石菁菁 苑 鑫 張 騰

（1.大連理工大學(xué) 大連 116000）（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所 哈爾濱 150078）

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)以功率大、效率高、排放低、燃料多樣及其優(yōu)異性能和巨大的發(fā)展?jié)摿?，在能源、電力、航天、航空、艦船、車輛、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，隨著市場需求的日益增高，發(fā)展先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)及其先進(jìn)技術(shù)將成為新世紀(jì)能源動(dòng)力發(fā)展的主要方向［5］。作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心零部件，火焰筒的產(chǎn)品壽命短，加工技術(shù)難度大，研發(fā)過程復(fù)雜［6～7］，工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此提高火焰筒的生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)加工周期，才能在市場競爭搶占先機(jī)，占領(lǐng)更大的市場份額。目前，大部分火焰筒生產(chǎn)線都是在產(chǎn)線建設(shè)完成投產(chǎn)后，才能準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，驗(yàn)證產(chǎn)線的合理性，非常容易出現(xiàn)規(guī)劃與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)的情況，往往達(dá)不到預(yù)期的效果。如果投產(chǎn)后再做出調(diào)整，會(huì)大大增加企業(yè)的成本與風(fēng)險(xiǎn)。所以迫切需要一種利用數(shù)據(jù)支撐的解決方案，可以在產(chǎn)線規(guī)劃階段就對(duì)建設(shè)方案進(jìn)行合理性評(píng)估，降低產(chǎn)線實(shí)施后的風(fēng)險(xiǎn)，減少實(shí)施后調(diào)整設(shè)備型號(hào)與數(shù)量的次數(shù)，使未來產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)到預(yù)期，提高投入產(chǎn)出比。plant simulation［8～13］是以色列 Tecnomatix開發(fā)的軟件工具，該軟件提供大量物流設(shè)備和生產(chǎn)單位模型庫，能夠全面模擬仿真過程，并通過內(nèi)嵌的編程語言實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制和高度靈活的邏輯，該軟件支持多種形式的接口，可以與其他軟件進(jìn)行良好的通信。plant simulation作為基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)分析方法，可以把生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料、工藝、設(shè)備、庫存、班次、物流等信息動(dòng)態(tài)有機(jī)結(jié)合起來，能夠準(zhǔn)確全面快速的反應(yīng)生產(chǎn)加工過程與結(jié)果，通過對(duì)仿真模型的優(yōu)化［14～16］，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低庫存、降低成本、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目標(biāo)。

2 仿真模型的建立

2.1 仿真計(jì)算原理

使用plant simulation，按照火焰筒產(chǎn)線實(shí)際的生產(chǎn)節(jié)拍，編寫仿真計(jì)算的邏輯：

工藝路線遵循生產(chǎn)工藝要求、設(shè)備各加工單元的加工路線、設(shè)備加工能力和設(shè)備忙閑狀況確定實(shí)際的加工路線；

物流采用AGV小車運(yùn)輸方式，物流調(diào)度策略為被動(dòng)呼叫，由設(shè)備、立庫呼叫物流調(diào)度系統(tǒng)，同時(shí)呼叫時(shí)，遵循優(yōu)先整機(jī)裝配、其次為組件裝配、最后才是零件加工，同等原則下，先呼叫先執(zhí)行，物流路線為無碰撞情況下的最短路線；

原材料采用無限供應(yīng)，可以連續(xù)生產(chǎn)；

兩種仿真模式：計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量和加工固定產(chǎn)量的產(chǎn)品所需要的時(shí)間。

2.2 產(chǎn)線信息統(tǒng)計(jì)

在仿真模型創(chuàng)建之前，需要統(tǒng)計(jì)火焰筒產(chǎn)線的具體情況，主要包括產(chǎn)線布局、工藝信息、物料信息、班次信息、庫存信息、設(shè)備信息、物流信息、產(chǎn)品信息等。

2.3 建立仿真模型

根據(jù)以上參數(shù)，在plant simulation軟件中創(chuàng)建精準(zhǔn)的火焰筒產(chǎn)線布局仿真模型。

圖1 產(chǎn)線布局仿真模型

2.4 開發(fā)仿真計(jì)算邏輯

首先依次檢查是否滿足整機(jī)裝配、部件裝配，然后檢查原材料是否滿足出庫條件，如果滿足出庫則呼叫物流系統(tǒng)運(yùn)輸物料開始加工；當(dāng)設(shè)備加工完成后，檢測AGV小車與物流軌道的占用情況，判斷是否繼續(xù)呼叫物流系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸；同時(shí)檢查目標(biāo)設(shè)備忙閑程度，是否需要運(yùn)往立體倉庫暫存；如此不斷循環(huán)，直至滿足目標(biāo)產(chǎn)能或者目標(biāo)加工時(shí)間時(shí)，仿真程序自動(dòng)停止，得出仿真結(jié)果。

