基于數字化工廠的生產流程仿真與優化

宋云鵬，孫海龍，向 雷，王 月

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120；3.浙江科技學院，杭州 310023）

0 引言

經濟全球化的加速發展以及現代物流技術的革新，使得企業間的競爭超越了原有界限，競爭范圍也已從地方到區域再到國際，競爭的復雜度和激烈度也越來越高。為了提高企業競爭力和占領市場，制造企業新產品發布時間越來越短，使得產品的生產組織方式呈現了更新速度越來越快，產品定制化生產等特點[1]。這些新特點要求企業縮短產品設計周期并加快新產品的上市時間，同時還需保證產品質量、降低制造成本、提高生產線柔性，并提供產品優質售后服務等多個方面。數字化工廠技術把傳統制造行業的設計制造規劃變為了以計算機仿真為基礎的設計制造規劃，大大縮短了產品在工藝和流程規劃上的時間，減少了產品開發時間，同時還可以優化生產資源配置，降低企業成本和風險[2,3]。隨著計算機模擬仿真技術和數字信息技術的不斷發展，目前很多大型制造企業都開始了自家的數字化工廠建設，如西門子公司，數字化工廠技術在未來制造行業中應用會越來越普遍。

1 數字化工廠概念

數字化工廠是通過采集制造企業的生產數據，運用仿真技術對包括產品設計、產品制造以及產品配送等在內的所有階段進行模擬生產規劃和優化，并深入到產品全生命周期的一種新型組織形式，它是計算機虛擬制造技術和現代工業信息化相融合的產物[4]。數字化工廠借助三維模型、模擬仿真系統、大數據應用平臺等現代信息技術，借助實際數據為基礎，可視化手段，虛擬模型為支撐，進行系統規劃建設和生產運營的一個過程[5]。數字化工廠根據研究的角度不同有廣義和狹義的兩種概念[6]。廣義上的數字化工廠指的是以參與組織產品制造運輸再到提供產品服務的企業為核心，把所有產業鏈上先關成員的信息進行數字化，實現以企業為中心的虛擬制造系統[7]。狹義的數字化工廠指的是采集制造企業生產過程中的實際生產工藝和實際生產數據，放入到計算機仿真系統中，通過模擬產品的生產過程分析存在的問題進而優化處理的生產方式[8]。本文研究的對象為某制造企業的生產流水線，所以涉及研究屬于狹義層面的數字化工廠。

數字化工廠是制造企業數字集成化的應用平臺，它的最終成果表現是一套完善可靠的數字化管理系統[9]。數字化工廠包括了工廠規劃與布局，產品導入管理信息系統等內容，它同時也集合了眾多信息，輸入信息有產品信息，生產信息，模型信息等，輸出信息有可視化信息，生產指令，模型的布局仿真，生產仿真等。它的結構如圖1所示。

圖1 數字化工廠系統應用結構圖

2 系統仿真流程

本文研究對象是某機電產品的生產流水線，它是一個離散事件系統，離散事件系統的仿真遵循以下流程：

1）系統定義。在進行生產線建模之前將其作為一個整體系統進行定義，確定系統仿真活動的內容，仿真的目的，仿真的預期目標以及局限之處。

2）數據準備。在進行仿真活動之前，需要采集實際生產線的生產數據和相關的物流數據，并將原始數據同時進行統計和分析處理，為后續仿真活動提供數據準備。

3）模型構造。建立一個邏輯模型，該模型需要符合相關約束，要與實際要求相符合。

4）仿真軟件選擇。Extend、Flexsim等是目前主流的幾款仿真軟件，有的軟件適用于離散型系統仿真，有的適用于連續型系統仿真，且各款軟件都有豐富的應用功能，選擇時應該根據實際情況選用，本文選用仿真平臺的是Flexsim軟件。

5）系統仿真模型建立。選擇仿真軟件后將已構建好的概念模型與軟件平臺相結合在模型中構建出初略的模型，并將其定義說明和進行初步驗證。

6）系統仿真運行。將之前采集好的數據和相應參數輸入系統中，待仿真結束后收集報告。

7）仿真結果分析。仿真結束后有的軟件平臺會生成綜合報告，有的是模塊的數據。獲得數據結果后要進行數據篩選和統計然后進行分析。當仿真結果與實際情況偏差較大時，可通過調節設置參數重獲得數據結果。

