第12章

設(shè)施規(guī)劃與物流分析的計(jì)算機(jī)仿真212.1工廠物流設(shè)施規(guī)劃及仿真VisFactoryCAD12.1.1工廠物流設(shè)施智能建模軟件FactoryCADFactoryCAD用于高效建立智能2D&3D工廠模型。使用它可以根據(jù)設(shè)計(jì)者意圖,通過(guò)拖放、連接等方式方便地建立模型,建立后模型的尺寸是非面向?qū)ο蟮膸缀文Ｐ偷?/10。FactoryCAD的作用FactoryCAD是一種面向工業(yè)工程,規(guī)劃工廠的建模軟件。FactoryCAD使用戶把時(shí)間用在設(shè)計(jì)工廠上而不是去制圖。通過(guò)提供真實(shí)的場(chǎng)景演示(包括生產(chǎn)設(shè)備、零部件和設(shè)備操作員等),3D工廠模型能減少設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中問(wèn)題的出現(xiàn)。

利用程序FactoryCAD,能夠籌劃設(shè)施草圖,顯示已有的或計(jì)劃中的各不同部門的定位。通過(guò)集成了布局信息的貨運(yùn)數(shù)據(jù)和使用物料流動(dòng)作為設(shè)計(jì)產(chǎn)量效率的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),該軟件使設(shè)施設(shè)計(jì)者能夠比較、估計(jì)和分析可互相替換的設(shè)計(jì)。FactoryCAD允許使用者把從產(chǎn)量、部件運(yùn)輸、固定和可變的物料處理成本等大量數(shù)據(jù)合并起來(lái)。分析的結(jié)果能輸出到空間媒介上,使設(shè)計(jì)者能實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)并研究和比較各種不同的畫(huà)面。系統(tǒng)允許使用者研究不同的畫(huà)面,很容易改變布局、貨運(yùn)、產(chǎn)量、物料處理系統(tǒng)或其他變量。2.模型庫(kù)FactoryCAD有建立虛擬工廠所需的模型庫(kù)。模型庫(kù)中包含各種類型的設(shè)備模型:有大量的機(jī)器設(shè)備/家具的符號(hào),例如車床、磨床、壓力機(jī)和辦公家具;有許多工業(yè)用的工具,如鏟車、推車、手推車和升降機(jī);還有人體和操作者符號(hào),如圖12-1所示。圖12-1

FactoryCAD的設(shè)備模型3.FactotyCAD的分析功能(1)零件架和地面工具包。①零件架上的零件隨物流的移動(dòng)能被自動(dòng)裝配。②通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)或電子表格輸入周轉(zhuǎn)箱的特征。③零件架/周轉(zhuǎn)箱匯總表。(2)地面使用率報(bào)告。①自動(dòng)生成空間使用情況報(bào)告。②自動(dòng)生成陰影和貼上標(biāo)簽。③走廊和設(shè)備/工具占用空間報(bào)告。④共用設(shè)備使用報(bào)告和工具使用頻度報(bào)告。(3)設(shè)備投資評(píng)估。(4)仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。①能生成ASCII形式的文件來(lái)描述制造信息和位置信息。②能在工廠模型中插入相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)和其他的3D視圖。12.1.2生產(chǎn)物流路徑分析軟件FactoryFLOW1.FactoryFLOW的作用FactoryFLOW是在物流方面分析、比較、改進(jìn)布置方案的模塊。它將設(shè)備圖、生產(chǎn)物流路徑及物質(zhì)管理數(shù)據(jù)集成,從而生成有關(guān)流程、物流擁塞的圖表。

產(chǎn)品制造工程師用它評(píng)估、比較各種設(shè)計(jì)中速度和可靠性的關(guān)系,從而減少零件移動(dòng)距離和存貨清單的級(jí)數(shù),進(jìn)而降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)率。它的可視化輸出使非技術(shù)人員都可以了解到方案具有的優(yōu)勢(shì)。FactoryFLOW生成的物流路線(見(jiàn)圖12-2),說(shuō)明了全部移動(dòng)距離、移動(dòng)強(qiáng)度和成本。