圖2 仿真計(jì)算原理

3 仿真結(jié)果計(jì)算及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)管理器與瓶頸分析器

影響產(chǎn)能的因素非常多，通過實(shí)驗(yàn)管理器與瓶頸分析器進(jìn)行產(chǎn)能瓶頸分析，從而調(diào)整對(duì)應(yīng)的瓶頸因素來提升產(chǎn)能。

首先分析物流因素：使用實(shí)驗(yàn)管理器，將加工時(shí)間設(shè)置為固定值，各個(gè)加工單元的設(shè)備數(shù)量均保持不變，逐漸增加AGV物流小車數(shù)量，來觀察火焰筒產(chǎn)量的變化情況。

圖3 物流瓶頸分析

圖4 物流瓶頸分析

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)保持其他輸入?yún)?shù)不變得情況下，只增加AGV小車數(shù)量，當(dāng)小車數(shù)量為3臺(tái)時(shí)，火焰筒產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到最大，再增加小車數(shù)量產(chǎn)能也沒有明顯的提升，推測產(chǎn)能瓶頸已經(jīng)發(fā)生變化。

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析：使用瓶頸分析器，觀察當(dāng)AGV小車為3時(shí)，電火花打孔設(shè)備的利用率非常高，達(dá)到了88.63%，說明該設(shè)備可能為當(dāng)前的產(chǎn)能瓶頸。

圖5 設(shè)備利用率分析

繼續(xù)使用實(shí)驗(yàn)管理器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將其他輸入?yún)?shù)保持不變，只增加電火花打孔設(shè)備的數(shù)量，來觀察火焰筒產(chǎn)量的變化情況。

圖6 設(shè)備瓶頸分析

圖7 設(shè)備瓶頸分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以觀察到，增加電火花打孔設(shè)備后，產(chǎn)能有了很明顯的提升，當(dāng)電火花打孔設(shè)備增加到6臺(tái)時(shí)，產(chǎn)能為50臺(tái)，再繼續(xù)增加該設(shè)備數(shù)量，產(chǎn)能并沒有明顯的提升，說明影響產(chǎn)能瓶頸的因素已經(jīng)發(fā)生變化。可以繼續(xù)使用以上方法不斷分析瓶頸，反復(fù)調(diào)整瓶頸因素來得到最優(yōu)的產(chǎn)能。

3.2 遺傳算法優(yōu)化排產(chǎn)順序

通過基因遺傳算法，對(duì)于系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。

圖8 基因遺傳算法

將優(yōu)化準(zhǔn)則設(shè)置為物料加工順序與最大產(chǎn)能，最終得到當(dāng)前生產(chǎn)節(jié)拍的最優(yōu)的加工順序，當(dāng)加工順序最優(yōu)時(shí)，產(chǎn)能得到很大的提升。

3.3 庫存增量統(tǒng)計(jì)分析

通過仿真模型計(jì)算得出的庫存增量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以分析出按照當(dāng)前的產(chǎn)線規(guī)模，所需要配備的立體倉庫的容量，以及火焰筒的出庫周期、原材料的補(bǔ)充周期等；還可以計(jì)算出最大庫存量是多少以及完成整機(jī)裝配后，零部件、半成品所剩余的數(shù)量；從而分析工序、設(shè)備、物流相互配備是否合理。

表1 加工順序優(yōu)化

圖9 庫存增量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

通過虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒生產(chǎn)線的優(yōu)化?；趐lant simulation，結(jié)合產(chǎn)線的實(shí)際情況，開發(fā)火焰筒產(chǎn)能仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)管理器、瓶頸分析器，使用遺傳算法，優(yōu)化設(shè)備數(shù)量、AGV小車數(shù)量、物料加工順序、立體倉庫容量，最終實(shí)現(xiàn)火焰筒產(chǎn)線加工30天的產(chǎn)量由11臺(tái)提升至61臺(tái)，達(dá)到了提升產(chǎn)能的目的?？梢园凑找陨戏椒?，不斷地分析工序瓶頸、設(shè)備瓶頸、庫存壓力等數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整輸入條件，調(diào)整設(shè)備、物流、庫存的配比，反復(fù)計(jì)算，得出最優(yōu)的火焰筒產(chǎn)線建設(shè)方案；同時(shí)也可以使用以上方法縮短火焰筒的生產(chǎn)周期，提升火焰筒產(chǎn)量，最終實(shí)現(xiàn)最小的投入、最大的產(chǎn)出。