系統(tǒng)仿真技術(shù)在新規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

系統(tǒng)仿真技術(shù)在新規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

生產(chǎn)物流是指在生產(chǎn)工藝中的物流活動，即從公司倉庫或公司外部進(jìn)入生產(chǎn)車間的原材料和成品，通過加工流程的每個(gè)階段，最終流程到最終車間的整個(gè)過程。如何縮短生產(chǎn)周期、減少生產(chǎn)物流時(shí)間、節(jié)約勞動力是研究企業(yè)生產(chǎn)物流的主要目的。生產(chǎn)物流在企業(yè)整個(gè)物流中起著基礎(chǔ)性的作用。而機(jī)械制造業(yè)具有原材料品種多、貨源地域分布較廣、生產(chǎn)工藝變化大、生產(chǎn)調(diào)度頻繁、邊角余料回收速度慢、半成品或成品庫存時(shí)間長等特點(diǎn),如果管理不暢的話,就會導(dǎo)致時(shí)間、空間的浪費(fèi),造成物料流動混亂、重復(fù)搬運(yùn)、流動路徑不合理、產(chǎn)品供應(yīng)周期長、廢棄物得不到很好的回收等問題,直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率,阻礙企業(yè)發(fā)展。以轉(zhuǎn)向器廠生產(chǎn)物流系統(tǒng)為研究對象,將工業(yè)工程的方法和技術(shù)引入到生產(chǎn)物流系統(tǒng)的改善中,解決生產(chǎn)物流過程中遇到的瓶頸,提高企業(yè)的生產(chǎn)率以及挖掘企業(yè)的潛力,進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期,均衡各設(shè)備的加工載荷,實(shí)現(xiàn)企業(yè)整體的高效運(yùn)行。1系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)仿真的主要步驟有模型建立、模型試驗(yàn)、結(jié)果分析。仿真系統(tǒng)的建模是以相似理論、控制理論以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論為基礎(chǔ),而實(shí)際系統(tǒng)則是以計(jì)算機(jī)和其他專用物理設(shè)備構(gòu)成的,仿真模型可用于對實(shí)際模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和評價(jià)。系統(tǒng)仿真涉及到建模與仿真方法學(xué)、仿真算法、仿真軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。系統(tǒng)研究分為實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)模型試驗(yàn),系統(tǒng)模型試驗(yàn)又分物理模型與數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)模型再分為解析與系統(tǒng)仿真。仿真模型按不同標(biāo)準(zhǔn)可分為這幾類:靜態(tài)型與動態(tài)型、確定型與隨機(jī)型、連續(xù)型與離散型。轉(zhuǎn)向器廠的生產(chǎn)物流系統(tǒng)則是屬于離散系統(tǒng),其運(yùn)行狀態(tài)會在不同的時(shí)間發(fā)生瞬間變化。生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真主要是通過仿真來了解產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、物料運(yùn)輸以及存儲等在動態(tài)過程中的各種統(tǒng)計(jì)信息,以此來檢測運(yùn)輸設(shè)備分配是否合理,運(yùn)輸路線是順通暢,生產(chǎn)物流周期長短等。物流系統(tǒng)通常是一個(gè)復(fù)雜的離散事件系統(tǒng),因此很多因素都會對系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。生產(chǎn)物流系統(tǒng)中,物料需要排隊(duì)等待、加工處理、物料運(yùn)輸。其中物料運(yùn)輸是生產(chǎn)物流系統(tǒng)中重點(diǎn)要考慮的環(huán)節(jié)。通過降低物流阻塞率提高設(shè)備利用率來減少物料存儲和運(yùn)輸時(shí)間,縮短生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率。