基于Flexsim的中密度纤维板生产线仿真建模与优化分析

周 沫，吴金卓，王潇雨，和寒肖

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

随着住房建筑业的发展，无论是作为地基板材还是墙体材料，以采伐剩余物、造材剩余物等为主要原料生产的中密度纤维板，不消耗大径级原木，应用范围广泛，市场潜力巨大。对于生产企业来说，在有限的资源配置下，保证产品质量、降低能源消耗的同时，提高生产效率进而增加企业的经济效益，是每个制造企业的理想目标。然而，在复杂的生产系统中，通过人为监测和简单的计算找到适宜的解决方法是很难达到最优化的。因此，计算机仿真技术应运而生，此技术以计算机仿真为基础，对生产制造过程进行仿真建模，能够快速且有效地评价不同的工艺设计方案并优化生产过程，不仅可以带动低成本效应，对计算机仿真技术的使用还可进一步提高生产企业的经济效益，获得更大的利润。

张卫德等对南京某汽车制造厂的一条生产线的建模和仿真过程进行了详细的研究，阐述了其基本流程和关键技术，体现了Flexsim在生产线仿真中的优越性[1]。曹玉华等运用Flexsim仿真软件对浙江某公司炼漂车间生产系统进行仿真分析，发现了现有生产系统中的问题，进而对其进行改造，并对改造前后的生产线进行对比分析，得到生产系统仿真优化后的结果[2]。王晶以汉达精密科技股份有限公司的BSP机种装配线为研究对象，结合企业自身产品的特点，利用Flexsim仿真软件对现有生产线进行改善优化，把系统仿真技术与工业工程平衡理论相结合，解决了生产实际问题，获得了显著的效果，生产效率明显提高[3]。

目前，国内外应用较多的大型仿真软件有AutoMod、Witness、Arena、Flexsim、eM-Plant、SIMAnimation、Show Flow 等专业仿真软件。Flexsim是由美国Flexsim公司开发的，是迄今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。该仿真软件的重要特点是可建立三维立体模型，显示能力强，所包含的实体对象也很完备，与其他仿真软件不同的是“拖拽式”实体对于建模来说方便快捷，可以直接在个人电脑上运行。与现实系统相比，使用Flexsim仿真软件，可以创建真实系统的3D计算机模型，较研究实际系统可以节省更多时间与成本。

本文依托计算机仿真技术，运用Flexsim6.0仿真软件，对黑龙江省某木材厂生产12mm厚度的中密度纤维板产线的实际生产流程进行仿真建模，把成型的生产线实体系统转换成仿真模型，应用实际生产数据进行仿真模拟，通过模型运行后输出的数据报告分析现有生产系统的不足并提出改进方法，为企业进一步提高生产线生产率提供理论支持。

2 黑龙江省某木材厂中密度纤维板生产工艺流程

通过对黑龙江省某木材厂中密度纤维板生产流程的实地考察，了解该木材厂中密度纤维板生产工艺流程，如图1所示。该木材厂采用干法生产中密度纤维板。由于该工艺流程复杂且整个生产线很长，因此，在不影响仿真精度的基础上，可以对该木材厂中密度纤维板生产流程进行相应简化。

图1 某集团MDF生产工艺流程

将该厂中密度纤维板生产流程简化为四部分。由于对原材料加工工艺段进行建模优化没有较大的现实意义，因此在建模时统归为备料阶段，直接连接到模型的第一道工序，也是第一部分—干纤维料仓工序。第二部分是成型（前处理）工序段，包括纤维铺装成型、板坯齐边、板坯横截、板坯装板和板坯热压工序。第三部分为后处理过程，包括毛板的卸板、毛板冷却、毛板纵横锯边、毛板陈放和毛板砂光。最后一部分是成品打包入库过程，包括成品检验、成品打包和成品入库。

3 仿真建模与优化分析

3.1 数据准备

（1）备料工序段。以工作时间280d（一年工作时间）作为一个生产周期，根据木材厂生产计划表中的数据得知所需的原材料计划总数量为108 901.26t。在仿真模型的建立过程中，假设生产原材料是充足的。

