基于Flexsim的冷柜產線柔性優化

張永輝，王維棟，周元慧，關德同

（山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島266590）

1 背景及現狀

1.1 相關背景

隨著人們生活水平的提高、食品安全意識的提升，生鮮市場以及新零售的崛起，主要制冷設備市場實現穩定增長[1]。同時冷柜生產制造作為中國傳統制造業中的典型，亟需進行生產系統的轉型升級[2]。本文以冷柜生產車間為研究對象，針對生產系統中的現存問題，提出產線平衡方案，并進行生產系統柔性優化設計。

1.2 生產現狀及問題

某品牌冷柜生產的流程中共有44 道工序，為管理方便，將生產線劃分為發泡、總裝、檢測、包裝4 部分。受空間限制，分設于兩層樓的生產現場。短期內該產線計劃于6.5 d內完成共4 300 件冷柜的生產，員工每天工作8 h。

經過對產線流程的分析，記錄現場各工序的耗時并利用Flexsim 仿真軟件建立產線模型，輸出阻塞率數據并對得到的數據進行分析，發現該生產線存在如下兩個問題：①瓶頸工序問題突出。裝內膽（24.82 s）、貼條碼（24.03 s）、固定腳輪（33.48 s）、固定鉸鏈（24.60 s）和清擦（24.04 s）這5 項工序為該生產線上的瓶頸工序。②工位劃分不合理。該產線采用每個工序一個工位的生產方式，生產節拍CT=37 s，生產線平衡率W1=49.89%。該生產線上工位劃分方法限制了生產平衡率的提升，生產線柔性較低。

2 瓶頸工序的分析與改善

通過對產線上瓶頸問題的分析，本研究對5 個突出的瓶頸工序運用“5W1H”和“ECRS 四原則”進行分析，找到影響其效率的根源所在，通過改進雙手作業方式、改進工器具擺放位置、增加定員、推行5S 現場管理法等針對性地提出改進方案。

經過對瓶頸工序的分析與改善后，通過現場實踐獲得數據、Flexsim 建立模型仿真運行，利用左右手分析、模特法等科學方法進行計算，得到5 個瓶頸工序的時間及其改進率，如圖1 所示。

圖1 改善前后時間對比柱狀圖

3 工位的動態分配方法及程序

3.1 工位的動態分配方法

實際生產過程中，生產訂單通常有一定的不確定性。傳統生產中心在面對生產訂單的波動性作用時，通常保持以固有模式及較高投入進行生產，造成了傳統生產中心只能被動地接受生產需求變化，系統應對環境的變化和不確定性的能力較低[3]，即柔性較低。

現為提高生產系統應對客戶訂單波動性的能力，幫助企業提高生產系統的柔性，建立一種工作地的動態分配方法以實現工位的定制化分配。根據產品的生產目標，考慮產品庫存量，利用產品的生產工序進行生產工位的動態分配，以提高生產平衡率。本分配方法對工作地的劃分是根據生產訂單進行的，即在得到生產訂單后，按照不斷變化的需求和不確定性環境，根據生產目標計算生產理論節拍，以各工序實際生產時長為基礎，根據工作地劃分原則分配工作地，對生產作業方式、人員等進行重新分配整合，實現資源動態優化配置，得到適宜生產目標的生產線工位劃分結果，來滿足終端客戶訂單的需求。

3.2 工位的動態分配程序

現依據工位的動態分配方法，利用Visual Basic 程序連接ACCESS 數據庫，建立系統的產線工位動態分配程序。本程序可實現不同生產計劃下生產地的動態分配。其中，工位動態分配程序如圖2 所示。

在將產品型號及對應工序錄入數據庫后，在操作界面選擇生產產品后可查看產品的庫存及對應生產工序，輸入生產周期及目標后，將輸出工位的定制化分配結果、員工分配、改善前后生產平衡率數據及工位耗時圖等。

圖2 工位動態分配程序圖

本方法及程序的創新之處在于，工作地的劃分隨生產訂單的變化而變化，即生產線工作地的分配是由該生產周期的訂單決定的。充分利用生產節拍，實現按訂單調節生產步伐，產線的生產彈性加強，生產能力的柔性加大，避免產線生產過剩造成的生產庫存的浪費。

3.3 工作地動態分配應用

現利用提出的生產工作地的動態分配方法及程序，以目標產線數據為基礎，建立產線工序數據庫，包含生產線上各工序的工作內容、時間等。

以本生產線為例，輸入產品周期（6.5 d）及生產目標（4 300臺）后，將本產線生產工序內容及改善后的時間導入數據庫，本程序計算節拍后依據工作地劃分原理進行工作地的劃分，輸出工作地分配結果。

在瓶頸工序改善完成之后，平衡率W3=68.18%。由于冷柜的生產具有嚴格的順序，工位動態分配程序按照生產順序對可合并的工序進行合并，重新劃分工位，將原有的44個工位合并為25 個工位。各工位上的工作時間趨于均衡，得到其平衡率W4=76.65%。

4 Flexsim 模型及效果評估

Flexsim 是一款三維物流仿真分析軟件，可應用于系統建模、仿真以及實現業務流程可視化[4]。現以該冷柜生產線為原型建立Flexsim 模型進行仿真，建立的模型中分為一樓及二樓工作區，共設有11 個發生器、17 個暫存區、44 個處理器、8 個合成器及56 名操作人員，發生器用來產生原材料，暫存區用來臨時存放排隊的加工工件，處理器模擬機床生產[5]。改善后設有9 個發生器、16 個暫存區、22 個處理器、7 個合成器及57 名操作人員。

在理想情況下，即不存在原料短缺和機器故障時，以一天工作8 h，原有的裝配工序可生產604 件成品。現根據實際生產安排，對生產線上瓶頸工序進行改善優化后的裝配工序進行系統仿真，系統運行8 h 后的得到仿真結果，可以得到：優化后的裝配工序生產的冷柜數量為662 件，較未優化時多生產了58 件。優化后的產線產量提高，工作人員的作業效率提升。在產線改善前后的仿真對比中發現，改善前瓶頸工序貨物堆積嚴重，改善后的各工序工作時間趨于均衡，產線平衡率提高，改善前后瓶頸工序堵塞率對比如表1 所示。

表1 瓶頸工序堵塞率對比表（單位：%）

5 結束語

從改進結果中，可以明顯看出應用工業工程相關理論對于加工制造工作所帶來的巨大變化。相較于追加資本投入、擴大規模等外部方式來提高企業整體效率與收益，遵循工業工程的相關原則，能更經濟地提出產線平衡方案解決生產問題。結合VB 及ACCESS 提出的工位的動態分配方法及程序能有效實現生產系統的柔性設計優化，通過對生產資源的重新組合，完成動態變化的生產作業要求，提高生產能力的柔性，實現生產量波動情況下系統的經濟平衡運行。不同于傳統的剛性生產方案，本研究提出的工作地的動態分配方法及程序，可以有效地提升生產制造企業在應對市場波動的能力，更加快捷、有效地為企業提供多變的市場環境下的生產方案；適用于生產線上生產工序的靈活性較高的生產系統，尤其適用于根據訂貨而組織生產的制造系統。