基于Tecnomatix Plant Simulation的自动化生产流水线平衡的探讨

彭程远

摘 要 自动化生产流水线是当今社会各工厂中使用较多的一种生产方式。流水线生产，指的是按照规范化的工艺路径对产品进行加工。在相同的生产速度下使生产线重复运作的生产形式。生产线平衡（Line Balance），是采用负荷分析对生产线整体的负荷能力进行测量，让不同的工序承受不同的负荷，使各工序的生产能力和负荷达到平衡的状态，从而避免工业生产中无必要的消耗，并提升流水线的生产效率。本文旨在探讨自动化生产流水线平衡理论及评价方式，同时以Tecnomatix Plant Simulation为基础进行对流水线平衡的探讨。对于本文用来做例子的Factory51和高速流通金属罐流水线平衡系统进行研究，把知识理论、实体案例和模型相结合，运用工业工程知识，同时分析现有文献，考虑实际流水线情况，进行平衡的探讨。

关键词 流水线平衡 节拍 生产线平衡率

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）11-0017-02

1 绪论

1.1 课题背景

自动化生产流水线，是当今社会各工厂中使用较多的一种生产方式。流水线生产，指的是按照规范化的工艺路径，对产品进行加工。在相同的的生产速度下使生产线重复运作的生产形式。生产线平衡（Line Balance），是采用负荷分析对生产线整体的负荷能力进行测量，让不同的工序承受不同的负荷。使各工序的生产能力和负荷达到平衡的状态，从而避免工业生产中无必要的消耗，并提升流水线的生产效率。

1.2 国内外研究现状

“生产流水线平衡”是指计算所有生产过程的平均值，并调整每个工位的操作负荷，來确保每一个工位所消耗的时间尽可能接近。工艺流水线的目标是通过在控制每个生产环节的效率来进行“单元生产”，使人们更容易理解“小单元生产”以及具体的生产方法，这是所有新理论和方案的基础。

西方工业化经历了近一个世纪的发展，工业化及其扩展领域发生了重大变化。就中国的工业企业而言，由于经历了从计划经济向市场经济的过渡，大多数公司仍然有研发不足、产业基础薄弱、治理水平低的缺陷。并且我国工业生产主要涉及设备和人员密集型产业，所以急需提高整体的技术水平。

1.3 本文要探讨的问题

本文主要通过文献和实例探讨生产线平衡率的理论计算方法;研究不同自动化生产流水线中提高生产效率的方法。同时探讨如何减少各环节时间与人力消耗，降低机械损耗速度，从而减少生产成本，提升生产效率。

2 高速流通金属罐流水线平衡系统的探讨

2.1 生产线平衡所用的方案

ONE-PASS[1]的流通设计采用两条平行于罐流的蓄积输送带：一条在进给侧，另一条在卸货侧;因而，罐进入托盘和离开托盘只需进行一次操作即可完成。

ONE-PASS流水线平衡系统会让卸货积蓄器时刻保持在满载的状态下，有能力立刻对流水线上的变化进行应对，例如罐的使用。同时，在流水线的罐内使用了一个高位传感器，进给蓄积器会通过高位传感器的反应立刻做出应对。通过这个的方法可以减少消耗和避免浪费时间。

2.2 生产线平衡的特点

系统的特点避免了传统的上托盘/卸托盘设备因频繁的方式变换所引起的过多的罐输送问题，在传统方式中，一层罐会被频繁的上托盘和卸托盘。

2.3 生产中减少损耗的方式

ONE-PASS流水线系统中有两条运输线，都是使用一个输送带来完成工作。这项改进使得罐可以在一出操作中完成进入托盘，离开托盘也是同理，由此，大大减少了罐和流水线的器材损耗。在这个自动化生产流水线系统中，两条运输线保持在一个节拍里。[2]生产线节拍：指流水线上连续生产两个相同在制品的间隔时间，它表明流水线生产速度的快慢或生产率的高低，一般生产线的节拍由其中最大工作站时间决定，即瓶颈工作站时间决定。在ONE-PASS流水线系统中，是一种工作站数确定，通过缩短节拍来提供工业流程效率的模型。而节拍的缩短要考虑到设备、场地和人工是否能支持节拍运作，在综合考虑下得出结果，ONE-PASS在节拍这方面有一套完善的策略。

2.4 生产线平衡方面给出的启示

ONE-PASS流水线系统是一套较早的通过考虑工位数与节拍之间的关系做出对应改进的系统。这样一个优秀的系统给了我们很多的启发，例如工位数的成本和生产速率怎样寻找一个平衡值;工位数固定后怎样减少流水线运行时的各方面消耗情况;在工位数固定后，怎样在人力、器械、损耗率等之间找到平衡，使流水线按最合适的节拍去运行。

