基于Flexsim的中密度纖維板生產線仿真建模與優化分析

周 沫，吳金卓，王瀟雨，和寒肖

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

隨著住房建筑業的發展，無論是作為地基板材還是墻體材料，以采伐剩余物、造材剩余物等為主要原料生產的中密度纖維板，不消耗大徑級原木，應用范圍廣泛，市場潛力巨大。對于生產企業來說，在有限的資源配置下，保證產品質量、降低能源消耗的同時，提高生產效率進而增加企業的經濟效益，是每個制造企業的理想目標。然而，在復雜的生產系統中，通過人為監測和簡單的計算找到適宜的解決方法是很難達到最優化的。因此，計算機仿真技術應運而生，此技術以計算機仿真為基礎，對生產制造過程進行仿真建模，能夠快速且有效地評價不同的工藝設計方案并優化生產過程，不僅可以帶動低成本效應，對計算機仿真技術的使用還可進一步提高生產企業的經濟效益，獲得更大的利潤。

張衛德等對南京某汽車制造廠的一條生產線的建模和仿真過程進行了詳細的研究，闡述了其基本流程和關鍵技術，體現了Flexsim在生產線仿真中的優越性[1]。曹玉華等運用Flexsim仿真軟件對浙江某公司煉漂車間生產系統進行仿真分析，發現了現有生產系統中的問題，進而對其進行改造，并對改造前后的生產線進行對比分析，得到生產系統仿真優化后的結果[2]。王晶以漢達精密科技股份有限公司的BSP機種裝配線為研究對象，結合企業自身產品的特點，利用Flexsim仿真軟件對現有生產線進行改善優化，把系統仿真技術與工業工程平衡理論相結合，解決了生產實際問題，獲得了顯著的效果，生產效率明顯提高[3]。

目前，國內外應用較多的大型仿真軟件有AutoMod、Witness、Arena、Flexsim、eM-Plant、SIMAnimation、Show Flow 等專業仿真軟件。Flexsim是由美國Flexsim公司開發的，是迄今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。該仿真軟件的重要特點是可建立三維立體模型，顯示能力強，所包含的實體對象也很完備，與其他仿真軟件不同的是“拖拽式”實體對于建模來說方便快捷，可以直接在個人電腦上運行。與現實系統相比，使用Flexsim仿真軟件，可以創建真實系統的3D計算機模型，較研究實際系統可以節省更多時間與成本。

本文依托計算機仿真技術，運用Flexsim6.0仿真軟件，對黑龍江省某木材廠生產12mm厚度的中密度纖維板產線的實際生產流程進行仿真建模，把成型的生產線實體系統轉換成仿真模型，應用實際生產數據進行仿真模擬，通過模型運行后輸出的數據報告分析現有生產系統的不足并提出改進方法，為企業進一步提高生產線生產率提供理論支持。

2 黑龍江省某木材廠中密度纖維板生產工藝流程

通過對黑龍江省某木材廠中密度纖維板生產流程的實地考察，了解該木材廠中密度纖維板生產工藝流程，如圖1所示。該木材廠采用干法生產中密度纖維板。由于該工藝流程復雜且整個生產線很長，因此，在不影響仿真精度的基礎上，可以對該木材廠中密度纖維板生產流程進行相應簡化。

圖1 某集團MDF生產工藝流程

將該廠中密度纖維板生產流程簡化為四部分。由于對原材料加工工藝段進行建模優化沒有較大的現實意義，因此在建模時統歸為備料階段，直接連接到模型的第一道工序，也是第一部分—干纖維料倉工序。第二部分是成型（前處理）工序段，包括纖維鋪裝成型、板坯齊邊、板坯橫截、板坯裝板和板坯熱壓工序。第三部分為后處理過程，包括毛板的卸板、毛板冷卻、毛板縱橫鋸邊、毛板陳放和毛板砂光。最后一部分是成品打包入庫過程，包括成品檢驗、成品打包和成品入庫。

3 仿真建模與優化分析

3.1 數據準備

（1）備料工序段。以工作時間280d（一年工作時間）作為一個生產周期，根據木材廠生產計劃表中的數據得知所需的原材料計劃總數量為108 901.26t。在仿真模型的建立過程中，假設生產原材料是充足的。

