生产物流系统建模仿真实验报告.docx
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生产物流系统建模仿真实验报告
系统建模仿真实验报告
一、实验目的
本实验围绕生产物流实验系统展开,进行制造系统的建模、仿真分析与设计优化研究实践。
重点研究运用仿真软件Flexsim,对生产物流实验系统的生产运行过程进行建模、仿真和分析,并进行系统改造的方案论证。
二、实验内容及要求
对照实验系统,参考有关系统资料及参考案例,在对系统的基本布局、工作特点、工作流程、及实验生产设备等进行详细研究的基础上,运用Flexsim工具进行建模,并对其生产过程进行仿真。
通过仿真分析了解有关生产实验系统方案是否满足预期运行目标的需要,并且针对仿真生产过程中所表现出来的缺陷与瓶颈问题,提出改进方案。
最终完成对于该生产系统的整体产能及物流运作分析,为系统改造决策提供参考依据。
三、实验内容与步骤
生产制造系统建模与仿真基础知识研究:
结合有关实验系统的生产运作原型,深入研究制造系统的运作控制,及其系统建模与仿真相关知识;熟悉掌握Flexsim建模仿真工具及其安装运行环境,为具体的实验与分析应用做好前期的理论与技术知识准备。
建立实验模型:
本实验所涉及的是一个柔性制造系统的生产线(如图1-1所示),它主要有四条流水线组成,同时加工两种不同原材料(以下称原材料a和原材料b),最后把加工后的两种半成品和另一种原材料(以下称原材料c)装配起来,成为成品d。
在模型中,设有存放原材料a、b和成品d的组合式货架,存放原材料c的货栈,它们分别通过堆垛机和AGV小车与生产线相联通,组成系统。
具体物流过程简述如下:
(1)组合式货架用来存放待加工的原材料和成品,货架配备堆垛机,用于从货架上取下原材料,并运到生产线上进行加工。
货架上混合存放a、b两种货物,堆垛机随机取出货物,放入出货台。
(2)待加工的原材料a、b从出货台进入流水线1,都要经过生产线旁的加工机进行加工。
流水线1是倍速链,旁边有多台完成同样工作的加工机,同时每台旁都有一个搬运工人,搬运工人为加工机拾取流水线上的货物进行加工,也负责把加工过的货物放回流水线进入下一个工序。
(3)原材料a通过流水线1的加工后成为半成品a1,进入流水线2。
流水线2为辊筒线,上有一个气动机械臂,对半成品a1进行再加工,成为半成品a2,通过
1
AGV小车送向流水线4上的装配机。
同时AGV小车也从货栈上取出原材料c,连同半成品a2放入装配机前的缓冲区。
(4)原材料b通过流水线1加工后成为半成品b1,进入流水线3。
流水线3为动力辊筒线,上有一个4-DOF机械臂,用于对半成品b1进行检测。
经检测合格者进入流水线4。
(5)流水线4是一条装配生产线,为皮带线。
上有多台装配机,同时每台旁也有一个搬运工人。
搬运工人从流水线4和缓冲区各取一个半成品a2、半成品b1和原材料c放入装配机,经装配后成为成品d,再由加工者放回流水线4上。
(6)成品d从流水线4出来进入入货台,再由堆垛机放入组合式货架。
此处的堆垛机与运送原材料a、b进入生产线的为同一辆。
图1-1系统模型图
系统建模及初步的仿真运行调试:
1)对立体仓库的设计
立体仓库由组合式货架和堆垛机组成。
组合式货架有两个分别放成品和原材料a、b的货架(rack)组成,有一个发生器(source)为货架提供原材料a、b;堆垛机(ASRSvehide)用来把原材料放入生产线同时也负责把成品运回货架。
堆垛机的设计移动速度为2,同时为其设计了轨道。
为了使发生器能生成两种不同的货物,并用两种不同的颜色表示出来,在发生器的参数窗口中选sourcetriggers选项,对其中的onexit作了以下设置(如图2-1)。
图2-1发生器的参数设置
为了使原材料货架能提前被装满,在发生器参数窗口中选择source选项,对其中的inter-arrivaltime选项作了以下设置(如图2-2),这样使发生器的送货间隔时间远远小于系统中各工序的加工时间(各工序的加工时间都为10),以保证及时送货。
图2-2发生器的参数设置2
为使堆垛机按实际系统设计的方式工作,在建模中规定了它的运行路径。
2)对流水线1的设计
流水线1由出站口、流水线、加工机和搬运工人组成。
出站口用队列(queue)表示,与流水线(conveyor)直接相连,搬运工人(operator)负责把原材料运给加工机(processor)进行加工,然后再把半成品运回流水线。
加工机的设计加工时间为10。
由于设计的是两个加工机和两个搬运工人,所以为了协调两个搬运工人的工作,设计了一个系统简图中没有的虚拟角色,分配器(dispatcher),它与两个搬运工人相连,用来协调和指导两个人的搬运工作,相当于实际运作中的调度系统功能。
3)对流水线2的设计
流水线2上有一个气动机械臂,它的功能是对半成品a1进行第二步处理。
但在Flexsim软件的工具库里,没有找到相近形状又有相似功能的模块,所以还是根据气动机械臂的功能和物流过程,在建模中就由处理机(processor)来代替它。
为了区别,它的颜色设为红色。
设计加工时间为10。
为了使货物的物流过程更加清楚,在流水线2的最后加上个队列,用来存放半成品a2,这样为以后分析AGV小车的速度提供方便。
4)对流水线3的设计
流水线3上有一个4-DOF机械臂,用来对半成品b1进行检测,另外还有4-DOF控制台来控制机械臂的工作。
