基于Plant Simulation的产品生产线布局仿真研究

张智 李雨繁 徐双霞

摘要：通过分析产品智能化生产线的建设需求，提出了产线仿真分析流程。应用Plant Simulation仿真软件针对不同的生产线布局方案进行了仿真建模，并结合生产线运行的实际随机因素进行了产线仿真实验和评估产线的生产能力，找出了生产瓶颈。对生产线在不同布局下的生产瓶颈进行了研究和优化。结果表明，通过合理调整物料配送策略和返修机制可以极大地提升生产线产能，对智能化生产线布局选型和建设提供了理论依据和科学指导。

关键词：Plant Simulation；生产线；布局；仿真

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）07-68-3

0引言

产品生产过程的一致性显著影响其运行期间的稳定性及可靠性，且以“多品种、小批量”为主要生产特点[1]。近年来，随着我国对生产模式变革研究的逐步深入，智能化生产模式已经得到越来越多企业的青睐。智能化生产线集成了多种智能化设备，对不同型号的产品生产适应能力较好，但造价较为昂贵，可选择的布局规划方案也比较多。因此，有必要在智能化生产线实际建设前利用仿真工具对多种布局方案下的预期产能与瓶颈进行全面评估。

本文应用Plant Simulation仿真软件对双线双环和双线单环2种布局的产能进行了模拟仿真研究，结合线边库物流策略、环线运行逻辑、返修工位设备利用率和人员配置等多个指标对布局进行了仿真分析，找出产线运行过程中影响系统效能的瓶颈部分并加以优化，最终达到提升产能和效率的目标。

1单线生产及仿真分析流程

1.1单线生产流程

单线生产流程以零件从立体库出库作为开始标志。生产线开线时，AGV首先将零件运送至上线工位进行加工，该工位加工任务完成后，悬吊设备将零件吊起，顺序移动至下一工位继续生产，以此类推，在最后一个工位进行成品检测后下线。产品在加工过程中存在一定的返修比例，必须执行返修流程，需要返修排故的产品暂时下线，由吊轨运输至返修工位，返修后的产品须等待吊轨运行至下一个生产周期的对应工位时才可上线继续进行生产。

1.2仿真分析流程

对产品生产线进行仿真分析，拟定流程如图1所示。

①通過对仿真流程进行一系列调试、校正和确认，确保所建立的模型尽可能和现实系统保持一致；

②将生产线加工流程、人员配置数量、物流运转规则、班次日历以及生产订单输入生产线仿真模型，分析并得出年产量、生产周期、人员利用率、AGV利用率以及生产甘特图等数据；

③基于输出图表等信息判断数据是否达到预期要求，若未达到要求可进行瓶颈分析和优化迭代，找出生产线瓶颈，提出符合实际生产情况的优化措施。

2生产线仿真建模

生产线建模前应综合考虑产能、生产线建设及运营成本和厂房空间利用率等指标，并以此作为拟定生产线布局的主要依据。在模型运行过程中，通过观察生产线布局模型在数据输入及仿真机制下的响应情况，研究输出结果与基础数据，对比不同布局方式对产能的影响，分析不同布局方式下瓶颈产生的原因，并结合仿真结果进行多次优化迭代后获取最佳的生产策略与方案[2]。

仿真建模的基础数据主要对象涉及布局逻辑、返修逻辑、物料配送逻辑、人员配置逻辑和排班逻辑等。①布局逻辑：涉及生产区、物流区、工位区、线边库和设备设施布局数据等；②返修逻辑：涉及返修工位数量、返修周期等数据；③物料配送逻辑：涉及AGV运行路径、运行速度和运行频率等数据；④人员配置逻辑：涉及各工位人员配比和动态划分等数据；⑤排班逻辑：涉及各工位节拍、工人休息间隔和工位操作工时等数据。由于各工位都有正常的上下班和休息时段，使用班次日历控件能够自动控制仿真模型按照生产实践进行运作，从而使结果更加符合实际。此外，在整个生产线仿真建模时，还应该考虑到生产线运行过程中的一些随机因素，如人员请假或设备故障等[3]。

2.1返修逻辑建模

在2种布局方案中，经返修的产品直至吊轨运行至下一个生产周期的对应工位时才可再次上线生产。这种情况会导致节拍的损失，从而影响产量。因此需在布局仿真建模中研究寻找配置返修工位效率和人员配置的平衡点，并建立返修逻辑模型[4]。