該軟件生成真實(shí)的路徑圖,能顯示出物料如何在不同的活動(dòng)中心之間流動(dòng)。

另外,通過(guò)在線可視輔助,該軟件能生成形式多樣的報(bào)告,可以細(xì)致地分析單獨(dú)的和組合的流動(dòng)所花費(fèi)的成本。圖12-2

FactoryFLOW生成物流路線2.FactoryFLOW的功能(1)從裝配樹(shù)中能訪問(wèn)物體取放設(shè)備信息。(2)在工廠模型中直接自動(dòng)地生成物流圖表。圖12-3中的菜單用以引導(dǎo)用戶正確地輸入信息。圖12-3

FactoryFLOW中輸入物料搬運(yùn)信息的菜單

一旦用戶定義了物料搬運(yùn)的類型,參數(shù)就被確定。上述信息輸入后,下一步根據(jù)零件工藝路線信息,就可決定物流路徑和定義工作地中心點(diǎn)。物流路徑可被定義為實(shí)際的、矩形或點(diǎn)到點(diǎn)的。FactoryFLOW基本上能同時(shí)分析數(shù)以萬(wàn)計(jì)條物流,但在費(fèi)用估算方面是令人煩惱的?，F(xiàn)有物流線有粗細(xì)和顏色兩個(gè)參數(shù)可加區(qū)別。

物流路徑用不同的顏色標(biāo)記。物流路徑的顏色深度代表路徑的數(shù)量或取放物體的成本。通過(guò)計(jì)算距離、成本、移動(dòng)次數(shù)和取放物體的時(shí)間,可對(duì)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,確定最優(yōu)的方案。(3)指定實(shí)際物流路徑的參數(shù)。用箭頭指定末端、中間或物流路徑片段能估算工廠中交通流量比較大的地方。顏色代表處理物體交通量的大小。產(chǎn)生擁塞的路徑描述了發(fā)生在走廊和輸送機(jī)上的路徑數(shù)目,如圖12-4、圖12-5所示。圖12-4用不同的顏色標(biāo)記物流路徑圖12-5物流路徑分析(4)查詢物流路徑信息。點(diǎn)擊路徑即可顯示物體處理數(shù)據(jù),可集中活動(dòng)點(diǎn)成一組點(diǎn)。(5)工廠布局設(shè)計(jì)。FactoryFLOW結(jié)合AutoCAD布局和路徑數(shù)據(jù)庫(kù)建立物流圖表。點(diǎn)到點(diǎn)流程圖的產(chǎn)生是由FactoryFLOW根據(jù)AutoCAD中的最初的布局圖形成的。

圖12-6詳細(xì)說(shuō)明了一個(gè)自動(dòng)化元件廠的計(jì)劃布局,利用FactoryFLOW,設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)和評(píng)估各種不同的可供選擇的方案，重新設(shè)計(jì)的布局和改進(jìn)后的物流路線如圖12-7所示。圖12-6自動(dòng)化元件廠的計(jì)劃布局圖12-7重新設(shè)計(jì)的布局和改進(jìn)后的物流路線(6)FactoryFLOW的高級(jí)功能。例如“聚類”功能,另一令人感興趣的FactoryFLOW的功能是對(duì)過(guò)道堵塞的分析能力。12.1.3工廠布局設(shè)計(jì)分析軟件(1)FactoryPLAN的功能。

FactoryPLAN是設(shè)計(jì)和分析布置的另一種模塊。與FactoryFLOW相反,它是基于兩單位的作業(yè)應(yīng)當(dāng)彼此靠近到滿意的程度,由作業(yè)單位之間接近等級(jí)所決定的。

這種關(guān)系由物流強(qiáng)度或非物流強(qiáng)度,或兩者總和所決定。FactoryPLAN能自動(dòng)生成不同粗細(xì)和顏色作為代碼的關(guān)系線,這種代碼不是由接近程度,就是由物流數(shù)據(jù)或兩者之和來(lái)制定的,一直可以達(dá)到256種不同的種類。

