基于Flexsim啤酒包裝生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化

杜　軒　潘志成

(1．三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002； 2．三峽大學(xué) 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌　443002)

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基于Flexsim啤酒包裝生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化

杜軒1，2潘志成1

(1．三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌443002； 2．三峽大學(xué) 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌443002)

通過對啤酒生產(chǎn)過程的研究，為了提高啤酒包裝生產(chǎn)線效率，根據(jù)啤酒包裝生產(chǎn)線的特點，基于數(shù)學(xué)模型分析了輸送帶速度和酒瓶之間的縱向距離對啤酒包裝生產(chǎn)線的影響．運用Flexsim仿真軟件對啤酒包裝車間進(jìn)行仿真，針對瓶頸工序提出改善方案．然后基于Flexsim進(jìn)行驗證，結(jié)果表明單位時間效率顯著增加，提高了車間產(chǎn)能，證明改善方案可行．

啤酒生產(chǎn)；Flexsim；包裝生產(chǎn)線；仿真優(yōu)化

隨著產(chǎn)品多樣化和人工成本增加，季節(jié)性生產(chǎn)企業(yè)競爭日益激烈．啤酒是典型的季節(jié)性飲品，旺季時訂單多，交貨期短，日常產(chǎn)量無法滿足訂單需求，導(dǎo)致工人經(jīng)常加班．啤酒包裝是啤酒生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)[1]，包裝過程中時常會出現(xiàn)生產(chǎn)線擁擠、酒瓶成群倒塌，甚至爆炸的現(xiàn)象，致使生產(chǎn)不流暢，生產(chǎn)效率降低．因此，如何預(yù)先發(fā)現(xiàn)瓶頸工序和事故頻發(fā)原因是企業(yè)面對的重要難題．

通過計算機仿真軟件[2]對生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸，提出改善方案，能有效地優(yōu)化生產(chǎn)線運行，預(yù)防事故發(fā)生．龔立雄等以摩托車涂裝生產(chǎn)線為例，基于Flexsim仿真軟件進(jìn)行仿真，針對瓶頸工序進(jìn)行了二次優(yōu)化，使涂裝生產(chǎn)線達(dá)到平衡[3]．尹靚等使用Arena軟件對客運站系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)客運站運行的瓶頸處，從而幫助了客運站設(shè)計人員制定更優(yōu)方案[4]．門佳運用Witness軟件仿真了某包裝原材料倉庫，降低了設(shè)計成本[5]．王婷等人利用Simio對某公司前車總裝線進(jìn)行建模與仿真分析，發(fā)現(xiàn)了裝配線的瓶頸工位，使用工業(yè)工程相關(guān)手法進(jìn)行改善，取得了很好的效果[6]．上述文章運用仿真軟件優(yōu)化生產(chǎn)線，提出相應(yīng)改善方案，有效地提高了生產(chǎn)效率或者使生產(chǎn)線達(dá)到平衡．

本文根據(jù)啤酒包裝生產(chǎn)特點，基于數(shù)學(xué)模型分析了影響生產(chǎn)線效率的因素．利用Flexsim軟件對啤酒包裝生產(chǎn)線進(jìn)行建模仿真[7]，找出瓶頸工序，并提出針對性的改善方案，再次使用Flexsim進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明改善方案明顯地提高了車間生產(chǎn)效率．

1　問題分析與研究步驟

啤酒包裝流程主要由卸瓶，洗瓶，空檢，裝酒壓蓋，殺菌，質(zhì)檢，貼標(biāo)和裝箱等工序組成．大多數(shù)包裝車間中，空瓶檢驗和質(zhì)量檢驗是采用人工檢驗．

1.1啤酒包裝生產(chǎn)線影響分析

啤酒包裝工序自動化程度較高，設(shè)備穩(wěn)定時，影響生產(chǎn)線效率主要因素是生產(chǎn)線流暢度[8]和設(shè)備利用率．生產(chǎn)線流暢度是生產(chǎn)線以額定速度運行時間與生產(chǎn)總時間之比．設(shè)備利用率是設(shè)備加工產(chǎn)品時間與運行總時間之比，單位時間進(jìn)入設(shè)備的酒瓶越多利用率越高．

