某阀门车间布局设计及仿真研究
参赛学生:丁周阳、苏能、谢思渺
指导老师:张旭刚、张华
2015年11月15日
摘要:车间布局设计是制造系统规划与设计的主要内容,合理的车间布局设计可以充分发挥生产系统的生产能力,对提高产品的质量、生产设备的利用率、生产柔性、减少物流搬运量、改善作业现场作业环境等都有着重要的意义。本项目针对某阀门车间布局问题,运用系统化布局设计方法,综合分析车间作业单位间物流及非物流关系,得到作业单位综合位置关系,使用面积图解法得到阀门车间平面布局方案。运用模糊综合评价理论对产生的平面布局方案进行评价排序,利用Flexism仿真软件实现对布局方案从平面到三维的仿真,通过仿真运行结果得到最优布局方案。
关键词:车间布局设计系统化布局模糊综合评价Flexsim仿真
1.案例背景
车间布局就是合理确定车间各组成部分及其各种设备、装置的具体位置。所谓合理布置,就是要使设备、人员与物料的移动得到密切有效的配合,既使生产活动能有效地进行,又能节省生产费用,并为职工提供一个安全、舒适、美观的工作坏境。总之,生产车间设备布局的好坏将直接影响到整个生产系统的总体性能,如物流、信息流、生产能力、生产效率、生产成本、生产安全等。
我国制造企业的设备布局应用目前仍停留在传统的工厂布局阶段,即根据工厂建筑设计的状况,进行生产所需设备的布局规划,这种优化设计方法是以建筑物面积、形状、负荷能力等为约束的布局方式,以生产过程中的运行成本最小为优化目标。其设备布局设计的结果往往不能达到最合理的状态,造成了生产成本的增加。同时由于早期粗放式的生产方式影响,布局过程中对环境以及资源等因素考虑较少,造成了生产过程对环境影响过重等问题。由于这些设施布置不合理而导致的物流方面的问题很多,如物流流速慢,停滞长,机构分散且不协调,物耗费用高,浪费、污染严重,有些生产车间比较杂乱,容易发生安全事故。因此在我国实施及推广车间布局技术意义重大。
2. 现状分析
某阀门公司设备先进、实力雄厚的优势,具有先进的检测技术和雄厚的加工制造能力,建立了以设计、工艺、生产、检验、安装、调试、销售、运输、售后服务等完整的生产经营机制和全面质量保证体系。公司瞄准了国际现代管理的先进水平和成功模式,目前正在实施企业信息化和应用“ERP”,引入ERP以提高企业现代化的管理水平。产品设计全部采用CAD计算机辅助设计和CAPP计算机辅助工艺及计算机辅助管理等工作。
该公司阀门生产车间目前的设施布置系统是20世纪50年代由原苏联专家设
计的,并且沿用至今。该公司厂房主要包括室内毛坯库、室外毛坯库以及办公场所和加工车间几大块。目前,车间以外的辅助生产部门如毛坯库和原材料库以及办公室等都靠近车间布置,有利于人员、信息和物料的流通。但是,从总体来看,该布置仍有些凌乱,物流流速慢,停滞长,机构不协调,物耗费用高,设备利用率普遍偏低,浪费严重,有些地方比较杂乱,容易发生安全事故,而且车间噪音,粉尘污染,光辐射比较严重,不利于职工身体健康。阀门生产车间布置简化图,如图1所示。
7
6
6
10
13
打磨间
12
废品
区
4
3
14
8
9
5611
3
2
3
5
门
1
1
5
5
图1 阀门车间现场布局图
1-C620车床 2-C365L 车床 3-C630车床 4-C512车床 5-划线区 6-装配区 7-焊接区 8-铣床 9-磨床 10-临时仓库 11-C68类镗床 12-工具区 13-试压间 14-立钻
3. 阀门车间布局设计优化
针对阀门车间生产现状,收集车间P 、Q 、R 、S 、T 等数据,以系统化布局方法对其车间布局进行优化设计。
3.1 P-Q 分析和工艺分析
