基于Flexsim的混流生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真分析

許向川,晉愛琴,肖紅菊,苗苗

(中車永濟(jì)電機(jī)公司 國鐵事業(yè)部,山西 永濟(jì) 044502)*

隨著市場不斷的變化，企業(yè)生產(chǎn)方式由原來單一流程的大批量生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)為以訂單為驅(qū)動、綜合生產(chǎn)流程為主的多品種、小批量的混合生產(chǎn)方式.國有企業(yè)更是堅(jiān)定不移地貫徹創(chuàng)新驅(qū)動，優(yōu)化體系，提高效能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展.混流生產(chǎn)線可使企業(yè)生產(chǎn)對于市場的變化更具靈活性和適應(yīng)性，提升多品種、小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益.

混流生產(chǎn)線是一種典型的隨機(jī)離散系統(tǒng)，一些學(xué)者對混合生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程中的瓶頸工序以及設(shè)定投產(chǎn)方案進(jìn)行了相關(guān)研究.林鑫運(yùn)用Flexsim建立仿真模型、設(shè)置單元參數(shù)并編寫代碼，利用Simulation Experiment Control設(shè)置實(shí)驗(yàn)變量,對不同投產(chǎn)方案進(jìn)行多次仿真與比較,選擇出最優(yōu)投產(chǎn)方案[1].孟哲等人利用 Flexsim 仿真軟件建立車間系統(tǒng)加工流程模型，并進(jìn)行生產(chǎn)線加工流程仿真，在多次優(yōu)化仿真運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過對仿真數(shù)據(jù)輸出結(jié)果的分析，得出生產(chǎn)線“瓶頸”所在的工位[2].劉哲等人在建立生產(chǎn)流程圖的基礎(chǔ)上使用 Flexsim仿真軟件對其生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的瓶頸程序依此提出優(yōu)化方案，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性[3].然而在軌道交通領(lǐng)域，針對混流生產(chǎn)線的研究較少，混流產(chǎn)線建設(shè)和優(yōu)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(chǎn)線間通用度低，生產(chǎn)單一的問題，跟蹤地鐵產(chǎn)品YJ260系列線圈成型過程，現(xiàn)場調(diào)查工藝流程、設(shè)施布局等，利用Flexsim軟件建立混流生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真模型，尋找瓶頸工序和閑置資源，并借助精益工具進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以提高混產(chǎn)線平衡率，縮短產(chǎn)品交付期，滿足顧客柔性化需求.

1 系統(tǒng)模型建立

1.1 PQ和PR分析

由于線圈產(chǎn)品種類和型號繁多，利用PQ分析對上一年產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果如圖1所示[4].(以下數(shù)據(jù)均為量化后數(shù)據(jù))

圖1 軌道交通主要產(chǎn)品PQ分析

由圖1可知，YJ260系列電機(jī)線圈生產(chǎn)和定子嵌線占總產(chǎn)量的29.94%，具有代表意義.以定子線圈交流成型為試點(diǎn)，對YJ260系列電機(jī)線圈進(jìn)行PR分析，發(fā)現(xiàn)YJ260系列A、B、C三種產(chǎn)品的工藝流程完全相同.

1.2 產(chǎn)線數(shù)據(jù)收集

建立三種產(chǎn)品的混流生產(chǎn)線，保持車間逐日連續(xù)工作的條件下，如果一項(xiàng)作業(yè)在特定時(shí)間到達(dá)某工序，按照FIFO規(guī)則流入暫存區(qū)，若前一天沒有完成的任務(wù)，第二天繼續(xù)加工.交流成型產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)如表1～3所示[5].在Flexsim軟件中建立模型如圖2.

表1 工序機(jī)器和人員配備

表2 各工序加工時(shí)間 s/支

表3 產(chǎn)品數(shù)量

圖2 混流生產(chǎn)線Flexsim仿真模型

2 運(yùn)行與分析

2.1 運(yùn)行準(zhǔn)備

設(shè)定模擬時(shí)間單位為s，并且最后一個(gè)產(chǎn)品離開時(shí)得到仿真結(jié)果.表4顯示了仿真模型的實(shí)體元素[6].

2.2 模型運(yùn)行基礎(chǔ)

仿真模型是從真實(shí)系統(tǒng)到數(shù)學(xué)模型的抽象[5].因此，本文通過調(diào)查車間現(xiàn)有產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況對混流生產(chǎn)線設(shè)定若干先行條件：

(1)產(chǎn)品在模擬過程中持續(xù)到達(dá);

(2)A、B、C三種類型產(chǎn)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(xiàn)場的具體操作.

