基于Tecnomatix Plant Simulation的自動(dòng)化生產(chǎn)流水線平衡的探討

彭程遠(yuǎn)

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

1 緒論

1.1 課題背景

自動(dòng)化生產(chǎn)流水線，是當(dāng)今社會(huì)各工廠中使用較多的一種生產(chǎn)方式。流水線生產(chǎn)，指的是按照規(guī)范化的工藝路徑，對產(chǎn)品進(jìn)行加工。在相同的的生產(chǎn)速度下使生產(chǎn)線重復(fù)運(yùn)作的生產(chǎn)形式。生產(chǎn)線平衡（Line Balance），是采用負(fù)荷分析對生產(chǎn)線整體的負(fù)荷能力進(jìn)行測量，讓不同的工序承受不同的負(fù)荷。使各工序的生產(chǎn)能力和負(fù)荷達(dá)到平衡的狀態(tài)，從而避免工業(yè)生產(chǎn)中無必要的消耗，并提升流水線的生產(chǎn)效率。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

“生產(chǎn)流水線平衡”是指計(jì)算所有生產(chǎn)過程的平均值，并調(diào)整每個(gè)工位的操作負(fù)荷，來確保每一個(gè)工位所消耗的時(shí)間盡可能接近。工藝流水線的目標(biāo)是通過在控制每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率來進(jìn)行“單元生產(chǎn)”，使人們更容易理解“小單元生產(chǎn)”以及具體的生產(chǎn)方法，這是所有新理論和方案的基礎(chǔ)。

西方工業(yè)化經(jīng)歷了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)化及其擴(kuò)展領(lǐng)域發(fā)生了重大變化。就中國的工業(yè)企業(yè)而言，由于經(jīng)歷了從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)的過渡，大多數(shù)公司仍然有研發(fā)不足、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、治理水平低的缺陷。并且我國工業(yè)生產(chǎn)主要涉及設(shè)備和人員密集型產(chǎn)業(yè)，所以急需提高整體的技術(shù)水平。

1.3 本文要探討的問題

本文主要通過文獻(xiàn)和實(shí)例探討生產(chǎn)線平衡率的理論計(jì)算方法；研究不同自動(dòng)化生產(chǎn)流水線中提高生產(chǎn)效率的方法。同時(shí)探討如何減少各環(huán)節(jié)時(shí)間與人力消耗，降低機(jī)械損耗速度，從而減少生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。

2 高速流通金屬罐流水線平衡系統(tǒng)的探討

2.1 生產(chǎn)線平衡所用的方案

ONE-PASS[1]的流通設(shè)計(jì)采用兩條平行于罐流的蓄積輸送帶：一條在進(jìn)給側(cè)，另一條在卸貨側(cè)；因而，罐進(jìn)入托盤和離開托盤只需進(jìn)行一次操作即可完成。

ONE-PASS流水線平衡系統(tǒng)會(huì)讓卸貨積蓄器時(shí)刻保持在滿載的狀態(tài)下，有能力立刻對流水線上的變化進(jìn)行應(yīng)對，例如罐的使用。同時(shí)，在流水線的罐內(nèi)使用了一個(gè)高位傳感器，進(jìn)給蓄積器會(huì)通過高位傳感器的反應(yīng)立刻做出應(yīng)對。通過這個(gè)的方法可以減少消耗和避免浪費(fèi)時(shí)間。

2.2 生產(chǎn)線平衡的特點(diǎn)

系統(tǒng)的特點(diǎn)避免了傳統(tǒng)的上托盤/卸托盤設(shè)備因頻繁的方式變換所引起的過多的罐輸送問題，在傳統(tǒng)方式中，一層罐會(huì)被頻繁的上托盤和卸托盤。