本文通過建立數(shù)學(xué)模型分析了影響生產(chǎn)線效率因素，模型中使用以下符號．O表示所有工序集合，i表示工序，其中i=1，2，…，O；M表示加工設(shè)備集合，k表示設(shè)備，其中k=1，2，…，M；wk表示第k臺設(shè)備單位時間流入量，sk表示第k臺設(shè)備單位時間加工能力；T表示車間每天正常運行時間，C為單位時間產(chǎn)出率，d為酒瓶直徑，D為輸送帶寬度；ti表示第i道工序和i+1道工序之間輸送帶正常運行時間；vi表示第i道工序和i+1道工序之間輸送帶速度；ai表示第i道工序和i+1道工序之間輸送帶上酒瓶之間的縱向距離；

以上相關(guān)符號具體意義如圖1所示．

圖1　酒瓶排列圖

由于每天進(jìn)入生產(chǎn)線的原材料都會加工成成品，所以本文以單位時間產(chǎn)出率表示生產(chǎn)效率，單位時間產(chǎn)出率等于單位時間內(nèi)成品流出量與空瓶進(jìn)入量的比值．表達(dá)式如下：

(1)

式(1)表明單位時間流入量是影響平均單位時間產(chǎn)出率的直接因素，其中設(shè)備單位時間流入量與生產(chǎn)線的速度和酒瓶的間距相關(guān)，具體關(guān)系見式(2)：

(2)

綜合式(1)和式(2)得出式(3)：

(3)

生產(chǎn)線運行時輸送帶寬度和酒瓶直徑不變，每天提供的原材料相對穩(wěn)定，因此根據(jù)式(3)可以得出生產(chǎn)線速度和酒瓶之間的縱向距離是影響單位時間產(chǎn)出率的直接因素．

1.2研究步驟

通過使用Flexsim軟件對啤酒包裝生產(chǎn)線仿真優(yōu)化，具體流程如圖2所示．

圖2　研究流程圖

首先基于車間狀況進(jìn)行分析得到相關(guān)數(shù)據(jù)．使用Flexsim軟件對生產(chǎn)線進(jìn)行建模，載入?yún)?shù)后進(jìn)行仿真．然后分析仿真結(jié)果，針對瓶頸工序提出改善方案．修改仿真模型及參數(shù)，再次進(jìn)行仿真．最后比較改善前后結(jié)果，分析方案可行性．

2　實例分析

2.1案例背景

XH啤酒廠有A，B，C 3條生產(chǎn)線，生產(chǎn)3種類型瓶裝啤酒，旺季時工人經(jīng)常加班完成生產(chǎn)任務(wù)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加．本文選取旺季時C生產(chǎn)線為研究對象，C生產(chǎn)線包括兩個車間，一車間是進(jìn)行啤酒的包裝生產(chǎn)，二車間是成品碼垛堆放．因此影響啤酒包裝效率的主要是一車間生產(chǎn)線，包裝流程如圖3所示．

圖3　C生產(chǎn)線一車間流程圖

旺季時C生產(chǎn)線一車間每日標(biāo)準(zhǔn)工作時間10 h，每天流入120 t左右啤酒的空瓶量，最終啤酒產(chǎn)量將近118 t，而且車間每天需要加班生產(chǎn)．在啤酒包裝過程中，空瓶持續(xù)性進(jìn)入生產(chǎn)線，為了提高Flexsim軟件運行速度和方便計算，以6 min空瓶進(jìn)入量為一批量進(jìn)行仿真，每批量空瓶可以裝入1.2 t啤酒．車間設(shè)備參數(shù)見表1．實際生產(chǎn)中酒瓶經(jīng)過高溫消毒后會出現(xiàn)熱脹冷縮導(dǎo)致劣質(zhì)酒瓶破裂，空檢工序和質(zhì)檢工序?qū)Ξ?dāng)前位置的破瓶和倒瓶進(jìn)行處理，然而個別酒瓶倒塌破碎后會使周圍酒瓶成群倒塌，大規(guī)模破裂，主要發(fā)生在洗瓶工序和殺菌工序后．仿真時根據(jù)車間實際數(shù)據(jù)，輸送帶2、5的故障率分別服從正態(tài)分布N(10，0.2)和N(28，0.1)，處理時間分別服從正態(tài)分布N(1.5，0.1)和N(1.8，0.1)．

