基于Tecnomatix Plant Simulation的自動化生產流水線平衡的探討

彭程遠

摘 要 自動化生產流水線是當今社會各工廠中使用較多的一種生產方式。流水線生產，指的是按照規范化的工藝路徑對產品進行加工。在相同的生產速度下使生產線重復運作的生產形式。生產線平衡（Line Balance），是采用負荷分析對生產線整體的負荷能力進行測量，讓不同的工序承受不同的負荷，使各工序的生產能力和負荷達到平衡的狀態，從而避免工業生產中無必要的消耗，并提升流水線的生產效率。本文旨在探討自動化生產流水線平衡理論及評價方式，同時以Tecnomatix Plant Simulation為基礎進行對流水線平衡的探討。對于本文用來做例子的Factory51和高速流通金屬罐流水線平衡系統進行研究，把知識理論、實體案例和模型相結合，運用工業工程知識，同時分析現有文獻，考慮實際流水線情況，進行平衡的探討。

關鍵詞 流水線平衡 節拍 生產線平衡率

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0017-02

1 緒論

1.1 課題背景

自動化生產流水線，是當今社會各工廠中使用較多的一種生產方式。流水線生產，指的是按照規范化的工藝路徑，對產品進行加工。在相同的的生產速度下使生產線重復運作的生產形式。生產線平衡（Line Balance），是采用負荷分析對生產線整體的負荷能力進行測量，讓不同的工序承受不同的負荷。使各工序的生產能力和負荷達到平衡的狀態，從而避免工業生產中無必要的消耗，并提升流水線的生產效率。

1.2 國內外研究現狀

“生產流水線平衡”是指計算所有生產過程的平均值，并調整每個工位的操作負荷，來確保每一個工位所消耗的時間盡可能接近。工藝流水線的目標是通過在控制每個生產環節的效率來進行“單元生產”，使人們更容易理解“小單元生產”以及具體的生產方法，這是所有新理論和方案的基礎。

西方工業化經歷了近一個世紀的發展，工業化及其擴展領域發生了重大變化。就中國的工業企業而言，由于經歷了從計劃經濟向市場經濟的過渡，大多數公司仍然有研發不足、產業基礎薄弱、治理水平低的缺陷。并且我國工業生產主要涉及設備和人員密集型產業，所以急需提高整體的技術水平。

1.3 本文要探討的問題

本文主要通過文獻和實例探討生產線平衡率的理論計算方法;研究不同自動化生產流水線中提高生產效率的方法。同時探討如何減少各環節時間與人力消耗，降低機械損耗速度，從而減少生產成本，提升生產效率。

2 高速流通金屬罐流水線平衡系統的探討

2.1 生產線平衡所用的方案

ONE-PASS[1]的流通設計采用兩條平行于罐流的蓄積輸送帶：一條在進給側，另一條在卸貨側;因而，罐進入托盤和離開托盤只需進行一次操作即可完成。

ONE-PASS流水線平衡系統會讓卸貨積蓄器時刻保持在滿載的狀態下，有能力立刻對流水線上的變化進行應對，例如罐的使用。同時，在流水線的罐內使用了一個高位傳感器，進給蓄積器會通過高位傳感器的反應立刻做出應對。通過這個的方法可以減少消耗和避免浪費時間。

2.2 生產線平衡的特點

系統的特點避免了傳統的上托盤/卸托盤設備因頻繁的方式變換所引起的過多的罐輸送問題，在傳統方式中，一層罐會被頻繁的上托盤和卸托盤。

2.3 生產中減少損耗的方式

ONE-PASS流水線系統中有兩條運輸線，都是使用一個輸送帶來完成工作。這項改進使得罐可以在一出操作中完成進入托盤，離開托盤也是同理，由此，大大減少了罐和流水線的器材損耗。在這個自動化生產流水線系統中，兩條運輸線保持在一個節拍里。[2]生產線節拍：指流水線上連續生產兩個相同在制品的間隔時間，它表明流水線生產速度的快慢或生產率的高低，一般生產線的節拍由其中最大工作站時間決定，即瓶頸工作站時間決定。在ONE-PASS流水線系統中，是一種工作站數確定，通過縮短節拍來提供工業流程效率的模型。而節拍的縮短要考慮到設備、場地和人工是否能支持節拍運作，在綜合考慮下得出結果，ONE-PASS在節拍這方面有一套完善的策略。

2.4 生產線平衡方面給出的啟示

ONE-PASS流水線系統是一套較早的通過考慮工位數與節拍之間的關系做出對應改進的系統。這樣一個優秀的系統給了我們很多的啟發，例如工位數的成本和生產速率怎樣尋找一個平衡值;工位數固定后怎樣減少流水線運行時的各方面消耗情況;在工位數固定后，怎樣在人力、器械、損耗率等之間找到平衡，使流水線按最合適的節拍去運行。

