基于Flexsim的生產(chǎn)線平衡優(yōu)化

■ 尹忠愷 程陳

遼寧工程技術(shù)大學(xué)工商管理學(xué)院 葫蘆島 125105

0 引言

生產(chǎn)物流指的是生產(chǎn)工藝中的物流活動，一般以在制品的形態(tài)經(jīng)過一系列的加工過程、存儲最后流入下一個點。生產(chǎn)物流伴隨的生產(chǎn)線流程存在著布局不合理、人員操作不規(guī)范和工作周期過長等問題，優(yōu)化生產(chǎn)線流程一直是企業(yè)提高核心競爭力的目標(biāo)[1]。

針對生產(chǎn)線平衡問題，國內(nèi)的學(xué)者展開了一系列的研究工作。學(xué)者朱錢峰等采用瓶頸理論和防呆法等方法，對光伏生產(chǎn)線擴(kuò)散和EL 檢測環(huán)節(jié)的瓶頸進(jìn)行改善，生產(chǎn)線不在堵塞[2]。學(xué)者趙相忠等對鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)過程分析后繪制價值流圖，發(fā)現(xiàn)不合理之處，通過工業(yè)工程方法進(jìn)行改善，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益[3]。上述的學(xué)者對生產(chǎn)線存在的問題進(jìn)行改善，但改善后的是否是適合生產(chǎn)線實際生產(chǎn)以及改善后的效果難以進(jìn)行預(yù)判。生產(chǎn)線改善與仿真軟件結(jié)合可以讓改善效果可視化。學(xué)者高健等利用Flexsim 對SY14040 機(jī)型生產(chǎn)線仿真，結(jié)合工業(yè)工程方法對工位進(jìn)行改善，優(yōu)化后線體更加平衡[4]。學(xué)者彭軍通過電視機(jī)包裝流程應(yīng)用Flexsim 仿真分析不同的首選批次、投產(chǎn)順序以及加工數(shù)量對于生產(chǎn)時間的影響，幫助企業(yè)尋求最佳的投產(chǎn)組合[5]。學(xué)者杜嘉瑋等考慮到實際生產(chǎn)情況復(fù)雜，使用均衡化的方法以及采用Em-plant 仿真分析增加適量的暫存區(qū)可以減少生產(chǎn)過程中機(jī)器故障等突發(fā)情況對生產(chǎn)線的影響[6]。宗學(xué)文等利用ARENA 軟件建模仿真葉輪快速鑄造生產(chǎn)線，仿真結(jié)果的等待時間和工位利用率結(jié)合分析，找出人員安排不合理之處，采用MOD 法對瓶頸工序改善優(yōu)化，提升了生產(chǎn)線效率[7]。田磊等對VR眼鏡生產(chǎn)過程分析，挖掘瓶頸工序，利用Flexsim 和工業(yè)工程進(jìn)行改善，合理進(jìn)行人員安排和配置資源，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量[8]。

通過對前人學(xué)者研究梳理發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)者是對自動化產(chǎn)線改善后進(jìn)行仿真分析，較少學(xué)者對于手工為主導(dǎo)的生產(chǎn)線改善后進(jìn)行仿真分析。手工為主導(dǎo)的生產(chǎn)線仍占據(jù)大量市場份額，存在產(chǎn)品合格率低，不同生產(chǎn)員工操作時間差異大，不能滿足客戶產(chǎn)能要求等現(xiàn)象。本文以C 公司以手工為主導(dǎo)的動機(jī)裝配流水線為例，采用程序分析和作業(yè)分析結(jié)合對生產(chǎn)線進(jìn)行改善，合理編排工序操作內(nèi)容，縮短工作周期，運(yùn)用Flexsim 仿真驗證改善方案的有效性。

1 C公司生產(chǎn)線狀況分析

1.1 C公司生產(chǎn)線現(xiàn)狀

國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展帶動了家電行業(yè)的發(fā)展，家電行業(yè)的發(fā)展帶來了很多機(jī)遇，但是同時增加了競爭的激烈性。C公司為了提高供應(yīng)鏈整體的穩(wěn)定性以及快速響應(yīng)能力，逐漸對生產(chǎn)線平衡重視起來。C 公司是一家主要針對洗衣機(jī)零配件組裝的生產(chǎn)工廠，洗衣機(jī)現(xiàn)在市場上的功能比較多種多樣，但是洗衣機(jī)最核心功能的體現(xiàn)在電機(jī)，C 公司組裝款式有3 種ABC，生產(chǎn)線流程采用U型布局，進(jìn)料和出料由同一人負(fù)責(zé)，防止物料供應(yīng)過多，造成生產(chǎn)線堵塞，現(xiàn)場布局如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線流程布局圖