表1　包裝車間相關(guān)參數(shù)表

2.2仿真模型及參數(shù)導(dǎo)入

在Flexsim中構(gòu)造生產(chǎn)模型如圖4所示．

圖4　Flexsim C包裝生產(chǎn)線模型

仿真模型建立后需要向各模塊輸入?yún)?shù)，導(dǎo)入步驟如下：

Step1:首先根據(jù)表1導(dǎo)入各加工設(shè)備和輸送帶的參數(shù)；

Step2:設(shè)置發(fā)生器的參數(shù)；

Step3:倒塌的酒瓶和輸送帶上的碎屑視為故障，員工處理故障時間為故障延誤時間，根據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)置輸送帶2、3故障率和故障處理時間，導(dǎo)入故障中；

Step4:設(shè)置運行參數(shù)，重復(fù)20次運行．

2.3仿真運行及分析

為了保證改善方案的真實性和有效性，首先驗證使用Flexsim仿真軟件仿真啤酒包裝生產(chǎn)線的可行性，XH公司C生產(chǎn)線實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示每天進(jìn)入的空瓶量可以裝下120 t左右啤酒，實際啤酒產(chǎn)量大約118 t，而且車間日常工作時間都超過正常工作時間．本文基于Flexsim對該車間進(jìn)行仿真，各處輸送帶寬度相等，所有在制品加工完成后仿真終止，結(jié)果顯示啤酒平均產(chǎn)量為115.2 t，實際偏差率2.37%，在允許范圍之內(nèi)，證明使用Flexsim軟件仿真啤酒包裝生產(chǎn)線可行．

以車間正常工作時間10 h作為仿真時間，重復(fù)20次運行后結(jié)果見表2～3．

表2　仿真結(jié)果

表3　相關(guān)工序負(fù)荷率

由表2可以發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)線中占據(jù)進(jìn)入批量的20.07%，表明產(chǎn)品單位時間產(chǎn)出率較低．表3顯示洗瓶機的利用率最高，殺菌機的利用率最低．

3　分析改善

表3顯示洗瓶機和裝酒機的利用率相差較大，仿真實際運行情況顯示輸送帶2上有很多酒瓶，說明輸送帶2上經(jīng)常發(fā)生故障，導(dǎo)致工作人員花了較多時間在處理輸送帶上的故障．工作人員處理故障時會阻礙酒瓶的移動，使故障位置前面的酒瓶發(fā)生擁擠，后面的酒瓶變得稀疏，導(dǎo)致裝酒機的利用率降低，這一現(xiàn)象與車間實際情況相符．結(jié)合式(3)和車間具體情況發(fā)現(xiàn)：1)輸送帶2速度較慢，酒瓶在輸送帶上輸送時間服從正態(tài)分布，其方差較大，說明輸送速度不穩(wěn)定．2)洗瓶工序后的輸送帶上酒瓶破裂較多，偶爾出現(xiàn)成群倒塌的情況，酒瓶碎屑導(dǎo)致輸送帶速度減慢，檢驗人員處理時間較長，有時經(jīng)常會忽略一些劣質(zhì)酒瓶，這些酒瓶經(jīng)過裝酒工序后完全破裂，影響輸送帶的正常運行，使得殺菌工序的利用率較低．因此通過提高輸送帶速度和減少故障的處理時間來提高設(shè)備利用率．

