基于Petri網和Flexsim模型的注塑生產線仿真與優化

張 穎，趙京鶴

（長春光華學院 機械工程學院，吉林 長春 130033）

0 引言

制造業是我國經濟的支柱產業，也是我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主要戰場[1]。隨著“中國制造2025”“數字化生產”和“智能制造”的提出，我國汽車制造業正處在深度變革期[1]，產品多樣化、個性化的發展趨勢越來越明顯，對生產線的柔性制造能力和數字化生產能力要求越來越高。廣大離散制造企業開始重視車間生產線的數字化升級與改造，只有不斷提高對生產布局規劃、優化生產流程和控制策略才能不斷增強企業的核心競爭力。

生產線優化可以采用工序拆分、重組等工序重構優化方案[2],但是優化結果仍存在工位空閑時間長、作業負荷不均、產品堆積、產品傳輸碰撞等問題[3]，優化方法缺乏對生產環境的綜合考慮和動態模擬分析。因此，探尋一種有效的生產線優化方法是制造企業亟需解決的問題[4]。

當前，許多學者對生產系統建模優化進行了研究。溫樂，等[5，6]，運用Petri 網和Witness 仿真軟件相結合的方法，分別對動車組車體生產系統和轉向架裝配線進行了研究。李曄，等[7]結合Petri網建模方法和Witness軟件對托輥生產物流系統進行了仿真優化。汪佳[8]對某轉向器制造企業生產物流系統進行了仿真研究。肖燕[9]對某發動機總裝線看板生產系統進行了建模和仿真分析。以上文獻針對不同的生產系統進行研究，但是針對多類型產品注塑車間生產線的研究還比較欠缺。

本文利用Petri 網建模和Flexsim 仿真相結合的方法對注塑車間生產線進行優化分析，利用賦時Petri 網對所涉及的動態系統進行建模，將復雜的動態生產系統進行簡化[10]。采用Flexsim仿真軟件建立可視化模型，有效分析了系統瓶頸，為消除瓶頸，對操作者空閑率、產線平衡率等參數進行分析，提出優化方案，實現了既提高生產率，又降低生產成本的目標。

1 某汽車配件公司注塑生產線流程分析

1.1 某汽車配件公司概況

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

1.2 注塑生產線流程

注塑生產線流程及庫所、變遷的含義如圖1所示。

圖1 注塑生產線流程及庫所、變遷的含義

2 某汽車配件公司注塑生產線TTPN模型

本文采用賦時變遷Petri網對注塑生產線進行建模。賦時Petri 網將時間因素考慮進去以后，使得模型更加符合實際情況，同時保留了基本Petri網具有的表達清晰的圖形化建模和嚴格的數學定義等優點，使其能夠更好地適應各種復雜的系統環境。

2.1 TTPN定義

賦時Petri網（TTPN）結構是一個六元結構，TTPN=（P，t，F，M，W，D）=（PN，D），其中P=（p1，p2，…，pn）為庫所集合，表示狀態，用“○”表示；t=（t1，t2，…，tn）為變遷集合，表示活動，用“□”表示；F=（PXt）U（tXP）為輸入輸出函數集，用有向弧來表示狀態與活動之間的關系，用“→”表示；W為有向弧上的權函數；M為庫所集合上的標識向量；M（p）為在庫所p上標識的數目；mo 為初始標識；D=（d1，d2，…，dn）為變遷ti從使能到激發的時間間隔，當賦時Petri網中di為0時則稱其為即時轉移。

2.2 建立注塑生產線TTPN模型

根據圖1對某汽車配件公司注塑生產線流程的描述，首先將該公司注塑生產線劃分為原料輸送及干燥、注塑開始、注塑結束、產品傳輸、工件修剪開始、工件修剪結束、產品存儲七個對象，然后根據劃分的對象建立子網并加入賦時的概念，最后分析對象間的關系，建立傳遞關系網[12]。模型采用tina-3.6.0 軟件繪制，如圖2所示。

