基于flexsim的流水線生產(chǎn)物流仿真優(yōu)化

基于flexsim的流水線生產(chǎn)物流仿真優(yōu)化

1生產(chǎn)線企業(yè)會(huì)出現(xiàn)瓶頸該公司的生產(chǎn)物流優(yōu)化目標(biāo)是提高產(chǎn)量，降低成本，最終實(shí)現(xiàn)最大利潤。根據(jù)“木桶原理”,一條生產(chǎn)線形如木桶盛水,其“盛水量”取決于構(gòu)成該木桶的那塊最短木板的長度。若木桶盡量盛多水,就必須加長那塊最短板。對(duì)于一條生產(chǎn)線而言,整條生產(chǎn)線的產(chǎn)量取決于該生產(chǎn)線中生產(chǎn)總耗時(shí)間最長的那道工序,即瓶頸工序。因此若想提高生產(chǎn)率首先要找到這條生產(chǎn)線的瓶頸工序,對(duì)瓶頸工序進(jìn)行優(yōu)化處理。因此,對(duì)于流水線生產(chǎn)物流優(yōu)化最重要的一個(gè)問題就是找出瓶頸工序,并對(duì)這道工序進(jìn)行改進(jìn)處理。生產(chǎn)流水線為連續(xù)生產(chǎn)線,則為理想狀態(tài),生產(chǎn)線會(huì)趨于平衡。而如果是離散流水線,由于各工序加工時(shí)間的差異,產(chǎn)品加工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)停歇等待現(xiàn)象,生產(chǎn)能力不平衡,因此這類生產(chǎn)線中經(jīng)?？吹接械墓ば蚝苊]有停歇時(shí)間,而有的工序空閑率很高,在生產(chǎn)中的大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài),從而生產(chǎn)設(shè)備和人員的利用率不高,生產(chǎn)能力懸殊,比例失調(diào),整條生產(chǎn)線最終產(chǎn)量不理想。因此,生產(chǎn)能力平衡是流產(chǎn)線生產(chǎn)物流優(yōu)化的另一個(gè)重要問題。2基于flexsim線程的模擬優(yōu)化2.1模型仿真及結(jié)果分析FLEXSIM(flexiblesimulation)是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件?？梢杂脕韺?duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行建模,系統(tǒng)根據(jù)特定事件發(fā)生的結(jié)果在離散時(shí)間點(diǎn)改變狀態(tài)。在FLEXSIM軟件中可以建立一個(gè)抽象的模型,進(jìn)行仿真,并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析。它的特點(diǎn)是,在仿真過程中可以看到生產(chǎn)加工整個(gè)過程,如暫存區(qū)的貨物堆積情況、操作員的忙閑和各實(shí)體間的相互聯(lián)系等,而且能夠輸出完整的運(yùn)作績效報(bào)告。在FLEXSIM的逼真圖形動(dòng)畫顯示和廣泛的運(yùn)作績效報(bào)告支持下,可以在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別問題并對(duì)可選方案做出評(píng)估。在系統(tǒng)建立之前,使用FLEXSIM來建立系統(tǒng)的模型,或在系統(tǒng)真正實(shí)施前試驗(yàn)其運(yùn)作策略,可以使決策者在更短的時(shí)間內(nèi),以更低的成本,更高的效率對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。以前需要花費(fèi)幾個(gè)月甚至幾年時(shí)間來進(jìn)行查錯(cuò)試驗(yàn)以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),使用FLEXSIM可以在幾天甚至幾小時(shí)內(nèi)取得效果。2.2系統(tǒng)布局和仿真基于FLEXSIM對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化的一般步驟如圖1所示。(1)描述問題,確定仿真目標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)基本資料和對(duì)系統(tǒng)的了解情況對(duì)問題進(jìn)行描述,提出模糊或不確定的問題,明確仿真目標(biāo)的過程。(2)收集資料,建立流水線生產(chǎn)物理模型。收集生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作流程信息,確定系統(tǒng)布局圖表。即描述對(duì)系統(tǒng)仿真目的有意義的實(shí)體及相互關(guān)系等。(3)建立仿真模型。根據(jù)收集到的資料,確定系統(tǒng)物理模型中每個(gè)實(shí)體的參數(shù)以及相互間的關(guān)系,并把相關(guān)參數(shù)輸入到所建好的模型中,實(shí)現(xiàn)概念模型向計(jì)算機(jī)模型的轉(zhuǎn)化。(4)運(yùn)行仿真模型,分析輸出結(jié)果。由于一般仿真過程隨機(jī)性比較強(qiáng),通過多次仿真運(yùn)行,分析輸出結(jié)果,找出生產(chǎn)線瓶頸問題,并對(duì)生產(chǎn)線平衡狀況進(jìn)行分析研究。(5)模型優(yōu)化處理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的首先對(duì)每條生產(chǎn)線提出優(yōu)化方案,運(yùn)行優(yōu)化模型,分析結(jié)果。