3 Factory51案例探讨与分析

3.1 Factory51的基本介绍

Tecnomatix Plant Simulation是一款面向对象的集体建模仿真优化软件，它也是西门子PLM的产品之一。[3]生态系统仿真侧重于对生产线、工艺、物流等的仿真，在虚拟环境中对其进行优化。由于产品变得越来越复杂，制作工艺也变得更加繁琐，传统的生产模式已经不能满足很多产品的需求。这就需要对产线进行全面的设计，以避免出现效率及成本的浪费。

Factory51本质上是一个可视化的模型。Factory展示了一条完整的工业生产流水线，从原材料进入流水线，到机械化运送至每个车间，再到每一个工位的加工、运输、储存、装车出厂的一整套自动化流程。在这个自动化生产流水线中，大大减少了人力的需求，自动化程度较高。同时通过对节拍的掌握，每个工位的工作及到下个工位的传输中既减少器械消耗又提高了生产速率。

3.2 生产线平衡中的区域规划

Factory51自动化生产流水线是一个高自动化的生产模型。通过厂房的空间情况，可设置产线布局。产线布局解决了生产加工区、缓存区、物料堆放区等作业单元。解决设备与设备之间的相对位置，通道的横向面积，同时解决物料搬运流程及运输方式。

原材料进入生产线后，机械吊车将材料放入传输带上。自动机械臂会将传输带上的材料按照一定时间间隔放入车间内流水线。这个时间间隔，是使用节拍的有关计算来确定的，时间间隔决定了整个车间的运作速度，影响到后续每个工位的加工。通过人工的一次运输后，生产线进入自动化生产阶段。自动化生产车间内的不同工位有不同的职能，通过数量把控及加工速率把控，使每一項加工消耗的时间达成平衡，同时也减少了器械的使用量和车间器械的占用面积。

3.3 多线程，多工种下平衡的运用

自动化生产流水线平衡有很多不同的注意事项，如上文中提到的产线布局、节拍、工位数、材料损耗等等。企业一般着重在生产节拍和工作站数这两点上进行考虑，既要保证生产高效，不浪费人力物力，也要考虑减少怎样以较小人力和工位去提高效率，减少成本。

在这样的需求下，生产平衡率被提了出来。综上所述，生产线平衡是指当生产节拍不变时，以最少的机械和人力成本完成所有作业要素的方案。生产线平衡率越高，则生产线的效率越高，同样成本下所产生的价值越大。

生产线平衡率=工位消耗时间之和/（瓶颈工序时间×工序数）。由这个公式可以看出：瓶颈工序所耗费的时间越长，生产线平衡率便会越低，也就是生产效率的降低。

4 总结与展望

本文中进行了对高速流通金属罐流水线平衡系统的探讨和对Factory51案例探讨与分析。我们可以看到自动化生产流水线平衡需要考虑到的方方面面，例如生产线节拍、工位数与节拍的联系、产线布局、生产线平衡率等。

想要提升流水线的生产效率，可以从调整各工位作业的作业内容和负荷来下手，每个工作站的工作量和工作时间分配是改善的重点。

工序平均化。工序平均化的目的是减少作业中人和工位的压力，设备的能力上限需要着重关注。不能为了提高效率而超出工位承受能力，否则会出现故障或意外停机，严重影响生产效率，也造成了成本上的损失。

分布合理化，指的是产线布局的合理，产线布局决定了设备位置和不同区域的职能。做好产业布局可以减少机械损耗，降低成本，同时也能提高货物运输的效率与安全性。

当今的自动化生产流水线已经进入人工智能时代。人工智能时代也是人们常说的虚拟制造时代，这一时代从80年代后半期开始。人工智能时代的到来是理解复杂制造系统的必然选择，这个时代产生了这种不同的技术[4]。

文中两个案例展示了技术的革新在生产线中的重要性，体现出想象力和创新能力为人类工业做出的巨大贡献。不断的技术革新与整体创新是工业生产流水线进步的永恒主题。

参考文献：

[1] 佚名.高速流通金属罐流水线平衡系统[J].中国食品工业，1996（04）：57.

[2] 陈震强.汽车总成零件柔性化生产流水线平衡改善[D].上海交通大学，2012.

[3] 付百川，李仰东，武殿梁，程奂翀.面向生产系统规划的数字化工厂仿真应用研究[J].现代涂料与涂装，2012，15（07）： 6-13.

[4] 许明灏.涡轮增压器装配流水线平衡研究[D].上海交通大学，2006.