利用FactoryPLAN編輯器(見(jiàn)圖12-8),輸入作業(yè)單位關(guān)系和物流強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。圖12-8

FactoryPLAN中作業(yè)單位關(guān)系編輯器

作業(yè)單位關(guān)系和物流,可以用FactoryPLAN的矩陣乘法器和關(guān)系權(quán)重將其合并考慮(見(jiàn)圖12-9)。

根據(jù)關(guān)系權(quán)重、物流強(qiáng)度并將兩者合在一起,就能自動(dòng)生成關(guān)系圖,如圖12-10所示。圖12-9

FactoryPLAN中關(guān)系線對(duì)話框圖12-10從關(guān)系線中自動(dòng)找出作業(yè)地域(2)FactoryOPT的功能。FactoryPLAN中的FactoryOPT能自動(dòng)地根據(jù)輸入的特征,生成一些布局選項(xiàng)。FactoryOPT可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,給出最佳的設(shè)計(jì)方案,如圖12-11所示。圖12-11

FactoryOPT的功能12.2工業(yè)系統(tǒng)建模與設(shè)施規(guī)劃仿真平臺(tái)——Witness12.2.1

Witness的仿真步驟Witness是一套具有強(qiáng)大功能的仿真軟件系統(tǒng)。它既可以用于離散系統(tǒng)的仿真,又可以用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真(如液壓、化工、水力);目前已被成功運(yùn)用于設(shè)施布局優(yōu)化、流程改善、物流系統(tǒng)規(guī)劃等領(lǐng)域。

建立一個(gè)仿真模型的主要步驟是創(chuàng)建元素。Witness的元素有三種:①實(shí)物元素,代表實(shí)際系統(tǒng)中看得見(jiàn)的實(shí)體,如原材料、加工設(shè)備、作業(yè)人員、運(yùn)輸工具、倉(cāng)庫(kù)等等;②邏輯元素,是用來(lái)處理數(shù)據(jù),提高模型質(zhì)量的變量,如代表實(shí)物元素物理性質(zhì)的屬性、統(tǒng)計(jì)實(shí)物元素運(yùn)行特征的變量,用來(lái)方便數(shù)據(jù)處理的函數(shù),用來(lái)代表系統(tǒng)運(yùn)行特性的shift(班)等等;③圖形元素,用來(lái)表示實(shí)體的運(yùn)行特征,如時(shí)間序列圖形(timeseries)、餅狀圖(piechart)、直方圖(histogram)等等。

定義一個(gè)元素可以在布局窗口單擊鼠標(biāo)右鍵,在快捷菜單中選“define”,系統(tǒng)彈出元素定義窗口,選擇所定義元素的類型,并輸入其名稱后確認(rèn)即可,如圖12-12所示。圖12-12元素定義窗口

然后單擊元素定義窗口里的“display”按鈕,彈出Display窗口,在本窗口可以配置元素的圖標(biāo)等一系列屬性,如圖12-13所示。

定義好系統(tǒng)需要的元素后,在布局窗口雙擊該元素,彈出詳細(xì)屬性定義窗口,如圖12-14所示,可以配置其詳細(xì)的屬性。

仿真模型建好后,就可以點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕(或按F2)運(yùn)行仿真模型了。通過(guò)分析不同方案的運(yùn)行報(bào)告,可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,進(jìn)而得到最佳的方案。圖12-13顯示屬性定義窗口圖12-14詳細(xì)屬性定義窗口12.2.2