1.2 生產(chǎn)線工序時間

通過對C 公司的實地調(diào)研，了解工序的前后關(guān)系以及現(xiàn)場布局。發(fā)現(xiàn)C 公司的動機(jī)裝配流水線工序中大部分都是以手工作業(yè)為主，少數(shù)的是手工作業(yè)配合設(shè)備一起進(jìn)行，因此此次作業(yè)時間的測定主要使用模特法和秒表測定法[9]。經(jīng)過對工序的測定得到的每個工序?qū)?yīng)ABC三種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工作時間如下表1所示。

表1 工序作業(yè)時間

1.3 生產(chǎn)線產(chǎn)能平衡率

本文為了提高生產(chǎn)線的平衡，將生產(chǎn)線產(chǎn)能平衡率[10,11]作為一個重要的評價指標(biāo)，同時還可以判斷出各工序編排是否合理,產(chǎn)能平衡率計算公式（1）：

式中：W 為產(chǎn)能平衡率;t 為工序作業(yè)時間;s 為工序所需人數(shù);i 為對應(yīng)第幾位工序;c 為生產(chǎn)線節(jié)拍，產(chǎn)能平衡率的一個重要指標(biāo)，它是生產(chǎn)線每天的運(yùn)行時間和計劃產(chǎn)量的比值;a 生產(chǎn)線的員工數(shù)。通過觀察ABC 三種產(chǎn)品的工序作業(yè)時間，發(fā)現(xiàn)工序一樣，不一樣體現(xiàn)在員工操作的手工時間，本文將重點分析A 產(chǎn)品,A 產(chǎn)品訂單數(shù)量1500個，生產(chǎn)流水線采用輪班制，每天運(yùn)作12小時，生產(chǎn)線節(jié)拍為28.8s，生產(chǎn)線的員工數(shù)為19 個，A 產(chǎn)品的產(chǎn)能平衡率為75%。

2 生產(chǎn)流水線Flexsim仿真分析

2.1 模型的建立

C 公司生產(chǎn)流水線作為一個典型的離散系統(tǒng)，“離散”指的是事物發(fā)生有個明顯的先后順序特征，在此期間明確的知道事物會發(fā)生什么樣的變化。系統(tǒng)仿真的目的是還原系統(tǒng)中各個事物的狀態(tài)，而不是當(dāng)時的運(yùn)作方式，仿真過程中原材料投放，人員，設(shè)備運(yùn)作的時間與現(xiàn)實一致。Flexsim主要針對的是對離散系的仿真，關(guān)注的整個系統(tǒng)中的事物相互的關(guān)系，采用面向?qū)ο蟮慕＿壿嫞總€版塊既獨立又相互聯(lián)系，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時可以及時的排查錯誤來源進(jìn)行修改。Flexsim 中報告與統(tǒng)計與Excel 連接，可以導(dǎo)出模型運(yùn)行中的狀態(tài)報告。它可以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)物流系統(tǒng)中工藝流程和現(xiàn)場布局不合理的整改[12]。

Flexsim 模型的建立主要包括以下6 個步驟（1）模型布局邏輯關(guān)系與現(xiàn)場布局一致（2）現(xiàn)場工作時間設(shè)置模型運(yùn)行時間（3）工位處理時間不同進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（5）模型運(yùn)行，報告與統(tǒng)計結(jié)果（6）優(yōu)化后在運(yùn)行，結(jié)果對比分析

C 公司生產(chǎn)流水線產(chǎn)品的配件由發(fā)生器產(chǎn)生，暫存區(qū)用來堆放產(chǎn)品產(chǎn)生的配件，人工作業(yè)由處理器進(jìn)行定義，合成器處理生產(chǎn)流水線過程中的加工作業(yè)。最后設(shè)置一個吸收器，當(dāng)產(chǎn)品完成加工工序后吸收，類似于現(xiàn)實生產(chǎn)中產(chǎn)品完成后搬運(yùn)存放[13-15]，最終建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線流程仿真模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