（2）成型（前处理）工序段。该工序段包括以下工序：

①纤维铺装成型。纤维铺装成型工序所使用的设备是传送带装置，其实际运行速度为15m/min。

②板坯齐边：该工序加工时间较短，仅为3-5s的时间。

③板坯横截：由于受到传送带实际运行速度的限制，在铺装传送带运行速度为15m/min的情况下，将板坯截成3块双幅板为5m的板坯（横截后为两块同等大小厚度的板坯）。

④板坯装板：是由装板机进行操作，待板坯装板暂存区堆积12块板坯后进行成批热压处理。

⑤板坯热压工序：在此工艺生产中，采用多层间歇式热压机进行实际操作，经过一次热压处理出一车即12张双幅毛板，合计0.875m3，从而才能达到热压机的额定输出。

（3）后处理工序段

①毛板卸板：是继板坯热压工序之后进行的，一般需要10s。

②毛板冷却：采用冷却翻板机设备，一般需要15min，即900s。

③毛板纵横锯边：继冷却工序后进行，在实际生产中由于加工时间短，处于能力过剩的状态，加工时间一般为3-5s左右。

④毛板陈放：在毛板纵横锯边与毛板陈放两个工序添置一个暂存区，需要将毛板陈放48h后，再进行下一道工序。一般在陈放处堆积两天的产量。

⑤毛板砂光：采用砂光机设备，是在毛板陈放48h后进行的最后一道后处理工序。

（4）成品检验，打包入库工序段。一般来说，在设备没有出现大故障的情况下，成板的质量也不可能都是优等板。根据以往的经验数据，大约95%的成板为优等板，大约3%的成板为合格板，其余为等外板。每一部分的成板都需要打包，在实际生产过程中，需要人工进行打包处理。不存在废板回收工序。

3.2 仿真模型的建立

对实际生产模型进行仿真的目的就是对所建立的生产模型仿真结果进行分析并对出现的问题进行优化。所以，要有针对性地建立与生产过程有关的模型，而对于与生产过程无关或对生产过程影响不大的设备或者过程等就可以适当简化，使得所建立的仿真模型确切地反映实际的情况，不必要将所有的细节全部仿真出来。

因此，根据黑龙江省某木材厂中密度纤维板工艺流程，结合生产概念模型，利用Flexsim建立木材厂中密度纤维板生产制造系统的仿真模型，并按照实际生产情况设置各个模块的参数和属性。

通过调查木材厂生产线的实际情况，收集到的数据如下：该木材厂中密度纤维板生产线年产量计划为62 814.75m3，折合约1 722 919张成板。一年工作时间为280天，工人工作班次使用两班制（即一天工作24h），且在生产过程中没有废板回收。

根据各工序的加工时间以及运行速度进行约束，确定工序组合。从实体库中找到所需要的实体类型，在模型中生成所有实体（1个Source，3个Queue，2个Processor，1个Sink等）放在模型视图中，调整适当的位置。修改固定实体的名称，修改名称后的模型如图2所示，即建立的初步仿真模型。

初步模型建立后，根据之前收集的生产数据进行各个模块的参数设置。经重置后将停止时间设置为24 192 000s，即仿真模拟一年280d工作时间的实际生产情况，再点击仿真时间控件“运行（Run）”来运行模型。

图2 初步模型

3.3 仿真结果统计与分析

由于Flexsim是实时的仿真软件，在仿真过程中，可对每一个生产工序如纤维铺装成型、各个暂存区等输出标准报告及状态报告和输出统计饼状图来检测其当前的状态，也可以在仿真结束后输出汇总报告。标准报告的输出变量主要包括当前容量、最小容量、平均容量、输入、输出等变量。状态报告的输出变量主要包括对象的空闲时间（即工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间）、加工时间、阻塞、空载运行时间、装载运行时间、装载时间、卸载时间等变量。

仿真结束时的部分汇总输出结果见表1。此表是仿真模型运行一个周期即280天（24 192 000s）所得出的部分输出结果报告，其统计了各个工序实体的状态数据。

表1 Flexsim部分输出结果报告

模型运行过程中，可以随时统计某一道工序的状态，如空闲状态等。例如，对板坯横截的属性统计分析，可以得到板坯横截的饼状图，如图3所示。从饼状图上能够清楚地看到板坯横截在一定运行时间的各评价指标所占的百分比等仿真结果，如空闲时间占57.3%。

由仿真结束时所得到的输出结果汇总报告可知，仿真模型中成品入库量即Sink接受数量为1 723 001张成板，计划生产表中的生产计划量约为1 722 919张板，相差约0.39%的成品数量，相差不足1%，因此，建立的初步模型在未进行优化前是符合现实生产的，验证了所建立的仿真模型的有效性。

图3 板坯横截统计饼状图

通过仿真报告和统计饼状图可以看出，在板坯热压工序中，虽然多层热压机已达到额定输出，但是其加工时间过长会造成上游工序和下游工序设备较长时间处于闲置状态，这样不仅仅增加了生产成本，而且消耗能源。从统计饼状图的各指标百分比可以看出，此工序可以进行适当的改善优化。因此，热压工序参数的调整即平衡生产工艺是需要优化的关键点，是初步建立的仿真生产模型的不足之处，为进一步优化系统配置提供了重要的依据。

