仿真系統(tǒng)在《生產(chǎn)計劃與控制》課程設計中的應用

0課程設計教學內(nèi)容中存在的問題課程設計不僅是高中實踐教育環(huán)節(jié)的重要組成部分，也是增強學生實踐技能的重要組成部分。在進行課程設計之前,大學生應當掌握堅實的專業(yè)基礎理論、廣泛的專業(yè)知識以及基本的實驗方法,不僅對培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題以及初步形成科學研究的綜合能力具有重要作用,更是增強學生職業(yè)意識以及鞏固所學理論知識的重要途徑。《生產(chǎn)計劃與控制》課程之所以被列為高校物流工程專業(yè)的核心專業(yè)課程,那是因為其具有實踐性強以及緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際的特點。但是目前的國內(nèi)高校受到各種限制已經(jīng)形成了紙上談兵的教學形式,并且對學生掌握生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設計方法的要求隨著企業(yè)信息化的發(fā)展提出了較高的實踐操作能力要求。由于在目前的教學體系中缺乏能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié),從而達不到企業(yè)的用人要求。本文重點從提高《生產(chǎn)計劃與控制》課程設計教學內(nèi)容角度對實踐教學系統(tǒng)的建設和應用情況進行研究,旨在提高該課程的教學效果。在生產(chǎn)物流課程設計方面主要分為解析方法和仿真方法兩種。雖然解析法具有悠久的歷史、應用廣泛且是一種成功的方法,但是由于其過于強調(diào)數(shù)學抽象,因此,此方法可以求得最優(yōu)解但是卻不便于分析實際的系統(tǒng),并且隨著不斷擴大的現(xiàn)代物流系統(tǒng)規(guī)模,使得這種方法在求得最優(yōu)解過程中變得十分復雜甚至求不出最優(yōu)解。而仿真法則是根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)和組成利用已經(jīng)對系統(tǒng)調(diào)研分析獲得的數(shù)據(jù)建立的動態(tài)模型進行分析,由于此模型不僅對物理特性和邏輯特性進行了很好的表達且貼近實際,因此便于分析系統(tǒng)。因此,運行一次仿真模型只是對系統(tǒng)的一次抽樣的模擬,因此,仿真方法不是一種優(yōu)化方法并不求出最優(yōu)解,但是可以根據(jù)模型的運行效果進行參數(shù)修改,經(jīng)過反復仿真以求得最優(yōu)解。因此,隨著我國制造業(yè)信息化進程的不斷推進,仿真規(guī)劃將會得到越來越廣泛的研究和應用。1基于en計劃建模的生產(chǎn)計劃與控制課程的研究1.1方案設計計算實踐性環(huán)節(jié)當學生完成一門或多門專業(yè)課程教學后,綜合利用所學知識以及查閱相關(guān)資料從而完成方案構(gòu)思或方案設計計算實踐性環(huán)節(jié)即《生產(chǎn)計劃與控制》課程設計。此設計不僅有利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)造能力,并且還為學生提供了一個既動手又動腦且理論結(jié)合實際的機會。本文的目標是:解決課程設計教學模式單一且缺乏仿真模擬實踐教學環(huán)節(jié)的問題,從而充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性。1.2基于成本管理的生產(chǎn)仿真本課設根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及生產(chǎn)流程的分析,運用所學的先進生產(chǎn)物流管理模式,對其進行總體規(guī)劃,以滿足柔性生產(chǎn)的要求。①首先以生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象,提出生產(chǎn)線平衡理論與系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合,通過對生產(chǎn)線的調(diào)查,收集整理生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要包括產(chǎn)品的BOM(物料清單),年產(chǎn)量,每種產(chǎn)品的工藝流程,每個工序的加工時間以及工人的人數(shù),生產(chǎn)物料的種類、重量和尺寸等信息。物流工程專業(yè)開設了物流裝備和一些機械相關(guān)的課程,學生可以根據(jù)生產(chǎn)物料的種類、重量和尺寸確定物料搬運的設備及生產(chǎn)設備。根據(jù)產(chǎn)出量指標確定生產(chǎn)的規(guī)模,實現(xiàn)預期的生產(chǎn)目標。根據(jù)產(chǎn)成品的種類來設計柔性生產(chǎn)線(也叫混合生產(chǎn)線),能夠成批生產(chǎn)彼此不相關(guān)的產(chǎn)品,使得多品種、小批量生產(chǎn)成為一種高效率的生產(chǎn)。要求學生繪制生產(chǎn)線的工藝流程圖。②然后,對混合生產(chǎn)線進行啟發(fā)式平衡設計,采用JIT技術(shù)實現(xiàn)對生產(chǎn)節(jié)拍的控制從而達到生產(chǎn)平衡。JIT準時制生產(chǎn)方式作為一種獨特的生產(chǎn)管理技術(shù),即通過生產(chǎn)流程化、作業(yè)標準化、生產(chǎn)均衡化、資源配置合理化。JIT準時化生產(chǎn)系統(tǒng)是只在需要的時候,按需要的產(chǎn)品生產(chǎn)的需要,通過程序控制、庫存管理和生產(chǎn),使生產(chǎn)庫存系統(tǒng)達到最小。③在此基礎上,根據(jù)生產(chǎn)流程的種類和生產(chǎn)工藝對總體生產(chǎn)設施應用原則布置方法進行設施布局,主要采用產(chǎn)品原則布置(生產(chǎn)線布置),工藝原則布置(機群式布置)和成組單元布置。