再對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化處理,最終確定最有效的優(yōu)化方案。(6)總結(jié)仿真結(jié)果。對(duì)模型仿真進(jìn)行總結(jié)說明?，F(xiàn)以實(shí)際應(yīng)用實(shí)例來說明基于FLEXSIM的生產(chǎn)物流優(yōu)化過程。3機(jī)加企業(yè)的生產(chǎn)模式某機(jī)械廠是我國生產(chǎn)某重要軍工產(chǎn)品的定點(diǎn)軍工企業(yè),具有三十多年的發(fā)展歷史,是國家重點(diǎn)扶持的科工集團(tuán)所屬機(jī)加企業(yè)。由于原有生產(chǎn)模式偏重于為科研開發(fā)新產(chǎn)品而服務(wù),所以,原有產(chǎn)品生產(chǎn)大多屬于多品種小批量生產(chǎn)類型。近年來,隨著市場需求增加,企業(yè)調(diào)整了其產(chǎn)品的生產(chǎn)方式,由多品種小批量改為多品種大批量生產(chǎn)。現(xiàn)需要對(duì)企業(yè)生產(chǎn)四種產(chǎn)品的四條生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。3.1生產(chǎn)線加工時(shí)間(1)根據(jù)市場需求,企業(yè)要把原來的多品種小批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)換為多品種大批量生產(chǎn)方式,因此本次仿真的首要目標(biāo)為提高企業(yè)生產(chǎn)效率,增加產(chǎn)量。(2)本企業(yè)四條生產(chǎn)線的各道工序間生產(chǎn)加工時(shí)間差異很大,很明顯,是離散型生產(chǎn)流水線。因此,本次研究的次要目標(biāo)為生產(chǎn)流水線工序能力平衡(根據(jù)實(shí)際情況,確定工序生產(chǎn)能力標(biāo)準(zhǔn)差小于等于480s時(shí)生產(chǎn)線達(dá)到平衡)。3.2生產(chǎn)線仿真模型的建立目前企業(yè)四條生產(chǎn)線都以“一個(gè)流”的原則進(jìn)行布置。其中第一條生產(chǎn)線有18道工序(GX101~GX118),第二條生產(chǎn)線有9道工序(GX201~GX209),第三條生產(chǎn)線有20道工序(GX301~GX320),第四條生產(chǎn)線有14道工序(GX401~GX414),每道工序只有一臺(tái)設(shè)備和一名操作員進(jìn)行加工和裝夾。因此,整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)有61臺(tái)加工設(shè)備和61位操作員參加生產(chǎn)。根據(jù)仿真模型的建立和仿真目標(biāo),已測出四條生產(chǎn)線每道工序的生產(chǎn)加工類型、加工時(shí)間、裝夾時(shí)間以及各臺(tái)設(shè)備故障次數(shù)和故障時(shí)間。其中部分資料和計(jì)算結(jié)果如表1所示。3.3實(shí)驗(yàn)過程的仿真根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況和收集到的資料,建立生產(chǎn)系統(tǒng)的物理模型,并對(duì)模型中的各實(shí)體建立關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。由企業(yè)性質(zhì)決定,原材料的購進(jìn)主要由最低庫存量決定,受市場需求的影響比較小。于是,假設(shè)原材料是以固定時(shí)間間隔購進(jìn)的。而通過故障次數(shù)最多的工序GX310進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析后,可知此設(shè)備故障時(shí)間近似服從正態(tài)分布,其均值μ=39.6(min),。根據(jù)實(shí)際情況,為了簡化建模過程,其它設(shè)備的故障時(shí)間也近似假設(shè)服從偏差為3/8均值的正態(tài)分布。本論文仿真研究企業(yè)15天(一班制)的生產(chǎn)加工過程,其中假設(shè)預(yù)熱時(shí)間為10000s,因此在實(shí)驗(yàn)控制器中設(shè)定仿真時(shí)間為10000+432000(15×8×3600=432000s)=442000s。把各參數(shù)輸入到仿真模型的裝夾時(shí)間、加工時(shí)間、MTTR和MTBF和Experimener相關(guān)位置中?！熬幾g”和修改模型以保證仿真的正常運(yùn)行建立的仿真模型如圖2所示。3.4生產(chǎn)線輸出量、生產(chǎn)率和產(chǎn)出量的量測由于生產(chǎn)系統(tǒng)受到很多不確定因素的影響,在其仿真運(yùn)行過程中用到隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生,當(dāng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)變量驅(qū)動(dòng)仿真模型時(shí),輸出結(jié)果呈現(xiàn)出隨機(jī)特性。因此,不能把單次仿真獲得的系統(tǒng)參數(shù)值視為“真值”,而是應(yīng)該用若干次重復(fù)運(yùn)行的仿真結(jié)果來估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的真值。