制麥生產(chǎn)線數(shù)字化布局設(shè)計(jì)與仿真研究

徐江敏，任乃飛

（江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代和設(shè)計(jì)周期日益不斷縮短，生產(chǎn)方式向多品種變批量的客戶化定制方向轉(zhuǎn)變，數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了企業(yè)快速響應(yīng)的能力，生產(chǎn)能力、效率不斷提高[1,2]。生產(chǎn)線設(shè)計(jì)是制造系統(tǒng)實(shí)施的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)存著在以下缺點(diǎn)[3]：設(shè)計(jì)方法復(fù)雜、周期較長，對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)性依賴較強(qiáng)；較難在設(shè)計(jì)初期直觀反映系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀況；基于理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行后的瓶頸工序診斷方法準(zhǔn)確性較差。許多制造企業(yè)引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和企業(yè)資源計(jì)劃等信息系統(tǒng)軟件，但各信息系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，缺乏有效的集成[4,5]。

車間布局是制造企業(yè)快速響應(yīng)市場和產(chǎn)品競爭力的重要影響因素之一，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化的前提。研究表明，物流成本占制造總成本的20%～50%，而合理的布局能夠節(jié)省10%～30%的物流成本[6]。孫威[7]等研究了基于eM-power軟件的數(shù)字化工廠生產(chǎn)線規(guī)劃。本文從車間布局設(shè)計(jì)與及物流仿真優(yōu)化的角度出發(fā)，針對制麥生產(chǎn)線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了制麥生產(chǎn)線的車間布局設(shè)計(jì)及其生產(chǎn)仿真分析。在制造業(yè)數(shù)字化和信息化融合的背景下，本研究符合制麥企業(yè)的實(shí)際需求，對提高制麥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與制造效率具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 車間布局與仿真過程模型

先進(jìn)的制麥生產(chǎn)線必須是一個集成化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)在整個制造過程中被創(chuàng)建、存儲與轉(zhuǎn)換如產(chǎn)品的需求、工藝、設(shè)備等數(shù)據(jù)資源。數(shù)字化制麥生產(chǎn)線車間是建立數(shù)字化企業(yè)的基礎(chǔ)，本文構(gòu)建的數(shù)字化車間布局仿真的框架如圖1所示。根據(jù)制麥生產(chǎn)線的需求建立資源庫，如工藝知識庫、設(shè)備基本信息庫、設(shè)備模型庫、實(shí)例庫等，根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行工藝規(guī)劃與設(shè)備選型。依據(jù)車間實(shí)際情況進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，利用仿真軟件對布局設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行物流仿真。

圖1 車間布局與物流仿真過程模型

在虛擬環(huán)境中進(jìn)行車間布局設(shè)計(jì)，根據(jù)PDM、ERP提供的信息，對制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行動態(tài)仿真過程進(jìn)行分析和評價，對生產(chǎn)布局進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

2 生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源模型

圖2 資源庫的數(shù)據(jù)模型

資源庫的數(shù)據(jù)模型需要多個數(shù)據(jù)信息表，如圖2所示資源庫的數(shù)據(jù)模型。麥芽生產(chǎn)線的分類信息包含生產(chǎn)線類別、生產(chǎn)線類別編碼、生產(chǎn)線類別名稱、大麥類別、產(chǎn)能、車間類型、生產(chǎn)線類別描述等信息。大麥目錄表包含大麥類別、大麥感光指標(biāo)、大麥產(chǎn)地等信息；車間類型表包括車間類型、長、寬、高、車間描述等信息，生產(chǎn)線設(shè)備目錄表包含該種類型生產(chǎn)線的所有設(shè)備，設(shè)備類型表包含設(shè)備基本信息表、布局信息表、物流仿真信息表。

