趙美云 許和國 瞿 夔

(三峽大學機械與材料學院,湖北宜昌 443002)

目前生產系統(tǒng)的改進和運行管理面臨著許多問題,如系統(tǒng)的復雜性難以評估設計風險、系統(tǒng)運行過程中生產調度困難和系統(tǒng)適應性差等[1].制造系統(tǒng)的改進依賴于系統(tǒng)的合理建模與分析.然而,制造系統(tǒng)一般都屬于復雜的離散事件系統(tǒng),具有動態(tài)性和復雜性等特點.傳統(tǒng)的建模與分析方法大多基于數(shù)學抽象,不能真實地反映實際系統(tǒng)的諸多特性[2],計算機仿真作為一種系統(tǒng)建模和實驗分析方法,能把生產資源、產品工藝數(shù)據(jù)、庫存等信息動態(tài)地結合起來,以系統(tǒng)活動過程的“復現(xiàn)”代替以往數(shù)學單純的抽象描述,表達形式易于理解,能全面反映制造系統(tǒng)動態(tài)活動過程和特征,因此為制造系統(tǒng)的設計和運行管理提供了理想手段[3].

Witness仿真軟件,是一個關于生產、運輸、規(guī)劃等的仿真軟件.先用該軟件建立起一個抽象的模型,然后在計算機上進行生產過程的模擬運行,就可以得到模型的生產產量、生產設備的利用率、物料配送及生產瓶頸問題的報告,仿真得到的數(shù)據(jù)為實際生產線的規(guī)劃、運行提供了量化的依據(jù),可以預先測算出生產線運行中可能發(fā)生的生產調度、生產管理等方面的問題.Witness軟件的特點之一就是可以顯示生產系統(tǒng)仿真的整個過程,讓使用者可以清楚地了解到生產過程中發(fā)生的問題,及時地對模型的參數(shù)(對應的生產參數(shù))進行調整,實現(xiàn)對物流系統(tǒng)的優(yōu)化配置.

本文基于離散事件仿真軟件Witness建立該公司生產系統(tǒng)的仿真模型,找到影響整個系統(tǒng)效率的關鍵環(huán)節(jié),然后再對此環(huán)節(jié)進行仿真,得到影響關鍵環(huán)節(jié)的因素,針對這些因素提出改善方法,從而可以提高整個系統(tǒng)的生產效率,節(jié)約成本.

1 問題描述

某機電有限公司是一家專門從事精密塑膠產品制造的公司,從事精密塑膠模具開發(fā)制造、精密注塑、無塵裝、手機按鍵制作等業(yè)務,是集生產、銷售于一體的股份制有限公司.該公司的生產系統(tǒng)主要分4個車間,分別是注塑車間、涂裝車間、按鍵車間和裝配車間,各車間的供需關系如圖1所示.各車間生產的產品由于工藝不同,一部分用于下一工序,一部分直接出貨.當車間的生產能力不能滿足需求的時候,不得不采用外協(xié)加工的方式滿足需求.如表1所示為2010年各車間1～4月的供需表.

圖1 某企業(yè)各車間供需結構圖

表1 四車間1～4月供需占比表

從表1中的供需占比表上可以看出注塑車間的產能并不能完全滿足涂裝、按鍵、裝配的需求;涂裝車間的產能也不能滿足裝配的需求.1～4月涂裝車間需求缺口是80.65萬件;裝配車間的缺口是76萬件;按鍵車間的缺口是154.32萬件,這些缺口全部靠外協(xié)來補給.外協(xié)的增多直接增加了生產的成本,限制了公司的發(fā)展,直接影響到公司的交貨期,對公司會造成許多負面的作用.

造成這一現(xiàn)象的原因到底是企業(yè)生產設備不足還是其他原因,現(xiàn)在還無法得出結論,所以這里建立生產系統(tǒng)的仿真模型,從中找出問題存在的關鍵原因.

2 仿真模型的建立及分析

2.1 整體生產系統(tǒng)仿真模型的建立和分析

(1)模型的建立

該公司的生產工藝流程是原料由注塑車間成型,然后大約13%的產品直接出貨,21%的產品進入到按鍵車間,22%的產品進入到裝配車間,44%的產品進入到涂裝車間,然后涂裝車間有49%的產品輸入到裝配車間進行加工,51%的產品直接出貨,按鍵車間和裝配車間均全部出貨.注塑車間的加工周期是15min、涂裝車間的加工周期設置180 min、裝配車間的加工周期是200 min、按鍵車間的加工周期是150 min.原材料批量進入規(guī)則為服從均值為50的指數(shù)分布.各個實體元素的顯示特征定義設置如圖2所示.