3.4 仿真模型优化分析

对模型进行进一步优化，就需要在保证产品质量的前提下，保证系统的流畅性，利用生产平衡理论，即对生产线上的各工序进行平均化，调整各工序的作业负荷与生产节拍，平衡优化参数，从而进一步提高设备的工作效率，提高产线生产率，优化方案如下：

（1）尽量缩短热压的时间，在毛板冷却工序增加人工冷却方法。

（2）将间歇式多层压机更换为连续式压机。相较于间歇式多层压机来说，连续式压机具有产能高，精度高的优势，并且能够消除在生产线中不和谐的中断，克服了其所存在的压制板材厚度不均匀、原材料消耗高、能耗大的不足。

但由于更换设备需要大量投资，要经过一系列的审批，过程复杂，短时间内得不到优化效果，暂且不论，故第二种优化方法在实际生产过程中是目前较难实现的。因此，采用第一种优化方案改进初步生产模型。通过不断调整系统内各模块参数，平衡生产节拍，得到最优配置参数。

操作方法如下：

①优化板坯热压工序的现有生产节拍—1车24张成板：250s。

②纤维成型工序将传送带速度设置为13m/min。

③在毛板冷却工序处添加人工操作。

运行优化模型并输出仿真后的运行结果，优化后部分输出汇总报告见表2，板坯热压工序的饼状统计如图4所示。

表2 模型优化后部分输出报告

图4 优化前后热压饼状统计图

仿真模型优化前后的输出比较结果见表3。

表3 优化前后模型输出结果比较表

可以看出，在消耗相同能源的情况下，优化模型后成品入库量即生产成板量相比优化前提高21.96%，其中利用率增长幅度较大的是板坯热压工序设备，提高了16.69%，设备处理率提高了12.8%，其他工位设备优化前后变化见表4。

表4 优化前后指标对比

从优化后的模型运行汇总输出报告和以上输出结果比较表中可以得到：（1）经过平衡生产线生产节拍，调整部分工序的工作时间，使得热压工序设备利用率提高，得到了优化。（2）在仿真运行时间为24 192 000s的整个过程中，成品入库量得到了明显的提高。各个工序的生产节拍得到了协调，使得设备的利用率都有所改善，物流更加顺畅。

通过建立计算机仿真模型，将各工序运行实际数据输入仿真模型，多次进行仿真实验并进行比较，调整参数，平衡生产线各工序节拍，可以看到生产线上瓶颈所在并找到解决方案。计算机仿真对于创建那些可能产生瓶颈的复杂系统是必不可少的，通过预先创建系统模型，可以考察各种假设的场景，同时不会产生改变实际系统时所面临的成本和风险。

4 结束语

利用物流仿真软件Flexsim针对12mm厚度的中密度纤维板生产实际运作情况进行仿真模拟。在仿真模型建立前，进行实地考察并收集相关数据，根据黑龙江省某木材厂中密度纤维板实际工艺流程，初步建立生产系统的仿真模型，运行初步建立的模型并进行结果统计、分析，进而找到优化的关键点。改进初始生产模型，通过将优化后模型的运行结果输出报告与优化前进行对比，可以看出在消耗相同能源、同等原材料成本的情况下，通过优化生产模型，可以提高年产量21.96%，优化后设备利用率也都有了相应的提高。同时，减少环境污染达到了仿真优化的目的，为企业进一步提高经济效益、改进中纤维密度板生产线提供了理论支持。

[1]张卫德,严洪森,徐成.基于Flexsim的生产线仿真和应用[J].工业控制计算机,2005,18（9）:50-51.

[2]曹玉华,彭鸿广,马杭育.基于Flexsim仿真技术在生产线上应用研究[J].浙江科技学院学报,2009,21（1）:10-14.

[3]王晶.基于Flexsim的BSP机种装配线平衡研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2010.

[4]潘金行.基于Flexsim的生产系统仿真与优化研究[D].重庆:重庆工商大学,2011.

[5]Kim J,Gershwin S B.Integrated quality and quantity modeling of a production line[J].Operations Research-Spektrum,2005,27（2）:287-314.

[6]李雪红,胡广斌.我国中密度纤维板生产能力区域发展现状[J].中国人造板,2008,（7）:4-5,22.

[7]齐英杰,吴勃生,徐杨.我国中密度纤维板生产能力发展概况[J].林业机械与木工设备,2009,37（8）:4-6.

[8]欧阳琳.中密度纤维板生产工艺学[J].北京木材工业,1994,（1）:4-39.

[9]Yan H S,Xia Q F,Zhu M R.Integrated production planning and scheduling on automobile assembly lines[J].IIE Transactions,2003,35（8）:711-725.