如圖3所示給出的是麥芽生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資源庫數(shù)據(jù)流，該圖反映了在設(shè)計(jì)過程中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化模型庫、布局模型庫、實(shí)例庫之間的數(shù)據(jù)關(guān)系與數(shù)據(jù)流向。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是為工藝規(guī)劃服務(wù)的，它提供大麥的基本信息、工藝流程信息、設(shè)備信息等內(nèi)容，同時也為設(shè)備建模提供設(shè)備的外形尺寸與接口數(shù)據(jù)信息，并且通過設(shè)備建模，為實(shí)例庫提供設(shè)備三維模型。工藝規(guī)劃完成后會將工藝流程與設(shè)備選型信息傳遞給布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)，布局設(shè)計(jì)過程需要布局模型庫提供設(shè)備的布局簡化模型，布局設(shè)計(jì)完成后會將布局設(shè)計(jì)結(jié)果與仿真系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，利用仿真系統(tǒng)對布局設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真，布局設(shè)計(jì)依據(jù)反饋回來的仿真分析建議對布局設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，接著布局設(shè)計(jì)會將設(shè)備的連接與組成提供給總裝設(shè)計(jì)，總裝設(shè)計(jì)完成后，即完成了生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)，最后會將該生產(chǎn)線擴(kuò)充到實(shí)例庫，成為一個新實(shí)例。

2.2 車間三維布局設(shè)計(jì)

車間布局是提升制造企業(yè)快速響應(yīng)市場需求和核心能力的重要影響因素之一，建立高效的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺能夠有效的提升企業(yè)布局規(guī)劃的合理性[8]。基于Solidworks技術(shù)，建立制麥生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備的物理模型、邏輯模型特征的基礎(chǔ)資源庫。根據(jù)車間布局的工藝規(guī)劃以及布局原則，如圖4（圓形薩拉丁布局形式），調(diào)用資源庫中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行三維布局設(shè)計(jì)，構(gòu)建制麥生產(chǎn)線的3D模型，如圖5所示。

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀對制麥生產(chǎn)線進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，完成了麥芽生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)。但對制麥生產(chǎn)線還必需進(jìn)行可行性分析，通過物流仿真技術(shù)對其進(jìn)行模擬生產(chǎn)，根據(jù)模擬仿真結(jié)果來指導(dǎo)麥芽生產(chǎn)線的布局調(diào)整，使得制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)化。

圖3 設(shè)計(jì)資源庫數(shù)據(jù)流

圖4 圓形薩拉丁布局形式

圖5 三維布局效果圖

2.3 車間生產(chǎn)線仿真模型

物流仿真功能是優(yōu)化制麥生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)重要組成部分之一，該功能與設(shè)計(jì)新布局功能模塊之間有大量的數(shù)據(jù)交換。布局仿真功能與物流仿真功能關(guān)系如圖6所示。

圖6 麥芽生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)功能與物流仿真功能的接口

制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)將生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換成制麥生產(chǎn)線仿真所需要的數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)文件中，用于指導(dǎo)制麥生產(chǎn)線仿真模型的建立和仿真參數(shù)的設(shè)置，指導(dǎo)制麥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)與其物流仿真系統(tǒng)的的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)差異表，通過差異表的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員就可以對布局設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，指導(dǎo)布局系統(tǒng)的調(diào)整，得到最優(yōu)的布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

3 實(shí)例運(yùn)行

制麥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的瓶頸的主要是兩方面內(nèi)容：設(shè)備最大加工量，當(dāng)存儲設(shè)備中存在大量滯留的原料時，說明生產(chǎn)線整體的加工能力明顯不足，生產(chǎn)線設(shè)備利用效率。利用仿真軟件Plant Simulation建立麥芽生產(chǎn)線的仿真模型，設(shè)置相關(guān)的仿真參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行仿真，將結(jié)果反饋給布局設(shè)計(jì)，改進(jìn)布局設(shè)計(jì)方案。

3.1 建立生產(chǎn)線仿真模型

參照上節(jié)布局設(shè)計(jì)方案，對各類設(shè)備進(jìn)行布局，采用疊加形式進(jìn)行布局，對生產(chǎn)線進(jìn)行分層布局，達(dá)到仿真與實(shí)際生產(chǎn)車間布局形式的統(tǒng)一性。

麥芽生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程存在著一定的復(fù)雜性，僅使用面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)是不夠的，還需要借助Plant Simulation軟件自帶的Simtalk控制語言[9]處理復(fù)雜的工作，例如生產(chǎn)的批流量、生產(chǎn)方式與調(diào)度策略等，使得模擬更加符合實(shí)際的生產(chǎn)，圖7為根據(jù)布局設(shè)計(jì)而設(shè)置的麥芽生產(chǎn)線仿真模型。

