数字化工厂下的车间布局与生产线仿真分析

常依

荆州广杭电子商务科技有限公司 湖北 荆州 434000

引言

数字化工厂下的车间布局与生产线仿真可以帮助制造业企业更好地适应市场变化和客户需求，实现快速调整和优化生产线的目标[1]。其对于提高生产效率、降低成本、优化资源配置等有着积极的推动作用。本次仿真实验以某卫浴生产车间为例，该车间整体生产效率低下，物流运输存在着十字交叉、回流等问题，通过仿真分析，对车间布局以及生产线进行优化整改，以提高生产效率。

1 数字化卫浴车间基本情况

本次车间布局与生产线仿真分析以某卫浴生产车间为例，当前车间于2010年建成并投入使用，车间长147m，宽50m，占地面积7350m2，目前生产车间内存在着地面下沉的问题[2]。

2 车间布局问题分析

首先，从整体空间布局上来看，该车间在布局设计的过程中，并没有遵循就近原则，而是采用机群式布局，整体较为混乱。如炉粉、铜粉放置区与生产区域相隔较远，通过实地勘测后得知，从炉粉、铜粉放置区运输原材料至铸造浇筑区以及低压铸造区需要行进56.8m以上。

其次，原有车间布局并未设置除湿间，需要现场工作人员自行将原材料运送至除湿间，完成除湿操作后，运送至生产加工现场，由此可见，对于人力、物力造成了较大浪费。

最后，车间设备所采用的机群式布局整体较为混乱，并未形成“一个流”的生产制造模式。导致在生产过程中，为确保生产效率，需要在生产区域内设置物料缓存区，造成一定的空间浪费。

3 数字化工厂下的车间布局优化

3.1 作业车间物流相互关系分析

在车间加工生产过程中，物流涉及原材料运输、半成品转运等，而通过分析各生产作业单元与物流强度之间的关联，并以此为基础对空间布局进行优化，能够极大程度上降低物流时效，提高生产效率。在追求成本最小化、物流距离最短化以及避免物流交叉和迂回的原则基础上，对车间布局进行优化是提高生产效率的关键。在进行以物流为基础的车间布局优化时，需要考虑两个重要因素：物流当量和物流强度。

物流当量是指单位时间内，车间中物料、成品、半成品以及其他物品的流动量。这一指标直接反映了车间的物流效率和生产节奏。通过对物流当量的分析，可以评估车间的生产能力和效率，并确定是否需要调整车间布局以优化物流流程。可以采用以下公式计算：

式中：j、k分别代表两个不同的作业单元；Gjk代表两个作业单元间的物流当量；ai代表产品搬运系数（单个产品/单元盛具数量，如砂芯单元盛具数量为60，则搬运系数为1/60）；mi代表产品i的重量；gi代表产品月平均生产量。物流强度则是指单位时间内，车间中各个工作地之间的物料流动频率[3]。物流强度的高低直接反映了各个工作地之间的协同效率和物料流通的顺畅程度。在优化车间布局时，需要关注物流强度的分布，确保关键工作地之间的物流流通效率，并尽量避免物流拥堵和交叉现象。

3.2 作业车间非物流相互关系分析

在车间布局优化设计的过程中，不仅要考虑物流与各单元之间的关系，还要深入分析非物流相互关系的单元布局。此类非物流相关的单元主要包括洗手间、加工设备、工厂环境等。为了更好地进行区分，可以根据物流的密切程度来对此类单元进行排序。物流的密切程度主要取决于以下几个因素。

3.2.1 工人。工人在车间中的流动是物流中的一个重要因素。工人的位置、走动路线和作业频率都会影响物流的密切程度。

3.2.2 信息传递。信息的传递方式在很大程度上决定了物流的流程和效率。比如，如果一个单元需要频繁地接收和发送信息，那么这个单元的物流密切度就会相应提高。

3.2.3 作业内容。每个单元的作业内容都会影响其物流需求。例如，一些需要频繁出入库的作业单元，其物流密切度会相对较高。

3.3 作业车间布局优化设计方案

根据上述分析，结合作业车间物流与非物流之间的相互关系分析结果，确定了以下车间布局优化设计原则。

3.3.1 采用“一字型”空间布局方式，根据加工工艺对设备进行优化布局。该布局方式可以最大限度地减少物料搬运距离，提高生产效率。

3.3.2 对物流通道进行“Z“字形优化设计，确保各作业单元的整体性。该设计可以有效地提高物流效率，减少物流堵塞和等待时间。

3.3.3 在机加作业单元的设计中，强调了清晰性和简洁性。该设计可以使作业人员更加方便地操作设备，提高工作效率。

3.3.4 在作业单元五的下一道工序中设置了清洗单元，以避免半成品回流问题。

4 数字化工厂下车间布局仿真分析

4.1 仿真流程设计

为发现对车间优化布局设计中可能存在的问题，本次研究使用Demo3D仿真软件进行仿真分析。其具体流程为。

在执行这个过程时，首先要整合与产品设计、设备资源、工艺路线等相关的信息。这些信息是设计过程的基础，它们为整个项目提供了明确的方向和指导。接下来，根据收集到的信息，进行初始布局设计。此步骤需要考虑到各种因素，包括产品的功能需求、设备的配置、工艺流程的优化等。该阶段的目标是初步确定产品的布局，为后续的仿真分析提供基础。

然后，将初始布局设计导入到Demo3D仿真软件中。此步骤是为了评估布局的可行性和性能。通过仿真，可以看到布局在实际运行中的表现，包括设备的运行情况、产品的生产效率等。

仿真分析后，需要根据结果确定模型是否合理。如果布局合理，则该模型就可以被确定为最终布局。如果布局不合理，就需要回到第一步，对初始布局进行优化设计。此过程可能需要多次迭代和仿真验证，以确保最终的布局是理想的。

