２０１８年第４０卷
第１１期总第２９３期物流工程与管理
ＬＯＧＩＳＴＩＣＳＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ
设备设施
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７４－４９９３.２０１８.１１.０４２
基于Ｗｉｔｎｅｓｓ的生产线建模仿真与优化
(南京理工大学紫金学院机械工程学院ꎬ江苏 南京 ２１００２３)
【摘 要】以油气分离器的生产过程为研究对象ꎬ运用仿真软件Ｗｉｔｎｅｓｓ进行仿真与优化ꎮ对生产现场进行详细调研ꎬ了解产品工艺流程和测量生产数据ꎬ构建了当前生产流程的Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真模型ꎮ根据仿真结果ꎬ结合实际情况ꎬ对工艺流程进行改善ꎬ并通过再次建模验证了方案的有效性ꎮ通过改善ꎬ提高了生产效率ꎬ节约了生产成本ꎮ
【关键词】工艺流程ꎻＷｉｔｎｅｓｓ仿真ꎻ改善
【中图分类号】 ＴＮ８０５ 【文献标识码】 Ａ 【文章编号】 １６７４－４９９３(２０１８)１１－０１２１－０２
□周三玲
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＷｉｔｎｅｓｓ
(ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＺｉＪｉｎＣｏｌｌｅｇｅꎬ
Ｎａｎｊｉｎｇ２１００２３ꎬＣｈｉｎａ)
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＳｔｕｄｙｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｏｉｌａｎｄｇａｓｓｅｐａｒａｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｂｙＷｉｔｎｅｓｓ
□ＺＨＯＵＳａｎ－ｌｉｎｇ
ｓｏｆｔｗａｒｅ.ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗａｎｄｍｅａｓｕｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄａｔａꎬｔｈｅＷｉｔｎｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ.ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｉｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔｉｓｓａｖｅｄ.
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗꎻＷｉｔｎｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ
ｉｍｐｒｏｖｅｄꎬａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｆｕｒｔｈｅｒｍｏｄｅｌｉｎｇ.ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅ
１ 引言
计算机仿真技术已经成为解决生产流程问题的重要工具ꎮ通过运用计算机技术对企业现有的生产系统进行建模仿真分析ꎬ不仅可以测试和校验现行方案的运行绩效ꎬ而且可以提供更好的改进措施ꎬ达到生产效率最大、生产成本最小化的目的[１]ꎮＷｉｔｎｅｓｓ仿真软件是由英国Ｌａｎｎｅｒ公司开发的具有强大功能的计算机仿真软件ꎬ它主要适用于离散时间系统的仿真研究ꎮ现如今Ｗｉｔｎｅｓｓ软件已被广泛用于公司的工厂布局优化和发动机生产线流程优化、生产物流系统的规划等多个领域[２]ꎮ在Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真软件实现系统结构重现的基础上ꎬ对生产系统的整个过程进行仿真ꎬ更加清楚地了解生产过程中存在的问题ꎬ找出流程中的瓶颈工序ꎬ及时地做出相应的调整方案ꎬ２ 油气分离器生产线现状
解决生产线平衡问题ꎬ优化工艺流程及生产系统[３－７]ꎮ
图１ 改进前油气分离器工艺流程
油气分离器车间的工作台上ꎬ包含了焊接机、检测机以及压装机器等加工设备ꎮ车间的生产油气分离器的原材料是部品和蘑菇阀ꎬ经过焊机、检测、压装等９道工序ꎬ最终加工成油气分离器ꎮ该生产车间的产品结构和工艺制造工序简单ꎬ属于典型的大量大批生产运作类型ꎬ目前生产线存在的主要问题如下:
①该生产线现行的制造工序导致中间停滞等待的时间较长ꎮ
本课题的研究对象是某发动机公司的一条加工油气分离器的生产线ꎬ产品主要用于奥迪和大众汽车的发动机ꎮ从零１、焊接工序２、焊接工序３、焊接工序４、检测工序１、检测工序２、压装工序１、压装工序２、打包检查ꎬ除了两道检测工序有３零件ꎬ现行的油气分离器工艺流程如图１所示:
【收稿日期】２０１８－０９－１８
【作者简介】周三玲ꎬ南京理工大学紫金学院机械工程学院ꎮ台机器外ꎬ其余均为１台机器ꎬ且每台机器只能同时加工一种部件组装成油气分离器成品需要九道工序ꎬ分别为:焊接工序
