PC构件生产线的规划设计与仿真

于 恒，张志强，曲明亮，冯泽锐

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192)

0 引言

混凝土预制构件(简称PC构件)是指在工厂中通过专业化、机械化、标准化加工生成的混凝土预制品，是装配式建筑的基础组件[1]。目前，国外的PC构件生产线比较先进，而我国的生产线在生产过程中仍存在生产逆流和阻塞断流的问题，与国外的先进生产线有一定的差距。PC构件生产线的布局方式、生产过程中的调度和自动化程度是影响生产效率的主要因素。国内对于PC构件生产线的研究主要集中在生产过程中的物流调度和单一工位所需设备的改进两个方面，对于生产线整体的布局设计研究较少。综合考虑PC构件各个生产环节所需时间条件，根据实际生产情况，改进传统的生产线的布局方式，能够有效解决PC构件生产线各生产环节存在的生产逆流和阻塞断流的问题，提高PC构件生产线的生产效率。

1 PC构件典型产品生产工艺分析

PC构件生产线的产品主要为外墙板、内墙板和叠合板3种典型构件[2]。如图1所示：内墙板的生产工艺以自动划线工序为一个循环的起点，依次经过安装边模、装钢筋笼、装预埋件、浇筑、赶平、预养护、抹光、养护、拆模吊运、清洗底模和喷脱模剂等工序后完成该生产循环，然后回到自动划线工序进行第二次循环；外墙板的生产工艺在内墙板生产工艺的基础上，还需经过装上边模、装保温板、装钢筋网和二次浇筑这4个工序；叠合板生产工艺相对简单，浇筑后完成静停、拉毛即可直接进入养护窑。目前，装钢筋笼工位和装预埋件工位处于半自动化水平，3种主要产品在这两个工位都存在阻塞断流的问题。此外，外墙板加工工序多，需要进行2次浇筑，在此生产环节中还会产生逆流的问题。为了使生产线的布局同时解决3种产品在生产过程中出现的问题，本文选择外墙板作为PC构件生产线的产品，对生产线进行布局设计和仿真研究。

2 PC构件生产线的设计

2.1 布局设计

生产线的布局原则主要包括：定位布局原则、工艺布局原则、产品布局原则和成组布局原则[3]。根据上文分析可知，外墙板的生产过程要经过15个工艺步骤，为了减少生产逆流，有效提高生产效率，并且保证每个工艺步骤按照顺序依次进行[4]，将工艺布局原则和产品布局原则相结合，作为PC构件生产线的布局原则。由于在生产的过程中底模需要循环使用，因此选定O型布局作为PC构件生产线的布局形式。本文设计的PC构件生产线布局如图2所示。

外墙板生产线由清洗底模工序到拆模吊装工序为1个O型循环，生产线每完成1个O型循环，生产1块外墙板预制件。因为装钢筋笼和装预埋件2个工序目前处在半自动化水平，耗时较长，改进后的生产线将装钢筋笼工位和装预埋件工位，移动到O型循环外，变为辅助工位，在安装边模工序完成后，底模进入到辅助工位，完成装钢筋笼和装预埋件2道工序，然后返回至O型循环内。该措施减少了在此的等待时间，解决了这两个工位阻塞断流的问题。生产线在一次布料工位后新增2个装上边模工位，2个装保温板工位和1个装钢筋网工位，外墙板在完成1次浇筑后，移动至新增加的工位，完成二次布料前的工序。此前因为只有1个布料工位，外墙板在安装完成钢筋网后需要逆向移动至布料工位，完成二次布料，并且其他需要一次布料的底模会在装预埋件和布料工位之间堵塞，因此，加大了混凝土浇筑机的移动范围，增加了布料区域(虚线)，将布料工位拆分为一次布料工位和二次布料工位。一次布料和二次布料2个工序互不影响，减少了生产逆流，使得生产线更顺畅，生产线效率更高，避免形成瓶颈。此外，拆模吊装与安装边模之间设有横移小车，减少2个工位间的距离，将拆卸的边模直接通过横移小车运送至边模安装工位，以此替代人工装运，提升了边模运送效率。

2.2 平衡分析

生产平衡率是用来衡量生产线平衡水平的指标[5]。生产平衡率越高，生产线运行越均衡，产生阻塞、停滞的几率越低；反之，生产平衡率越低，生产线运行越不通畅，越容易产生断流。一般生产平衡率大于70%即可保证生产线运行顺畅[6]。

山东某PC构件生产厂家，其生产线在国内处于领先水平，年产量可达30万件，各工位的平均工作时间如表1所示。

表1 各工位平均工作时间

作业时间最长的工序为蒸汽养护，用时8000 s。设定该工序含有两个养护室，可同时容纳80块板，平均工作时间约为100 s。其次是预养护工序，用时900 s，设定该工序有两个工位，可同时容纳10块板，平均工作时间为90 s。其他工位的平均工作时间均小于100 s。可见，蒸汽养护是生产线的瓶颈，以此作为生产节拍进行平衡分析。

产品生产周期：

T=T0×N=100s×16=1600s

(1)

生产线平衡率：

(2)

3 PC构件生产线仿真分析

3.1 建立仿真模型

根据PC构件生产线的信息及各工位的工作状态，利用Plant Simulation建立仿真模型。将生产线的加工工位看作单处理单元，用连接器将各个单处理单元连接[7]，如图3所示。根据实际生产情况，设置单处理单元的加工时间，其中生产线的安装边模、装钢筋笼、装上边模和装钢筋网这4个生产工序各含有2个工位，仿真模型中合并为1个，所以加工时间设置为实际用时的一半。

设置生产线的班次时间和日程表。现按照每周工作6天，每天工作时间为7∶00～18∶00，中间12∶00～13∶00休息，有效工作时间为10 h。由于生产线设备故障、设备定期维护、质量问题等都可能导致停线[8]，有效工作时间计90%，即每天工作时间为9 h，将休息时间改为12∶30～13∶30。根据国家法定节假日的要求设置日程表。

3.2 仿真结果分析

仿真模型搭建完成后，添加显示控件，实时显示外墙板的产量[9]。然后在时间控制器中设置仿真时间，其中生产线的开始时间为2020年1月1日，仿真持续时间为366天。仿真结果如图4所示，生产线1年的外墙板产量为351 251块，相比传统生产线的产量得到提升。添加瓶颈分析器，分析各个工位的工作情况。其中物料站物料供应充足，设置为堵塞模式[10]，除物料站外，其余工位均无堵塞现象。PC构件生产线的各工位各状态时间占比如表2所示，一次布料工位和二次布料工位处于满负荷工作，拆模吊装工位的工作时间高达99.97%。喷脱模剂工位、赶平工位和抹光工位的等待时间占比较高，分别为66.67%，55.56%，55.56%。

表2 各状态时间占比 %

4 结束语

通过分析PC构件的加工工艺和各工位的生产节拍，选用O型结构的布局形式，并将装预埋件工位和装钢筋笼工位移动至O型循环外，作为O型循环的辅助工位，降低了这2个工位的阻塞时间；增大布料区域，将布料工位拆分为一次布料和二次布料2个工位，使得一次布料和二次布料互不影响，解决因二次布料产生的生产逆流问题；然后通过分析计算生产线的平衡性，确保了所设计生产线布局的合理性；利用离散系统仿真软件Plant Simulation建立生产线的仿真模型，并对PC生产线的年产量和瓶颈进行分析，改进后的生产线的年产量得到提升，并且生产线在生产过程中未出现阻塞点，生产线的生产效率得到明显提升，满足设计要求。