P-Q 分析也叫产品-产量分析,各种产品、产品组的合理分解或合并都是由P-Q 分析得来的,尤其是当产品组成分析与工艺路线、辅助服务部门及时间的分析结合在一起时,就能找到并绘出每个作业单位,由此得到有效的布置形式。工艺分析用来详细描述产品在车间各生产单位之间的物流走向,通过对工艺过程的分析可以计算出每个工艺过程的各工序(作业单位)间的物流强度,从而为各作业单位间相关度的确定找到基础数据。
在P-Q 分析过程中,绘制P-Q 曲线,结合该车间生产产品品种数量较多(主要产品包括安全阀、调节阀、闸阀、截止阀、止回阀、排污阀、蝶阀、球阀等十
几种产品)各品种产量也不大的情况,选用工艺式布局进行布局设计。
对该阀门车间工艺分析,采用绘制多产品工艺过程表,由于大多数图号类型相同的零件加工工艺路线基本相同,因此可以取其中各种图号的典型零件作为代表。选取TA055,TB059,TC020等11种典型零件为代表,绘制多产品工艺过程表,如表1所示
表1 多产品工艺过程表
图号 名称 数量 工艺路线 TA055 阀体 1 5→4→7→4→5→11→6 TB059 阀罩 1 6→7→1→5→6→8→6
TC020 阀杆 1 3→8→6→9 TD015 阀瓣 1 1→8→6→9 TE006 阀座 1 1→7→1→5→8→6 TF004 阀盖 1 2→1→8→6 TP010 支座 1 3→5→6 TP011 夹圈 1 5→8→5→8→10→6 TP016 支持套 1 3→9→3→5→6 TP017 导向套 1 3→5→6 TP053
夹板
2
8→5→6→8→6
1-C620车床 2-C365L 车床 3-C630车床 4-C512车床 5-划线区 6-装配区 7-焊接区 8-铣床 9-磨床 10-临时仓库 11-C68类镗床 12-工具区 13-试压间 14-立钻
它可以用来详细描述产品生产过程中各工序之间的关系,也可以描述全厂各部门之间的工艺流程。其重要作用是在分析工艺过程的基础上,通过产品加工、组装、检验等各加工阶段及加工路线的分析,可以计算出每个工艺过程的各工序(作业单位)间的物流强度,从而为作业单位位置的确定找到基础数据。
3.2 物流关系及非物流关系分析
物流分析的基础是工艺线路。物流分析包括确定物料在生产过程中每个必要的工序之间移动的有效顺序及其移动的强度和数量。一定时间周期内的物料移动量称之为物流强度它是反映工序或作业单位之间相互关系密切程度的基本衡量标准。 本项目采用经验估算法:设给定制造系统有n 个作业单位,每两个作业单位i, j 之间的物流量为ij q (月/年当量kg),距离为d ij ,则两个作业单位之间的当量物流量为
ij ij ij d q f 公式(3.1)
令系统的当量流量为F ,则
ij n 1i n
1
j ij
d
q ∑∑===
F
公式(3.2)
对于该阀门车间采用第二种计算方法,根据多工艺过程表(表3.1),收集生产物流数据及设备间距并根据公式(3.1),公式(3.2)计算可得车间当量物流量表,如表2所示。
表2 车间当量物流量表
作业单位对
物流当量 作业单位对
物流当量 1-2 96 1-5 1056 1-7 10752 1-8 936 2-7 2640 3-5 1872 4-5 1584 4-7 4224 5-6 2976 5-8 1872 11-13 2904 5-11 792 6-7 360 6-8 4176 6-9 3840 6-10 2784 6-13 792 9-10 1080 其他
总计(182对)
44736
通过当量物流量表得到物流关系相关图,如图2所示。
1. C620车床
2. 635 车床
3. 630车床
4. 512车床
5. 划线区
6. 钳工区
7. 焊接区
8. 铣床
9. 磨床10. 临时仓库 11. 68类镗床12. 工具区13. 试压间14. 立钻
1
2
3
9
8
7
6543
21
1312
