基于Flexsim的冷柜产线柔性优化

张永辉，王维栋，周元慧，关德同

（山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛266590）

1 背景及现状

1.1 相关背景

随着人们生活水平的提高、食品安全意识的提升，生鲜市场以及新零售的崛起，主要制冷设备市场实现稳定增长[1]。同时冷柜生产制造作为中国传统制造业中的典型，亟需进行生产系统的转型升级[2]。本文以冷柜生产车间为研究对象，针对生产系统中的现存问题，提出产线平衡方案，并进行生产系统柔性优化设计。

1.2 生产现状及问题

某品牌冷柜生产的流程中共有44 道工序，为管理方便，将生产线划分为发泡、总装、检测、包装4 部分。受空间限制，分设于两层楼的生产现场。短期内该产线计划于6.5 d内完成共4 300 件冷柜的生产，员工每天工作8 h。

经过对产线流程的分析，记录现场各工序的耗时并利用Flexsim 仿真软件建立产线模型，输出阻塞率数据并对得到的数据进行分析，发现该生产线存在如下两个问题：①瓶颈工序问题突出。装内胆（24.82 s）、贴条码（24.03 s）、固定脚轮（33.48 s）、固定铰链（24.60 s）和清擦（24.04 s）这5 项工序为该生产线上的瓶颈工序。②工位划分不合理。该产线采用每个工序一个工位的生产方式，生产节拍CT=37 s，生产线平衡率W1=49.89%。该生产线上工位划分方法限制了生产平衡率的提升，生产线柔性较低。

2 瓶颈工序的分析与改善

通过对产线上瓶颈问题的分析，本研究对5 个突出的瓶颈工序运用“5W1H”和“ECRS 四原则”进行分析，找到影响其效率的根源所在，通过改进双手作业方式、改进工器具摆放位置、增加定员、推行5S 现场管理法等针对性地提出改进方案。

经过对瓶颈工序的分析与改善后，通过现场实践获得数据、Flexsim 建立模型仿真运行，利用左右手分析、模特法等科学方法进行计算，得到5 个瓶颈工序的时间及其改进率，如图1 所示。

图1 改善前后时间对比柱状图

3 工位的动态分配方法及程序

3.1 工位的动态分配方法

实际生产过程中，生产订单通常有一定的不确定性。传统生产中心在面对生产订单的波动性作用时，通常保持以固有模式及较高投入进行生产，造成了传统生产中心只能被动地接受生产需求变化，系统应对环境的变化和不确定性的能力较低[3]，即柔性较低。

现为提高生产系统应对客户订单波动性的能力，帮助企业提高生产系统的柔性，建立一种工作地的动态分配方法以实现工位的定制化分配。根据产品的生产目标，考虑产品库存量，利用产品的生产工序进行生产工位的动态分配，以提高生产平衡率。本分配方法对工作地的划分是根据生产订单进行的，即在得到生产订单后，按照不断变化的需求和不确定性环境，根据生产目标计算生产理论节拍，以各工序实际生产时长为基础，根据工作地划分原则分配工作地，对生产作业方式、人员等进行重新分配整合，实现资源动态优化配置，得到适宜生产目标的生产线工位划分结果，来满足终端客户订单的需求。

3.2 工位的动态分配程序

现依据工位的动态分配方法，利用Visual Basic 程序连接ACCESS 数据库，建立系统的产线工位动态分配程序。本程序可实现不同生产计划下生产地的动态分配。其中，工位动态分配程序如图2 所示。

在将产品型号及对应工序录入数据库后，在操作界面选择生产产品后可查看产品的库存及对应生产工序，输入生产周期及目标后，将输出工位的定制化分配结果、员工分配、改善前后生产平衡率数据及工位耗时图等。

图2 工位动态分配程序图

本方法及程序的创新之处在于，工作地的划分随生产订单的变化而变化，即生产线工作地的分配是由该生产周期的订单决定的。充分利用生产节拍，实现按订单调节生产步伐，产线的生产弹性加强，生产能力的柔性加大，避免产线生产过剩造成的生产库存的浪费。

3.3 工作地动态分配应用

现利用提出的生产工作地的动态分配方法及程序，以目标产线数据为基础，建立产线工序数据库，包含生产线上各工序的工作内容、时间等。

以本生产线为例，输入产品周期（6.5 d）及生产目标（4 300台）后，将本产线生产工序内容及改善后的时间导入数据库，本程序计算节拍后依据工作地划分原理进行工作地的划分，输出工作地分配结果。

在瓶颈工序改善完成之后，平衡率W3=68.18%。由于冷柜的生产具有严格的顺序，工位动态分配程序按照生产顺序对可合并的工序进行合并，重新划分工位，将原有的44个工位合并为25 个工位。各工位上的工作时间趋于均衡，得到其平衡率W4=76.65%。

4 Flexsim 模型及效果评估

Flexsim 是一款三维物流仿真分析软件，可应用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化[4]。现以该冷柜生产线为原型建立Flexsim 模型进行仿真，建立的模型中分为一楼及二楼工作区，共设有11 个发生器、17 个暂存区、44 个处理器、8 个合成器及56 名操作人员，发生器用来产生原材料，暂存区用来临时存放排队的加工工件，处理器模拟机床生产[5]。改善后设有9 个发生器、16 个暂存区、22 个处理器、7 个合成器及57 名操作人员。

在理想情况下，即不存在原料短缺和机器故障时，以一天工作8 h，原有的装配工序可生产604 件成品。现根据实际生产安排，对生产线上瓶颈工序进行改善优化后的装配工序进行系统仿真，系统运行8 h 后的得到仿真结果，可以得到：优化后的装配工序生产的冷柜数量为662 件，较未优化时多生产了58 件。优化后的产线产量提高，工作人员的作业效率提升。在产线改善前后的仿真对比中发现，改善前瓶颈工序货物堆积严重，改善后的各工序工作时间趋于均衡，产线平衡率提高，改善前后瓶颈工序堵塞率对比如表1 所示。

表1 瓶颈工序堵塞率对比表（单位：%）

5 结束语

从改进结果中，可以明显看出应用工业工程相关理论对于加工制造工作所带来的巨大变化。相较于追加资本投入、扩大规模等外部方式来提高企业整体效率与收益，遵循工业工程的相关原则，能更经济地提出产线平衡方案解决生产问题。结合VB 及ACCESS 提出的工位的动态分配方法及程序能有效实现生产系统的柔性设计优化，通过对生产资源的重新组合，完成动态变化的生产作业要求，提高生产能力的柔性，实现生产量波动情况下系统的经济平衡运行。不同于传统的刚性生产方案，本研究提出的工作地的动态分配方法及程序，可以有效地提升生产制造企业在应对市场波动的能力，更加快捷、有效地为企业提供多变的市场环境下的生产方案；适用于生产线上生产工序的灵活性较高的生产系统，尤其适用于根据订货而组织生产的制造系统。