3.1輸送帶速度改善

輸送帶是啤酒瓶傳輸?shù)妮d體，輸送帶速度較快，酒瓶易倒，速度較慢，則會降低單位時間產(chǎn)出率．由于相鄰工序之間輸送帶上各點速度都相同，所以取轉(zhuǎn)輪切點的線速度作為輸送帶速度．設(shè)v為輸送帶速度；N為轉(zhuǎn)輪角速度；k1為轉(zhuǎn)輪半徑；轉(zhuǎn)輪切點線速度和轉(zhuǎn)輪角速度關(guān)系如下：

(4)

假設(shè)R為傳動軸扭矩；P為驅(qū)動功率；k2為比例常數(shù)，則轉(zhuǎn)輪角速度與驅(qū)動功率和扭矩關(guān)系如下：

(5)

由于傳動軸扭矩與輸送帶的張力正相關(guān)．輸送帶張力主要包括鏈條與下面滑軌的摩擦力，鏈條與上面啤酒瓶的摩擦力和其他附加載荷．設(shè)k3為附加載荷；k4為比例系數(shù)，與鏈輪齒數(shù)有關(guān)；F為輸送帶張力；G為單位長度平頂鏈質(zhì)量；M為單位長度酒瓶質(zhì)量；t1為滑軌與平頂鏈之間摩擦系數(shù)；t2為酒瓶與平頂鏈之間摩擦系數(shù)；L為輸送鏈長度，扭矩計算式如下：

(6)

綜合式(4)～(6)得出傳送速度與功率關(guān)系見式(7)：

(7)

本文中C生產(chǎn)線運行時，輸送帶長度和重量，鏈輪半徑和齒數(shù)保持不變，傳動帶驅(qū)動功率相對穩(wěn)定．附加載荷較小，可以忽略不計，酒瓶在生產(chǎn)線上發(fā)生擁擠時，單位長度輸送帶上的酒瓶重量會增加，式(7)得出生產(chǎn)線的速度會變慢．而生產(chǎn)線以額定速度運行時，單位長度酒瓶質(zhì)量不變，假設(shè)單位長度內(nèi)輸送帶質(zhì)量是酒瓶質(zhì)量的p倍，則式(7)可變化為式(8)：

(8)

式(8)表明滑軌與平頂鏈之間的摩擦系數(shù)和酒瓶與平頂鏈之間的摩擦系數(shù)是影響輸送帶速度的主要因素．摩擦力系數(shù)與摩擦對象的材質(zhì)和潤滑劑相關(guān)．本文包裝車間平頂鏈和滑軌都是采用不銹鋼材質(zhì)，使用不同的潤滑劑摩擦系數(shù)如圖5所示．

圖5　不同潤滑劑的摩擦系數(shù)圖

車間實際運行中，工作人員用水潤滑輸送帶，輸送帶速度顯得不穩(wěn)定，而且酒瓶經(jīng)常倒塌．因為摩擦系數(shù)較大時，輸送帶的速度減緩或者酒瓶發(fā)生擠壓，酒瓶的慣性會使自身傾倒．因此本文使用皂液替代水作為潤滑劑，皂液成本低，其摩擦系數(shù)介于油和水之間，可以減小平頂鏈與滑軌和酒瓶之間的摩擦，同時也不會因為摩擦力小導(dǎo)致酒瓶在輸送帶上相對滑動．使用皂液后，根據(jù)式(8)計算出輸送帶上是空瓶時的傳送速度是改善前速度的1.3倍，輸送帶上是裝酒的酒瓶時，輸送帶速度是改善前速度的1.41倍，更改表1中各段輸送帶運輸時間后仿真運行后結(jié)果見表4．

表4　輸送帶速度改善后仿真結(jié)果表

表4顯示出在相同時間內(nèi)，啤酒產(chǎn)出量增加了1.32 t，改善效果非常明顯，說明使用皂液的效果更好，減少了在制品的數(shù)量和機器的工作時間．

