基于Flexsim的混合流水生產線的仿真研究

劉 哲 孫先富

摘要:文章以企業的實際生產線為例,在建立生產流程圖的基礎上使用Flexsim仿真軟件對其生產過程進行仿真研究,發現生產中的瓶頸程序,依此提出優化方案,并驗證了優化方案的有效性。

關鍵詞:Flexsim;流水生產線;仿真;最佳生產技術

一、引言

在鋼鐵生產企業中,企業的核心生產流程主要包括四個工序,即煉鋼-精煉-鑄造-軋制,這四個生產工序階段是有層次的、連續的和緊密銜接的關系,如果其中一個生產工序發生中斷,將使企業產生損失。因此,如何合理地安排各個工序中生產機械的加工任務,使得各工序的加工任務量大小適中,并且盡量減少在制品積壓,這些是鋼鐵生產企業亟待解決的問題。

生產線仿真作為先進制造技術的重要組成部分,其本質就是以計算機支持的仿真技術為前提,對生產線的各個元素和生產過程進行統一的建模。在虛擬的環境中反映出生產制造全過程,從而更有效地組織生產計劃使企業獲得更大的利潤。本文使用Flexsim軟件對某鋼廠的一條生產線進行建模和仿真,通過模型的運行找到生產線中的瓶頸工序,并提出優化方案,以提高生產線的生產速率,減少在制品的等待加工時間,以提高生產線的生產效率。

二、最佳生產技術(OPT)

OPT(Optimized Production Technology,最佳生產技術)是以色列物理學家Eli Goldratt博士于20世紀70年代提出的一種改善生產管理的技術,也是一種用于安排企業生產人力和物料調度的計劃方法。OPT追求物流過程的均衡,即實現物流的同步化,以求生產周期最短、在制品最少。在生產制造過程中,影響生產進度的是瓶頸環節。所謂“瓶頸”是指生產能力小于或等于生產負荷的資源。瓶頸資源的損失和浪費即是制造系統的損失和浪費,因此,瓶頸資源是制造系統控制的重點,瓶頸資源的能力決定制造系統其他環節的利用率和生產效率,也決定了整個生產的產出量和庫存水平。OPT系統將重點放在控制整體產出的瓶頸資源上,優先處理所有瓶頸作業,并以平衡物料流動為原則,使整個系統達到產出最大的目的。因此,生產管理中首先要找出“瓶頸”工序和關鍵資源,然后對其進行優化。為了使得生產過程流暢,企業應在“瓶頸”工序前建立適當的庫存緩沖區,以保證“瓶頸”工序滿負荷運行。

三、案例仿真

(一)Flexsim簡介

Flexsim是美國Flexsim公司開發的迄今為止世界上第一個在圖形環境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件。Flexsim應用深層開發對象,這些對象代表著一定的活動和排序過程。要應用模板里的某個對象,只需要用鼠標把該對象從庫里拖出來放在模型視窗即可。每一個對象都有一個坐標、速度、旋轉和一個動態行為。對象可以創建和刪除,而且可以彼此嵌套移動,它們都有自己的功能或繼承來自其他對象的功能。Flexsim中的對象很多,像處理器、操作員、運輸機、合成器、分解器、叉車、交通控制燈等,幾乎囊括了現實中的所有實物對象,并且用戶還可以自己創建對象并應用到模型中。同時Flexsim的資料、圖像和結果都可以與其他軟件公用。

(二)仿真模型建立

某企業進行鋼水澆次加工,一個澆次的任務有12爐鋼水需要加工,每一個澆次加工又由4道工序來完成,分別為煉鋼、精煉、連鑄和軋制。其中,煉鋼和精煉過程可由3臺相同的并行加工設備來完成,連鑄和軋制過程可由2臺相同的并行加工設備來完成。鋼水澆鑄加工流程見圖1。

本文中工件在各機器上的加工時間的數據如表1所示。

根據鋼水澆鑄加工流程,可以在Flexsim軟件中進行模型的仿真,工件可由Flexsim軟件的Source實體產生的臨時實體替代,各種加工機械就相當于Flexsim中的Processor實體,暫存區相當于Queue實體,接收區相當于Flexsim軟件中的Sink接收器實體。在Flexsim仿真軟件中以加工機器為最小單位,著力研究每臺加工機器的使用情況以及暫存區的存貨情況,據此可以判斷加工流程中的瓶頸工序。