建立生產(chǎn)線流程布局圖的仿真模型后，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置：

（1）發(fā)生器1 和2 分別是產(chǎn)生電機(jī)和蝸殼等材料，到達(dá)方式選擇為到達(dá)時間表，數(shù)量為1500 個，分別存放在暫存區(qū)1和暫存區(qū)2，以供后面生產(chǎn)線生產(chǎn)所需。

（2）工位15 個對應(yīng)處理器14 個和合成器1 個（渦輪與外殼組裝），各個工位之間之間用A 連接，加工時間設(shè)置根據(jù)表1 工序的作業(yè)時間設(shè)定，分別代表不同工位的工人進(jìn)行工作的內(nèi)容。

（3）吸收器（存儲區(qū)）在觸發(fā)器的進(jìn)入觸發(fā)里選擇停止模型的運(yùn)行或重復(fù)運(yùn)行，設(shè)置條件為getinput(current)== 1500，當(dāng)吸收器中吸收了1500 個產(chǎn)品時模型停止運(yùn)行，以便直觀觀察生產(chǎn)所需時間，與改善后進(jìn)行對比。

2.3 仿真結(jié)果及分析

仿真模型結(jié)束后，報告與統(tǒng)計讀取工位的運(yùn)行參數(shù)，本文選取了空閑率、加工效率指標(biāo)用來跟改善后進(jìn)行對比，平均空閑率為18.37%，平均加工效率69.47%，具體數(shù)值如表2所示。

表2 工位仿真結(jié)果統(tǒng)計圖（改善前）

經(jīng)過現(xiàn)場的診斷與Flexsim 的仿真結(jié)果分析，該生產(chǎn)流水線存在以下問題：

（1）工位8 作為瓶頸工序，加工效率為99.40%，影響了生產(chǎn)線下游的工作效率，導(dǎo)致下游空閑時間過長，影響產(chǎn)能平衡率。

（2）工序安排不合理，生產(chǎn)線上游（工位1～8）工作繁忙，生產(chǎn)線下游（工位9～15）卻較為空閑，導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍為28s，難以降低。

（3）通過對現(xiàn)場的操作人員進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)工序時間可能是受操作人員雙手操作失衡失調(diào)等問題影響。

3 現(xiàn)場改善

3.1 工藝程序分析改善

工藝程序分析是通過根據(jù)現(xiàn)場的工作流程，分析是否有重復(fù)的，多余的以及不合理的作業(yè)工序，工序設(shè)計是否合理，搬運(yùn)距離是否過長還有工序等待時間是否過長等問題，通過對整個工序作業(yè)過程進(jìn)行分析，改進(jìn)現(xiàn)在的工序作業(yè)流程、方法以及空間布局，從而提高生產(chǎn)線的工作效率[16-18]。工藝流程程序表主要利用加工（○）檢查（□）搬運(yùn)（→）等待（D）存儲（▽）5種符號對整個生產(chǎn)現(xiàn)場的制造程序作一個詳細(xì)記錄，以便于對制造程序做出改善。通過對C 公司生產(chǎn)線的現(xiàn)場觀察，做出工藝流程程序表如表3所示。

表3 工藝流程程序表（改善前）

根據(jù)5W1H（原因、對象、地點、時間、人員、方法）以及ECRS(取消、合并、重排、簡化)原則[19]，結(jié)合上面存在的問題一起。作出如下改善：

（1）工位9操作中的開啟電焊器加熱為等待環(huán)節(jié)，可以取出電容的時候就開啟電焊器加熱，減少等待時間4s。

（2）工位10現(xiàn)場中工序插水管這個環(huán)節(jié)不同類型擺放混亂，員工可以提前擺好，減少尋找水管的加工時間2s。

（3）工位12 操作中可以調(diào)整工序的操作次序，將撕吸音棉提前，減少等待打膠機(jī)器這個環(huán)節(jié)3s。

（4）工位14 中機(jī)架的穩(wěn)定性測試等待時間為9s 較長，將工位14 與工位15 的工序進(jìn)行拆分重組，在機(jī)架穩(wěn)定性測試的時間內(nèi)可以進(jìn)行尋找海綿條和皮帶線的操作，減少加工時間5s，將工位14 與工位15 進(jìn)行合并，整體減少了一個工位，減少一位操作人員，節(jié)省支出。