圖2 注塑生產線TTPN模型

3 某汽車配件公司注塑生產線系統仿真與優化

本文建立的賦時Petri網模型是對注塑生產線物流系統靜態的邏輯結構的描述，根據注塑生產線的數據分析，建立動態的Flexsim仿真模型，對生產狀態進行動態模擬，分析出生產線中存在的問題，然后提出相應的改進方案，提高生產線操作者的工作效率，進而降低生產運營成本，提高經濟效益。在進行仿真模擬之前，需要進行以下假設：注塑相關設備在正常狀態下運行，即此處不考慮設備故障率；設備不間斷的運行；注塑零件質量穩定，原料在流轉時符合先進先出（FIFO）原則；原料流可以進行離散化處理。

3.1 構建生產物流仿真系統

將TTPN模型中所涉及的生產要素按其相對應的邏輯關系優化后轉化為Flexsim 實體，模型如圖3 所示。

圖3 注塑生產線Flexsim仿真模型

3.2 仿真系統的相關參數設定

仿真模型參數設計如下：仿真時間基本單位設置為s，仿真時長設置為24h；搜集了每臺注塑機生產的產品并且選取具有代表性的產品及其生產節拍，具體數據見表1。

表1 注塑生產節拍

每種產品的修剪時間見表2。

表2 產品修剪時間

3.3 仿真結果分析

根據圖1和表2給相對應的實體對象設置參數，運行Flexsim仿真模型得到實時仿真結果，見表3。

表3 優化前的Flexsim仿真數據

由表3可知，注塑生產線在8h運行期間沒有出現停機現象，設備正常運轉，各臺注塑機的生產效率為100%，單班產能都超出生產目標400件/班次，實際產量大于理論產量，能夠達到生產目標。

不同注塑設備對應的修剪操作者均有不同程度的空閑率。注塑機900t-1生產出工件的修剪操作者空閑率為8.6%，是這6 臺中空閑率最低的；注塑機900t-2的工件修剪操作者的空閑率為42.5%，其余注塑機的工件修剪操作者的空閑率達到50%以上，最高的工件修剪操作者的空閑率達到72.6%，這種狀態在生產過程中是很大的浪費，使得生產運行成本較高。

3.4 仿真模型優化與分析

3.4.1 建立集中修剪仿真模型。根據對圖3仿真模型的分析可以看出，注塑生產區域的6條注塑生產線相對獨立，在生產時相互之間沒有干涉，但是工件修剪操作者的工作效率較低，存在生產浪費，使得生產運行成本較高。為了解決這個問題，將這6臺注塑生產線進行整合，修剪區域計劃采用操作者4人，每2人負責3臺注塑機生產的工件，由于注塑機位置本身已經固定，無法進行大規模的位置調整，因此，根據實際情況，在注塑機1 500t-1，1 500t-2，900t-1 外側增加一條共用傳輸帶，將這3臺注塑機生產的工件運到固定區域進行集中修剪，由2名操作者（操作者35和操作者28）完成；在注塑機900t-2、1 500t-3、1 600t這3臺設備外側增加一條共用傳輸帶，將這3臺注塑機生產的工件運到固定區域進行集中修剪，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個班次將會減少6人，提高了修剪操作者的工作生產率，降低了操作者的閑置率，從而降低了生產運行成本，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化。將注塑機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。由于注塑機生產的產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輸時不能夠有相互疊放現象，如果工件相互疊放，將會損壞工件表面，達不到產品質量要求，從而產生廢品。

運行集中修剪仿真模型，運行時長按照單班8h，傳輸帶運行速度單位是m/s，工件修剪操作者的工作時間單位是s。

（1）集中修剪仿真模型中傳輸帶速度設定。根據集中修剪仿真模型運行結果得到45#傳輸帶速度對其連接的注塑機的影響，具體數據見表4。從表4 可以看出，45#傳輸帶的速度低于0.1m/s時，注塑機900t-1有停機現象，當傳輸帶的速度為0.08m/s時，900t-1注塑機停機率為2.6%，當傳輸帶的速度為0.09m/s 時，900t-1注塑機停機率為0.7%，停機會導致注塑機不能夠連續生產，長時間停機會導致“脹模”現象的發生，損壞模具，導致注塑機完全停止生產。因此，通過仿真模型得出45#傳輸帶在實際生產中運行速度設定值必須大于等于0.1m/s才能夠滿足生產要求。