2.3 生產(chǎn)中減少損耗的方式

ONE-PASS流水線系統(tǒng)中有兩條運(yùn)輸線，都是使用一個(gè)輸送帶來完成工作。這項(xiàng)改進(jìn)使得罐可以在一出操作中完成進(jìn)入托盤，離開托盤也是同理，由此，大大減少了罐和流水線的器材損耗。在這個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)流水線系統(tǒng)中，兩條運(yùn)輸線保持在一個(gè)節(jié)拍里。[2]生產(chǎn)線節(jié)拍：指流水線上連續(xù)生產(chǎn)兩個(gè)相同在制品的間隔時(shí)間，它表明流水線生產(chǎn)速度的快慢或生產(chǎn)率的高低，一般生產(chǎn)線的節(jié)拍由其中最大工作站時(shí)間決定，即瓶頸工作站時(shí)間決定。在ONEPASS流水線系統(tǒng)中，是一種工作站數(shù)確定，通過縮短節(jié)拍來提供工業(yè)流程效率的模型。而節(jié)拍的縮短要考慮到設(shè)備、場地和人工是否能支持節(jié)拍運(yùn)作，在綜合考慮下得出結(jié)果，ONE-PASS在節(jié)拍這方面有一套完善的策略。

2.4 生產(chǎn)線平衡方面給出的啟示

ONE-PASS流水線系統(tǒng)是一套較早的通過考慮工位數(shù)與節(jié)拍之間的關(guān)系做出對應(yīng)改進(jìn)的系統(tǒng)。這樣一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)給了我們很多的啟發(fā)，例如工位數(shù)的成本和生產(chǎn)速率怎樣尋找一個(gè)平衡值；工位數(shù)固定后怎樣減少流水線運(yùn)行時(shí)的各方面消耗情況；在工位數(shù)固定后，怎樣在人力、器械、損耗率等之間找到平衡，使流水線按最合適的節(jié)拍去運(yùn)行。

3 Factory51案例探討與分析

3.1 Factory51的基本介紹

Tecnomatix Plant Simulation是一款面向?qū)ο蟮募w建模仿真優(yōu)化軟件，它也是西門子PLM的產(chǎn)品之一。[3]生態(tài)系統(tǒng)仿真?zhèn)戎赜趯ιa(chǎn)線、工藝、物流等的仿真，在虛擬環(huán)境中對其進(jìn)行優(yōu)化。由于產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，制作工藝也變得更加繁瑣，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足很多產(chǎn)品的需求。這就需要對產(chǎn)線進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)，以避免出現(xiàn)效率及成本的浪費(fèi)。

Factory51本質(zhì)上是一個(gè)可視化的模型。Factory展示了一條完整的工業(yè)生產(chǎn)流水線，從原材料進(jìn)入流水線，到機(jī)械化運(yùn)送至每個(gè)車間，再到每一個(gè)工位的加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝車出廠的一整套自動(dòng)化流程。在這個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)流水線中，大大減少了人力的需求，自動(dòng)化程度較高。同時(shí)通過對節(jié)拍的掌握，每個(gè)工位的工作及到下個(gè)工位的傳輸中既減少器械消耗又提高了生產(chǎn)速率。

3.2 生產(chǎn)線平衡中的區(qū)域規(guī)劃

Factory51自動(dòng)化生產(chǎn)流水線是一個(gè)高自動(dòng)化的生產(chǎn)模型。通過廠房的空間情況，可設(shè)置產(chǎn)線布局。產(chǎn)線布局解決了生產(chǎn)加工區(qū)、緩存區(qū)、物料堆放區(qū)等作業(yè)單元。解決設(shè)備與設(shè)備之間的相對位置，通道的橫向面積，同時(shí)解決物料搬運(yùn)流程及運(yùn)輸方式。

