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1、第六章 工厂布局设计 “物料(Material)”是原材料、各种制品和辅助物资的总称。物料的运动与变换过程被称为“物料流动(Flow of Materials or Material Flow)”，简称“物流”。“设施(Facilities)”是指物理工厂、配送中心、服务中心及其相关装备。因此设施的规划和设计是设计生产系统和服务系统的一项重要内容。我国习惯于用“工厂设计”这一名词，工厂就是工业设施，但只是设施规划的一部分。 6.1设施规划概述 6.1.1设施规划与设计的研究范围,从工业工程的角度考察，设施规划由场址选择与设施设计两个部分组成，设施设计又分为布置设计、物料搬运系统设计、建筑设计、
2、公用工程设计及信息通信设计五个相互关联的部分，如图6-1所示。,图6-1 设施规划与设计组成,（1）场址选择。 场址选择就是对可供选择的地区和具体位置的有关影响因素进行分析和评价，达到场址最优化。 （2）工厂布局设计。 工厂布局设计就是通过对系统物流、人流、信息流进行分析，对建筑物、机器、设备、运输通道和场地作出有机的组合与合理配置，达到系统内部布置最优化。 工厂布局设计(Plant Design)是设施规划与设计的一个最为重要且最为成熟的研究领域，其主要研究范围包括：工厂平面布置、物料搬运、仓储、能源管理及办公室布置等。,（3）物料搬运系统设计。 物料搬运系统设计就是对物料搬运路线、运量、搬
3、运方法和设备、储存场地等作出合理安排。在物料搬运系统设计中，物料搬运系统分析SHA(Systematic Handling Analysis)是一种重要的设计分析方法，其分析方法、分析程序与系统布置设计SLP非常相似。 （4）建筑设计。 设施规划与设计中，需根据建筑物和构筑物的功能和空间的需要，满足安全、经济、适用、美观的要求，进行建筑和结构设计。建筑设计需要土木建筑各项专业知识。,（5）公用工程设计。 生产或服务系统中的附属系统包括热力、煤气、电力、照明、给排水、采暖通风及空调等系统，通过对这类公用设施进行系统、协调的设计，可为整个系统的高效运营提供可靠的保障。 （6）信息网络设计。 对于工
4、矿企业来说，各生产环节生产状况的信息反馈直接影响生产调度、管理，反映出企业管理的现代化水平。随着计算机技术的应用，信息网络系统的复杂程度也大幅提高。信息网络系统设计也就成为了设施设计中的一个组成部分。,6.1.2设施规划的目标与原则 设施规划的目标 设施规划总的目标是使人力、财力、物力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即要确保规划的企业能以最小的投入获取最大的效益。,不论是新设施的规划还是旧设施的再规划，典型的目标是： (1) 简化加工过程，缩短生产周期，生产流程的均衡性好； (2) 有效地利用设备、空间、能源和人力资源； (3) 搬运的最佳化； (4) 对布置变更的
5、应对能力强； (5) 力求投资低，生产的经济性好； (6) 保护环境，为职工提供方便、舒适、安全和职业卫生的生产条件。 上述目标之间往往存在相互冲突，必须要用恰当的指标对每一个方案进行综合评价，达到总体目标的最优化。,2. 设施规划的原则 为了达到上述目标，现代设施规划与设计应遵循如下原则： (1) 减少或消除不必要的作业 (2) 以流动的观点作为设施规划的出发点，并贯穿在规划设计的始终。 (3) 运用系统的概念。 (4) 重视人的因素，运用人机工程理论，进行综合设计，并要考虑环境的条件包括空间大小、通道配置、色彩、照明、温度、湿度、噪声等因素对人的工作效率和身心健康的影响； (5) 设施规划