Witness提供的元素(1)零部件(part)。零部件是一種最基本的離散型元素,它可以代表在其他離散型元素間移動(dòng)的任何事物。

零部件進(jìn)入模型主要有兩種方式。第一種方式是被動(dòng)式的,只要有需要,零部件可以無(wú)限量進(jìn)入模型。

第二種方式是主動(dòng)式的,零部件可以按一定的時(shí)間間隔(如每隔10min)進(jìn)入模型;可以按照一定的隨機(jī)分布進(jìn)入模型,也可以按不規(guī)則的時(shí)間間隔(如10min,20min,30min)到達(dá)模型中。(2)機(jī)器(machine)。機(jī)器是獲取、處理零部件并將其送往目的地的離散型元素。1)單處理機(jī)(single)。單處理機(jī)器一次只能處理一個(gè)部件,單輸入單輸出。2)批量機(jī)器(batch)。批量機(jī)器一次能處理多個(gè)部件,n個(gè)部件輸入n個(gè)部件輸出。3)裝配機(jī)器(assembly)。裝配機(jī)可將輸入的多個(gè)零部件組裝成一個(gè)組件輸出,n個(gè)部件輸入1個(gè)部件輸出。4)生產(chǎn)型機(jī)器(production)。一個(gè)部件輸入到生產(chǎn)型機(jī)器中能輸出許多部件。1個(gè)部件輸入n個(gè)部件輸出,如單片鋼板的切割。5)通用型機(jī)器(general)。在通用型機(jī)器中輸入一批部件,輸出的是相同數(shù)目或不同數(shù)目的一批部件。6)多周期處理機(jī)器(multiplecycle)。多周期處理機(jī)器是一種特殊的通用機(jī)器,它模擬機(jī)器執(zhí)行的是經(jīng)過(guò)許多獨(dú)立的處理周期來(lái)完成一次操作。7)多工作站機(jī)器(multiplestation)。一臺(tái)多工作站機(jī)器工作起來(lái)就像許多臺(tái)聯(lián)結(jié)在一起的機(jī)器。它有多個(gè)不同的部件加工位置,每個(gè)部件將依次通過(guò)每一個(gè)工作站,完成一系列的工序。(3)輸送鏈(conveyor)。輸送鏈?zhǔn)且环N可以實(shí)現(xiàn)帶傳送和滾軸傳送的離散型元素。Witness提供了兩種輸送鏈:1)固定式(fixed)。2)隊(duì)列式(queuing)。(4)緩沖區(qū)(buffer)。緩沖區(qū)是存放部件的離散型元素。

緩沖區(qū)是一種被動(dòng)型元素,既不能像機(jī)器元素一樣主動(dòng)獲取部件,也不能主動(dòng)將自身存放的部件運(yùn)送給其他元素;它的部件存取依靠系統(tǒng)中其他元素主動(dòng)的推或拉。（5）車輛(vehicle)。車輛是一種離散型元素,可以將一個(gè)或多個(gè)部件從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)載到另一個(gè)地點(diǎn)。(6)軌道(track)。軌道是表示車輛運(yùn)輸部件時(shí)所行走的路徑,也用來(lái)定義車輛裝載、卸載或停靠的地點(diǎn)。12.2.3

Witness程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(1)變量。Witness提供了四種類型的變量,用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。它們是整型、實(shí)型、名稱型、字符串型。

(2)運(yùn)算符號(hào)。Witness中的運(yùn)算符號(hào)基本上與VisualBasic中的相同,需要重點(diǎn)說(shuō)明的有以下幾個(gè):1)連接兩個(gè)字符串用“+”,如VarString=“how”+“areyou”,則VarString的值為howareyou。2)乘方用“**”,如VarInteger=8**2,則VarInteger的值為64。3)將整數(shù)轉(zhuǎn)換為英文字母用“&”,如VarString=&1,則VarString的值為A。4)將數(shù)值型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符型數(shù)據(jù)用“@”,如DESC=“P”+@VAR1(此時(shí)數(shù)值型變量VAR1=56),則DESC=P56。(3)分支結(jié)構(gòu)。

分支結(jié)構(gòu)是在程序執(zhí)行時(shí),根據(jù)不同的條件,選擇執(zhí)行不同的程序語(yǔ)句,用來(lái)解決有選擇、有轉(zhuǎn)移的諸多問(wèn)題。基本語(yǔ)法如下:

IF<條件表達(dá)式1>

<命令行序列1>

ELSE

<命令行序列2>

ENDIF(4)循環(huán)結(jié)構(gòu)：1）“For”型循環(huán)?；菊Z(yǔ)法如下:FOR<循環(huán)變量>=<循環(huán)變量初值>TO<循環(huán)變量終值>

<命令行序列>NEXT2）“While”型循環(huán)?；菊Z(yǔ)法如下:

WHILE<條件表達(dá)式>

<命令行序列>

ENDWHILE12.2.4

Witness仿真建模過(guò)程(1)模型概述。在模型中,零部件(widget)要經(jīng)過(guò)稱重(weigh)、沖洗(wash)、加工(produce)和檢測(cè)(inspect)四個(gè)工序的操作。執(zhí)行完每一步操作后零部件通過(guò)充當(dāng)運(yùn)輸器和緩存器的輸送鏈傳送至下一步操作;經(jīng)過(guò)檢測(cè)以后零部件脫離模型;同時(shí)需要一個(gè)操作人員控制加工機(jī)器的各種加工活動(dòng)。最后完成的模型如圖12-15所示。圖12-15最終模型界面(2)構(gòu)建第一階段(Stage1.mod)模型1)定義元素。打開(kāi)Witness安裝路徑下Demo文件夾中的建模文檔startup.mod,建立被稱為Widgets的零部件、一臺(tái)稱重機(jī)器(Weigh)和一條輸送鏈(C1)。2)元素詳細(xì)設(shè)計(jì)(Detailinganelement)。改變?cè)丶?xì)節(jié)最簡(jiǎn)單的方法是在屏幕中的元素圖標(biāo)上雙擊。①零部件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。雙擊PART001得到元素細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)話框。輸入新的元素名Widget覆蓋掉系統(tǒng)默認(rèn)的名字。點(diǎn)擊OK鍵確認(rèn)。②機(jī)器細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。雙擊Machine001圖標(biāo),輸入以下信息:名字(name):Weigh,加工時(shí)間(cycletime):5,點(diǎn)擊對(duì)話框中的OK鍵確認(rèn)。

③輸送帶細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。雙擊Conveyor001圖標(biāo)輸入:名字(name):C1,移動(dòng)單位距離所需時(shí)間(indextime):0.5,點(diǎn)擊OK鍵確認(rèn)。設(shè)計(jì)完畢,窗口顯示的stage1模型布局如圖12-16所示。圖12-16

stage1模型布局圖3)建立元素之間的邏輯規(guī)則。。規(guī)則輸入可以通過(guò)工具欄和鼠標(biāo),也可以通過(guò)元素細(xì)節(jié)對(duì)話框。①機(jī)器規(guī)則設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊選中Weigh圖標(biāo),然后單擊element工具欄中的visualinputrule圖標(biāo),出現(xiàn)inputruleforweigh對(duì)話框,如圖12-17所示。②輸送帶規(guī)則設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊輸送帶C1的圖標(biāo),單擊outputrule圖標(biāo);點(diǎn)擊outputruleforC1對(duì)話框中的SHIP按鈕,為輸送鏈C1創(chuàng)建輸出規(guī)則PUSHSHIP,執(zhí)行此規(guī)則,輸送帶將Widget送出系統(tǒng)。圖12-17機(jī)器規(guī)則定義對(duì)話框4)運(yùn)行模型。首先介紹運(yùn)行工具欄中的按鈕及其作用。運(yùn)行工具欄如圖12-18所示。圖12-18運(yùn)行工具欄示意圖5)結(jié)果預(yù)測(cè)。6)修正元素顯示屬性。如果需要改變?cè)氐娘@示屬性,用鼠標(biāo)右鍵單擊元素圖標(biāo),在彈出的快捷菜單中選display,會(huì)彈出元素顯示特性工具欄(見(jiàn)圖12-19),圖12-19元素顯示工具欄(3)構(gòu)建第二階段(Stage2)模型(Stage2模型布局見(jiàn)圖12-20)。

