案例4： 库存控制建模仿真

4.1 流程描述

• 案例描述

某轮胎组装生产线，需要使用来自三种型号的辊子（A,B,C）材料切片来完成一只轮胎的组装。每生产一只轮胎需要三种型号的辊子切片。其中A型号28片，B型号16片，C型号32片，作业节拍30分钟。

在辊子生产工段有三个不同的设备生产三种辊子A,B,C，辊子各自加工节拍分别是36,42,28分钟，这三台机器，只在各自生产辊子的库存少于4时，开始组织生产，辊子原料无限。

开卷设备将辊子分割成用于装配轮胎的切片，开卷设备3台，节拍20分钟，在轮胎设备缺料时组织生产，其中辊子A可切割112片，辊子B为118片， 辊子C 为105片，三台开卷设备的线边库存容量为均500片。

• 仿真目标

建立上述轮胎生产过程的仿真模型，运行1天= 24*60 = 1440分钟，分析：车间产能情况。

1. 加工设备利用率
2. 产线产能

• 建模分析

我们可以把本案例的轮胎生产线从流程布局上划分成三个工段:：

✤ 辊子生产工段：有三台生产不同型号辊子的设备,，每次生产只生产一只辊子，建模时，创建三个“Production”类型的Machine元素：“RollerA”、“RollerB”、“RollerC”表示他们。定义三种Part元素：“PartA”、“PartB”、“PartC”分别代表他们所生产的辊子原料，因为辊子原材料无限，随取随用，因此使用“Passive”类型的“Part”元素代表它们。定义三个Buffer元素：“BufferA”、“BufferB”、“BufferC”代表辊子生产设备的线边库存。辊子生产设备将自己生产出来的辊子堆放到自己的线边库存中，为后道开卷工序取用。并且实时监控自己的线边库存，只在线边库存少于4时，再次开动机器生产，因此需要在辊子生产设备的物料输入逻辑中加入库存控制代码（以RollerA设备为例）：

✤ 辊子开卷工段：有三台对应型号的辊子开卷设备，每次生产时，将一只辊子开卷后分割出若干用于组装轮胎的橡胶切片，即开卷设备的操作逻辑是输入一个物料，制造出n个零件，因此建模时，创建三个“Create”类型的Machine元素：“CutterA”、“CutterB”、“CutterC”表示他们。创建三个Buffer元素：“bf_CutterA”、“bf_CutterB”、“bf_CutterC”分别表示开卷设备的线边库存。

✤ 轮胎生产工段：有一台轮胎组装设备,，每次生产只生产一只轮胎，需要取用三种型号的辊子切片各1片，因此建模时，创建一个“Assembly”类型的Machine元素：“Tyre”代表轮胎组装设备。定义一个Buffer元素“bf_Tyre”代表它的线边库存。

• 建模步骤

1. 启动BHTC Simulation仿真系统，点击控制面板上的“新建模型”按钮，开始模型构建过程。
2. 设施布局：

✤ 为提高建模效率，首先使用设计模版，创建出本案例中的轮胎原材料Part元素（分别是PartA、PartB、PartC，并定义它们为“Passive”类型的Part元素）、一台辊子生产设备及其线边库存、一台开卷设备及其线边库存，在屏幕上对它们适当布局，结果如下图所示：

✤ 在布局区域中点击选择图中四台设备，单击鼠标右键弹出模型编辑菜单，选择其中的“节点本地复制”按钮，系统弹出提示对话框：“请指定复制对象在图形区中的位置”，点击“确认”按钮，关闭提示框，在布局区域内滑动鼠标，这时被复制出来的四台设备图标跟随鼠标滑动，滑动至合适位置，再次点击鼠标左键完成新复制出来四台设备的布置。

重复上述操作，再次复制出另外四台设备，案例模型的设施布局如下图所示：

✤ BHTC_Simulation系统在对建模元素进行复制时，自动给新复制出的元素命名，为跟本案例对设备的命名保持一致，选中图中复制出的设备元素，单击右键弹出“模型编辑”快捷菜单，选择“重命名”按钮，参照前面建模分析表述，对复制出的设备重新命名，并新建轮胎组装设备与其线边库存元素，如下图所示：

✤ 接下来定义由开卷设备切割出的“切片”Part元素和由轮胎组装设备生成的“轮胎”Part元素，为了使仿真过程的动画画面简洁（开卷设备每次开卷要产生100件以上的切片零件），我们不使用自带图标的“设计模版”来创建这些Part元素，而使用“自定义”建模元素的方法，创建不带图标的建模元素，操作如下：鼠标右键单击模型结构树上的“Model”节点，系统弹出“模型编辑”下拉菜单，从中选择“创建模型元素”按钮，系统弹出“模型创建”对话框如下：

点击选择元素类型为“Part”，输入A型号切片零件名称“slice_A”如图所示，点击“确认”完成A型切片Part的定义，重复上述操作，定义B型切片、C型切片以及最后组装成的轮胎Part元素：slice_B，slice_C，Wheel。