3 A企業生產線物流系統仿真

3.1 A企業概況

A企業位于江蘇省昆山市某工業園區內，公司制造基地占地面積超過4800平方米，擁有員工數量超過百人。A企業早期主要從事生產和銷售電機產品，現已發展成為事集管狀電機、歐式卷簾門窗、電動門和配件的研發制造以及維護服務為一體的高新技術型企業。A企業經過十多年的發展與壯大，形成了輻射長三角地區的銷售和服務體系，并在國內電機配套生產領域有一定的影響力。

該公司生產區域有備料、焊接、機加工、組裝以及存儲五種車間。本文研究的對象是組裝車間內的CFDP1801型電機盒產品的組裝流水線。

3.2 CFDP1801流水線現狀分析

CFDP1801流水線主要用于CFDP1801型號的機電的裝配，該轉配線設有裝水平儀、接線、固定導軌、導通測試、裝螺釘和墊圈、裝保護套、打碼、檢驗與貼標簽共有8個工位，各工位使用7個小傳送帶傳送物品，傳送帶速度為0.2m/s，整條流水線操作工人11人，每日8小時工作時間，日生產量約640件。該流水線所處的車間布局情況如圖2所示。

圖2 電機盒裝配車間布局圖

3.3 Flexsim軟件的模型建立

建立Flexsim模型首先對生產實體和模型進行定義明，該仿真中的模型實體如表2所示。

表1 CFDP16型電機盒生產流程盒生產流程數據

表2 模型實體定義說明表

該車間流水線每日生產時間為8小時，考慮與實際生產時長相接近，本次仿真時間設定為連續一周7天共56小時，將表2產線的數據輸入到參數中，運用Flexsim軟件對其進行建模。圖3為生產線模擬圖。

圖3 生產模擬圖示

圖4 轉換的3D效果圖

3.4 仿真結果分析及改進建議

仿真運行結束后,通過每個模塊Stat Report屬性可獲得每個工位的信息數據。統計信息及分析如下：

1）工位2接線操作的設備模擬數據如圖5所示，其設備運轉率為100%，設備空閑率為0%。之前通過生產數據工序2的加工時間最長，模擬數據又顯示了該工位最為忙碌，因此工位2是瓶頸工位。

圖5 工位2設備運行報告

2）工位3固定導軌操作的設備模擬運行數據如圖6所示，該設備的運轉率為27.40%，設備空閑率為62.60%。造成該工位空閑率較大的原因是由于上工序是瓶頸工位，另外根據理論計算，工位3和工位2的工時之比的數值遠大于工位3的運轉率，因此該工位運轉率較低的可能原因是工位2與工位三之間傳送帶的速度過快。

3）工位4導通測試操作模擬生產的運轉率為38.20%，設備空閑率為61.80%。對比上工位設備27.40%的運轉率，說明該工位有較多空閑時間，查找該工位的生產數據該工位配有兩名工人，則該工位配置工人過多，或者工位3和工位4之間的輸送帶速度過快。

4）工位5裝螺釘、墊圈操作的設備模擬運行數據如圖7所示，該設備的運轉率為64.5%，設備空閑率為35.5%。由于上工位的運轉率較低，且人員配置較多，在對比工位4和工位5的人均工時，該工位的運轉率處于正常范圍內。

圖6 工位4設備運行報告

圖7 工位5設備運行報告

5）工位6、工位7以及工位8三個工位的單位工時和人員配置和工位5都相近，該三個工位的運轉率處于合理范圍內。

3.5 改進建議及其效果

1）改進建議。通過對上述數據的分析，提出以下優化建議：（1）工位2接線操作為瓶頸工位，該工位現實中的處理速率已最大，可以考慮通過增加一個操作人員（設備）來平衡生產線；（2）減小工位2和工位3之間的傳送帶速度，提高工位3的設備運轉率；（3）工位4上的操作人員由2名減少到1名，同時減慢工位3和工位4之間的輸送帶速度；（4）調整部分傳動帶傳送速度；

2）優化后效果。將上述修改后的數據和參數重新輸入到Flexsim軟件中，仿真時間依舊設定為連續一周7天共計56小時。通過對改進后的模型數據進行分析可得：優化后的模型中所有設備的運轉效率都在80%以上，改善后的日均產品的總產量約為820件，較改善前的日產量提高了近28%。

4 結束語

本文運用數字化工廠模擬仿真的思路，對A企業某產品流水生產線進行了生產模擬仿真。通過分析模擬生產獲得的數據并根據企業實際情況提出了改善建議，通過對比改善后的模擬仿真數據，發現該生產線的擁堵情況有較明顯改善，改進后的生產線日產量提高到了820件，較改善前提高了近28%，為企業帶來了較好的預期經濟效益。由此說明，通過數字化工廠模擬仿真的方法既便捷又科學，對制造企業改進生產情況有很大的幫助。