本階段需要添加的機(jī)器為清洗(wash)、加工(produce)、檢測(cè)(inspect),添加的輸送帶為C1、C2、C3;同時(shí)添加了一個(gè)邏輯元素——變量output,用于動(dòng)態(tài)顯示模型中加工完成的零件數(shù)量。圖12-20

Stage2模型布局圖(4)構(gòu)建第三階段(Stage3)模型。

在本階段中,將假設(shè)Produce機(jī)器每加工完五個(gè)零部件就需要進(jìn)行一次刀具的調(diào)整,調(diào)整時(shí)需要人員來(lái)參與,調(diào)整時(shí)間為12min。構(gòu)建本階段模型需要在stage2的基礎(chǔ)上,向模型中添加Labor元素,設(shè)置Produce機(jī)器的調(diào)整屬性。1)機(jī)器setup頁(yè)框說(shuō)明。通過(guò)雙擊機(jī)器圖標(biāo),得到機(jī)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)話框,選擇setup頁(yè)框,對(duì)話框如圖12-21所示,可以細(xì)分為調(diào)整項(xiàng)目、調(diào)整模式、調(diào)整間隔、調(diào)整時(shí)間四塊。圖12-21機(jī)器setup頁(yè)示意圖

2)構(gòu)建模型。添加和設(shè)計(jì)labor型元素。從designerelements窗口中找到labor元素將其加入模型;將其名字改為Operator。3)結(jié)果預(yù)測(cè)。

(5)構(gòu)建第四階段(Stage4)模型。在本階段中,考慮將隨機(jī)分布函數(shù)應(yīng)用到機(jī)器的故障發(fā)生時(shí)間間隔和勞動(dòng)者維修機(jī)器的故障所需要的維修時(shí)間中。

構(gòu)建本階段模型需要在stage3的基礎(chǔ)上,設(shè)置Produce機(jī)器的故障(breakdown)屬性。1)機(jī)器breakdown頁(yè)框說(shuō)明。通過(guò)雙擊機(jī)器圖標(biāo),得到機(jī)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)話框,選擇breakdown頁(yè)框。對(duì)話框界面如圖12-22所示,可以細(xì)分為停機(jī)項(xiàng)目、停機(jī)模式、停機(jī)間隔、維修時(shí)間四塊。圖12-22機(jī)器breakdown頁(yè)框示意圖2)仿真運(yùn)行及統(tǒng)計(jì)分析。(6)構(gòu)建第五階段(Stage5)模型。

通過(guò)比較分析,可以看出機(jī)器produce是生產(chǎn)線的“瓶頸”,嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的產(chǎn)出率,大大增加了widget的系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間。為了改進(jìn)這種狀態(tài),考慮添加一臺(tái)produce機(jī)器和一條C2輸送帶,這樣生產(chǎn)線上將有兩臺(tái)Produce機(jī)器和兩條C2輸送鏈同時(shí)工作,應(yīng)該能夠提高系統(tǒng)的產(chǎn)量。(7)構(gòu)建第六階段(Stage6)模型。

嘗試增加produce機(jī)器拋錨的維修時(shí)間(Repairtime),觀察模型維修時(shí)間值的改變對(duì)產(chǎn)量的敏感性。12.2.5

Witness規(guī)則Witness有幾類不同的規(guī)則。①輸入規(guī)則(這類規(guī)則包括裝載和填入規(guī)則),輸入規(guī)則控制輸入元素的零部件或者流體的流量。②輸出規(guī)則(這類規(guī)則包括連接、卸載、空閑、單件運(yùn)輸小車進(jìn)入、車輛進(jìn)入和緩沖區(qū)退場(chǎng)管理)。輸出規(guī)則控制從元素中輸出的零部件、流體、車輛或者單件運(yùn)輸小車的流量。③勞動(dòng)者規(guī)則。勞動(dòng)者規(guī)則可用來(lái)詳細(xì)說(shuō)明勞動(dòng)者的類型和機(jī)器、輸送鏈、