格為：A 類：重量：15 t；帶鋼厚度：0.6 mm；寬度：1000 mm；B 類：重量：24 t，需進行重卷作業(yè)；帶鋼厚度：0.6 mm；寬度：1000 mm；C 類：重量：30 t，需進行重卷拉矯作業(yè)；帶鋼厚度：0.6 mm；寬度：1000 mm；初定重卷機組出口鋼卷規(guī)格為：B-1：重量：12 t；帶鋼厚度：0.6 mm；寬度：1000 mm；重卷機拉矯組出口鋼卷規(guī)格為：A-1：重量：12 t；帶鋼厚度：0.6 mm；寬度：1000 mm。假設(shè)各機組出口鋼卷：20%需重卷拉矯；60%需重卷；20%直接包裝。不同類型鋼卷及各機組加工時間見表1。

表1 產(chǎn)品加工時間

2.2 仿真模型建立

根據(jù)工藝流程實際情況，在Flexsim 軟件中將所需各實體模型放入模擬窗口按照車間布置進行擺放，并且對不同實體進行參數(shù)設(shè)置，最終仿真模型如圖2 所示。各實體含義見表2。

表2 模型實體及其含義

圖2 物流仿真模型

在設(shè)置調(diào)定完實體模型與臨時實體流參數(shù)屬性并進行重置后，先將仿真模擬時間即停止時間設(shè)置為1 個月：2 592 000 s，然后運行模型。

3 仿真與優(yōu)化

3.1 仿真分析

分析模型運行質(zhì)量要借助模塊“Dashboards”進行查看，選定所需的圖表形式并選定被監(jiān)控的實體模型后，F(xiàn)lexsim 仿真軟件會在仿真模擬的過程中自動收集實體模型運行時間、設(shè)備利用率、等待空閑率、設(shè)備輸入/輸出的產(chǎn)品數(shù)量、堵塞率、等這些信息都是仿真報告內(nèi)容的一部分，最后查看仿真報告時，可以根據(jù)具體的表格來進行分析，處理器仿真報告見表3，運輸單位仿真報告見表4。

表3 處理器仿真報告

表4 運輸單位仿真報告

根據(jù)6 臺加工機組模擬仿真報告的結(jié)果，首先可以看到2#重卷拉矯機組在重卷機組中利用率相對較低，由此可以看出2#重卷拉矯機組處存在瓶頸。其次，3 臺包裝機組利用率差距較大，1#和3#包裝機組與2#包裝機組的利用率差值達到了61.86%，說明1#和3#包裝機組前端存在物流瓶頸，由此導(dǎo)致了生產(chǎn)不平衡。2#重卷拉矯機組的瓶頸和堵塞的情況以及1#和3#包裝機組存在的生產(chǎn)不平衡嚴重制約了車間整體的生產(chǎn)效率。

由模擬仿真報告，可以發(fā)現(xiàn)鋼卷小車R6 利用率為0%，這說明其完全處于閑置狀況中，會造成資源的浪費，也使得生產(chǎn)成本增加。同時3#物流通道內(nèi)的子母車利用率均不高，尤其是其中的3#4 子母車，利用率極低，說明設(shè)備未得到充分利用，資源嚴重浪費。3 臺過跨鋼卷小車利用率均極低，說明此種生產(chǎn)情況下，每條線均可滿足生產(chǎn)需求，無需搬運至其他生產(chǎn)線。故優(yōu)化重點應(yīng)放在解決堵塞與生產(chǎn)不平衡的問題上。并且，鋼卷小車R4 的利用率接近鋼卷小車R5 利用率的2 倍，結(jié)合兩車不同的運輸距離可推測為鋼卷小車R4 物流量過大導(dǎo)致。

根據(jù)分析為了使系統(tǒng)達到最優(yōu)效果，需要進行改進與優(yōu)化操作。據(jù)生產(chǎn)物流情況發(fā)現(xiàn)造成生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的阻礙問題有：