2生產(chǎn)物流系統(tǒng)的模擬模型建設(shè)2.1轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)物流概念模型及時(shí)間轉(zhuǎn)向器中有13種自制零件,這些零件需要經(jīng)過原材料庫、鑄造車間、熱處理車間、機(jī)械加工車間、精密車間、半成品庫、組裝車間、性能實(shí)驗(yàn)室、成品庫等九個(gè)車間和部門。為建立轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真建模方便,現(xiàn)假設(shè)13種零件的總數(shù)、批量以及間隔時(shí)間之間的比例分別為600:20:10。每種零部件都要按照工藝順序在每個(gè)不同的車間或部門完成各自的工序,最后加工成產(chǎn)品。轉(zhuǎn)向器廠生產(chǎn)物流概念模型及不同的車間或部門對應(yīng)的序號如圖1所示。轉(zhuǎn)向器采用混合流水線的方式進(jìn)行生產(chǎn),即在同一生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi),將轉(zhuǎn)向器的所有零件按固定的比例和生產(chǎn)順序組成零件組,一個(gè)組接一個(gè)組地在流水線上進(jìn)行生產(chǎn)最終再組裝成成品。為便于仿真,將不需進(jìn)行加工零件的部門直接跳過或設(shè)置加工時(shí)間為零。根據(jù)轉(zhuǎn)向器廠的生產(chǎn)情況的調(diào)查,現(xiàn)設(shè)定各零件在各部門的相對加工時(shí)間如表1所示。當(dāng)一個(gè)零件到達(dá)相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備或部門時(shí),若該生產(chǎn)設(shè)備或部門處于工作狀態(tài),在特定時(shí)間到達(dá)車間時(shí),該零件會在相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備或部門處排入一個(gè)FIFO規(guī)則的隊(duì)列暫存區(qū)。若該生產(chǎn)設(shè)備或部門處于空閑狀態(tài),則直接對該零件進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。若系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)有前面沒有完成的任務(wù),則第二個(gè)時(shí)段繼續(xù)加工。2.2生產(chǎn)物流系統(tǒng)的構(gòu)建2.2.1輔助實(shí)體的設(shè)定按照Flexsim軟件的建模要求,將轉(zhuǎn)向器廠的各個(gè)車間和部門分別用處理器、隊(duì)列、合成器等進(jìn)行建模。生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型實(shí)體與生產(chǎn)部門對應(yīng)關(guān)系如表2。除表1中實(shí)體以外,還需要增加一些輔助實(shí)體,如加工車間和精加工車間前需各建一個(gè)Queue,作為成品緩沖區(qū),分別命名為Queue11、Queue12。在檢測實(shí)驗(yàn)室(Processor8)和半成品庫(Queue6)之間也需建傳送實(shí)體(Conveyor13)來傳送不合格的成品。另外在Queue12和Queue6之間、Queue1和Queue11之間、Processor2和Queue11之間分別建立傳送實(shí)體Conveyor14、Conveyor15和Conveyor16。系統(tǒng)仿真實(shí)體模型如圖2。2.2.2引設(shè)采取有利于制造企業(yè)的多種路徑(1)原材料發(fā)生器(Source0)實(shí)體參數(shù)設(shè)置。在Source0的實(shí)體中,共有14種類型零件或成品循環(huán)流動,滿1000個(gè)時(shí)停止,每20個(gè)為一批,每隔10個(gè)單位時(shí)間生產(chǎn)一批,然后組裝成一個(gè)成品。到達(dá)方式選擇“按時(shí)間表到達(dá)”,到達(dá)次數(shù)為15,同時(shí)將第15次到達(dá)的設(shè)為1,數(shù)量為0,選中重復(fù)時(shí)間列表。(2)緩沖區(qū)(Queue)參數(shù)設(shè)置。