對于廠區(qū)物流單元布局可采用SLP(系統(tǒng)設施布置)方法設計,最終達到節(jié)約物流量搬運成本盡可能低的目地,使生產(chǎn)效率最高,并且要求繪制出生產(chǎn)流程的物流布局圖和裝配工位設計圖。④再應用Johnson啟發(fā)式算法(兩臺機器)、Palmer算法(三臺及以上機器)、遺傳算法或其他算法進行車間的生產(chǎn)排程。這部分設計內(nèi)容如果課程設計的時間不夠,可以不做。⑤最后,在對生產(chǎn)線進行仿真實體抽象的基礎上,利用面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件eM-Plant,建立能夠滿足柔性生產(chǎn)要求的仿真模型。仿真模型與物理車間的區(qū)別在結(jié)構(gòu)上是相似的,在功能上是同等的,區(qū)別在于它并不消耗真實的物質(zhì)和能源。3D可視化地展現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)運行效果,驗證方案的可行性,并分析仿真結(jié)果。這部分與前面工作的工作量各占一半。1)仿真內(nèi)容包括生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型的建立,人機作業(yè)分析的仿真,設施布置仿真,生產(chǎn)排程的仿真,設備數(shù)量的仿真,設備調(diào)度的仿真,暫存區(qū)的仿真,生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的輸出,仿真結(jié)果分析及優(yōu)化,最終提供優(yōu)化設計方案。2)參數(shù)設定包括決定設計的決策變量(如機床失效率、設備布局、零件加工工序)、工作負荷(如原材料到達規(guī)律)和運行規(guī)則(如先進先出)等內(nèi)容。仿真軟件將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成制造系統(tǒng)模型,這個模型包含制造系統(tǒng)中各模塊的相互關(guān)系,并且是系統(tǒng)內(nèi)隨機現(xiàn)象的統(tǒng)計模型。用戶仿真時,首先確定初始狀態(tài)(如暫存區(qū)容量、設備加工時間),從初始狀態(tài),仿真軟件以時間為自變量按照模型的規(guī)則運行,跟蹤所發(fā)生的各種事件(如零件傳送、設備故障)。3)最后設置多次運行設定不同的仿真情形、仿真運行時間和仿真前的熱身時間等信息,仿真軟件會輸出仿真結(jié)果,包括產(chǎn)出量,仿真時間,空閑時間,加工時間,設備利用率,零件通過率等統(tǒng)計性能參數(shù)。仿真結(jié)果分析包括加工時間波動、故障率和暫存區(qū)容量變化對產(chǎn)出率的影響,對象參數(shù)優(yōu)化,瓶頸分析,對生產(chǎn)線平衡前后的重要指標進行比較,以達到生產(chǎn)線的平衡得到了極大的改善,生產(chǎn)率得到較大提高的目的。通過計劃和控制生產(chǎn)物流從而對企業(yè)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行優(yōu)化,從而使得企業(yè)的物流暢通無阻,不僅可以保證生產(chǎn)過程的物料需求,又可以保證生產(chǎn)的正常運行。具體方案如圖1所示。1.3系統(tǒng)距離的組成以下簡稱“系統(tǒng)”成績課設成績由平時成績(包括課設答疑情況,設計進度),研究報告(包括內(nèi)容全面),仿真模型(包括復雜程度,與實際系統(tǒng)接近程度等),答辯成績(包括自述,回答問題)四部分組成。研究報告內(nèi)容包括背景描述,仿真研究的目標,收集數(shù)據(jù)定義模型(包括精確數(shù)據(jù)、來自客戶或建模者的推斷),建模過程,對象的參數(shù)設置,編寫控制程序,設計仿真實驗(說明每種設計所需要的仿真次數(shù)、每次仿真的時間長度和初始狀態(tài)等),運行仿真程序,輸出仿真數(shù)據(jù),仿真結(jié)果分析,模型優(yōu)化分析。2生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設計方案的應用本文研究的《生產(chǎn)計劃與控制》課程設計是生產(chǎn)管理模式與仿真技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設計中的應用。本課設內(nèi)容涉及到《生產(chǎn)計劃與控制》課程和《物流系統(tǒng)仿真技術(shù)》課程的主要知識點,以及《物流裝備》課程和《系統(tǒng)設施布置》課程的相關(guān)內(nèi)容,這種以《生產(chǎn)計劃與控制》課程為主體綜合四門課的理論知識應用實踐,有更重要的意義,使學生對這四門專業(yè)課融會貫通。課設應用了《生產(chǎn)計劃與控制》課程的一些重要的知識點———生產(chǎn)線平衡、生產(chǎn)排程、設施布置、柔性生產(chǎn)線,解決實際生產(chǎn)系統(tǒng)中典型問題,培養(yǎng)學生理論與實踐相結(jié)合。針對獲得的生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃方案運用物流仿真軟件eM-Plant建模驗證,實現(xiàn)在工程數(shù)據(jù)的驅(qū)動下,優(yōu)化設計方案。3D動畫顯示,給用戶直觀展現(xiàn)生產(chǎn)線的工作過程,以更直覺、更生動、更精確的方式給出生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過程仿真結(jié)果,形成對生產(chǎn)線特征的準確理解與直觀評價,培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)造力。在課設過程中,學生每人一題,每人上交一份研究報告和仿真模型