基于Petri網(wǎng)和Flexsim模型的注塑生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化

張 穎，趙京鶴

（長(zhǎng)春光華學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引言

制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主要戰(zhàn)場(chǎng)[1]。隨著“中國(guó)制造2025”“數(shù)字化生產(chǎn)”和“智能制造”的提出，我國(guó)汽車制造業(yè)正處在深度變革期[1]，產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)越來越明顯，對(duì)生產(chǎn)線的柔性制造能力和數(shù)字化生產(chǎn)能力要求越來越高。廣大離散制造企業(yè)開始重視車間生產(chǎn)線的數(shù)字化升級(jí)與改造，只有不斷提高對(duì)生產(chǎn)布局規(guī)劃、優(yōu)化生產(chǎn)流程和控制策略才能不斷增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

生產(chǎn)線優(yōu)化可以采用工序拆分、重組等工序重構(gòu)優(yōu)化方案[2],但是優(yōu)化結(jié)果仍存在工位空閑時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)負(fù)荷不均、產(chǎn)品堆積、產(chǎn)品傳輸碰撞等問題[3]，優(yōu)化方法缺乏對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的綜合考慮和動(dòng)態(tài)模擬分析。因此，探尋一種有效的生產(chǎn)線優(yōu)化方法是制造企業(yè)亟需解決的問題[4]。

當(dāng)前，許多學(xué)者對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模優(yōu)化進(jìn)行了研究。溫樂，等[5，6]，運(yùn)用Petri 網(wǎng)和Witness 仿真軟件相結(jié)合的方法，分別對(duì)動(dòng)車組車體生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架裝配線進(jìn)行了研究。李曄，等[7]結(jié)合Petri網(wǎng)建模方法和Witness軟件對(duì)托輥生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。汪佳[8]對(duì)某轉(zhuǎn)向器制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。肖燕[9]對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線看板生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析。以上文獻(xiàn)針對(duì)不同的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，但是針對(duì)多類型產(chǎn)品注塑車間生產(chǎn)線的研究還比較欠缺。

本文利用Petri 網(wǎng)建模和Flexsim 仿真相結(jié)合的方法對(duì)注塑車間生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化分析，利用賦時(shí)Petri 網(wǎng)對(duì)所涉及的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化[10]。采用Flexsim仿真軟件建立可視化模型，有效分析了系統(tǒng)瓶頸，為消除瓶頸，對(duì)操作者空閑率、產(chǎn)線平衡率等參數(shù)進(jìn)行分析，提出優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了既提高生產(chǎn)率，又降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

1 某汽車配件公司注塑生產(chǎn)線流程分析

1.1 某汽車配件公司概況

某汽車配件公司有6臺(tái)注塑設(shè)備，設(shè)備鎖模力噸位分別是3臺(tái)1 500t，1臺(tái)1 600t和2臺(tái)900t注塑機(jī)。每臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)的工件基本是固定不變的，并且都是進(jìn)行三班次生產(chǎn)（24h 生產(chǎn)），每班次生產(chǎn)8h，每周工作時(shí)長(zhǎng)6天。每臺(tái)設(shè)備配有一名操作者修整產(chǎn)品的毛刺或者飛邊。每班次需要6名操作者，三班次需要18名操作者。

1.2 注塑生產(chǎn)線流程

注塑生產(chǎn)線流程及庫(kù)所、變遷的含義如圖1所示。

圖1 注塑生產(chǎn)線流程及庫(kù)所、變遷的含義

2 某汽車配件公司注塑生產(chǎn)線TTPN模型

本文采用賦時(shí)變遷Petri網(wǎng)對(duì)注塑生產(chǎn)線進(jìn)行建模。賦時(shí)Petri 網(wǎng)將時(shí)間因素考慮進(jìn)去以后，使得模型更加符合實(shí)際情況，同時(shí)保留了基本Petri網(wǎng)具有的表達(dá)清晰的圖形化建模和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義等優(yōu)點(diǎn)，使其能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境。