（2）成型（前處理）工序段。該工序段包括以下工序：

①纖維鋪裝成型。纖維鋪裝成型工序所使用的設備是傳送帶裝置，其實際運行速度為15m/min。

②板坯齊邊：該工序加工時間較短，僅為3-5s的時間。

③板坯橫截：由于受到傳送帶實際運行速度的限制，在鋪裝傳送帶運行速度為15m/min的情況下，將板坯截成3塊雙幅板為5m的板坯（橫截后為兩塊同等大小厚度的板坯）。

④板坯裝板：是由裝板機進行操作，待板坯裝板暫存區堆積12塊板坯后進行成批熱壓處理。

⑤板坯熱壓工序：在此工藝生產中，采用多層間歇式熱壓機進行實際操作，經過一次熱壓處理出一車即12張雙幅毛板，合計0.875m3，從而才能達到熱壓機的額定輸出。

（3）后處理工序段

①毛板卸板：是繼板坯熱壓工序之后進行的，一般需要10s。

②毛板冷卻：采用冷卻翻板機設備，一般需要15min，即900s。

③毛板縱橫鋸邊：繼冷卻工序后進行，在實際生產中由于加工時間短，處于能力過剩的狀態，加工時間一般為3-5s左右。

④毛板陳放：在毛板縱橫鋸邊與毛板陳放兩個工序添置一個暫存區，需要將毛板陳放48h后，再進行下一道工序。一般在陳放處堆積兩天的產量。

⑤毛板砂光：采用砂光機設備，是在毛板陳放48h后進行的最后一道后處理工序。

（4）成品檢驗，打包入庫工序段。一般來說，在設備沒有出現大故障的情況下，成板的質量也不可能都是優等板。根據以往的經驗數據，大約95%的成板為優等板，大約3%的成板為合格板，其余為等外板。每一部分的成板都需要打包，在實際生產過程中，需要人工進行打包處理。不存在廢板回收工序。

3.2 仿真模型的建立

對實際生產模型進行仿真的目的就是對所建立的生產模型仿真結果進行分析并對出現的問題進行優化。所以，要有針對性地建立與生產過程有關的模型，而對于與生產過程無關或對生產過程影響不大的設備或者過程等就可以適當簡化，使得所建立的仿真模型確切地反映實際的情況，不必要將所有的細節全部仿真出來。

因此，根據黑龍江省某木材廠中密度纖維板工藝流程，結合生產概念模型，利用Flexsim建立木材廠中密度纖維板生產制造系統的仿真模型，并按照實際生產情況設置各個模塊的參數和屬性。

通過調查木材廠生產線的實際情況，收集到的數據如下：該木材廠中密度纖維板生產線年產量計劃為62 814.75m3，折合約1 722 919張成板。一年工作時間為280天，工人工作班次使用兩班制（即一天工作24h），且在生產過程中沒有廢板回收。

根據各工序的加工時間以及運行速度進行約束，確定工序組合。從實體庫中找到所需要的實體類型，在模型中生成所有實體（1個Source，3個Queue，2個Processor，1個Sink等）放在模型視圖中，調整適當的位置。修改固定實體的名稱，修改名稱后的模型如圖2所示，即建立的初步仿真模型。

初步模型建立后，根據之前收集的生產數據進行各個模塊的參數設置。經重置后將停止時間設置為24 192 000s，即仿真模擬一年280d工作時間的實際生產情況，再點擊仿真時間控件“運行（Run）”來運行模型。

圖2 初步模型

3.3 仿真結果統計與分析

由于Flexsim是實時的仿真軟件，在仿真過程中，可對每一個生產工序如纖維鋪裝成型、各個暫存區等輸出標準報告及狀態報告和輸出統計餅狀圖來檢測其當前的狀態，也可以在仿真結束后輸出匯總報告。標準報告的輸出變量主要包括當前容量、最小容量、平均容量、輸入、輸出等變量。狀態報告的輸出變量主要包括對象的空閑時間（即工作時間內沒有執行有效工作任務的那段時間）、加工時間、阻塞、空載運行時間、裝載運行時間、裝載時間、卸載時間等變量。

仿真結束時的部分匯總輸出結果見表1。此表是仿真模型運行一個周期即280天（24 192 000s）所得出的部分輸出結果報告，其統計了各個工序實體的狀態數據。

表1 Flexsim部分輸出結果報告

模型運行過程中，可以隨時統計某一道工序的狀態，如空閑狀態等。例如，對板坯橫截的屬性統計分析，可以得到板坯橫截的餅狀圖，如圖3所示。從餅狀圖上能夠清楚地看到板坯橫截在一定運行時間的各評價指標所占的百分比等仿真結果，如空閑時間占57.3%。

由仿真結束時所得到的輸出結果匯總報告可知，仿真模型中成品入庫量即Sink接受數量為1 723 001張成板，計劃生產表中的生產計劃量約為1 722 919張板，相差約0.39%的成品數量，相差不足1%，因此，建立的初步模型在未進行優化前是符合現實生產的，驗證了所建立的仿真模型的有效性。

圖3 板坯橫截統計餅狀圖

通過仿真報告和統計餅狀圖可以看出，在板坯熱壓工序中，雖然多層熱壓機已達到額定輸出，但是其加工時間過長會造成上游工序和下游工序設備較長時間處于閑置狀態，這樣不僅僅增加了生產成本，而且消耗能源。從統計餅狀圖的各指標百分比可以看出，此工序可以進行適當的改善優化。因此，熱壓工序參數的調整即平衡生產工藝是需要優化的關鍵點，是初步建立的仿真生產模型的不足之處，為進一步優化系統配置提供了重要的依據。