3.2故障改善

生產(chǎn)線上發(fā)生酒瓶成群倒塌，破裂現(xiàn)象時，工作人員將花費較長的時間清理雜質(zhì)和扶正酒瓶，還有一些漏檢的劣質(zhì)酒瓶通過裝酒工序后完全破裂，因此工作人員需要及時清理輸送帶上劣質(zhì)酒瓶和碎屑，扶正傾倒的瓶子．在處理故障時，工作人員重復(fù)同一動作，標(biāo)準(zhǔn)化檢驗人員的操作能避免多余的動作，提高工作效率．本文運用模特分析法[9]，對操作人員進(jìn)行動作分析，過程見表5．

表5　員工雙手動作分析表

通過表5計算出當(dāng)出現(xiàn)故障時處理故障總時間為14.71 s，因為生產(chǎn)線速度較快，處理故障時間較長會影響生產(chǎn)線效率．通過運用5W1H提問技術(shù)進(jìn)行提問分析，發(fā)現(xiàn)以下問題：1)廢屑處放在兩個操作者中間，但是離兩個操作者距離較遠(yuǎn)，工作不能直接把碎片丟到廢屑處；2)處理故障中碎片時，如果處理速度過快，可能會導(dǎo)致更多酒瓶傾倒．在考慮動作經(jīng)濟原則“ECRS”四大原則基礎(chǔ)上對工段進(jìn)行改善[10]．具體方案如下：1)對兩個操作者進(jìn)行分工，一人負(fù)責(zé)清理碎片和劣質(zhì)酒瓶，另一人負(fù)責(zé)扶正酒瓶．2)移動廢屑處的位置，使其更靠近負(fù)責(zé)清理碎片的操作者．改善后處理碎片的人則不需要走動可直接把碎片放在廢墟處，由于分工明確，工人左右手動作一樣，兩個員工具體操作動作見表6．

表6　改善后動作要素表

由表6計算出改善后時間為11.09 s，比原來時間節(jié)約了24.61%．處理故障后加入潤滑液，修改Flexsim模型中輸送帶2和輸送帶5故障處理時間后，仿真結(jié)果見表7．

表7　輸送帶流暢度改善后仿真結(jié)果表

仿真結(jié)果表明產(chǎn)出率增加了4.3%，在制品明顯減少，說明改善方案提高了生產(chǎn)線的流暢程度，進(jìn)而提高了設(shè)備利用率．

4　結(jié)　論

對于季節(jié)性生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)能充足是旺季里獲得訂單的重要因素．本文針對啤酒包裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化，進(jìn)而提高啤酒生產(chǎn)效率．仿真結(jié)果表明：通過Flexsim軟件對啤酒包裝生產(chǎn)線仿真，針對瓶頸工序產(chǎn)生的原因進(jìn)行改善，明顯地減少了在制品的數(shù)量，有效地提高了啤酒包裝生產(chǎn)線單位時間的產(chǎn)出量，幫助企業(yè)更快地完成訂單．

[1]關(guān)苑，童凌峰，童忠東．酒類工藝與技術(shù)叢書-啤酒生產(chǎn)工藝與技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014．

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[10] 葛安華，孫晶．應(yīng)用基礎(chǔ)工業(yè)工程理論提高裝配線的生產(chǎn)效率[J]．工業(yè)工程，2008(3)：135-139．

[責(zé)任編輯張莉]

Beer Packaging Production Line Simulation and Optimization Based on Flexsim

Du Xuan1，2Pan Zhicheng1

(1. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorages Univ., Yichang 443002,China； 2. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In order to improve the efficiency of beer packaging production line, according to the characteristics of beer packaging production line, using the formula to derive the longitudinal distance between the conveyor speed and the bottle is the main factor in the impact of beer packaging production line. beer packaging workshop is modeled and simulated by Flexsim simulation software; an improved plan for the bottleneck process is proposed. Using Flexsim simulation software for verification, the results show a significant increase in efficiency per unit of time,improving the capacity of workshop and proving improvement scheme feasibly.

beer production；Flexsim；packaging production line；simulation and optimization

2016-01-22

湖北省自然科學(xué)基金(2014CFC1141)

杜軒(1972-)，男，副教授，博士，主要研究方向為制造系統(tǒng)工程．E-mail：xdu@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.019

TH186

A

1672-948X(2016)04-0092-05