6、设计是从宏观到微观，又从微观到宏观的反复迭代、并行设计的过程。,6.1.3设施规划与设计阶段结构 R 缪瑟(RMuther)所指出的设施规划与设计“有一个与时间有关的阶段结构”，并且各阶段是依次进行的；阶段与阶段之间应互相搭接；每个阶段应有详细进度；阶段中自然形成若干个审核点。 图6-2体现了这种阶段结构。这种结构形成了从整体到局部、从全局到细节、从设想到实际的设计次序。即前一阶段工作在较高层次上进行，而后一阶段工作以前一阶段的工作成果为依据，在较低层次上进行；各阶段之间相互影响，交叉并行进行。,图6-2 设施规划与设计阶段结构,表6-1列出了设施规划与设计阶段结构的成果和工作。,6.1.4
7、设施规划（布局设计）设计方法 布局设计方法可分为： (1) 摆样法。利用二维平面比例模拟方法，按一定比例制成的样片在同一比例的平面图上表示设施系统的组成、设施、机器或活动，通过相关系的分析，调整样片位置可得较好的布置方案 (2) 数学模型法。运用运筹学、系统工程中的模型优化技术(如：线性规划、随机规划、多目标规划、运输问题l、排队论等)研究最优布局方案，为工业工程师提供数学模型，以提高系统布置的精确性和效率。,(3) 图解法。它产生于20世纪50年代，有螺线规划法、简化布置规划法及运输行程图等。 (4) 系统布置设计SLP(Systematic Layout Planning)法。 6.1.5
8、工厂布局的基本原始资料 工厂布局设计需要的主要原始资料是产品及其生产纲领和生产工艺过程。次要资料有两种，即支持生产的辅助服务部门和时间的安排。,(1) 产品(P，Product)和产量(Q，Quantity)。产品及其产量是指工厂要生产的产品型号、系列、规格、产量和年生产量 。 (2) 工艺过程(R，Route)。 由熟悉本行业先进生产工艺的工程技术人员或专业咨询公司提供的工艺过程表、工艺路线卡、装配工艺卡等工艺文件。 (3) 辅助服务部门(S，Service)。是指支持生产运行的工厂各辅助部门，如工具领取和维修部门、动力部门，各公用设施管理部门等。 (4) 时间安排(T，Time)。是指产品
9、的生产周期、投产的批量与批次、各种操作时间定额标准等,6.1.6系统布置设计(SLP)模式 最具代表性的工厂布局设计方法是R缪瑟(RMuther)提出的“系统布置设计(SLP)”法，该方法提出了作业单位相互关系密级表示法，使布置设计由定性阶段发展到定量阶段。在缪瑟提出的系统布置设计(SLP)中，正是把产品P、产量Q、生产路线R、辅助服务部门S及生产时间安排T作为给定的基本要素(原始资料)，作为布置设计工作的基本出发点。系统布置设计(SLP)程序如图6-3所示。一般经过下列步骤：,(1) 准备原始资料。 (2) 物流分析与作业单位相互关系分析。 (3) 绘制作业单位位置相关图。 (4) 作业单位
10、占地面积计算。 (5) 绘制作业单位面积相关图。 (6) 修正。 (7) 方案评价与择优。,6.1.7工厂布局形式 1设施布置的常规布局形式 设施布置又可分为产品原则布置、工艺原则布置及成组原则布置三种形式。每一种设备布置形式各有特点，分别适应不同的生产类型： (1) 产品原则布置(Product Layout)。产品原则布置也称为流水线布置或对象原则布置。 (2) 工艺原则布置(Process Layout)。 工艺原则布置也称为机群式布置。这种布置形式的特点就是把同种类型的设备和人员集中布置在一个地方。,(3)固定式布置(Fixed Production Layout)。 固定式布置用于特
11、大型装备的制造，装备的基座、机架或主机固定在安装位（如船台）上，其它材料和零部件均向固定的安装位流动。如图6-4所示。,产品原则布置、工艺原则布置和固定式布置的比较如表6-2所示。 表62各种布置的比较,(4) 成组原则布置(Group Layout)。 成组原则布置又称为混合原则布置。在产品品种较多，每种产品的产量又是中等程度的情况下，将工件按其外形与加工工艺的相似性进行编码分组，同组零件用相似的工艺过程进行加工，同时将设备成组布置，即把使用频率高的机器群按工艺过程顺序布置组合成成组制造单元，整个生产系统由数个成组制造单元构成 。 成组原则布置包括单元生产布置和柔性布置两种，柔性布置又可细分
