钢卷精整包装物流系统的仿真分析

2021-08-27王红军康运江付爽宁

设备管理与维修 2021年11期

李鹏，王红军，3，康运江，付爽宁

（1.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192；2.机科发展科技股份有限公司，北京100044 3.高端装备智能感知与控制北京市国际科技合作基地，北京100192））

0 引言

在冶金行业中，最后一道工序是精整包装，精整包装的效果关系着产品从出库到使用之前的方方面面，好的精整包装效果可以提高产品质量和企业的经济效益。随着智能制造不断推进和企业高质量发展的需求，研制全自动智能型钢卷打捆机成为冶金企业迫切需求[2]。提高钢材的包装水平对于提高钢材产品质量和企业的市场竞争力有着重要意义。

随着制造业高速发展，冶金企业精整生产过程中传统的物流仓储方式已无法满足发展需求，工艺和技术升级势在必行，通过生产工艺和物流运输的合理高效规划，产能匹配优化，采用网络化、信息化、智能化技术和工艺设备，提高物品运输的速度以及推进各方面智能科技化。

使用Flexsim 软件对某冷轧钢厂的精整包装线进行模拟仿真，通过仿真模型找到存在的不足，并提出优化方案，以提高生产线的生产效率。

1 Flexsim 仿真流程

Flexsim 由Flexsim Software Products 公司出品，是一款商业化离散事件系统仿真软件，是目前市面上唯一拥有C++IDE接口及编译器的图形仿真环境的软件。Flexsim 是一种多功能工具，曾经为大量不同的产业模拟过多种系统。

Flexsim 软件的建模与仿真流程[3]：

（1）确定仿真目标，设计相应的研究方案。这个步骤中主要是为了明确仿真的主要目的，以及结构组成。

（2）对数据进行准确的收集和整理。仿真过程中需要使用大量的数据进行系统输入，如果这些数据的正确率很低，那么仿真输出的结果正确率也会很低。下列是需要收集的数据资料：

结构参数：它是用来对车间结构进行描述的一个物理量，或者说成是几何参数。车间内的平面布局，物品的形状和设备组成等都属于结构参数的范畴。

工艺参数：它是用来展现车间零件们工艺流程之间的逻辑上的关系的参数。

动态参数：动态参数用来描述生产过程中的动态变化。比方车的装卸时间以及运输过程中的速度和加速度，这些和货物相关的参数都属于动态参数。

逻辑参数：逻辑参数用来展示流程和作业，在逻辑上的详细关系。状态变量：用来描述状态的变化情况。比方说描述工作状态的空闲繁忙情况，或者说缓冲区货物队列的空满情况。

输入、输出变量：仿真输入变量包含随机变量和确定性变量两种变量类型，输出变量随仿真目标的变化而变化，是有仿真目标设定的变量。

（3）建立车间布局模型，根据系统机构和作业策略，分析车间内的各种参数，在数学逻辑上的相应联系，建立符合要求的车间布局模型。

（4）对车间仿真模型进行建立，要使得仿真的车间模型符合现实中的布局情况，贴合所收集到的数据。

（5）验证模型。对该模型进行精细的问题优化，比方说对参数进行更为合理的设置，使用的逻辑策略是不是可以客观地对现实中的系统进行模拟。

（6）仿真运行。开始对需要研究的系统进行仿真运行，并且多次重复，以便获得足够参考的仿真输出资料。

（7）对实验得出的结果进行分析。找到其问题所在并对相应的优化措施进行设计。

2 钢卷精整包装物流系统构成

2.1 精整线概述

研究对象的带钢精整车间占地面积54 000 m2，车间拥有多台加工机组，包括热镀锌机组（CGL）1 台；连续退火机组（CAL）2 台；重卷检查机组（RCL）2 台；重卷拉矫机组（2#RCL）1台；钢卷包装机组（CPL）3 台；钢卷小车6 台；子母车11 台；车间内还有3 条物流通道（WLTD），其两侧均布缓存鞍座。操作车间里入口和出口各3 个，还有用于放置成品的成品库。其工艺路线如图1 所示，车间内以钢卷小车和子母车作为搬运单位，钢卷小车每次可搬运钢卷数为1 卷，子母车最大搬运数量为1 卷。

图1 精整包装工艺流程

模拟此精整车间主要加工3 种规格重量钢卷，初定热镀锌机组与连续退火机组生产钢卷的规格为：A 类：重量：15 t；带钢厚度：0.6 mm；宽度：1000 mm；B 类：重量：24 t，需进行重卷作业；带钢厚度：0.6 mm；宽度：1000 mm；C 类：重量：30 t，需进行重卷拉矫作业；带钢厚度：0.6 mm；宽度：1000 mm；初定重卷机组出口钢卷规格为：B-1：重量：12 t；带钢厚度：0.6 mm；宽度：1000 mm；重卷机拉矫组出口钢卷规格为：A-1：重量：12 t；带钢厚度：0.6 mm；宽度：1000 mm。假设各机组出口钢卷：20%需重卷拉矫；60%需重卷；20%直接包装。不同类型钢卷及各机组加工时间见表1。