圖2 某企業(yè)生產系統(tǒng)仿真模型圖

(2)模型運行和數(shù)據(jù)分析

模型仿真鐘的時間單位為min,運行147840 min (60min×22h×28d×4個月)仿真時間,也就是仿真實際生產系統(tǒng)中1～4月的生產時間,得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2.

表2 某企業(yè)生產系統(tǒng)運行狀況統(tǒng)計表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出涂裝車間、裝配車間、按鍵車間的空閑率都達到了60%,而注塑車間的利用率達到100%,處于非常忙碌的狀態(tài),整個生產系統(tǒng)的設備利用率十分不均衡,注塑車間是影響生產率的瓶頸工序.

2.2 瓶頸工序模型的建立及分析

從公司生產系統(tǒng)的仿真,可知注塑車間是整個系統(tǒng)的瓶頸,因此需要建立注塑車間的仿真模型,并對輸出的數(shù)據(jù)進行分析,得出影響注塑車間產能的主要因素,并進行改善.

(1)模型的建立

注塑車間就是將原材料成型,原料由原料倉進入到注塑車間的原料暫放區(qū),進入規(guī)則是每分鐘兩批,每批的批量是20包,原材料進入的最大值是10000,然后通過注塑機注塑成型,輸入到成品暫放區(qū),再用搬運機器將產品搬運到半成品A倉,因為公司生產的產品大多是多品種小批量,每次更換產品型號就需要更換模具,那樣注塑機就要停止工作等待,一般換模時間為240min.由于有些設備比較陳舊,故注塑機會產生一些故障,經數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知,故障發(fā)生間隔時間服從均值為1 800 min的負指數(shù)分布,每次故障平均維修時間為均值240min的負指數(shù)分布.每臺機器生產一個批量的時間為300min,該公司注塑車間共有注塑機34臺,并且全部投入使用.注塑車間各個實體元素的顯示特征定義設置如圖3所示.

圖3 某企業(yè)注塑車間仿真模型圖

(2)模型運行和數(shù)據(jù)分析

模型運行147840min(60min×22h×28d×4個月)仿真時間,也即是仿真實際生產系統(tǒng)中1～4月的生產時間,得到各機器運行狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3.

表3 各個機器的運行狀態(tài)統(tǒng)計表

續(xù)表3 各個機器的運行狀態(tài)統(tǒng)計表

從表3中可以看出注塑車間的設備利用率僅55%左右,而換模時間占有率達到了40%以上,設備故障率也占有一定的比例,嚴重影響了車間的產能,所以注塑車間的設備利用率成了其瓶頸問題,應對注塑車間設備利用率進行改善.

3 結果分析及改進

從企業(yè)總系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)中可以得出注塑車間是整個生產系統(tǒng)的瓶頸工序.但是從注塑車間的仿真模型輸出結果來看,注塑機的利用率僅有55%左右,換模時間和故障率較高,因此不能盲目地通過增加設備的數(shù)量來解決問題,應從提高設備利用率上解決問題.提出改善方案如下:

(1)縮短換模時間.通過新型換模設備的使用可以將換模時間由2009年的平均4h減少到30min.

(2)降低設備的故障率.通過培訓規(guī)范工人的操作,加強對設備及模具的保養(yǎng),使故障發(fā)生的平均間隔時間由1800min增加到2500min.

(3)提高故障的排除效率.對修理工進行強化培訓,將一次故障平均排除時間由240 min減少到120 min.

將這些改善的數(shù)據(jù)替換到注塑車間仿真模型中,進行仿真運行使注塑車間設備使用率平均提高到88%,基本實現(xiàn)了4個車間的供需平衡,減少了外協(xié),其他車間的生產率也有了較大提高,從而帶動整個生產系統(tǒng)的生產率的提高.其他車間也可以采用這種方法進行改進優(yōu)化.

4 結 語

通過生產系統(tǒng)的仿真,可以較容易發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)生產效率的瓶頸環(huán)節(jié),通過對瓶頸車間的仿真分析,找到了生產系統(tǒng)許多不足的方面,例如設備利用率低、內部供需不平衡等,這些因素都直接影響了企業(yè)的生產效率,針對這些不足提出了改善方案,這些方案都能大大地降低生產成本、提高生產效率,為公司以后的發(fā)展奠定了基礎.

[1] 王亞超.生產物流系統(tǒng)建模與仿真——Witness系統(tǒng)與應用[M].北京:高等教育出版社,2005:14-15.

[2] 李永先.物流系統(tǒng)仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學報, 2007(7):1411-1416.

[3] 候 揚,范秀敏,嚴雋琪,等.基于仿真的制造系統(tǒng)對象建模及其應用[J].計算機集成制造系統(tǒng)-CIMS,2001 (S):42-46.