（1）子母車與緩存區(qū)分配不均。3 條物流通道中小車均存在高閑置率的問題，說明子母車數(shù)量可能過多，可適當減少子母車數(shù)量；并且物流通道中緩存鞍座數(shù)量分配存在不均，在仿真過程中出現(xiàn)過C 類鋼卷堆積現(xiàn)象，此可能為2#重卷拉矯機組堵塞原因。所以物流通道內(nèi)設(shè)備與布置均需改進。

（2）排產(chǎn)順序不合理。A 類鋼卷與B、C 類所需加工機組不同，A 類直接到達包裝機組，且包裝機組可同時加工多個鋼卷，如先生產(chǎn)A 類鋼卷再生產(chǎn)B 類會導(dǎo)致重卷檢查機組的閑置，可調(diào)整順序先生產(chǎn)B 類鋼卷使其先到重卷檢查機組上進行加工。

（3）布局存在不合理。1#物流通道與2#物流通道距離太遠，會增加鋼卷小車與子母車的運輸流量并增加物流成本與時間。

3.2 優(yōu)化仿真

通過分析前文所述造成生產(chǎn)物流效率低下的原因，針對各項原因可做出相應(yīng)的改進，有如下4 種改進方案：

（1）調(diào)整子母車數(shù)量，去掉鋼卷小車R6，減少1#、2#和3#子母車各1 臺，有助于降低精整包裝物流系統(tǒng)成本。

（2）調(diào)整緩存鞍座數(shù)量，增加2#重卷拉矯鞍座的數(shù)量到70，增加2#包裝緩存鞍座的數(shù)量到23。增加重卷拉矯鞍座可減少連續(xù)退火機組與熱鍍鋅機組到緩存鞍座之間的堵塞，增加重卷拉矯鞍座可減少重卷拉矯機組到包裝機組之間的堵塞，提高緩存區(qū)利用率。

（3）調(diào)整物流通道布局位置，將1#物流通道調(diào)整至1#重卷檢查機組與2#重卷檢查機組之間，縮短單位搬運距離從而降低搬運成本。本調(diào)整可使鋼卷小車與子母車單次減少20 m 運輸距離，降低物流量。

（4）調(diào)整機組排產(chǎn)順序，尋找最優(yōu)排產(chǎn)順序。原生產(chǎn)順序為：ABBBC，現(xiàn)調(diào)整為：熱鍍鋅機組：BABCB；2#連續(xù)退火機組：BACBB；1#連續(xù)退火機組：BABBC。此排產(chǎn)順序可使重卷檢查機組最先開始工作，并且包裝機組也不會因此等待時間過長，提高設(shè)備利用率。

改后模型如圖3 所示。重新進行仿真分析，得到仿真結(jié)果，見表5、表6。

圖3 改后物流仿真模型

表5 處理器仿真報告

表6 運輸單位仿真報告

根據(jù)仿真結(jié)果對比分析可知，通過調(diào)整子母車與緩存鞍座數(shù)量、調(diào)整機組排產(chǎn)順序、調(diào)整物流通道布局位置可以看出1#包裝機組、3#包裝機組與2#重卷拉矯機組的利用率和堵塞情況有了明顯的改善。3 臺重卷機組利用率近似，且保持在較低利用率，說明尚有生產(chǎn)余力，可滿足更高峰值生產(chǎn)，并且需要進行過跨作業(yè)的鋼卷小車R4 與R5 的總利用率保持在較低值，說明需要進行過跨的作業(yè)不多。鋼卷型材精整物流線的整體利用率也由原來的0.27 升高到了0.75，達到了優(yōu)化物流系統(tǒng)的目的。

4 結(jié)束語

通過借助物流相關(guān)方法和Flexsim 物流仿真軟件，對鋼廠冷軋帶鋼精整包裝物流系統(tǒng)存在的問題進行了分析并提出了一些改進措施，改善企業(yè)內(nèi)布局，降低了資金投入，從一定程度上提高了整體的生產(chǎn)效率，為冷軋鋼廠進行物流系統(tǒng)優(yōu)化提供了一定的理論支持。