11
10
9
8
7
654
1312
1110
14
o
I
I
A
o
O
E E o
o I E A I E o
o
I
图2 作业单位物流相关图
非物流关系主要考虑:
1)人机交互指设备操作的友好性、方便性等,以及对操作者身心健康的影响;2)信息流程指在不同部门间的信息流动;3)人员流程工作人员从一个地方移动到另一个地方。
通过对该公司管理层和有经验的操作工人的咨询,得到了该车间的非物流相互关系表,统计结果如表3所示。
表3 阀门车间的非物流相互关系表
作业单位(对)非物流关系要求理由
13 边沿布置立体作业、不影响行车行使,原料要求
7 边沿布置(挡板隔开)环境状况、安全因素
12 边沿布置环境状况(内设吸烟处等场所)
6-12 A级密切程度来往信息量大
6-10 E级密切程度来往信息量较大、人员移动大
4-11 I级密切程度阀体(大件)搬运方便
11-14 I级密切程度阀体(大件)搬运方便
14-4 I级密切程度阀体(大件)搬运方便
3.3 阀门车间布局设计
对阀门车间作业单位进行综合关系分析,取物流与非物流相互关系的对比重要性的比值为m:n=1.5:1,对应A、E、I、O、U、X的分值取4、3、2、1、0、-1,经过对物流与非物流相互关系等级分值加权平均得到综合相互关系等级分,得到综合相互关系图,如图3所示。
1. C620车床
2. 635 车床
3. 630车床
4. 512车床
5. 划线区
6. 钳工区
7. 焊接区
8. 铣床
9. 磨床
10. 临时仓库
11. 68类镗床
12. 工具区
13. 试压间
14. 立钻
1
2
3
9
8
7
6
5
4
3
2
1
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
13
12
11
10
14
o
E
I
A
o
I
I
E
o
o
I
E A
E
I
o o
O
图3 阀门车间作业单位综合相互关系图
利用综合相互关系图,绘制作业单位位置相关图,如图4所示。
1
9
8
7
6
4
3
2
11
12
1314
10
5
图4 阀门车间作业单位位置相关图
根据阀门车间作业单位相互关系,采用面积图解法把每个作业单位按形状和比例进行布局设计,结合实际情况产生如下布局方案,如图5所示。
7
614
1013
138
5
12
911
3
1
2
打磨间
废品区
4
门
6
10
1
13
7
411
3
8
25
614
6
9
门
打磨间
废品区
12
方案A
方案B
图5 阀门车间布局方案设计
4.阀门车间布局方案的评价及仿真研究
针对阀门车间属于离散型制造车间,其物流存在非连续性,约束变量具有动态及不确定性的特点,采用模糊综合评价的方法对其布局方案进行评价排序。运用离散事件系统仿真的有效工具Flexsim 仿真软件对阀门车间的两个布局方案进行仿真分析得到最优布局方案。
4.1 阀门车间布局方案的模糊综合评价
4.1.1 阀门车间布局方案评价指标
传统的布局问题以零件在车间总的传输费用评分值最小为优化目标,通常传输费用由传输的时间、距离等来评价,虽然简化了数学模型,但与实际生产中,传输的物料重量越来越不符。随着布局设计的发展,在传统的布局问题优化目标的基础上增添了许多新的目标。针对目前对制造过程节能减排的要求,以离散型制造车间的特点,建立阀门车间布局方案的综合评价指标体系,如图6所示(图中方案C 为原布置方案)。
选择较优布局方案F
经济性f1绿色性f2结构性f3
物料搬运费用重新布局设备搬迁成本车间作业环境车间污染物排放节约能源(水能、电能)布
局的合理性空间利用率布局方案A 布局方案C
布局方案B 目标层
准则层
方案层
f11
f12
f21
f22
f23
f31
f32
图6 阀门车间布局方案的综合评价指标体系