根据它的功能和系统的物流过程,在建模中就用机器人(robot)来代替表示,并省略了控制台。
设计检测时间为10。
5)对流水线4的设计
流水线4由进站口、流水线、装配机和搬运工人组成,其生产过程类似流水线1,也是由搬运工人从流水线上搬运货物到机器,然后把成品运回流水线,也设置一个分配器来协调两个搬运工人的工作。
所不同的是出现了装配机(combiner),装配机的作用是将半成品a2、b1和原材料c进行装配形成成品d,所以就要求搬运工人为其分别搬运三种不同的货物。
为使三种货物的装配比例是1:
1:
1,并合成一种物品,在装配机参数窗口中选combiner选项,对其进行设置如下(如图2-3所示)。
图2-3装配机的参数设置1
为了使成品d的颜色与其它相区别,在装配机参数窗口中选sourcetriggers选项,对其中的onexit作如图2-4所示设置,将成品d的颜色设为蓝色。
为了更清楚地说明物流问题,在装配机旁各设了一个队列,用来表示缓冲站,分别存放半成品a2和原材料c,这个是系统简图中没有的。
设计缓冲站的容量为5。
图2-4装配机的参数设置2
6)对小车和货栈的设计
AGV小车(transporter)的作用是运送半成品a2和原材料c到装配机进行装配,为了和系统简图的过程相符,也为其设了轨道。
货栈是用来存放原材料c的,旁边也有个发生器为货栈提供原材料,为了使货栈能提前被装满,也做了加快上货时间的考虑。
四、系统仿真与分析
在Flexsim中调出模型,点击Compile之后点击Run,经过足够长的运行时间后点击Stop;然后分别对实验所关注的结果数据进行分析和比较。
3.1对加工机和装配机数量的确定
1)两个装配机两个加工机的情况
仿真模型是按两个装配机两个加工机的情况进行建模的,对其进行编译并运行一定的时间后,分别观察两台加工机和装配机的利用率。
模型运行足够长的时间停止,得到系统的产出率(throughput)为:
18.1个/1000单位时间;
装配机的时间利用率比较如图3-1。
从图中可以看出两台装配机用于装配的时间占总时间的比例差别很大,装配机1为13.7%,而装配机2只为6.2%,还不到装配机1的一半,所以可以看出装配机2没有得到充分的利用。
而且通过分析,还可看出两台装配机都有大量不工作的空闲时间,所以可以考虑只安排一台装配机。
加工机的时间利用率比较如图3-2。
图3-2加工机的利用率比较
从图中可以看出两台加工机用于加工的时间占总时间的比例差别不大,分别为26.7%和21.0%,这说明两台加工机都在工作。
但通过图也可以看出,它们几乎一样都有着相当大的闲
时间。
这样或许可以考虑将加工机的数量也改为一台。
2)一个装配机两个加工机的情况
首先试验第一个考虑,将装配机的数量改为一台。
在这种情况下进行仿真建模,并编译、运行,一定时间后的效果图3-3。
图3-3两加工机一装配机情况的效果图
模型运行足够长的时间停止,得到系统的产出率(throughput)为:
17.1个/1000单位时间。
虽然此时系统的产出率有小幅度(5.5%)的下降,但是可以节省一台装配机的成本。
此时装配机的利用率如图3-4所示。
从图中可以看出,装配机的加工时间比率为17.0%,有较大程度的提高,所以可以知道数量的减少没有限制系统的运行,反而提高了机器的利用率并减少了成本。
所以这个改进是合理的,它有利于系统的优化。
以下将进一步考虑,在上述改进的基础上减少加工机的数量是否可以
图3-4装配机的利用率
3)一个装配机一个加工机的情况
再进行与第二个考虑相关的试验,将加工机的数量也改为一台。
在此情况下进行仿真建模,并编译、运行,一定时间后的效果如图3-5。
模型运行足够长的时间停止,得到系统的产出率(throughput)为:
13.3个/1000单位时间,系统的产出率有了很大(22.2%)的降低。
而且从效果图中可以看出,在只使用一台加工机的时候,流水线1上明显出现了原材料的堆积,这说明一台加工机无法满足生产线的需要。
所以只设一台加工机是不合理的。
图3-5一加工机一装配机情况的效果图
4)结论
将以上3次模型实验的结果收集起来,如表3-1所示。
故可得出结论:
加工机的数量应该多于装配机的数量,在现有的物流速度下,两台加工机和一台装配机的设计是合理的;虽然一台装配机和一台加工机能更大程度的保证加工机的利用率,但是这是以产出率的降低和在制品库存的提高为代价换来的,所以是不合理的。
加工机的数量更多地取决于原材料进入生产线的速度,也就是堆垛机的速度,如果加快堆垛机的速度,加工机的数量也要相应地增加,但无论怎样加工机的数量应该大于装配机的数量。
以下将以两个加工机和一个装配机的模型对下一个问题进行分析。
表3-1实验数据表装配机
加工机
装配机
利用率
加工机
利用率
产出率
队列有无堆积
2台
2台
13.7%、6.2%
26.7%、21%
18.1
无
1台
2台
17.0%
27.1%、18.4%
17.1
很少
1台
1台
13.8%
37.4%
13.3
较多
五、实验心得
在本次物流试验中,我们得主要目的是为了熟悉flexsim这款软件的运用以及如何进行建模与分析的过程。
虽然实验的时间过程比较紧张,但是经过两位助教的仔细讲解,我们大致上了解了这款软件的操作方法并对建模分析的过程有了充分的认识。
同学们对于新知识也充满了学习的热情。
同学们在建模的过程中花费了较多的时间,需要进行更充足的练习。
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