表4 實(shí)體元素表

2.3 運(yùn)行模型

點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕使模型運(yùn)行，仿真過程中可以看到紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的產(chǎn)品在系統(tǒng)中流經(jīng)不同機(jī)器加工，最后流向下工序.系統(tǒng)仿真場景如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)仿真場景

2.4 運(yùn)行結(jié)果分析

Flexsim軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，與EXCEL有良好的數(shù)據(jù)接口，仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格，從而了解各個(gè)工序設(shè)備總共加工時(shí)間和加工率、空閑時(shí)間和空閑率、阻塞時(shí)間和阻塞率、輸入量和輸出量[7],如表5所示.

用表5計(jì)算，原產(chǎn)線平衡率僅為63.46%，且各設(shè)備加工率高低不一.繞線機(jī)、張形機(jī)加工率近100%，長時(shí)間滿負(fù)荷作業(yè)，易造成設(shè)備損耗，增加故障率；打砂機(jī)加工率僅35.74%，經(jīng)常處于空閑狀態(tài)；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(gè)產(chǎn)線不平衡嚴(yán)重；同時(shí)，暫存區(qū)釋放率高表示在制品堆積較多[8]，從暫存區(qū)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(bào)告

3 優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1 工位制節(jié)拍化建設(shè)

以工位為作業(yè)組織單元，通過節(jié)拍設(shè)計(jì)、工位切分、布局設(shè)計(jì)等以流水作業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)拍化均衡生產(chǎn).工位制節(jié)拍化建設(shè)過程如下：

(1)確定生產(chǎn)線節(jié)拍.由純生產(chǎn)時(shí)間和計(jì)劃產(chǎn)量所得.通過現(xiàn)場實(shí)際測定每日有效工作時(shí)間為6.5 h，根據(jù)一年內(nèi)三種產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)定混流生產(chǎn)線日計(jì)劃產(chǎn)量為6臺，每臺60支線圈.

式中:C表示混流生產(chǎn)線節(jié)拍；Te表示有效工作時(shí)間；∑Ni表示品種i的計(jì)劃產(chǎn)量.

(2)確定工位數(shù)量.由產(chǎn)品制造周期和生產(chǎn)節(jié)拍決定，將三種產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期平均化.

式中:S表示工位數(shù)量；Ti表示三種產(chǎn)品平均生產(chǎn)制造周期.

(3)確定工位作業(yè)內(nèi)容：生產(chǎn)線節(jié)拍為65 s/支，結(jié)合表2中各工序加工時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)張形機(jī)的平均加工時(shí)間為136.33 s，此工序不能繼續(xù)切分工位，且張形時(shí)間決定整個(gè)產(chǎn)線周期時(shí)間.結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀況，在張形工序增加一臺機(jī)器，以避免工時(shí)損失和瓶頸現(xiàn)象，使得混流線能夠順利運(yùn)行.增加設(shè)備后，根據(jù)產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)狀況切分4個(gè)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(xiàn)有工藝布局存在回流，折返現(xiàn)象，且運(yùn)輸距離和等待時(shí)間較長，因此，按照生產(chǎn)流程要求做到布置合理、緊湊，有利于生產(chǎn)操作，并能保證對生產(chǎn)過程進(jìn)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(jù)車間場地大小將工位排布為U型線，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)拍流動.

圖6 設(shè)施布局改善方案

(5)計(jì)算混合生產(chǎn)線平衡率

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃訂單，設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際切分工位，重新調(diào)整工藝布局.改善后混流生產(chǎn)線平衡率達(dá)到90.49%，所有工位實(shí)現(xiàn)平均化、 均衡化.

3.2 驗(yàn)證

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

圖7 優(yōu)化后仿真模型

表6 優(yōu)化后Flexsim輸出報(bào)告 %

表7 優(yōu)化前后仿真結(jié)果比較 %

從表7可以看出，針對原有的交流線圈成型生產(chǎn)線，通過工位制節(jié)拍化產(chǎn)線優(yōu)化，生產(chǎn)線平衡率達(dá)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)線均衡化.

4 結(jié)論

本文對軌道交通YJ260系列產(chǎn)品線圈成型過程建立混流生產(chǎn)線，并借助Flexsim仿真軟件進(jìn)行仿真分析，通過運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線存在瓶頸工序，并進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，優(yōu)化后產(chǎn)線平衡率提高27.03%，實(shí)現(xiàn)混流生產(chǎn)線各工位均衡化生產(chǎn)，提高產(chǎn)線柔性，滿足市場需求.這種方法將為軌道交通企業(yè)混流生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、建設(shè)和平衡分析提供理論依據(jù)，提升企業(yè)效益.