2.1 TTPN定義

賦時(shí)Petri網(wǎng)（TTPN）結(jié)構(gòu)是一個(gè)六元結(jié)構(gòu)，TTPN=（P，t，F(xiàn)，M，W，D）=（PN，D），其中P=（p1，p2，…，pn）為庫(kù)所集合，表示狀態(tài)，用“○”表示；t=（t1，t2，…，tn）為變遷集合，表示活動(dòng)，用“□”表示；F=（PXt）U（tXP）為輸入輸出函數(shù)集，用有向弧來表示狀態(tài)與活動(dòng)之間的關(guān)系，用“→”表示；W為有向弧上的權(quán)函數(shù)；M為庫(kù)所集合上的標(biāo)識(shí)向量；M（p）為在庫(kù)所p上標(biāo)識(shí)的數(shù)目；mo 為初始標(biāo)識(shí)；D=（d1，d2，…，dn）為變遷ti從使能到激發(fā)的時(shí)間間隔，當(dāng)賦時(shí)Petri網(wǎng)中di為0時(shí)則稱其為即時(shí)轉(zhuǎn)移。

2.2 建立注塑生產(chǎn)線TTPN模型

根據(jù)圖1對(duì)某汽車配件公司注塑生產(chǎn)線流程的描述，首先將該公司注塑生產(chǎn)線劃分為原料輸送及干燥、注塑開始、注塑結(jié)束、產(chǎn)品傳輸、工件修剪開始、工件修剪結(jié)束、產(chǎn)品存儲(chǔ)七個(gè)對(duì)象，然后根據(jù)劃分的對(duì)象建立子網(wǎng)并加入賦時(shí)的概念，最后分析對(duì)象間的關(guān)系，建立傳遞關(guān)系網(wǎng)[12]。模型采用tina-3.6.0 軟件繪制，如圖2所示。

圖2 注塑生產(chǎn)線TTPN模型

3 某汽車配件公司注塑生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

本文建立的賦時(shí)Petri網(wǎng)模型是對(duì)注塑生產(chǎn)線物流系統(tǒng)靜態(tài)的邏輯結(jié)構(gòu)的描述，根據(jù)注塑生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)分析，建立動(dòng)態(tài)的Flexsim仿真模型，對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析出生產(chǎn)線中存在的問題，然后提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，提高生產(chǎn)線操作者的工作效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行仿真模擬之前，需要進(jìn)行以下假設(shè)：注塑相關(guān)設(shè)備在正常狀態(tài)下運(yùn)行，即此處不考慮設(shè)備故障率；設(shè)備不間斷的運(yùn)行；注塑零件質(zhì)量穩(wěn)定，原料在流轉(zhuǎn)時(shí)符合先進(jìn)先出（FIFO）原則；原料流可以進(jìn)行離散化處理。

3.1 構(gòu)建生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)

將TTPN模型中所涉及的生產(chǎn)要素按其相對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系優(yōu)化后轉(zhuǎn)化為Flexsim 實(shí)體，模型如圖3 所示。

圖3 注塑生產(chǎn)線Flexsim仿真模型

3.2 仿真系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)定

仿真模型參數(shù)設(shè)計(jì)如下：仿真時(shí)間基本單位設(shè)置為s，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為24h；搜集了每臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品并且選取具有代表性的產(chǎn)品及其生產(chǎn)節(jié)拍，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 注塑生產(chǎn)節(jié)拍

每種產(chǎn)品的修剪時(shí)間見表2。

表2 產(chǎn)品修剪時(shí)間

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖1和表2給相對(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)象設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行Flexsim仿真模型得到實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，見表3。

表3 優(yōu)化前的Flexsim仿真數(shù)據(jù)

由表3可知，注塑生產(chǎn)線在8h運(yùn)行期間沒有出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各臺(tái)注塑機(jī)的生產(chǎn)效率為100%，單班產(chǎn)能都超出生產(chǎn)目標(biāo)400件/班次，實(shí)際產(chǎn)量大于理論產(chǎn)量，能夠達(dá)到生產(chǎn)目標(biāo)。

不同注塑設(shè)備對(duì)應(yīng)的修剪操作者均有不同程度的空閑率。注塑機(jī)900t-1生產(chǎn)出工件的修剪操作者空閑率為8.6%，是這6 臺(tái)中空閑率最低的；注塑機(jī)900t-2的工件修剪操作者的空閑率為42.5%，其余注塑機(jī)的工件修剪操作者的空閑率達(dá)到50%以上，最高的工件修剪操作者的空閑率達(dá)到72.6%，這種狀態(tài)在生產(chǎn)過程中是很大的浪費(fèi)，使得生產(chǎn)運(yùn)行成本較高。

