基于Flexsim的混合流水生产线的仿真研究

刘 哲 孙先富

摘要:文章以企业的实际生产线为例,在建立生产流程图的基础上使用Flexsim仿真软件对其生产过程进行仿真研究,发现生产中的瓶颈程序,依此提出优化方案,并验证了优化方案的有效性。

关键词:Flexsim;流水生产线;仿真;最佳生产技术

一、引言

在钢铁生产企业中,企业的核心生产流程主要包括四个工序,即炼钢-精炼-铸造-轧制,这四个生产工序阶段是有层次的、连续的和紧密衔接的关系,如果其中一个生产工序发生中断,将使企业产生损失。因此,如何合理地安排各个工序中生产机械的加工任务,使得各工序的加工任务量大小适中,并且尽量减少在制品积压,这些是钢铁生产企业亟待解决的问题。

生产线仿真作为先进制造技术的重要组成部分,其本质就是以计算机支持的仿真技术为前提,对生产线的各个元素和生产过程进行统一的建模。在虚拟的环境中反映出生产制造全过程,从而更有效地组织生产计划使企业获得更大的利润。本文使用Flexsim软件对某钢厂的一条生产线进行建模和仿真,通过模型的运行找到生产线中的瓶颈工序,并提出优化方案,以提高生产线的生产速率,减少在制品的等待加工时间,以提高生产线的生产效率。

二、最佳生产技术(OPT)

OPT(Optimized Production Technology,最佳生产技术)是以色列物理学家Eli Goldratt博士于20世纪70年代提出的一种改善生产管理的技术,也是一种用于安排企业生产人力和物料调度的计划方法。OPT追求物流过程的均衡,即实现物流的同步化,以求生产周期最短、在制品最少。在生产制造过程中,影响生产进度的是瓶颈环节。所谓“瓶颈”是指生产能力小于或等于生产负荷的资源。瓶颈资源的损失和浪费即是制造系统的损失和浪费,因此,瓶颈资源是制造系统控制的重点,瓶颈资源的能力决定制造系统其他环节的利用率和生产效率,也决定了整个生产的产出量和库存水平。OPT系统将重点放在控制整体产出的瓶颈资源上,优先处理所有瓶颈作业,并以平衡物料流动为原则,使整个系统达到产出最大的目的。因此,生产管理中首先要找出“瓶颈”工序和关键资源,然后对其进行优化。为了使得生产过程流畅,企业应在“瓶颈”工序前建立适当的库存缓冲区,以保证“瓶颈”工序满负荷运行。

三、案例仿真

(一)Flexsim简介

Flexsim是美国Flexsim公司开发的迄今为止世界上第一个在图形环境中集成了C++IDE和编译器的仿真软件。Flexsim应用深层开发对象,这些对象代表着一定的活动和排序过程。要应用模板里的某个对象,只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标、速度、旋转和一个动态行为。对象可以创建和删除,而且可以彼此嵌套移动,它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。Flexsim中的对象很多,像处理器、操作员、运输机、合成器、分解器、叉车、交通控制灯等,几乎囊括了现实中的所有实物对象,并且用户还可以自己创建对象并应用到模型中。同时Flexsim的资料、图像和结果都可以与其他软件公用。

(二)仿真模型建立

某企业进行钢水浇次加工,一个浇次的任务有12炉钢水需要加工,每一个浇次加工又由4道工序来完成,分别为炼钢、精炼、连铸和轧制。其中,炼钢和精炼过程可由3台相同的并行加工设备来完成,连铸和轧制过程可由2台相同的并行加工设备来完成。钢水浇铸加工流程见图1。

本文中工件在各机器上的加工时间的数据如表1所示。

根据钢水浇铸加工流程,可以在Flexsim软件中进行模型的仿真,工件可由Flexsim软件的Source实体产生的临时实体替代,各种加工机械就相当于Flexsim中的Processor实体,暂存区相当于Queue实体,接收区相当于Flexsim软件中的Sink接收器实体。在Flexsim仿真软件中以加工机器为最小单位,着力研究每台加工机器的使用情况以及暂存区的存货情况,据此可以判断加工流程中的瓶颈工序。