通過計(jì)算可得最佳仿真次數(shù)n=10,其仿真結(jié)果如表2所示。求出每條生產(chǎn)線產(chǎn)出量的樣本均值為于是,可以計(jì)算出每條生產(chǎn)線的生產(chǎn)率為從計(jì)算結(jié)果可知,四條生產(chǎn)線生產(chǎn)率都很低。分析原因發(fā)現(xiàn),流產(chǎn)線中每道工序的加工時(shí)間不均衡,很多半成品堆積到加工時(shí)間長的那幾道工序,從而影響了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)率。因此,確定每條生產(chǎn)線中總耗時(shí)間最長的工序?yàn)槠款i工序。如GX110,GX304,GX310,GX311,GX408,GX409,GX411等,這些工序的加工時(shí)間都很長(50min左右),接近其他工序的兩倍,因此通過在這些工序上增加一臺(tái)設(shè)備和一位操作員(總共68臺(tái)設(shè)備,68位操作員)來提高產(chǎn)量。優(yōu)化后的仿真模型如圖3所示。統(tǒng)計(jì)各條生產(chǎn)線的產(chǎn)量。結(jié)果如下表3所示:根據(jù)表中數(shù)據(jù)算出,每條生產(chǎn)線輸出量為:θ′1=189.1,θ′2=204,θ′3=215.7,θ′4=220.5。生產(chǎn)率為η′1=35.01%,η′2=37.77%,η′3=39.94%,η′4=40.83%。各生產(chǎn)線的產(chǎn)量增幅分別為,,,。此次優(yōu)化后,雖然各生產(chǎn)線產(chǎn)量提高了很多,但是流水線中各道工序間負(fù)荷率不均衡,很多加工設(shè)備與操作人員的空閑率比較高,而且最終裝配到一起的四條生產(chǎn)線的產(chǎn)出量不均衡。為了提高加工設(shè)備的利用率,使各工序間的負(fù)荷率達(dá)到均衡。在上次優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對(duì)四條生產(chǎn)線整體進(jìn)行優(yōu)化。主要采取空閑率高的不同生產(chǎn)線的相同工序進(jìn)行合并的方法。首先根據(jù)四條生產(chǎn)線加工內(nèi)容,把原來的第二條生產(chǎn)線布置到第四條生產(chǎn)線后面,第三和第四條生產(chǎn)線往前移,既優(yōu)化后四條生產(chǎn)線的布局排序?yàn)?,3,4,1。再根據(jù)每道工序的加工內(nèi)容、加工時(shí)間和負(fù)荷率,把四條生產(chǎn)線的各工序進(jìn)行合并。如四條生產(chǎn)線的第一道工序合并為一道工序由一臺(tái)設(shè)備和一位操作員完成,即可以表示為GX101+GX201+GX301+GX401(1),其它合并工序?yàn)镚X203+GX403(1),GX103+GX303(1),GX109+GX309+GX111(1),GX112+GX315(1),GX116+GX317(1),GX207+GX410(1),GX413+GX319(1),GX118+GX209+GX320+GX414(1),優(yōu)化后的仿真模型如圖4所示(為了看圖清楚,把物料的流動(dòng)過程用傳送帶表示)。計(jì)算每條生產(chǎn)線輸出量為:θ1″=183,θ2″=200,θ3″=221,θ4″=229。生產(chǎn)率為η1″=33.88%,η2″=37.04%,η3″=40.92%,η4″=42.41%。通過此次優(yōu)化后,在一些工序上兩條生產(chǎn)線或四條生產(chǎn)線共用一臺(tái)設(shè)備來加工產(chǎn)品。因此在上次優(yōu)化后的產(chǎn)量沒有多大變化的情況下,提高了生產(chǎn)線平衡率,減少了加工設(shè)備與操作人員的數(shù)量(原四條生產(chǎn)線共需61臺(tái)設(shè)備,第一次優(yōu)化后68臺(tái)設(shè)備,現(xiàn)第二次優(yōu)化后變?yōu)?5臺(tái)設(shè)備及55位操作員),降低了成本,創(chuàng)造了利潤。本次優(yōu)化前后各道工序空閑率排序后畫出直方圖進(jìn)行比較,如下圖5所示。從圖5中可以知道,優(yōu)化后除了個(gè)別工序以外大部分工序的空閑率都小于40%,生產(chǎn)線各工序生產(chǎn)能力基本達(dá)到了平衡?？紤]到一些工序工作性質(zhì)的不同和操作員的技術(shù)水平,為了避免操作員在不同機(jī)床上工作而容易出錯(cuò),雖然幾道工序的空閑率在80%左右,但沒有進(jìn)行合并。如果操作員水平比較高,機(jī)床的柔性比較好,也可以對(duì)這幾道工序進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化處理。經(jīng)過計(jì)算后,原各條生產(chǎn)線的工序能力方差分別為885153.6,1035342,814724.4,992389.9,標(biāo)準(zhǔn)差為940.83,1017.52,902.62,996.19,滿足不了生產(chǎn)線平衡要求。而第二次優(yōu)化后,各條生產(chǎn)線的工序能力方差為60563.99,172707.4,66126.5,15204.4,標(biāo)準(zhǔn)差為246.10,415.58,257.15,387.56,都小于要求的標(biāo)準(zhǔn)差值480,因此生產(chǎn)線達(dá)到了平衡。經(jīng)過兩次優(yōu)化處理后,企業(yè)流水線的生產(chǎn)物流系統(tǒng)不但節(jié)