4.1.2 评价指标的权重
运用层次分析法,通过比较阀门车间布局方案影响指标之间重要程度,构建判断矩阵。如表4所示。
表4 阀门车间布局方案的评价指标权重判断矩阵表
F~f F f
1
f2f3 f1 1 1/2 1/3 f2 2 1 1/2 f3 3 2 1
f1~f1j f1f
11
f12 f11 1 1/5 f12 5 1
f2~f2j f2f
21
f22f23 f21 1 1/5 1/4 f22 5 1 1/2 f23 4 2 1
f3~f3j f3f31f32 f31 1 5 f321/5 1
对判断矩阵进行运算得到各评价指标对应权重值,如表5所示。
表5 阀门车间布局方案的评价指标权重表
一级指标权重二级指标权重
经济性(f1)0.1634
物料搬运费用(f11)0.1667重新布局设备搬迁成本(f12)0.8333
绿色性(f2)0.2970
车间作业环境(f21)0.0989车间污染物排放(f22)0.3643节约能源(水能、电能)(f23)0.5368
结构性(f3)0.5396布局的合理性(f31)0.8333空间利用率(f32)0.1667
4.1.3 阀门车间布局方案的模糊综合评价
采取九人专家打分的机制,建立评语集(优,良,中,差)代表向量值。
E=(0.9,0.7,0.5,0.3)
对阀门车间三种布局方案(C方案为原布局方案,如图1所示)进行模糊综合评价,各影响指标对应考虑标准:
1)物流搬运费用,主要考虑布局设计引起的物流的运行效率,以及物流运行路线。
2)重新布局设备搬迁成本,主要考虑新的布局设计需要改变设备位置,搬运设备过程的成本。
3)车间作业环境,主要考虑车间噪声,照明状况以及工人职业健康等因素。其中噪声主要以《GBZ1 工业企业设计卫生标准》为评价基准;照明状况以《GB/T 12454-1990视觉环境评价方法》、《GB/T 13379-1992视觉工效学原则室内工作系统照明》为标准;职业健康采用《GB/T 12330-1990 体力搬运重量限值》、《GB 18209.1-2000 机械安全指示、标志和操作》等为标准进行评价。
4)车间污染物排放,主要考虑空气排放污染及水污染排放,通过空气悬浮颗粒总数(TSP) 按《国家标准GB/T 15432-1995》规定为标准,水污染排放主要考虑切削液毒性,以《化学毒品鉴定技术规范》半数致死剂量LD50为标准。
5)节约能源,主要考虑水能电能的使用量。
6)布局的合理性,主要考虑车间布局的灵活性、可扩展性以及同企业发展相协调。
7)空间利用率,主要考虑车间布局对车间可用面积的利用率。
结合以上述标准,采用九人专家评估的方式构建评价矩阵,如表6所示。
表6 阀门布局方案评价矩阵表
A~f ij优良中差B~f ij优良中差C~f ij优良中差f117 2 0 0 f11 6 1 2 0 f11 2 3 4 0 f120 5 4 0 f12 5 4 0 0 f129 0 0 0 f21 2 5 2 0 f210 4 4 1 f210 2 4 3 f22 1 3 4 1 f220 0 5 4 f220 0 3 6 f23 2 4 3 0 f237 2 0 0 f230 2 7 0 f31 6 3 0 0 f318 1 0 0 f310 3 6 0 f32 5 4 0 0 f32 6 3 0 0 f320 3 6 0
对三种布局方案的评价矩阵进行归一化处理得到隶属度矩阵:
??????????
????
???
??
???=00
444
.0556.000333.0667.00334.0444.0222.0111.0444.0333.0111
.00222.0556.0222.00444.0556.0000222.0778.0A R ???