原材料庫(Queue1)最大容量設(shè)置為1000,在臨時(shí)流體里面,送往端口選擇“根據(jù)臨時(shí)實(shí)體類型來定義不同情況,將臨時(shí)實(shí)體發(fā)送到相應(yīng)的端口”。將case2、case13發(fā)送到端口1,case7、case9、case10、case11發(fā)送到端口3,case14發(fā)送到端口4,其余發(fā)送到端口2。端口1對應(yīng)鑄造車間(Processor2),端口2對應(yīng)傳送實(shí)體(Conveyor15),端口3對應(yīng)熱處理車間(Processor3),端口4對應(yīng)Queue6。同理設(shè)置其他緩沖區(qū)(Queue)參數(shù)。(3)處理器(Processor)參數(shù)設(shè)置。鑄造車間(Processor2)主要是處理前蓋和閥體,加工時(shí)間分別為4個(gè)時(shí)間單位和12個(gè)時(shí)間單位。設(shè)預(yù)置時(shí)間的均值為一、標(biāo)準(zhǔn)差為0.04的正態(tài)分布,處理時(shí)間選用“根據(jù)實(shí)體型號定義不同情況下的時(shí)間”,case2定義4個(gè)時(shí)間單位,case13定義12個(gè)時(shí)間單位,其余定義0個(gè)時(shí)間單位。同理設(shè)置其他處理器(Processor)參數(shù)。(4)組裝車間(Combiner7)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置成品組裝時(shí)間為5個(gè)時(shí)間單位。3優(yōu)化生產(chǎn)物流系統(tǒng)的員工培訓(xùn),把工件堆積現(xiàn)象放在環(huán)依次編輯、重置、運(yùn)行之后,獲得總運(yùn)行時(shí)間time、工作時(shí)間processing、空閑時(shí)間idle、平均停留時(shí)間stats-staytimeeavg、輸入產(chǎn)品數(shù)stats-input、輸出產(chǎn)品數(shù)stats-output等統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。從仿真系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果可知,在所有加工設(shè)備或部門中,Queue11的等待時(shí)間有230個(gè)時(shí)間單位為最多,出現(xiàn)了嚴(yán)重的工件積壓現(xiàn)象,從而影響了后面的加工設(shè)備或者部門,這也正是該生產(chǎn)物流的主要瓶頸所在。對生產(chǎn)物流系統(tǒng)的優(yōu)化一般是在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整生產(chǎn)、加工流程、產(chǎn)品批量,添加設(shè)備等方法?，F(xiàn)通過對關(guān)鍵設(shè)備和工件加工工序進(jìn)行合理調(diào)整,使生產(chǎn)計(jì)劃和控制能夠順利進(jìn)行。具體優(yōu)化方案如下:(1)擴(kuò)大每批產(chǎn)品開始生產(chǎn)的時(shí)間間隔,將10個(gè)時(shí)間單位增加到30個(gè)單位。(2)為縮短Processor4的等待時(shí)間,增加Conveyor15、Conveyor16的速度到3個(gè)時(shí)間單位。(3)調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)次序,使生產(chǎn)設(shè)備在一個(gè)時(shí)段的產(chǎn)能分配更合理,減少等待、減輕工件積壓。調(diào)整后的秩序如表4。秩序指的是對不同產(chǎn)品的先后加工順序。從優(yōu)化前后相比較可知,優(yōu)化后的系統(tǒng)Queue11的等待時(shí)間約為172個(gè)時(shí)間單位,工件積壓現(xiàn)象有了很大的改善。從優(yōu)化前后兩次的總體仿真運(yùn)行時(shí)間(見表3和表5)可得出該生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的瓶頸Queue11處有了明顯的改善,提高的百分比為:由此可知,轉(zhuǎn)向器廠生產(chǎn)物流系統(tǒng)經(jīng)過仿真優(yōu)化后,在不增加生產(chǎn)成本投入的情況下,生產(chǎn)物流系統(tǒng)系統(tǒng)瓶頸處的阻塞率降低了25.2%。系統(tǒng)優(yōu)化后再次運(yùn)行得到結(jié)果表5。4優(yōu)化系統(tǒng)的瓶頸位置,降低過環(huán)