✤ 因为这些元素还没有定义它们的图标，因此在仿真过程中，没有它们生产过程的动画展示，不能直观的通过动画观看这些零件一个一个的被制造出来，这时可以使用显示变量值的方法，即定义一个产能变量，让这些变量值显示在布局屏幕上，通过变量值的实时变化来了解零件的生产过程。操作如下：鼠标右键单击模型结构树上的“Model”节点，系统弹出“模型编辑”下拉菜单，从中选择“创建模型元素”按钮，系统弹出“模型创建”对话框如下：

点击选择元素类型为“Variable”，变量类型选择“Integer”整型，输入代表A型号切片零件数量的变量名称“N_sliceA”如图所示，点击“确认”完成A型切片数量变量的定义，重复上述操作，定义代表B型切片、C型切片以及最后组装成的轮胎数量的变量元素：N_sliceB，N_sliceC，N_tyre。

接下来定义这些产能变量在布局屏幕上的显示位置，以N_sliceA为例，操作如下：鼠标右键单击模型结构树上的“N_sliceA”节点，系统弹出“模型编辑”下拉菜单，从中选择“图形编辑”后，系统打开“图形编辑”菜单栏，如下图所示：

点击上图中红色箭头所示的“绘制变量”按钮，随后在屏幕布局区域内滑动鼠标，此时产能变量“N_sliceA”出现在屏幕上跟随鼠标移动，将其移动至合适位置（图中红色椭圆中心位置）后，再次点击鼠标左键，完成产能变量在布局区域中的显示定位，最后点击“图形绘制”菜单栏中的按钮，退出图形编辑完成产能变量“N_sliceA”的显示定义操作。重复上述操作，将其他产能变量，也显示到屏幕布局区域，如下图所示：

✤ 为了能让这些产能变量，在模型仿真运行中能实时监控到它所代表零件的产能变化，就需要把这些变量的变化逻辑写到模型中去，下面以监控A型切片的产能变量“N_sliceA”为例说明，操作如下：双击屏幕上A型切片的库存“bf_CutterA”图标，打开它的属性对话框，点击上面“Action on Input”动作行为代码按钮，打开Action代码编辑框，录入：

MM_Model_N_sliceA = MM_Model_N_sliceA + 1

完成后点击属性对话框上面“Action on Output”动作行为代码按钮，打开Action代码编辑框，录入：

MM_Model_N_sliceA = MM_Model_N_sliceA – 1

经过上述定义后，在模型的仿真运行阶段，每当有一个A型切片零件进入A型切片的库存时，产能变量“N_sliceA”就会增加1，反之当离开库存时，该变量就会减少1，从而实现实时监控A切片产能变化的目的。

重复上述操作，将产能变量“N_sliceB”、“N_sliceC”、“N_tyre”的变化逻辑也写入到模型中去。

✤ 最后，为了在运行仿真时，显示出轮胎组装设备的运行状态，给该设备添加一个饼图元素，操作如下：点击“设计模版”中的“饼图”图标，然后将鼠标移动至轮胎组装设备“Tyre”元素上方位置点击鼠标一次，以确定“饼图”元素的中心点位置，然后滑动鼠标，随着鼠标的滑动屏幕上出现“饼图”元素的“圆形”轮廓，滑动鼠标至轮廓合适大小后再次点击鼠标，完成“饼图”元素在屏幕布局区域的布置。然后再次双击“饼图”图标，打开它的属性对话框，如下图所示：

鼠标点击上图中“选取元素名称”输入框使之获得输入光标焦点，然后在模型结构树上找到轮胎组装设备“Tyre”节点，并双击该节点，在“选取元素名称”输入框中录入轮胎组装设备的全称，点击“确认”后完成“饼图”元素的定义，这样，在模型仿真运行过程中，饼图会实时显示“Tyre”设备的运行状态。

3. 参数定义：

✤ 辊子生产工段的生产设备属性参数定义：双击模型结构树上的RollerA、RollerB、RollerC元素节点，打开它们的属性对话框，输入它们的流程参数。如下

设备 名称	输入数量	设备类型	Pull from 逻辑	Push to 逻辑	加工时间
RollerA	1	Production	IF System_Buffer_Nparts(“BufferA”) < 4 Then     pull_from = array(“PartA”)   END IF	push_to = array(“BufferA”)	36
RollerB	1	Production	IF System_Buffer_Nparts(“BufferB”) < 4 Then     pull_from = array(“PartB”)   END IF	push_to = array(“BufferB”)	42
RollerC	1	Production	IF System_Buffer_Nparts(“BufferC”) < 4 Then     pull_from = array(“PartC”)   END IF	push_to = array(“BufferC”)	28