4.2 三维仿真建模

在数字化工厂中，车间布局仿真分析是一个重要的环节。通过三维仿真建模，可以对车间的布局进行全面的模拟和分析，以优化生产流程、提高生产效率、降低生产成本。三维仿真建模是数字化工厂中车间布局仿真分析的重要工具之一。它通过计算机技术，将车间的布局、设备、人员等各种因素进行模拟，形成一个数字化的三维模型。在这个模型中，可以对车间的布局进行详细的分析和评估，包括设备之间的距离、通道的宽度和长度、人员的操作空间等等。

通过三维仿真建模，可以预测车间的生产流程是否顺畅、人员操作是否方便、设备是否能够正常运转等等问题。同时，还可以根据模拟结果对车间的布局进行优化，例如调整设备的位置、改变通道的宽度等等。其步骤如下所述。

4.2.1 收集数据。首先需要收集车间的平面图、设备清单、工艺流程图等基本信息。这些信息将为后续的三维建模提供基础。

4.2.2 建立三维模型。利用专业的三维建模软件，根据收集到的数据和信息，建立车间的三维模型。这个模型应该尽可能准确地反映车间的实际情况，包括设备的位置、形状、尺寸、连通性等。

4.2.3 添加物理属性。在三维模型中，还需要添加设备的物理属性，如重量、移动性、功率等。这些属性将用于模拟设备的运行情况和交互关系。

4.2.4 定义工艺流程。根据工艺流程图，需要在三维模型中定义各个设备之间的物料流动和信息流动。这可以通过为设备添加输入和输出端口来实现。

4.2.5 运行仿真。通过设定仿真的运行参数，如时间、产量等，可以模拟车间的实际运行情况。仿真结果将提供车间的产能、设备利用率、物流效率等指标的评估数据。

4.2.6 分析仿真结果。通过对仿真结果进行分析，可以找出车间布局和工艺流程中的问题和瓶颈，提出改进方案。

通过上述步骤仿真分析后，发现现厂房中存在着较多立柱，与布局优化方案存在干涉，不利于设备的摆放。经过与该公司商讨后，最终决定，利用Demo3D中的测量工具，对立柱尺寸与车间尺寸在确保不影响实际生产的情况下进行测量，在仿真软件中对布局进行进一步优化。原厂房落砂机旁暂未布置任何设备，故将整体布局优化向左位移，以避开立柱干涉。

5 数字化工厂下的车间生产线仿真分析

5.1 仿真软件选择与流程

本次生产线仿真分析使用Delmia/Quest软件，其由法国达索公司开发，主要适用于工业工艺流程与城建布局等离散事件的仿真分析。并且其具备较强的数据分析能力以及简单易操作的可视化界面。在Delmia/Quest软件中，用户可以通过导入生产线的相关数据和信息，建立三维仿真模型。该模型能够准确地反映生产线的实际情况，包括设备的位置、形状、尺寸、连通性等。此外，用户还可以为设备添加物理属性，如重量、移动性、功率等，以模拟设备的运行情况和交互关系。

在完成三维仿真建模后，用户可以设定仿真的运行参数，如时间、产量等，以模拟生产线的实际运行情况。Delmia/Quest软件能够自动运行仿真，并生成相应的仿真结果数据。这些数据包括生产线产能、设备利用率、物流效率等指标的评估数据。

通过对仿真结果进行分析，用户可以找出生产线布局和工艺流程中的问题和瓶颈。针对这些问题和瓶颈，用户可以提出相应的改进方案，优化生产线的运作。同时，Delmia/Quest软件还提供了丰富的报告生成功能，帮助用户将仿真结果和分析结果进行整理和展示。

5.2 仿真运行及优化

该公司全年排班生产315d，通过仿真模型运行后可知，目前该公司卫浴生产车间中，部分设备工作效率较低，并且存在着长时间空闲的情况，致使车间生产效率整体处于低水平状态。而根据仿真结果来看，拌砂机的工作时长要远高于其他设备。由此可知，拌砂机为车间生产线的瓶颈工序，当前拌砂机工作效率低下，从而影响整体生产效率。

因此，需要有针对性地对拌砂机进行仿真运行以及优化。经过与该公司生产人员的探讨，认为本次拌砂机瓶颈工序优化需要从调节生产节拍着手。本次仿真实验参数设置为生产节拍最低7s，最高11s，极差1s。

从仿真实验结果分析可以清晰地看出，生产节拍对产量有着显著的影响，这意味着在未能对生产线进行整体优化时，需要通过工艺改进来调整生产节拍。然而，目前该公司的生产节拍为9.4s，优化难度较大且成本较高。考虑到这两点因素，经过与技术部门的深入研讨，确定了一个切实可行的优化方案：增加一台拌砂机，并将生产节拍优化至8s。该优化方案不仅有助于提高产量，同时也能降低生产成本，提高该公司的整体竞争力。通过增加拌砂机的数量，可以有效地提高生产线的产能和效率。这不仅能够减轻原有拌砂机的负载压力，同时也能避免设备损坏和维修问题。此外，优化后的生产节拍将缩短至8s，这将进一步降低生产成本和提高产量。

6 结束语

综上，通过分析作业单元和物流、非物流之间的相互关系，为沉降布局优化提供方向。随后，使用Demo3D仿真软件对车间布局方案进行优化，解决车间立柱对设备布局的干涉问题。与此同时，使用Delmia/Quest软件对生产线进行仿真测试，明确拌砂机生产线工序，采用增设一台拌砂机与优化生产节拍的方案进行优化，最终经实践验证，整体方案有着显著效果。