2.2生产线布局建模

（1）双线双环布局模型

厂房内共设2条生产线，每条线独立成环，双环之间为AGV专用配货轨道，各工位集中在该环靠近AGV轨道的一侧。以其中一条环线为例，生产线开始工作前，各工位均处于等待状态，产品首先被运送至起始工位（1号工位）进行生产作业，经过一系列加工环节后，从检测工位（6号工位）下线，转运至后续生产环节。吊轨在检测工位释放产品后，经由环路重新回到起始工位。

（2）双线单环布局模型

厂房内共设2条生产线，2条生产线通过吊轨首尾相接，形成一条环路。环路外侧为AGV专用配货轨道。双线同时开线，以环线一侧为例，生产线开始工作前，各工序状态为空，产品首先被运送至起始工位（1号工位）进行生产作业，经过一系列加工环节后，从检测工位（6号工位）下线，转运至后续生产环节。吊轨在检测工位释放产品后，经由环路到达另一条生产线的起始工位，进行循环作业。

3仿真结果分析

3.1双线双环方案

生产线基础数据涉及节拍、故障率、排班和人员配置等。其中节拍数据按照固定值设定，设备故障率取均值0.5%，各工位按照每天两班制，全年共250个工作日进行排班。每个工位的生产合格率按照均值95%计算。人员配置方面是1，2，3号工位各配置3人，4，5，6号工位各配置4人。生产线开线时，AGV以立体库为起点，为每个工位的线边库运送物料。具体逻辑是按照工位编号依次运送，各工位每种物料在线边库存放数量为1，AGV在第一班工作时运送第二班所用物料。生产持续一段时间后，后序工位线边库已有物料，AGV不能卸货，只能在后续工位进行等待。同时前序工位缺少线边库物料，也处于等待状态，产品无法流转到后续站位，进而导致停线。这时年产能为预期的92.6%。

3.2双线单环方案

将同样的数据及AGV运输逻辑规则输入双线单环仿真模型。生产持续一段时间后，由于后续工位线边库已有物料，AGV无法卸货，造成前序工位缺少线边库物料，此时产线二的4号工位线边库堵塞，外部附件与3层管路安装工位阻塞较为严重，且双线吊轨共用一条环路，一条线产生阻塞对另一条线的影响较为明显，如图2所示，模型持续运行1年后，统计经过检测工位的成品数量，双线年产能仅为预期的53.3%。

3.3生产线瓶颈

运用Plant Simulation中的瓶颈分析器分析各工位出现阻塞的具体情况。在上述2类模型中，均出现了由于生产线开线时各工位线边库物料分配不合理，导致运行一段时间后堵塞停线的情况。以双线单环为例，结合资源统计图，安装3层管路的4号工位的堵塞率达到70%左右，安装外部附件的堵塞率接近80%，严重影响产线运行。因此需根据各工位生产顺序及AGV物流规则，采取相应措施调整各工位线边库物料配送策略。

4生产线优化

4.1物料配送策略优化

采用在堵塞现象较为严重的工位线边库提前备料的方法对生产线进行优化，缓冲区的容量通过仿真确定。经过多次分析和比较，双线双环和双线单环2种布局的生产线模型产量均有提升。

①双线双环布局：生产线开线前，AGV为1号工位、2号工位和3号工位提前准备线边库物料，备料数量分别为2，2，1。模型持续运行一年后，产能得到了有效改善，经优化后的年产能提升至预期的103.4%。

②双线单环布局：生产线开线前，AGV为1号工位、2号工位、3号工位和4号工位提前准备线边库物料，备料数量分别为4，3，2，1。模型同样运行一年，优化后年产能同为预期的103.4%。与双线双环布局方案年产能相同，满足产能预期要求。

4.2返修工位优化

在仿真研究过程中发现，通过增加操作工人等方式，可以缩短返修工位的修理时间，进而提升产量。经过多次仿真分析比较，得出在返修工位增加2名工人，可以将返修周期缩短75%。在2种布局方案下，仿真模型持续运转1年，产能可以从预期的103.4%提升至105.7%。

在对上述2种布局方案进行仿真建模的基础上，还对吊轨抓手及AGV运行速度对产线影响进行了研究。通过多次仿真模拟发现，在吊轨抓手及AGV运行速度大于0.5 m/s时，二者的运行速度对2种布局模型的产量基本没有影响。

5结束语

本文应用Plant Simulation仿真软件对产品的2种生产线布局方案进行了仿真研究和分析，找出了生产线的运行瓶颈，并提出了优化物流配送策略等方案。仿真模型经过优化后，双环双线、单环双线方案的产能都得到了一定提升，最终产量基本相同。为减少生产线建设成本，节约厂房及人工资源，可优先选择单环双线方案进行规划及建设。上述仿真结果表明了将仿真软件合理应用于生产实践，对全面分析生产线瓶颈及后续建设有显著的指导作用。

参考文献

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