表1 产品加工时间

2.2 仿真模型建立

根据工艺流程实际情况，在Flexsim 软件中将所需各实体模型放入模拟窗口按照车间布置进行摆放，并且对不同实体进行参数设置，最终仿真模型如图2 所示。各实体含义见表2。

表2 模型实体及其含义

图2 物流仿真模型

在设置调定完实体模型与临时实体流参数属性并进行重置后，先将仿真模拟时间即停止时间设置为1 个月：2 592 000 s，然后运行模型。

3 仿真与优化

3.1 仿真分析

分析模型运行质量要借助模块“Dashboards”进行查看，选定所需的图表形式并选定被监控的实体模型后，Flexsim 仿真软件会在仿真模拟的过程中自动收集实体模型运行时间、设备利用率、等待空闲率、设备输入/输出的产品数量、堵塞率、等这些信息都是仿真报告内容的一部分，最后查看仿真报告时，可以根据具体的表格来进行分析，处理器仿真报告见表3，运输单位仿真报告见表4。

表3 处理器仿真报告

表4 运输单位仿真报告

根据6 台加工机组模拟仿真报告的结果，首先可以看到2#重卷拉矫机组在重卷机组中利用率相对较低，由此可以看出2#重卷拉矫机组处存在瓶颈。其次，3 台包装机组利用率差距较大，1#和3#包装机组与2#包装机组的利用率差值达到了61.86%，说明1#和3#包装机组前端存在物流瓶颈，由此导致了生产不平衡。2#重卷拉矫机组的瓶颈和堵塞的情况以及1#和3#包装机组存在的生产不平衡严重制约了车间整体的生产效率。

由模拟仿真报告，可以发现钢卷小车R6 利用率为0%，这说明其完全处于闲置状况中，会造成资源的浪费，也使得生产成本增加。同时3#物流通道内的子母车利用率均不高，尤其是其中的3#4 子母车，利用率极低，说明设备未得到充分利用，资源严重浪费。3 台过跨钢卷小车利用率均极低，说明此种生产情况下，每条线均可满足生产需求，无需搬运至其他生产线。故优化重点应放在解决堵塞与生产不平衡的问题上。并且，钢卷小车R4 的利用率接近钢卷小车R5 利用率的2 倍，结合两车不同的运输距离可推测为钢卷小车R4 物流量过大导致。

根据分析为了使系统达到最优效果，需要进行改进与优化操作。据生产物流情况发现造成生产过程中出现的阻碍问题有：

（1）子母车与缓存区分配不均。3 条物流通道中小车均存在高闲置率的问题，说明子母车数量可能过多，可适当减少子母车数量；并且物流通道中缓存鞍座数量分配存在不均，在仿真过程中出现过C 类钢卷堆积现象，此可能为2#重卷拉矫机组堵塞原因。所以物流通道内设备与布置均需改进。

（2）排产顺序不合理。A 类钢卷与B、C 类所需加工机组不同，A 类直接到达包装机组，且包装机组可同时加工多个钢卷，如先生产A 类钢卷再生产B 类会导致重卷检查机组的闲置，可调整顺序先生产B 类钢卷使其先到重卷检查机组上进行加工。

（3）布局存在不合理。1#物流通道与2#物流通道距离太远，会增加钢卷小车与子母车的运输流量并增加物流成本与时间。

3.2 优化仿真

通过分析前文所述造成生产物流效率低下的原因，针对各项原因可做出相应的改进，有如下4 种改进方案：

（1）调整子母车数量，去掉钢卷小车R6，减少1#、2#和3#子母车各1 台，有助于降低精整包装物流系统成本。

（2）调整缓存鞍座数量，增加2#重卷拉矫鞍座的数量到70，增加2#包装缓存鞍座的数量到23。增加重卷拉矫鞍座可减少连续退火机组与热镀锌机组到缓存鞍座之间的堵塞，增加重卷拉矫鞍座可减少重卷拉矫机组到包装机组之间的堵塞，提高缓存区利用率。

（3）调整物流通道布局位置，将1#物流通道调整至1#重卷检查机组与2#重卷检查机组之间，缩短单位搬运距离从而降低搬运成本。本调整可使钢卷小车与子母车单次减少20 m 运输距离，降低物流量。

（4）调整机组排产顺序，寻找最优排产顺序。原生产顺序为：ABBBC，现调整为：热镀锌机组：BABCB；2#连续退火机组：BACBB；1#连续退火机组：BABBC。此排产顺序可使重卷检查机组最先开始工作，并且包装机组也不会因此等待时间过长，提高设备利用率。

改后模型如图3 所示。重新进行仿真分析，得到仿真结果，见表5、表6。

图3 改后物流仿真模型

表5 处理器仿真报告

表6 运输单位仿真报告

根据仿真结果对比分析可知，通过调整子母车与缓存鞍座数量、调整机组排产顺序、调整物流通道布局位置可以看出1#包装机组、3#包装机组与2#重卷拉矫机组的利用率和堵塞情况有了明显的改善。3 台重卷机组利用率近似，且保持在较低利用率，说明尚有生产余力，可满足更高峰值生产，并且需要进行过跨作业的钢卷小车R4 与R5 的总利用率保持在较低值，说明需要进行过跨的作业不多。钢卷型材精整物流线的整体利用率也由原来的0.27 升高到了0.75，达到了优化物流系统的目的。