?
??
?
????
???
????????=00333.0667.000111.0889.000222.0778.0444.0556.000
112.0444.0444.0000444.0556.00222
.0111.0667.0B R ???????
???
???????????
?=0667
.0333.000667.0333.000778.0222.00667.0333.000
334.0444.0222.0000010444.0333.0222.0C R 通过模糊化处理得到各评价方案的综合评定向量:
()012.0168.0395.0425.0=A S
()051
.0079.0192.0678.0=B S ()082.0545.0231.0142.0=C S
计算各候选方案的优先度得到:
()747.03.05.07.09.0012.0168.0395.0425.0=????
?
???????=?=T
A A E S N
同理得:799.0=B N ;587.0=C N 根据上述结果:C A B N N N ??
4.2阀门车间布局方案的Flexsim仿真
4.2.1 阀门车间布局方案仿真
针对阀门车间加工特点,将各加工区域进行简化,主要加工区域为阀体、阀瓣、阀杆及阀座的加工,以及装配检验等五大区域,其他零配件加工穿插其中可以分配到对应加工区域进行加工。结合布局的方案,将各方案加工区域确定,运用Flexsim仿真软件建立A、B、C(原方案)方案各自布局模型,如图7-9所示。
图7 方案A物理平面布局
图8 方案B物理平面布局
图9 方案C物理平面布局
4.2.2 仿真参数设定
对简化的实体等进行参数设定,五个加工单元分别代表阀体、阀瓣、阀杆及阀芯的加工,以及装配检验。其参数设定如下:
(1)代号为Processor1的加工单元代表阀体的加工中心,其位置由布局方案位置确定,设定其长宽高为6×3×3仿真单位,Process Time(加工时间)设定为指数分布。
(2)代号为Processor5的实体代表阀杆加工单元。长宽高为4×3×2仿真单位,Process Time(加工时间)设定为指数分布。
(3)代号为Processor6的实体代表阀瓣加工单元。长宽高3×2×3.5仿真单位,Process Time(加工时间)设定为正态分布。
(4)代号为Processor11的实体代表阀座加工单位。长宽高6×3×4仿真单位,Process Time(加工时间)设定为正态分布。
(5)代号为Processor7的实体代表装配及水压检验等装配检验加工过程。长宽高4×3×2仿真单位,Process Time(加工时间)设定为正态分布。
(6)其他参数设置:包括排队模型Queue10,发生器Source614865两者共同仿真阀门车间毛坯仓库。两叉车Transporter89、Transporter137689仿真阀门车间搬运系统。根据不同情况设置其内部参数。
4.2.3阀门车间布局方案仿真分析
设置各仿真实体、临时实体、事件等参数后,根据布局设计方案及阀门车间加工工艺,确定物流节点及流向。得到A、B、C布局方案最终仿真模型,如图10-11所示。
图10 方案A仿真平面模型
图11 方案A三维仿真模型
选择Processor1、Processor5、Processor6、Processor7、Processor11、Transporter89、Transporter137689几个对象在仿真结束时刻为10000时进行统计,得到统计表,如表7所示。
表7 方案A仿真统计表
idle process
ing
waiting_f
or_transp
orter
travel_
empty
travel_l
oaded
offset_travel
_empty
offset_travel
_loaded
Processor1
1
11.70% 68.80% 19.50% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%
Processor5 15.30
%
67.80% 16.90% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%
Processor1 13.6069.40% 17.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%
%
Processor6 21.70
%
69.80% 8.50% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%
Processor7 21.60
%
66.40% 12.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%
Transporter
137689
8.90% 0.00% 0.00% 30.20% 50.90% 5.60% 4.40%
Transporter
89 20.00
%
0.00% 0.00% 30.80% 41.80% 4.30% 3.10%
对B方案进行仿真运行,仿真模型,如图12-13所示。
图12 方案B仿真平面模型
图13 方案B三维仿真模型