3.4 仿真模型優化分析

對模型進行進一步優化，就需要在保證產品質量的前提下，保證系統的流暢性，利用生產平衡理論，即對生產線上的各工序進行平均化，調整各工序的作業負荷與生產節拍，平衡優化參數，從而進一步提高設備的工作效率，提高產線生產率，優化方案如下：

（1）盡量縮短熱壓的時間，在毛板冷卻工序增加人工冷卻方法。

（2）將間歇式多層壓機更換為連續式壓機。相較于間歇式多層壓機來說，連續式壓機具有產能高，精度高的優勢，并且能夠消除在生產線中不和諧的中斷，克服了其所存在的壓制板材厚度不均勻、原材料消耗高、能耗大的不足。

但由于更換設備需要大量投資，要經過一系列的審批，過程復雜，短時間內得不到優化效果，暫且不論，故第二種優化方法在實際生產過程中是目前較難實現的。因此，采用第一種優化方案改進初步生產模型。通過不斷調整系統內各模塊參數，平衡生產節拍，得到最優配置參數。

操作方法如下：

①優化板坯熱壓工序的現有生產節拍—1車24張成板：250s。

②纖維成型工序將傳送帶速度設置為13m/min。

③在毛板冷卻工序處添加人工操作。

運行優化模型并輸出仿真后的運行結果，優化后部分輸出匯總報告見表2，板坯熱壓工序的餅狀統計如圖4所示。

表2 模型優化后部分輸出報告

圖4 優化前后熱壓餅狀統計圖

仿真模型優化前后的輸出比較結果見表3。

表3 優化前后模型輸出結果比較表

可以看出，在消耗相同能源的情況下，優化模型后成品入庫量即生產成板量相比優化前提高21.96%，其中利用率增長幅度較大的是板坯熱壓工序設備，提高了16.69%，設備處理率提高了12.8%，其他工位設備優化前后變化見表4。

表4 優化前后指標對比

從優化后的模型運行匯總輸出報告和以上輸出結果比較表中可以得到：（1）經過平衡生產線生產節拍，調整部分工序的工作時間，使得熱壓工序設備利用率提高，得到了優化。（2）在仿真運行時間為24 192 000s的整個過程中，成品入庫量得到了明顯的提高。各個工序的生產節拍得到了協調，使得設備的利用率都有所改善，物流更加順暢。

通過建立計算機仿真模型，將各工序運行實際數據輸入仿真模型，多次進行仿真實驗并進行比較，調整參數，平衡生產線各工序節拍，可以看到生產線上瓶頸所在并找到解決方案。計算機仿真對于創建那些可能產生瓶頸的復雜系統是必不可少的，通過預先創建系統模型，可以考察各種假設的場景，同時不會產生改變實際系統時所面臨的成本和風險。

4 結束語

利用物流仿真軟件Flexsim針對12mm厚度的中密度纖維板生產實際運作情況進行仿真模擬。在仿真模型建立前，進行實地考察并收集相關數據，根據黑龍江省某木材廠中密度纖維板實際工藝流程，初步建立生產系統的仿真模型，運行初步建立的模型并進行結果統計、分析，進而找到優化的關鍵點。改進初始生產模型，通過將優化后模型的運行結果輸出報告與優化前進行對比，可以看出在消耗相同能源、同等原材料成本的情況下，通過優化生產模型，可以提高年產量21.96%，優化后設備利用率也都有了相應的提高。同時，減少環境污染達到了仿真優化的目的，為企業進一步提高經濟效益、改進中纖維密度板生產線提供了理論支持。

[1]張衛德,嚴洪森,徐成.基于Flexsim的生產線仿真和應用[J].工業控制計算機,2005,18（9）:50-51.

[2]曹玉華,彭鴻廣,馬杭育.基于Flexsim仿真技術在生產線上應用研究[J].浙江科技學院學報,2009,21（1）:10-14.

[3]王晶.基于Flexsim的BSP機種裝配線平衡研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2010.

[4]潘金行.基于Flexsim的生產系統仿真與優化研究[D].重慶:重慶工商大學,2011.

[5]Kim J,Gershwin S B.Integrated quality and quantity modeling of a production line[J].Operations Research-Spektrum,2005,27（2）:287-314.

[6]李雪紅,胡廣斌.我國中密度纖維板生產能力區域發展現狀[J].中國人造板,2008,（7）:4-5,22.

[7]齊英杰,吳勃生,徐楊.我國中密度纖維板生產能力發展概況[J].林業機械與木工設備,2009,37（8）:4-6.

[8]歐陽琳.中密度纖維板生產工藝學[J].北京木材工業,1994,（1）:4-39.

[9]Yan H S,Xia Q F,Zhu M R.Integrated production planning and scheduling on automobile assembly lines[J].IIE Transactions,2003,35（8）:711-725.