3.4 仿真模型優(yōu)化與分析

3.4.1 建立集中修剪仿真模型。根據(jù)對(duì)圖3仿真模型的分析可以看出，注塑生產(chǎn)區(qū)域的6條注塑生產(chǎn)線相對(duì)獨(dú)立，在生產(chǎn)時(shí)相互之間沒有干涉，但是工件修剪操作者的工作效率較低，存在生產(chǎn)浪費(fèi)，使得生產(chǎn)運(yùn)行成本較高。為了解決這個(gè)問題，將這6臺(tái)注塑生產(chǎn)線進(jìn)行整合，修剪區(qū)域計(jì)劃采用操作者4人，每2人負(fù)責(zé)3臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的工件，由于注塑機(jī)位置本身已經(jīng)固定，無法進(jìn)行大規(guī)模的位置調(diào)整，因此，根據(jù)實(shí)際情況，在注塑機(jī)1 500t-1，1 500t-2，900t-1 外側(cè)增加一條共用傳輸帶，將這3臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的工件運(yùn)到固定區(qū)域進(jìn)行集中修剪，由2名操作者（操作者35和操作者28）完成；在注塑機(jī)900t-2、1 500t-3、1 600t這3臺(tái)設(shè)備外側(cè)增加一條共用傳輸帶，將這3臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的工件運(yùn)到固定區(qū)域進(jìn)行集中修剪，由2名操作者（操作者33和操作者36）完成，這樣每班次將減少2人，3個(gè)班次將會(huì)減少6人，提高了修剪操作者的工作生產(chǎn)率，降低了操作者的閑置率，從而降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本，集中修剪仿真模型如圖4所示。

圖4 集中修剪Flexsim仿真模型

3.4.2 集中修剪仿真模型優(yōu)化。將注塑機(jī)1 500t-1、1 500t-2、900t-1 共用一條傳輸帶，在模型中定義為45#傳輸帶，將注塑機(jī)900t-2，1 500t-3，1 600t共用一條傳輸帶，在模型中定義為30#傳輸帶。45#和30#傳輸帶分別是獨(dú)立的傳輸帶，45#傳輸帶在下層，30#傳輸帶在45#傳輸帶的上面。由于注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品要求工件表面不允許有任何形式的磕碰和劃傷痕跡，否則判定為廢品。因此，要求工件在傳輸帶上運(yùn)輸時(shí)不能夠有相互疊放現(xiàn)象，如果工件相互疊放，將會(huì)損壞工件表面，達(dá)不到產(chǎn)品質(zhì)量要求，從而產(chǎn)生廢品。

運(yùn)行集中修剪仿真模型，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)按照單班8h，傳輸帶運(yùn)行速度單位是m/s，工件修剪操作者的工作時(shí)間單位是s。

（1）集中修剪仿真模型中傳輸帶速度設(shè)定。根據(jù)集中修剪仿真模型運(yùn)行結(jié)果得到45#傳輸帶速度對(duì)其連接的注塑機(jī)的影響，具體數(shù)據(jù)見表4。從表4 可以看出，45#傳輸帶的速度低于0.1m/s時(shí)，注塑機(jī)900t-1有停機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)傳輸帶的速度為0.08m/s時(shí)，900t-1注塑機(jī)停機(jī)率為2.6%，當(dāng)傳輸帶的速度為0.09m/s 時(shí)，900t-1注塑機(jī)停機(jī)率為0.7%，停機(jī)會(huì)導(dǎo)致注塑機(jī)不能夠連續(xù)生產(chǎn)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)會(huì)導(dǎo)致“脹?！爆F(xiàn)象的發(fā)生，損壞模具，導(dǎo)致注塑機(jī)完全停止生產(chǎn)。因此，通過仿真模型得出45#傳輸帶在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行速度設(shè)定值必須大于等于0.1m/s才能夠滿足生產(chǎn)要求。

表4 45#傳輸帶速度對(duì)其連接的注塑機(jī)的影響

根據(jù)仿真模型運(yùn)行結(jié)果得到30#傳輸帶的速度對(duì)其連接的注塑機(jī)的影響，具體數(shù)據(jù)見表5。從該表可以看出，30#傳輸帶的速度低于0.09m/s 時(shí)，注塑機(jī)1 600t 有停機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)傳輸帶的速度為0.07m/s 時(shí)，1 600t 注塑機(jī)停機(jī)率為98.4%，當(dāng)傳輸帶的速度為0.08m/s時(shí)，1 600t注塑機(jī)停機(jī)率為37%，停機(jī)會(huì)導(dǎo)致注塑機(jī)不能夠連續(xù)生產(chǎn)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)會(huì)導(dǎo)致“脹模”現(xiàn)象的發(fā)生，損壞模具，導(dǎo)致注塑機(jī)完全停止生產(chǎn)。因此，通過仿真模型得出30#傳輸帶在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行速度設(shè)定值必須大于等于0.09m/s才能夠滿足生產(chǎn)要求。