颈现象ꎬ但缺乏针对性的分析和改善ꎬ无法从根本上解决瓶颈现象ꎬ因此无法避免阻塞的发生ꎬ生产效率难以提高ꎬ给生产线的管理带来困难ꎮ
②生产线工艺过程存在明显问题ꎬ生产过程时常发生瓶
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物流工程与管理第４０卷
上述生产线存在的问题ꎬ使得该生产线无法进一步降低成本ꎬ提高效率ꎬ因此ꎬ采用Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真软件对此条生产线进行建模模拟ꎬ通过仿真结果的分析ꎬ对现存的问题运用流程优化进行改善ꎮ
３ 油气分离器生产线仿真模型建立３.１ 仿真模型简化及假设
①生产在线的每个工序的操作都很复杂ꎬ在建模仿真中
运行仿真模型２５２００Ｓꎬ使用Ｗｉｔｎｅｓｓ的统计报表功能得到机器的仿真结果如表２所示ꎮ
表２ 各工序机器加工仿真结果数据统计
各工序焊接机１焊接机２测试机１(１)测试机１(２)测试机１(３)焊接机３压装机１空闲率/％
００.１６３.２６３.１４６３.２３４２.８７８.９８繁忙率/％１００９９.９３６.８３６.８６３６.７７５７.１３９１.０２完成产品件数
１６２６１３６１４５３４５３４５３１３５９１３５８无法全部完整的表现出来ꎬ在模型中将每个工序定义为一个机器组(Ｍａｃｈｉｎｅ)ꎻ各个工序的时间都有延误ꎬ时间参数的设置按照实际的操作时间来设置ꎮ
②③待加工的原材料定义为对于加工开始ꎬ直接视为原材料进入机器组进行加工:Ｐａｒｔꎮ
忽略原材料搬运到机器的过程Ｂｕｆｆｅｒꎬ④对于生产线各工序之ꎮ
ꎬ间都有一个缓冲区ꎬ定义为序与工序之间的传输距离忽略不计仅有一道工序之间是皮带条传输⑤在机器无故障出现及人员无短缺的情况下ꎮ
ꎬ定义为Ｃｏｎｖｅｙｏｒꎬ工都可以立即进入工作状态ꎬ整个生产线运作过程中不会因为ꎬ所有机器缺少原材料而出现停工的现象⑥整条生产线一天的工作时间为ꎮ
晚上５点ꎬ其中中午休息一小时ꎬ计量单位为７小时Ｓꎬꎬ从早上也就是每天生８点到
３.产线的运行时间为２ 仿真模型建立及仿真结果分析６０∗６０∗７＝２５２００Ｓꎮ
根据对生产线现场的观察ꎬ分别定义各个元素名称、类
型、数量ꎬ如表１所示ꎮ
表１ 仿真元素的定义
元素名称元素类型数量元素名称元素类型数量产品部件Ｐａｒｔ１压装机２Ｍａｃｈｉｎｅ８１焊接机１Ｍａｃｈｉｎｅ１１打包检验Ｍａｃｈｉｎｅ９１焊接机２Ｍａｃｈｉｎｅ２１物料架１Ｂｕｆｆｅｒ１１焊接机３Ｍａｃｈｉｎｅ３１物料架２Ｂｕｆｆｅｒ２１焊接机４Ｍａｃｈｉｎｅ４１物料架３Ｂｕｆｆｅｒ３１测试机１Ｍａｃｈｉｎｅ５３物料架４Ｂｕｆｆｅｒ４１测试机２Ｍａｃｈｉｎｅ６３物料架５Ｂｕｆｆｅｒ５１压装机１
Ｍａｃｈｉｎｅ７
１
物料架６
Ｂｕｆｆｅｒ６
１
油气分离器生产线仿真模型如图 对模型中各个元素的输入、输出规则进行详细定义２所示ꎮ
ꎬ建立图２ 油气分离器生产线仿真模型
焊接机４１０.７９８９.２１１３５７压装机２０.４４９９.５６１０１９测试机１(１)６９.１２３０.８８３４０测试机１(２)６９.１３３０.８７３３９测试机１(３)６９.１２３０.８８３３９打包检查
３１.２１
６８.７９
１０１８
设备利用率高达 从表２各设备加工数据可知９９％以上ꎬ而测试机利用率仅为ꎬ焊接机１、焊接机３０％２及压装机左右ꎬ说明各设备之间忙闲不均ꎬ存在较大差距ꎬ影响生产线效率ꎮ４ 改善方案设计
通过对油器分离器生产线的分析ꎬ运用“ＥＣＲＳ”四大原则ꎮ进行如下改善:将焊接的工作在一次性全部完成ꎬ皮带条放置四道焊接工序和第一道测试工序之间ꎬ压装工序全部放置第二道测试工序之前完成ꎬ这样部件就有了足够的冷却时间ꎮ改善后的油气分离器工艺流程如图３所示ꎮ
图３ 改进后油气分离器工艺流程
线仿真模型如图 对原有的生产线工艺流程进行优化４所示ꎮ
ꎬ得到改善后的生产图４ 改进后油气分离器生产线仿真模型
(下转第７６页)
７６
物流工程与管理第４０卷
零售价ｐ(ｐ＝ｐｉ＋Δｐｉ)求导ꎮ
可得最优零售价格ꎮ
利用(１)式的供应链整体利润模型ꎬ把供应链利润函数对
ƏＭ＝(ａ－ｂｐ)＋(－ｂ)(ｐ－ｖｍ－ｖｒ)＝０Əｐ
ａ＋ｂｖｍ＋ｂｖｒ
ｐ∗＝
２ｂ
供应链的特征进行建模描述和求解分析ꎬ证明了供应商及零售商的竞争会使整条供应链的利润减少ꎬ无法达到Ｐａｒｅｔｏ最优ꎮ且当供应链下游具有多个零售商情况下ꎬ零售商之间的竞争情况也将影响到供应链协调和企业间协作ꎮ无论在何种供应链模式下ꎬ合作时的收益都将优于供应商和零售商各自为政的情况ꎮ本文选择的模型是供应商和零售商形成的两层供应链ꎬ拓展到三层或者更多层的情形ꎬ其中的算法无较大差异ꎬ只是计算相对复杂ꎮ双方在合作中如何用契约保证合作的顺畅是下一步研究方向ꎮ
[参考文献]
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Ｃｈａｎｎｅｌｓ
Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｓꎬ２００２ꎬ３４(８):６９１－７００.ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ
ａｎｄ
ｓｕｐｐｌｙｍｕｌｔｉｐｌｅ
ｃｈａｉｎ
ｉｎ
Ｔｗｏ
Ｓｔａｇｅ
Ｓｕｐｐｌｙ
Ｃｈａｉｎ[Ｊ].
