制麥生產線數字化布局設計與仿真研究

徐江敏，任乃飛

（江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212003）

0 引言

隨著電子科學技術的不斷發展，產品更新換代和設計周期日益不斷縮短，生產方式向多品種變批量的客戶化定制方向轉變，數字信息技術的發展，推進了企業快速響應的能力，生產能力、效率不斷提高[1,2]。生產線設計是制造系統實施的基礎，傳統的生產線設計存著在以下缺點[3]：設計方法復雜、周期較長，對設計者的經驗性依賴較強；較難在設計初期直觀反映系統各部分的運行狀況；基于理論計算和實際運行后的瓶頸工序診斷方法準確性較差。許多制造企業引進計算機輔助制造、計算機輔助工藝過程設計、產品數據管理和企業資源計劃等信息系統軟件，但各信息系統之間相互獨立，缺乏有效的集成[4,5]。

車間布局是制造企業快速響應市場和產品競爭力的重要影響因素之一，是實現制造業數字化的前提。研究表明，物流成本占制造總成本的20%～50%，而合理的布局能夠節省10%～30%的物流成本[6]。孫威[7]等研究了基于eM-power軟件的數字化工廠生產線規劃。本文從車間布局設計與及物流仿真優化的角度出發，針對制麥生產線布局優化設計，構建了制麥生產線的車間布局設計及其生產仿真分析。在制造業數字化和信息化融合的背景下，本研究符合制麥企業的實際需求，對提高制麥生產線的設計與制造效率具有重要的應用價值和現實指導意義。

1 車間布局與仿真過程模型

先進的制麥生產線必須是一個集成化的數據系統，相關數據在整個制造過程中被創建、存儲與轉換如產品的需求、工藝、設備等數據資源。數字化制麥生產線車間是建立數字化企業的基礎，本文構建的數字化車間布局仿真的框架如圖1所示。根據制麥生產線的需求建立資源庫，如工藝知識庫、設備基本信息庫、設備模型庫、實例庫等，根據生產需求進行工藝規劃與設備選型。依據車間實際情況進行布局設計，利用仿真軟件對布局設計結果進行物流仿真。

圖1 車間布局與物流仿真過程模型

在虛擬環境中進行車間布局設計，根據PDM、ERP提供的信息，對制麥生產線的布局設計進行動態仿真過程進行分析和評價，對生產布局進行優化和調整，以滿足企業生產要求。

2 生產線的布局設計與參數化建模

2.1 基礎數據資源模型

圖2 資源庫的數據模型

資源庫的數據模型需要多個數據信息表，如圖2所示資源庫的數據模型。麥芽生產線的分類信息包含生產線類別、生產線類別編碼、生產線類別名稱、大麥類別、產能、車間類型、生產線類別描述等信息。大麥目錄表包含大麥類別、大麥感光指標、大麥產地等信息；車間類型表包括車間類型、長、寬、高、車間描述等信息，生產線設備目錄表包含該種類型生產線的所有設備，設備類型表包含設備基本信息表、布局信息表、物流仿真信息表。

如圖3所示給出的是麥芽生產線布局設計系統的設計資源庫數據流，該圖反映了在設計過程中，基礎數據庫、參數化模型庫、布局模型庫、實例庫之間的數據關系與數據流向。

基礎數據主要是為工藝規劃服務的，它提供大麥的基本信息、工藝流程信息、設備信息等內容，同時也為設備建模提供設備的外形尺寸與接口數據信息，并且通過設備建模，為實例庫提供設備三維模型。工藝規劃完成后會將工藝流程與設備選型信息傳遞給布局設計系統，布局設計過程需要布局模型庫提供設備的布局簡化模型，布局設計完成后會將布局設計結果與仿真系統關聯，利用仿真系統對布局設計結果進行仿真，布局設計依據反饋回來的仿真分析建議對布局設計進行修改，接著布局設計會將設備的連接與組成提供給總裝設計，總裝設計完成后，即完成了生產線的布局設計，最后會將該生產線擴充到實例庫，成為一個新實例。

2.2 車間三維布局設計

車間布局是提升制造企業快速響應市場需求和核心能力的重要影響因素之一，建立高效的系統的設計平臺能夠有效的提升企業布局規劃的合理性[8]。基于Solidworks技術，建立制麥生產線相關設備的物理模型、邏輯模型特征的基礎資源庫。根據車間布局的工藝規劃以及布局原則，如圖4（圓形薩拉丁布局形式），調用資源庫中的相關參數進行三維布局設計，構建制麥生產線的3D模型，如圖5所示。