表5 30#傳輸帶速度對(duì)其連接的注塑機(jī)的影響

（2）集中修剪仿真模型中操作者。注塑機(jī)1 500t-1，1 500t-2，900t-1生產(chǎn)的工件經(jīng)過45#傳輸帶運(yùn)到集中修剪區(qū)域，由操作者35和操作者28進(jìn)行修剪，通過運(yùn)行仿真模型得到表6。從表6 中數(shù)據(jù)可以看出，傳輸帶的速度設(shè)定對(duì)操作者的空閑率沒有直接影響，由2名操作者修剪3臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的工件還有21%以上的空閑率，這比改進(jìn)前的空閑率72.6%（修剪1 500t-1生產(chǎn)工件的操作者的空閑率）和空閑率58.6%（修剪1 500t-2生產(chǎn)工件的操作者的空閑率）有了很大提高。

表6 45#傳輸帶速度對(duì)修剪操作者的影響

注塑機(jī)900t-2，1 500t-3，1 600t生產(chǎn)的工件經(jīng)過30#傳輸帶運(yùn)到集中修剪區(qū)域，由操作者33和操作者36進(jìn)行修剪，通過運(yùn)行仿真模型得到表7，由表7中數(shù)據(jù)可以看出，傳輸帶的速度設(shè)定對(duì)操作者的空閑率沒有直接影響，由2名操作者修剪3臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)的工件還有28%以上的空閑率，這比改進(jìn)前的空閑率42.5%（修剪900t-2生產(chǎn)工件的操作者的空閑率）、空閑率50.0%（修剪1 500t-3生產(chǎn)工件的操作者的空閑率）和空閑率68.5%（修剪1 600t生產(chǎn)工件的操作者的空閑率）有了很大提高。

表7 30#傳輸帶速度對(duì)修剪操作者的影響

3.4.3 集中修剪仿真模型優(yōu)化結(jié)果分析

（1）傳輸帶的傳輸速率應(yīng)當(dāng)控制在合理范圍，避免產(chǎn)品發(fā)生堆砌現(xiàn)象，具體輸出如下：①設(shè)定45#傳輸帶速度≥0.1m/s；②設(shè)定30#傳輸帶速度≥0.09m/s。

（2）工件修剪操作者的空閑率由改進(jìn)前的46.6%（修剪45#傳輸帶產(chǎn)品）和53.7%（修剪30#傳輸帶產(chǎn)品）分別降低到改進(jìn)后的22.5%（修剪45#傳輸帶產(chǎn)品）和35.3%（修剪30#傳輸帶產(chǎn)品），修剪人員由6人/班次減少到4人/班次，總共減少6人（每天3班次生產(chǎn)），人員利用率提高了33.3%，降低了企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

（3）注塑產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)將分散在每臺(tái)注塑機(jī)旁邊的修剪工位集中到一個(gè)區(qū)域，這樣可以方便產(chǎn)品檢驗(yàn)工作集中管理，減少質(zhì)檢人員在各個(gè)設(shè)備之間的走動(dòng)距離，降低質(zhì)檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用工藝流程建模方法建立了基于注塑的TTPN模型，并將TTPN模型對(duì)應(yīng)元素按照其邏輯關(guān)系導(dǎo)入Flexsim 仿真模擬軟件中，建立注塑生產(chǎn)線仿真模型，不僅能夠直觀地看到生產(chǎn)線改造后的生產(chǎn)場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)原有方案中的不足，建模分析還能夠輸出重要的數(shù)據(jù)。假設(shè)設(shè)備處在最優(yōu)狀態(tài)并不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，結(jié)果顯示注塑生產(chǎn)線主要問題在于工件修剪操作者空閑率較大，是生產(chǎn)運(yùn)行效率提高的主要瓶頸；而傳輸帶速度的設(shè)定是保證工件在傳輸過程中不產(chǎn)生磕碰和劃傷等質(zhì)量問題的關(guān)鍵。針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵問題點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后操作者的平均空閑率由改進(jìn)前的50.1%降低到改進(jìn)后的28.9%，操作者的工作效率有了大幅度提高；操作者人數(shù)由18人/天降到12人/天，人員利用率提高了33.3%，降低了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。為了保障工件在傳輸過程中的質(zhì)量，傳輸帶速度的設(shè)定應(yīng)當(dāng)不小于0.1m/s。經(jīng)過上述改進(jìn)，該注塑生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率有了很大提升，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本明顯降低。