ｗｉｔｈ
ＩＩＥ
３.３ 不同情况下的博弈分析
将ｐ∗代入Ｑ∗＝ａ－ｂｐ∗ꎬ求得Ｑ∗ꎬ进而求得Ｍꎮ对上述的结果汇总成表ꎬ如表１所示ꎮ
表１ 不同情况下供应链参与者的收益比较
零售商收益ｍｒ(ｉ)(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)
１６ｂ
２
供应商主导的非合作零售商主导的非合作二者合作
供应商收益Ｍ∗ｍ(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)２(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)２
１６ｂ
８ｂ
∗
(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)２
８ｂ
３(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)２
１６ｂ３(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)２
１６ｂ(ａ－ｂｖｍ－ｂｖｒ)
４ｂ
２
供应链总收益Ｍ
由上表可知ꎬ在农产品供应链中ꎬ当供应商和零售商选择用信息共享、分销渠道共享、风险分担等方式进行合作的时候ꎬ供应链总利润回报要远高于两者进行竞争时的收益ꎬ且本身的利润并没有减少ꎮ在这样的情况下ꎬ供应链的上下游不存在某方主导的局面ꎬ买卖关系也转变为战略合作伙伴关系ꎬ且这样的关系是稳定的ꎮ在这种关系下ꎬ双方才有动力进行供应链的升级ꎬ把提升供应链的整体竞争力作为目标ꎬ有利于节省成本和发展新型生产力ꎮ４ 结论
本文应用了博弈论中的Ｓｔａｃｋｅｌｂｅｒｇ模型ꎬ通过对农产品(上接第１２２页)
[６]ＹｉｎＳꎬＮｉｓｈｉＴꎬＧｒｏｓｓｍａｎｎＩＥ.Ｏｐｔｉｍａｌｑｕａｎｔｉｔｙｄｉｓｃｏｕｎｔ
ｓｕｐｐｌｉｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＪｏｕｒｎａｌ
ｕｎｄｅｒｏｆ
ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ[Ｊ].
ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１５ꎬ７６(６):１１７３－１１８４.
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｄｖａｎｃｅｄ
ｄｅｍａｎｄ
ｏｎｅ
将模型仿真运行后导出仿真统计数据如表３所示ꎮ
表３ 改进后各工序机器加工仿真结果数据统计
各工序焊接机１焊接机２焊接机３焊接机４测试机１压装机１压桩机２测试机２打包检查
空闲率/％４.３３.５１９.７８１９.８１２.８１９.６９４.２７.０４１９.４６
繁忙率/％９５.７９６.５８０.１３８０.１９９７.２８０.３１９５.８９２.８５８０.５４
完成产品件数
１７９８１６３６１５３４１５３４１３２７１３２６１２４５１２４４１２４３
程进行建模仿真ꎬ根据仿真结果ꎬ结合企业实际情况ꎬ提出针对性的优化解决方案ꎬ并进行仿真验证ꎮ通过计算机仿真技术能为企业提供改善方案ꎬ从而提高企业生产效率ꎬ节约生产成本ꎮ
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１０１８件产品ꎬ工艺流程改进后生产１２４３件产品ꎬ提升产量２２５
对比表２、表３数据可以看出ꎬ工艺流程改进前最终生产件ꎬ改进后比改进前产量提高了２２％ꎮ另外ꎬ改进后各工序设备利用率较均衡ꎬ最低８０％左右ꎬ最高９７％ꎬ较改进前有很大改善ꎬ而且可以减少两名操作工人ꎮ
５ 结束语
通过对油气分离器工艺流程进行调研ꎬ观测生产现场相关数据ꎬ运用Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真软件对油气分离器生产线的生产流