✤ 辊子生产工段的线边库存设备属性参数定义：双击模型结构树上的BufferA、BufferB、BufferC元素节点，打开它们的属性对话框，输入它们的流程参数。流程描述中并未给出辊子生产设备线边库存容量的描述，从本案例的库存控制逻辑可知，辊子生产设备的线边库存量不会多于4个，因此建模时，设定为50足够使用。如下

Buffer名称	零件滞留模式	库存容量
BufferA	Default	50
BufferB	Default	50
BufferC	Default	50

✤ 开卷工段的生产设备属性参数定义：以第一台开卷设备“CutterA”为例说明操作过程如下：双击模型结构树上的CutterA元素节点，打开它的属性对话框，如下图所示：

如图，选择“机器类型”为“Create”，此时属性界面出现红色圆圈所示的“新零件名”输入框，鼠标单击该输入框使之获得输入光标焦点，然后鼠标双击模型结构树上代表A型材料切片零件的“slice_A”节点，将其全称录入该输入框内，并在下面“输出数量”输入框中，输入“112”，即每切割一次A型辊子，就生产出112个“slice_A”零件出来。

重复上述操作，定义另外两台开卷设备“CutterB”、“CutterC”，它们属性参数值如下表所示：

设备 名称	输入数量	设备类型	Pull from 逻辑	Push to 逻辑	新零件名	输出数量	加工时间
CutterA	1	Create	pull_from = array(“BufferA”)	push_to = array(“bf_CutterA”)	slice_A	112	20
CutterB	1	Create	pull_from = array(“BufferB”)	push_to = array(“bf_CutterB”)	slice_B	118	20
CutterC	1	Create	pull_from = array(“BufferC”)	push_to = array(“bf_CutterC”)	slice_C	105	20

✤ 开卷工段的线边库存设备属性参数定义：双击模型结构树上的bf_CutterA、bf_CutterB、bf_CutterC元素节点，打开它们的属性对话框，输入它们的流程参数。如下:

Buffer名称	零件滞留模式	库存容量
bf_CutterA	Default	500
bf_CutterB	Default	500
bf_CutterC	Default	500

✤ 轮胎组装设备属性参数定义：双击模型结构树上的代表轮胎组装设备的“Tyre”元素节点，打开它的属性对话框，如下图所示：

如图，选择“机器类型”为“Assembly”，并点击图中红色箭头所示的复选框，激活“新零件名”输入框后，鼠标单击“新零件名”输入框，使之获得输入光标焦点，然后找到模型结构树上的代表轮胎零件的“Wheel”节点，并双击该节点，将其全称自动录入“新零件名”输入框中。经过这样的定义，模型在仿真时，每经过一次“组装”操作便生成一个新的零件“Wheel”，而进入装配的原材料切片零件，系统将不再保存。继续参考流程描述，输入轮胎组装设备的其它参数，如下标所示：

设备 名称	输入数量	设备类型	Pull from 逻辑	Push to 逻辑	加工时间
Tyre	76	Assembly	match_any = array(“bf_CutterA”, 28, “bf_CutterB”, 16, “bf_CutterC”,32)	push_to = array(“Bf_Tyre”)	30

• 仿真运行

在控制面板的“仿真时长”输入框内输入“1440”，点击“运行模型”按钮，仿真过程如下图所示：

模型运行至“1440”分钟后结束仿真，勾选模型结构树上的开卷设备、轮胎组装设备节点“CutterA”、“CutterB”、“CutterC”、“Tyre”，点击报表工具栏上的“机器报表”按钮，得到这些工序设备元素的统计信息如下：

工序名称	等待零件时间占比	加工零件时间占比	输出阻塞时间占比	等待人工时间占比	复位时间占比	故障时间占比	已完成加工次数
CutterA	8.75	22.222	69.027	0	0	0	15
CutterB	10.555	15.277	74.166	0	0	0	10
CuterC	5.277	26.388	68.333	0	0	0	18
Tyre	4.305	95.694	0	0	0	0	45

由上述统计信息可以看出，轮胎组装一天产能为45个，开卷设备的输出阻塞很严重，设备利用率不高。

观察仿真的动画过程可以看出，在仿真初始时刻，由于辊子生产工段的线边库存为空，因此辊子生产工段的设备一开始就开机生产，随后开卷设备开动，由于开卷设备的线边库存容量有限（500片），很快就暴库，这样开卷设备就因为输出阻塞而一直停在那里不能再次开动，而这时辊子生产工段的生产设备一直在生产，因为开卷设备一直处于阻塞状态，不能开机，这样不断产出的辊子就堆放在辊子生产工段，形成线边库存量，直至辊子的库存量等于4，则生产该型号辊子的生产设备就因为库存控制逻辑（只在线边库存少于4个时，才开始组织生产）而自动停机，直至该型号的开卷设备再次开机消耗掉辊子的线边库存时，该型号辊子的生产设备就会再次开机，整个生产过程呈“波浪间歇式”的自动进行下去，并且辊子的线边库存会一直维持在4的水平。

4.2 案例小结