根據企業現狀對制麥生產線進行了初步的設計，完成了麥芽生產線的布局設計。但對制麥生產線還必需進行可行性分析，通過物流仿真技術對其進行模擬生產，根據模擬仿真結果來指導麥芽生產線的布局調整，使得制麥生產線的布局設計方案達到最優化。

圖3 設計資源庫數據流

圖4 圓形薩拉丁布局形式

圖5 三維布局效果圖

2.3 車間生產線仿真模型

物流仿真功能是優化制麥生產線布局設計重要組成部分之一，該功能與設計新布局功能模塊之間有大量的數據交換。布局仿真功能與物流仿真功能關系如圖6所示。

圖6 麥芽生產線布局設計功能與物流仿真功能的接口

制麥生產線的布局設計系統將生產線的設計方案轉換成制麥生產線仿真所需要的數據保存于數據文件中，用于指導制麥生產線仿真模型的建立和仿真參數的設置，指導制麥生產線的設計與生產。制麥生產線的布局設計系統與其物流仿真系統的的存儲數據進行對比，得到相應的數據差異表，通過差異表的數據，設計人員就可以對布局設計進行調整，指導布局系統的調整，得到最優的布局設計系統。

3 實例運行

制麥生產線生產過程中容易出現的瓶頸的主要是兩方面內容：設備最大加工量，當存儲設備中存在大量滯留的原料時，說明生產線整體的加工能力明顯不足，生產線設備利用效率。利用仿真軟件Plant Simulation建立麥芽生產線的仿真模型，設置相關的仿真參數進行運行仿真，將結果反饋給布局設計，改進布局設計方案。

3.1 建立生產線仿真模型

參照上節布局設計方案，對各類設備進行布局，采用疊加形式進行布局，對生產線進行分層布局，達到仿真與實際生產車間布局形式的統一性。

麥芽生產線的生產過程存在著一定的復雜性，僅使用面向對象仿真技術是不夠的，還需要借助Plant Simulation軟件自帶的Simtalk控制語言[9]處理復雜的工作，例如生產的批流量、生產方式與調度策略等，使得模擬更加符合實際的生產，圖7為根據布局設計而設置的麥芽生產線仿真模型。

3.2 物流仿真結果分析

得到仿真數據后，必需針對麥芽生產線設備中出現薄弱環節進行分析對麥芽生產線仿真模型的數據結果進行分析[10～12]，當整個設備的瓶頸環節能夠滿足設計需求，則說明生產線的設計達到了生產產能的目標，符合設計目標。

圖8是生產線最大制品噸數表，從表中可以看出設備M1與M3的設備出現嚴重的堵塞狀態設備中在制品噸數也是高居不下設備，M2、M4的最大在生產能力為150噸左右，其他設備的在生產能力都在150噸以下。通過以上數據分析，該生產線中瓶頸設備為M1、M3。

圖7 麥芽生產線仿真模型

圖8 仿真結果數據

根據仿真分析結果，結合實際生產狀況，提出改進方案：1）加大設備M1、M3的型號來提升設備的工作能力，或者在原布局方案的基礎上，增加原有設備數量；2）增加輸送設備輸送速度，同時增加貯存設備的貯存能力，依據仿真分析的結果對布局設計方案進行修改。

圖9 優化前后設備在制品噸數

改進前后的仿真數據圖9、圖10所示，圖9中Y軸正方向表示最大在制品噸數降低，Y軸負方向表示低于優化前。圖10中正值表示設備利用率高于優化前，負值則相反。圖9、圖10表明制麥生產線的布局設計，依照仿真分析結果進行修改后，各設備的在制品噸數有明顯的降低，以及各設備的利用效率不斷提升，證明了仿真分析對制麥生產線的布局設計有著明顯的作用。

圖10 優化前后設備利用率對比

4 結束語

數字化車間布局設計是現實車間生產在虛擬環境中的映射，其布局設計以及仿真分析師數字化制造的核心技術之一。本文針對制麥生產線的傳統設計與制造中存在的問題，提出了基于資源庫模型，研究了制麥生產線的布局系統設計，構建了基于產品的工藝規劃、設備選型等組成的復雜生產系統的仿真模型，并通過仿真技術對布局系統進行了模擬仿真分析，得出了優化的制麥生產線布局方案，為企業的提供了優質的方案。

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