原材料進(jìn)入生產(chǎn)線后，機(jī)械吊車將材料放入傳輸帶上。自動(dòng)機(jī)械臂會(huì)將傳輸帶上的材料按照一定時(shí)間間隔放入車間內(nèi)流水線。這個(gè)時(shí)間間隔，是使用節(jié)拍的有關(guān)計(jì)算來確定的，時(shí)間間隔決定了整個(gè)車間的運(yùn)作速度，影響到后續(xù)每個(gè)工位的加工。通過人工的一次運(yùn)輸后，生產(chǎn)線進(jìn)入自動(dòng)化生產(chǎn)階段。自動(dòng)化生產(chǎn)車間內(nèi)的不同工位有不同的職能，通過數(shù)量把控及加工速率把控，使每一項(xiàng)加工消耗的時(shí)間達(dá)成平衡，同時(shí)也減少了器械的使用量和車間器械的占用面積。

3.3 多線程，多工種下平衡的運(yùn)用

自動(dòng)化生產(chǎn)流水線平衡有很多不同的注意事項(xiàng)，如上文中提到的產(chǎn)線布局、節(jié)拍、工位數(shù)、材料損耗等等。企業(yè)一般著重在生產(chǎn)節(jié)拍和工作站數(shù)這兩點(diǎn)上進(jìn)行考慮，既要保證生產(chǎn)高效，不浪費(fèi)人力物力，也要考慮減少怎樣以較小人力和工位去提高效率，減少成本。

在這樣的需求下，生產(chǎn)平衡率被提了出來。綜上所述，生產(chǎn)線平衡是指當(dāng)生產(chǎn)節(jié)拍不變時(shí)，以最少的機(jī)械和人力成本完成所有作業(yè)要素的方案。生產(chǎn)線平衡率越高，則生產(chǎn)線的效率越高，同樣成本下所產(chǎn)生的價(jià)值越大。

生產(chǎn)線平衡率=工位消耗時(shí)間之和/（瓶頸工序時(shí)間×工序數(shù)）。由這個(gè)公式可以看出：瓶頸工序所耗費(fèi)的時(shí)間越長，生產(chǎn)線平衡率便會(huì)越低，也就是生產(chǎn)效率的降低。

4 總結(jié)與展望

本文中進(jìn)行了對高速流通金屬罐流水線平衡系統(tǒng)的探討和對Factory51案例探討與分析。我們可以看到自動(dòng)化生產(chǎn)流水線平衡需要考慮到的方方面面，例如生產(chǎn)線節(jié)拍、工位數(shù)與節(jié)拍的聯(lián)系、產(chǎn)線布局、生產(chǎn)線平衡率等。

想要提升流水線的生產(chǎn)效率，可以從調(diào)整各工位作業(yè)的作業(yè)內(nèi)容和負(fù)荷來下手，每個(gè)工作站的工作量和工作時(shí)間分配是改善的重點(diǎn)。

工序平均化。工序平均化的目的是減少作業(yè)中人和工位的壓力，設(shè)備的能力上限需要著重關(guān)注。不能為了提高效率而超出工位承受能力，否則會(huì)出現(xiàn)故障或意外停機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，也造成了成本上的損失。

分布合理化，指的是產(chǎn)線布局的合理，產(chǎn)線布局決定了設(shè)備位置和不同區(qū)域的職能。做好產(chǎn)業(yè)布局可以減少機(jī)械損耗，降低成本，同時(shí)也能提高貨物運(yùn)輸?shù)男逝c安全性。

當(dāng)今的自動(dòng)化生產(chǎn)流水線已經(jīng)進(jìn)入人工智能時(shí)代。人工智能時(shí)代也是人們常說的虛擬制造時(shí)代，這一時(shí)代從80年代后半期開始。人工智能時(shí)代的到來是理解復(fù)雜制造系統(tǒng)的必然選擇，這個(gè)時(shí)代產(chǎn)生了這種不同的技術(shù)[4]。

文中兩個(gè)案例展示了技術(shù)的革新在生產(chǎn)線中的重要性，體現(xiàn)出想象力和創(chuàng)新能力為人類工業(yè)做出的巨大貢獻(xiàn)。不斷的技術(shù)革新與整體創(chuàng)新是工業(yè)生產(chǎn)流水線進(jìn)步的永恒主題。