基于上述的改善操作，改善后的工藝流程程序表如表4所示。

表4 工藝流程程序表（改善后）

通過改善后的工藝流程程序表，工位9～15變?yōu)楣の?～14，減少一個工位，整體工序作業(yè)時間減少27s，加工（○）減少3次，搬運(yùn)（→）減少1次，等待（D）減少2次。

3.2 雙手操作分析改善

生產(chǎn)過程中的具體操作，主要是通過工作人員的雙手完成的。雙手操作程序圖是以操作人員的雙手為對象，通過記錄其動作，表示關(guān)系，可以用來分析操作人員動作存在的問題[20]。

雙手操作分析圖主要包括4個部分：（1）圖左上角記錄操作的名稱、開始和結(jié)束動作（2）圖右上角記錄操作臺的平面圖（3）圖中間記錄操作人員動作，操作，拿取物品（○）檢查物品（□）移動手持動作（→）等待，延遲動作（D）手持材料動作（▽）（4）圖右下角統(tǒng)計左右手動作數(shù)。

工位8 固定風(fēng)機(jī)作為瓶頸工序，對其操作人員雙手動作進(jìn)行分析改善。如圖3所示。

圖3 雙手操作分析圖（改善后）

通過對工位8 的雙手操作程序圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)操作人員的左右手操作動作數(shù)較為平衡，但是右手大部分操作為固定物品，握持動作過多，左手單手操作不符合動作經(jīng)濟(jì)原則，工位8 可以放置一個固定器用來固定物品，讓右手可以完成更多的操作，減少操作時間，經(jīng)測量改善后工位8的作業(yè)時間為28s。

3.3 改善仿真結(jié)果分析

通過工藝流程程序分析以及雙手操作分析對生產(chǎn)流水線的工序進(jìn)行改善，修改Flexsim 模型中的相關(guān)參數(shù)，再次進(jìn)行運(yùn)行，得到如具體數(shù)值如表5所示。

表5 工位仿真結(jié)果統(tǒng)計圖（改善后）

表2 與表5 數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，改善后的平均空閑率為1.08%，平均加工效率69.66%，工位的平均空閑率從18.37%降低到1.08%，降低了17.29%，平均加工效率提高了0.19%，工位減少一個，減少一個操作人員，生產(chǎn)目標(biāo)1500 件所需時間減少，由46782s 減少到46761s，減少了21s，產(chǎn)能平衡率由75%提高至81%，提高了6%。改善后的指標(biāo)變化如表6所示。

表6 生產(chǎn)線平衡改善對比圖

4 結(jié)論

（1）動機(jī)裝配流水線零配件種類繁多，工序操作大部分為手工作業(yè)，所以人員操作對于流水線生產(chǎn)效率影響很大，通過對瓶頸工位操作人員動作分析，減少無效動作以及利用工藝程序分析對生產(chǎn)線下游工位進(jìn)行工序的取消、合并、重排、簡化，生產(chǎn)線平均空閑率下降17.29%，平均加工效率提高0.19%，生產(chǎn)線工人減少一個，達(dá)到生產(chǎn)目標(biāo)的生產(chǎn)時間變短，產(chǎn)能平衡率提高6%。

（2）根據(jù)現(xiàn)場布局借助Flexsim 軟件建立模型，仿真模擬，得到各個工位空閑率和加工效率，改善后，運(yùn)用Flexsim可以模擬得到流水線生產(chǎn)情況，防止因為改善操作不當(dāng)，直接進(jìn)行操作影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對于改善前后的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行直觀對比，持續(xù)不斷的進(jìn)行優(yōu)化操作，得到對于生產(chǎn)線的最優(yōu)方案。

本文用工藝程序分析以及雙手操作分析來改善C公司的生產(chǎn)流水線，將工序合理編排以及減少無效操作等，使員工工作效率提高，縮短生產(chǎn)周期，生產(chǎn)線工人總數(shù)減少，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。借助仿真軟件Flexsim，可以直觀的看到改善前后生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)效率提高，證明了改善方案的可行性，對于實際生產(chǎn)線具有現(xiàn)實意義，局限之處在于沒有考慮工人技能熟練程度、生產(chǎn)線布局等影響因素。