基于Flexsim的混流生產線系統仿真分析

許向川,晉愛琴,肖紅菊,苗苗

(中車永濟電機公司 國鐵事業部,山西 永濟 044502)*

隨著市場不斷的變化，企業生產方式由原來單一流程的大批量生產逐步轉為以訂單為驅動、綜合生產流程為主的多品種、小批量的混合生產方式.國有企業更是堅定不移地貫徹創新驅動，優化體系，提高效能，實現高質量發展.混流生產線可使企業生產對于市場的變化更具靈活性和適應性，提升多品種、小批量生產的經濟效益.

混流生產線是一種典型的隨機離散系統，一些學者對混合生產線的生產過程中的瓶頸工序以及設定投產方案進行了相關研究.林鑫運用Flexsim建立仿真模型、設置單元參數并編寫代碼，利用Simulation Experiment Control設置實驗變量,對不同投產方案進行多次仿真與比較,選擇出最優投產方案[1].孟哲等人利用 Flexsim 仿真軟件建立車間系統加工流程模型，并進行生產線加工流程仿真，在多次優化仿真運行的基礎上，通過對仿真數據輸出結果的分析，得出生產線“瓶頸”所在的工位[2].劉哲等人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[3].然而在軌道交通領域，針對混流生產線的研究較少，混流產線建設和優化分析等方面研究尚未成熟.

本文針對軌道交通線圈交流成型過程中線圈型號多，產線間通用度低，生產單一的問題，跟蹤地鐵產品YJ260系列線圈成型過程，現場調查工藝流程、設施布局等，利用Flexsim軟件建立混流生產線系統仿真模型，尋找瓶頸工序和閑置資源，并借助精益工具進行系統優化，以提高混產線平衡率，縮短產品交付期，滿足顧客柔性化需求.

1 系統模型建立

1.1 PQ和PR分析

由于線圈產品種類和型號繁多，利用PQ分析對上一年產品進行相關分析，分析結果如圖1所示[4].(以下數據均為量化后數據)

圖1 軌道交通主要產品PQ分析

由圖1可知，YJ260系列電機線圈生產和定子嵌線占總產量的29.94%，具有代表意義.以定子線圈交流成型為試點，對YJ260系列電機線圈進行PR分析，發現YJ260系列A、B、C三種產品的工藝流程完全相同.

1.2 產線數據收集

建立三種產品的混流生產線，保持車間逐日連續工作的條件下，如果一項作業在特定時間到達某工序，按照FIFO規則流入暫存區，若前一天沒有完成的任務，第二天繼續加工.交流成型產線相關數據如表1～3所示[5].在Flexsim軟件中建立模型如圖2.

表1 工序機器和人員配備

表2 各工序加工時間 s/支

表3 產品數量

圖2 混流生產線Flexsim仿真模型

2 運行與分析

2.1 運行準備

設定模擬時間單位為s，并且最后一個產品離開時得到仿真結果.表4顯示了仿真模型的實體元素[6].

2.2 模型運行基礎

仿真模型是從真實系統到數學模型的抽象[5].因此，本文通過調查車間現有產線的生產狀況對混流生產線設定若干先行條件：

(1)產品在模擬過程中持續到達;

(2)A、B、C三種類型產品重量是基本平等的;

(3)模擬模塊包括繞線、打砂、固定、張形、彎頭等工序，這些工序都是現場的具體操作.

表4 實體元素表

2.3 運行模型

點擊“運行”按鈕使模型運行，仿真過程中可以看到紅、綠、藍三種不同顏色的產品在系統中流經不同機器加工，最后流向下工序.系統仿真場景如圖3所示.

圖3 系統仿真場景

2.4 運行結果分析

Flexsim軟件具有強大的數據分析功能，與EXCEL有良好的數據接口，仿真數據導入EXCEL表格，從而了解各個工序設備總共加工時間和加工率、空閑時間和空閑率、阻塞時間和阻塞率、輸入量和輸出量[7],如表5所示.

用表5計算，原產線平衡率僅為63.46%，且各設備加工率高低不一.繞線機、張形機加工率近100%，長時間滿負荷作業，易造成設備損耗，增加故障率；打砂機加工率僅35.74%，經常處于空閑狀態；壓敏帶固定工序加工率為87.27%，而拆壓敏帶工序加工率為48.99%，彎頭加工率為19.00%，整個產線不平衡嚴重；同時，暫存區釋放率高表示在制品堆積較多[8]，從暫存區1、2、3、4的釋放率可以看出繞線以及張形工序在制品堆積較多.綜上，繞線、張形為瓶頸工序.

表5 Flexsim輸出報告

3 優化與驗證

3.1 工位制節拍化建設

以工位為作業組織單元，通過節拍設計、工位切分、布局設計等以流水作業實現節拍化均衡生產.工位制節拍化建設過程如下：

(1)確定生產線節拍.由純生產時間和計劃產量所得.通過現場實際測定每日有效工作時間為6.5 h，根據一年內三種產品生產計劃，設定混流生產線日計劃產量為6臺，每臺60支線圈.

式中:C表示混流生產線節拍；Te表示有效工作時間；∑Ni表示品種i的計劃產量.

(2)確定工位數量.由產品制造周期和生產節拍決定，將三種產品生產制造周期平均化.

式中:S表示工位數量；Ti表示三種產品平均生產制造周期.

(3)確定工位作業內容：生產線節拍為65 s/支，結合表2中各工序加工時間可以發現張形機的平均加工時間為136.33 s，此工序不能繼續切分工位，且張形時間決定整個產線周期時間.結合現場實際生產狀況，在張形工序增加一臺機器，以避免工時損失和瓶頸現象，使得混流線能夠順利運行.增加設備后，根據產線實際生產狀況切分4個工位，如圖4.并制作工位山積圖,如圖5.

圖4 工位切分圖

圖5 工序和工位山積圖

(4)重新工藝布局劃分：由于現有工藝布局存在回流，折返現象，且運輸距離和等待時間較長，因此，按照生產流程要求做到布置合理、緊湊，有利于生產操作，并能保證對生產過程進行有效管理；充分考慮人流、物流的合理性，制定改善方案，如圖6.根據車間場地大小將工位排布為U型線，并實現產品的節拍流動.

圖6 設施布局改善方案

(5)計算混合生產線平衡率

根據生產計劃訂單，設計生產節拍，結合現場實際切分工位，重新調整工藝布局.改善后混流生產線平衡率達到90.49%，所有工位實現平均化、 均衡化.

3.2 驗證

通過工位制節拍化建設與精益工具優化，借助Flexsim軟件建模仿真(仿真模型如圖7)，得出優化后混流生產線各工位狀態，如表6.優化前后仿真比較如表7所示.

圖7 優化后仿真模型

表6 優化后Flexsim輸出報告 %

表7 優化前后仿真結果比較 %

從表7可以看出，針對原有的交流線圈成型生產線，通過工位制節拍化產線優化，生產線平衡率達到了90.49%，提高27.03%；各工位最大與最小加工率和空閑率的差從80.8% 下降到3%，實現產線均衡化.

4 結論

本文對軌道交通YJ260系列產品線圈成型過程建立混流生產線，并借助Flexsim仿真軟件進行仿真分析，通過運行結果發現產線存在瓶頸工序，并進行優化驗證，優化后產線平衡率提高27.03%，實現混流生產線各工位均衡化生產，提高產線柔性，滿足市場需求.這種方法將為軌道交通企業混流生產線的設計、建設和平衡分析提供理論依據，提升企業效益.