根據流程及表1中的數據設置各實體的參數如下:

第一,對于Source實體,Arrival Style下拉菜單選擇Arrival Sequence,Number of Arrival改為12并刷新,將每個Arrival的ItemType依次改為1.00-12.00并在Repeat Schedule/Sequence前面打勾。在Flow選項卡中的Send To Port下拉菜單中選擇Random Available Port,在SourceTriggers選項卡中的OnExit下拉菜單中選擇Set Color By ItemType,點擊確定按鈕完成Source實體的參數設置。

第二,對于Processor實體,Processor Time下拉菜單中選擇By ItemType(indirect)并編寫代碼,比如在Processor2中編寫如下代碼:case1:return45;case2:return45;case3:return50;case4:return50;case5:return45;case6:return45;case7:return47;case8:return50;case9:return48;case10:return45;case11:return46;case12:return48;default:return 0;這會使得處理器2按照表1中的時間對到達的臨時實體按照其類型進行不同時間的處理。其余處理器實體做同樣的設置。

第三,對于Queue實體,其最大容量設為10。因為Queue實體連接的是不同的工序所對應的加工機械,并且各工序中的機械都是功能相同,因此,在Flower選項卡中Send To Portable下拉菜單中選擇Random Available Port,即Queue實體在向下游實體發送臨時實體時,會檢查下游實體是否空閑并向其發送臨時實體。

各種參數都設置完畢后對各個實體進行連接。建立好連接后的模型如圖2所示。

(三)仿真結果分析及優化

編譯模型,重置模型并運行模型。在仿真運行中,可以實時觀察模型運行情況。在透視圖中可以清晰的看出,在模型開始運行不久,Queue2就開始出現產品積壓等待加工現象,但Queue1未出現產品等待加工現象。隨著模型運行時間變長,Queue2的積壓現象也變的越來越嚴重,當模型運行到9000s時,由于Queue2得最大容量限制為10,當Queue2容量達到其最大容量時,第2道工序上的產品加工完成后不能送往Queue2,從而使得該工序上已加工完成的產品停滯在本工序加工機器上,并由此而造成了Queue1也出現產品積壓現象,如圖3所示。

通過對模型的分析可以發現,Queue2出現產品積壓主要是由于第3道工序中的加工機械不能及時的處理產品所導致的,這可以從第3道工序加工機械的數據中看出。第3道工序中的兩臺設備的使用率高達98%,而第2道工序和第4道工序中的設備使用率分別為70%和84%。由此可見,此加工流程的瓶頸工序為第3道工序的連鑄機。

企業為了使工件加工流程更加順暢并減少在制品的積壓,可以通過對模型的進一步優化來實現。優化方案可以在第3道工序中增加連鑄機數量。首先在模型中增加一臺連鑄機,新增加的連鑄機的處理時間參照第3道工序中第1臺連鑄機的處理時間,其他實體的參數不變,編譯后運行模型。從模型的運行來看,生產加工過程中沒有出現在制品的積壓,模型運行到10000s時仍然沒有出現積壓現象,并且第3道程序的連鑄機的使用率降低到了67%,其他的設備使用率也都低于85%。可見,優化后的模型加工過程更加順暢,加工效率也更高。

四、結論

本文以某個企業的實際加工流程為例,對其生產加工流程在Flexsim軟件中進行仿真研究,通過模型的運行發現生產加工過程中的瓶頸工序,并提出改進方案,優化加工流程,結果證明了優化方案的有效性。

參考文獻:

1、陳超武,董紹華,李蘇劍,丁文英.煉鋼-鑄澆次組合與排序問題的遺傳算法求解[J].冶金自動化,2006(6).

2、張衛德,嚴洪森,徐成.Flexsim的生產線仿真和應用[J].計算機控制,2005(9).

3、李曉雪.基于Flexsim的生產線建模與仿真[J].機械工程師,2007(6).

4、劉文濤,張群.基于OPT的煉鋼-連鑄生產調度問題研究[J].冶金能源,2004(2).

5、張曉萍,石偉,劉玉坤.物流系統仿真[M].清華大學出版社,2008.

(作者單位:河南工業大學管理學院。其中,劉哲為副教授、博士)