3 Factory51案例探討與分析

3.1 Factory51的基本介紹

Tecnomatix Plant Simulation是一款面向對象的集體建模仿真優化軟件，它也是西門子PLM的產品之一。[3]生態系統仿真側重于對生產線、工藝、物流等的仿真，在虛擬環境中對其進行優化。由于產品變得越來越復雜，制作工藝也變得更加繁瑣，傳統的生產模式已經不能滿足很多產品的需求。這就需要對產線進行全面的設計，以避免出現效率及成本的浪費。

Factory51本質上是一個可視化的模型。Factory展示了一條完整的工業生產流水線，從原材料進入流水線，到機械化運送至每個車間，再到每一個工位的加工、運輸、儲存、裝車出廠的一整套自動化流程。在這個自動化生產流水線中，大大減少了人力的需求，自動化程度較高。同時通過對節拍的掌握，每個工位的工作及到下個工位的傳輸中既減少器械消耗又提高了生產速率。

3.2 生產線平衡中的區域規劃

Factory51自動化生產流水線是一個高自動化的生產模型。通過廠房的空間情況，可設置產線布局。產線布局解決了生產加工區、緩存區、物料堆放區等作業單元。解決設備與設備之間的相對位置，通道的橫向面積，同時解決物料搬運流程及運輸方式。

原材料進入生產線后，機械吊車將材料放入傳輸帶上。自動機械臂會將傳輸帶上的材料按照一定時間間隔放入車間內流水線。這個時間間隔，是使用節拍的有關計算來確定的，時間間隔決定了整個車間的運作速度，影響到后續每個工位的加工。通過人工的一次運輸后，生產線進入自動化生產階段。自動化生產車間內的不同工位有不同的職能，通過數量把控及加工速率把控，使每一項加工消耗的時間達成平衡，同時也減少了器械的使用量和車間器械的占用面積。

3.3 多線程，多工種下平衡的運用

自動化生產流水線平衡有很多不同的注意事項，如上文中提到的產線布局、節拍、工位數、材料損耗等等。企業一般著重在生產節拍和工作站數這兩點上進行考慮，既要保證生產高效，不浪費人力物力，也要考慮減少怎樣以較小人力和工位去提高效率，減少成本。

在這樣的需求下，生產平衡率被提了出來。綜上所述，生產線平衡是指當生產節拍不變時，以最少的機械和人力成本完成所有作業要素的方案。生產線平衡率越高，則生產線的效率越高，同樣成本下所產生的價值越大。

生產線平衡率=工位消耗時間之和/（瓶頸工序時間×工序數）。由這個公式可以看出：瓶頸工序所耗費的時間越長，生產線平衡率便會越低，也就是生產效率的降低。

4 總結與展望

本文中進行了對高速流通金屬罐流水線平衡系統的探討和對Factory51案例探討與分析。我們可以看到自動化生產流水線平衡需要考慮到的方方面面，例如生產線節拍、工位數與節拍的聯系、產線布局、生產線平衡率等。

想要提升流水線的生產效率，可以從調整各工位作業的作業內容和負荷來下手，每個工作站的工作量和工作時間分配是改善的重點。

工序平均化。工序平均化的目的是減少作業中人和工位的壓力，設備的能力上限需要著重關注。不能為了提高效率而超出工位承受能力，否則會出現故障或意外停機，嚴重影響生產效率，也造成了成本上的損失。

分布合理化，指的是產線布局的合理，產線布局決定了設備位置和不同區域的職能。做好產業布局可以減少機械損耗，降低成本，同時也能提高貨物運輸的效率與安全性。

當今的自動化生產流水線已經進入人工智能時代。人工智能時代也是人們常說的虛擬制造時代，這一時代從80年代后半期開始。人工智能時代的到來是理解復雜制造系統的必然選擇，這個時代產生了這種不同的技術[4]。

文中兩個案例展示了技術的革新在生產線中的重要性，體現出想象力和創新能力為人類工業做出的巨大貢獻。不斷的技術革新與整體創新是工業生產流水線進步的永恒主題。

參考文獻：

[1] 佚名.高速流通金屬罐流水線平衡系統[J].中國食品工業，1996（04）：57.

[2] 陳震強.汽車總成零件柔性化生產流水線平衡改善[D].上海交通大學，2012.

[3] 付百川，李仰東，武殿梁，程奐翀.面向生產系統規劃的數字化工廠仿真應用研究[J].現代涂料與涂裝，2012，15（07）： 6-13.

[4] 許明灝.渦輪增壓器裝配流水線平衡研究[D].上海交通大學，2006.