表4 45#傳輸帶速度對其連接的注塑機的影響

根據仿真模型運行結果得到30#傳輸帶的速度對其連接的注塑機的影響，具體數據見表5。從該表可以看出，30#傳輸帶的速度低于0.09m/s 時，注塑機1 600t 有停機現象，當傳輸帶的速度為0.07m/s 時，1 600t 注塑機停機率為98.4%，當傳輸帶的速度為0.08m/s時，1 600t注塑機停機率為37%，停機會導致注塑機不能夠連續生產，長時間停機會導致“脹模”現象的發生，損壞模具，導致注塑機完全停止生產。因此，通過仿真模型得出30#傳輸帶在實際生產中運行速度設定值必須大于等于0.09m/s才能夠滿足生產要求。

表5 30#傳輸帶速度對其連接的注塑機的影響

（2）集中修剪仿真模型中操作者。注塑機1 500t-1，1 500t-2，900t-1生產的工件經過45#傳輸帶運到集中修剪區域，由操作者35和操作者28進行修剪，通過運行仿真模型得到表6。從表6 中數據可以看出，傳輸帶的速度設定對操作者的空閑率沒有直接影響，由2名操作者修剪3臺注塑機生產的工件還有21%以上的空閑率，這比改進前的空閑率72.6%（修剪1 500t-1生產工件的操作者的空閑率）和空閑率58.6%（修剪1 500t-2生產工件的操作者的空閑率）有了很大提高。

表6 45#傳輸帶速度對修剪操作者的影響

注塑機900t-2，1 500t-3，1 600t生產的工件經過30#傳輸帶運到集中修剪區域，由操作者33和操作者36進行修剪，通過運行仿真模型得到表7，由表7中數據可以看出，傳輸帶的速度設定對操作者的空閑率沒有直接影響，由2名操作者修剪3臺注塑機生產的工件還有28%以上的空閑率，這比改進前的空閑率42.5%（修剪900t-2生產工件的操作者的空閑率）、空閑率50.0%（修剪1 500t-3生產工件的操作者的空閑率）和空閑率68.5%（修剪1 600t生產工件的操作者的空閑率）有了很大提高。

表7 30#傳輸帶速度對修剪操作者的影響

3.4.3 集中修剪仿真模型優化結果分析

（1）傳輸帶的傳輸速率應當控制在合理范圍，避免產品發生堆砌現象，具體輸出如下：①設定45#傳輸帶速度≥0.1m/s；②設定30#傳輸帶速度≥0.09m/s。

（2）工件修剪操作者的空閑率由改進前的46.6%（修剪45#傳輸帶產品）和53.7%（修剪30#傳輸帶產品）分別降低到改進后的22.5%（修剪45#傳輸帶產品）和35.3%（修剪30#傳輸帶產品），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），人員利用率提高了33.3%，降低了企業生產運營成本。

（3）注塑產品可以實現將分散在每臺注塑機旁邊的修剪工位集中到一個區域，這樣可以方便產品檢驗工作集中管理，減少質檢人員在各個設備之間的走動距離，降低質檢人員的勞動強度，提高工作效率。

4 結語

本文運用工藝流程建模方法建立了基于注塑的TTPN模型，并將TTPN模型對應元素按照其邏輯關系導入Flexsim 仿真模擬軟件中，建立注塑生產線仿真模型，不僅能夠直觀地看到生產線改造后的生產場景，發現原有方案中的不足，建模分析還能夠輸出重要的數據。假設設備處在最優狀態并不間斷運轉的前提下，結果顯示注塑生產線主要問題在于工件修剪操作者空閑率較大，是生產運行效率提高的主要瓶頸；而傳輸帶速度的設定是保證工件在傳輸過程中不產生磕碰和劃傷等質量問題的關鍵。針對這兩個關鍵問題點進行改進，改進后操作者的平均空閑率由改進前的50.1%降低到改進后的28.9%，操作者的工作效率有了大幅度提高；操作者人數由18人/天降到12人/天，人員利用率提高了33.3%，降低了生產運營成本。為了保障工件在傳輸過程中的質量，傳輸帶速度的設定應當不小于0.1m/s。經過上述改進，該注塑生產線的生產效率有了很大提升，生產運營成本明顯降低。