根据流程及表1中的数据设置各实体的参数如下:

第一,对于Source实体,Arrival Style下拉菜单选择Arrival Sequence,Number of Arrival改为12并刷新,将每个Arrival的ItemType依次改为1.00-12.00并在Repeat Schedule/Sequence前面打勾。在Flow选项卡中的Send To Port下拉菜单中选择Random Available Port,在SourceTriggers选项卡中的OnExit下拉菜单中选择Set Color By ItemType,点击确定按钮完成Source实体的参数设置。

第二,对于Processor实体,Processor Time下拉菜单中选择By ItemType(indirect)并编写代码,比如在Processor2中编写如下代码:case1:return45;case2:return45;case3:return50;case4:return50;case5:return45;case6:return45;case7:return47;case8:return50;case9:return48;case10:return45;case11:return46;case12:return48;default:return 0;这会使得处理器2按照表1中的时间对到达的临时实体按照其类型进行不同时间的处理。其余处理器实体做同样的设置。

第三,对于Queue实体,其最大容量设为10。因为Queue实体连接的是不同的工序所对应的加工机械,并且各工序中的机械都是功能相同,因此,在Flower选项卡中Send To Portable下拉菜单中选择Random Available Port,即Queue实体在向下游实体发送临时实体时,会检查下游实体是否空闲并向其发送临时实体。

各种参数都设置完毕后对各个实体进行连接。建立好连接后的模型如图2所示。

(三)仿真结果分析及优化

编译模型,重置模型并运行模型。在仿真运行中,可以实时观察模型运行情况。在透视图中可以清晰的看出,在模型开始运行不久,Queue2就开始出现产品积压等待加工现象,但Queue1未出现产品等待加工现象。随着模型运行时间变长,Queue2的积压现象也变的越来越严重,当模型运行到9000s时,由于Queue2得最大容量限制为10,当Queue2容量达到其最大容量时,第2道工序上的产品加工完成后不能送往Queue2,从而使得该工序上已加工完成的产品停滞在本工序加工机器上,并由此而造成了Queue1也出现产品积压现象,如图3所示。

通过对模型的分析可以发现,Queue2出现产品积压主要是由于第3道工序中的加工机械不能及时的处理产品所导致的,这可以从第3道工序加工机械的数据中看出。第3道工序中的两台设备的使用率高达98%,而第2道工序和第4道工序中的设备使用率分别为70%和84%。由此可见,此加工流程的瓶颈工序为第3道工序的连铸机。

企业为了使工件加工流程更加顺畅并减少在制品的积压,可以通过对模型的进一步优化来实现。优化方案可以在第3道工序中增加连铸机数量。首先在模型中增加一台连铸机,新增加的连铸机的处理时间参照第3道工序中第1台连铸机的处理时间,其他实体的参数不变,编译后运行模型。从模型的运行来看,生产加工过程中没有出现在制品的积压,模型运行到10000s时仍然没有出现积压现象,并且第3道程序的连铸机的使用率降低到了67%,其他的设备使用率也都低于85%。可见,优化后的模型加工过程更加顺畅,加工效率也更高。

四、结论

本文以某个企业的实际加工流程为例,对其生产加工流程在Flexsim软件中进行仿真研究,通过模型的运行发现生产加工过程中的瓶颈工序,并提出改进方案,优化加工流程,结果证明了优化方案的有效性。

参考文献:

1、陈超武,董绍华,李苏剑,丁文英.炼钢-铸浇次组合与排序问题的遗传算法求解[J].冶金自动化,2006(6).

2、张卫德,严洪森,徐成.Flexsim的生产线仿真和应用[J].计算机控制,2005(9).

3、李晓雪.基于Flexsim的生产线建模与仿真[J].机械工程师,2007(6).

4、刘文涛,张群.基于OPT的炼钢-连铸生产调度问题研究[J].冶金能源,2004(2).

5、张晓萍,石伟,刘玉坤.物流系统仿真[M].清华大学出版社,2008.

(作者单位:河南工业大学管理学院。其中,刘哲为副教授、博士)