12、为柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)两种形式。,2单元生产布置方式 单元生产布置方式本质上属于成组原则布置，是成组原则布置在精益生产中的发展。单元生产方式具体表现形式是单元生产线，简称单元线。一条单元线配备完成生产任务所必须的最少的相关设备、工位器具和操作员。所以单元线是一种能独立完成某类生产，但产能较小的生产组织。工厂用于制造的资源可以被组合成为数目众多、产能较小的单元线。单元线是工序一体化、职能一体化的生产单元。,（1）单元生产布置方式的优势 1）时间流失最少化 品种切换只需要更少的时间，压缩单次切换时间，分流切换次数，避免无效切换，则大大减少了切换带来的时间损失，小批量从投产
13、到产出所需时间少。 生产单元便于组合在空间上没有断点与隔离的各个工序，这样大大减少了多品种轮番上线生产时各工序节拍不统一带来的等待、堆码、清点、寻找的时间流失。 生产单元产能小，即人员少，也就是工序数目少，当然也就意味着每个工序所需完成的工作量大，生产节拍时间长。这样，各工序与最慢之工序时间差相对与较长生产节拍而言，其比例较小，即积累时间流失少。 生产线可布置为工作量容易合并、工序容易转移的流水作业，工位可相互补偿，及时在线的调节工位时间，减少并消除等待时间。 工序一体化的生产单元，信息流动十分顺畅，绝不会因为信息流动不畅，而导致等待、生产过量的作业时间流失。,2）物流通畅 生产单元工序一体化
14、，以及生产单元内生产流水线的布置，决定了半成品在各工序之间的转移实现了连续化的流动，使工序不存在半成品的堆积与滞留。 生产单元内流水布置，加工件单件连续流动的作业方法，加工件从第一个工序投产，能够迅速流动到最后一个工序。 材料及备件直接送到生产单元线，实现准时配送。,3）便于管理 由于生产单元产能小，工序数目少，物流、信息流、人流简单，产生生产异常的机会变少。 因产品型号改变等原因而进行的生产线切换，被众多的生产单元所承受，每一个生产单元的切换次数较少。 当市场订单量的增加，导致作业工时的增加时，生产线随时能增插作业人员。当市场订单量的减少，导致作业工时的减少时，生产线能及时抽减作业员。,4）
15、降低成本 单个生产单元产能少，需要的设备少、场地少、人员少、投资少。 职能一体化的生产单元，可使隐藏冗员、闲杂人员的职能机构被撤销，精简了臃肿的职能机构，消减了许多间接作业人员（如管理人员、文员、秘书、物料控制员）。,5）技术积累 工程师深入生产一线，能够迅速解决生产技术问题。工位补偿能充分发挥员工智力资源，实现一员多能。利于各种新工艺、新方法及新的资源组合技术的显现。,（2）单元生产方式实现的关键 要实现单元化生产，生产现场必须拥有下列三个关键能力： 1）较强的IE应用能力，能够迅速地修改标准操作程序，对作业进行重新调整与分配。 2）拥有一支训练有素，具有多种操作技能的员工队伍。 3）拥有的
16、对生产线进行抽减与增插所需要的作业人员，拥有使生产线高速正常运转的作业实施执行机构。,（3）单元生产线的形态方式： 1)单人方式。 2)分工方式。 3)巡回方式。也称“追兔方式” 如图6-5所示了单元式生产方式的3种形态。,3PQ分析与布局形式 图6-6所示的产品PQ分析图 在产品PQ分析图中，P、Q坐标位于左上部的产品，品种很少而生产数量又很大，应按产品的加工工艺过程顺序布置设备；P、Q坐标位于右下部的产品，生产品种多而批量小，应按工艺原则布置设备；P、Q坐标位于中部的产品，产品品种较多而每种产品的产量又是中等，应按成组原则布置设备。,每种设备布局形式各有特点，分别适应不同的生产类型。如图6-7所示：,图 6-7 设备布置的基本形式,下面强调一下工艺流程型布局和产品型布局之间的区别： (1) 在产品型流程布局中物料的流通更顺畅。 (2) 与产品型流程相关的是限制机器的生产能力需要。 (3) 多步生产流程为适应特殊任务的单一、低成本装置提供了返还机会。,6.2流程分析与空间需求分析 流程分析是工厂布局的前提。零件的流程指此零件在整