3.2 物流仿真結(jié)果分析

得到仿真數(shù)據(jù)后，必需針對麥芽生產(chǎn)線設(shè)備中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析對麥芽生產(chǎn)線仿真模型的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析[10～12]，當(dāng)整個設(shè)備的瓶頸環(huán)節(jié)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，則說明生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)達(dá)到了生產(chǎn)產(chǎn)能的目標(biāo)，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8是生產(chǎn)線最大制品噸數(shù)表，從表中可以看出設(shè)備M1與M3的設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞狀態(tài)設(shè)備中在制品噸數(shù)也是高居不下設(shè)備，M2、M4的最大在生產(chǎn)能力為150噸左右，其他設(shè)備的在生產(chǎn)能力都在150噸以下。通過以上數(shù)據(jù)分析，該生產(chǎn)線中瓶頸設(shè)備為M1、M3。

圖7 麥芽生產(chǎn)線仿真模型

圖8 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況，提出改進(jìn)方案：1）加大設(shè)備M1、M3的型號來提升設(shè)備的工作能力，或者在原布局方案的基礎(chǔ)上，增加原有設(shè)備數(shù)量；2）增加輸送設(shè)備輸送速度，同時增加貯存設(shè)備的貯存能力，依據(jù)仿真分析的結(jié)果對布局設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。

圖9 優(yōu)化前后設(shè)備在制品噸數(shù)

改進(jìn)前后的仿真數(shù)據(jù)圖9、圖10所示，圖9中Y軸正方向表示最大在制品噸數(shù)降低，Y軸負(fù)方向表示低于優(yōu)化前。圖10中正值表示設(shè)備利用率高于優(yōu)化前，負(fù)值則相反。圖9、圖10表明制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)，依照仿真分析結(jié)果進(jìn)行修改后，各設(shè)備的在制品噸數(shù)有明顯的降低，以及各設(shè)備的利用效率不斷提升，證明了仿真分析對制麥生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)有著明顯的作用。

圖10 優(yōu)化前后設(shè)備利用率對比

4 結(jié)束語

數(shù)字化車間布局設(shè)計(jì)是現(xiàn)實(shí)車間生產(chǎn)在虛擬環(huán)境中的映射，其布局設(shè)計(jì)以及仿真分析師數(shù)字化制造的核心技術(shù)之一。本文針對制麥生產(chǎn)線的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造中存在的問題，提出了基于資源庫模型，研究了制麥生產(chǎn)線的布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、設(shè)備選型等組成的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型，并通過仿真技術(shù)對布局系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真分析，得出了優(yōu)化的制麥生產(chǎn)線布局方案，為企業(yè)的提供了優(yōu)質(zhì)的方案。

[1] Cao F,Lu J,Zhang H. Factory Planning and Digital Factory[A].Proceedings of IEEE International Conference on Audio Language and Image Processing(ICALIP)[C].Washington:2010:499-502.

[2] Tang J,Gao S, Li M.Evaluating Featuring-induced impact on model analysis[J].Mathematical and computer modeling,2012,57(3-4):413-424.

[3] CSER L,CSELENYI J,GEIGER M,et al.Logistics form IMS towards virtual factory[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,103:6-13.

[4] 張浩,樊留群,馬玉敏.數(shù)字化工程技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:193-203.

[5] Hadaya P,Marchilon P. Understanding product lifecycle management and supporting systems[J].Industrial management&Data systems,2012,112(4):559-583.

[6] Gulsun B,Tuzkaya G,Duman C.Faility layout design with genetic algorithms and an application[J].DUMAN dogus university journal,2009,20(10):73-87.

[7] 宋威,張浩,朱志浩,等.數(shù)字化工廠技術(shù)在生產(chǎn)線規(guī)劃中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,14(3):43-46.

[8] 戴大蒙.交互式虛擬環(huán)境下的工廠規(guī)劃與車間布局[J].機(jī)械工程學(xué)報,2011,22(10):1180-1184.

[9] 周金平.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真-Plant Simulation應(yīng)用教程[M].北京:電子出版社,2011.

[10] 韓向東,王瑛.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真建模和仿真:案例研究[J].中國制造業(yè)信息化,2005,34(8):127-130.

[11] 毛健.基于Witness的汽車零部件生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真研究[J].工業(yè)工程,2011,14(3):125-127.

[12] 肖燕,賈秋紅,周康渠.基于Witness的看板生產(chǎn)系統(tǒng)仿真與參數(shù)優(yōu)化研究[J].工業(yè)工程與管理,2012,17(2):39-44.