设施布置设计（1）课件

设施布置设计（1） 1 1 布置决策 n设施布置与设计是决定企业长期运营效率重要的决策。 n据测算，物料搬运和布置有关的成本占工厂生产总运营成 本2050% 。采用有效的布置方法，可以使这些成本降低 30%左右，甚至更多。 n生产系统设施布置： 根据企业的经营目标和生产纲领，在已确定的 空间场所内，按照从原材料的接收、零件和产品的制造 ，到成品的包装、发运的全过程，将人员、设备、物料 所需要的空间做最适当的分配和最有效的组合，以便获 得最大的经济效益。 n不仅有形的生产和服务设施会碰到布置和重新布置的问题 ，即使是非物质生产的服务系统，如商店、宾馆、餐馆也 同样面临此问题。 2 1.1设施布置的内容 n物流和物料搬运设备。根据物流的重要性和形 式，采用何种设备，是传送带、起重机、自动 仓库还是自动小车来发送和存储物料。并考虑 物料在不同工作单元间移动的成本。 n容量和空间要求。为每一作业单位分配合理的 空间，并考虑通道、洗手间、餐厅、楼梯等附 属设施的要求。 n环境和美学。确定厂区环境、建筑风格、室内 布置等因素，以创造良好的工作环境。 n信息流。布置必须方便交流。 3 n设施布置最早起源于工厂设计。一个工厂的设施布置 包括工厂总体布置和车间布置。 n工厂总体布置设计：解决工厂各个组成部分，包括生 产车间、辅助生产车间、仓库、动力站、办公室、露 天作业场地等各种作业单位和运输线路、管线、绿化 和美化设施的相互位置，同时应解决物料的流向和流 程、厂内外运输的联接及运输方式。 n车间布置设计：解决各生产工段（工作站）、辅助服 务部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道 、管线之间和相互位置，同时，应解决物料搬运的流 程及运输方式。 4 n作业单位 (Activity) 是指布置图中各个不同的工作区或 存在物，是设施的基本区划。 n作业单位的最高层次是要设计的设施(Facility)，它包 括一系列部门(Departments)，部门可以是车间或其他 机构。 n部门由工作中心(Work Center)组成，工厂中的工作中 心可以是工段或班组，如车床工段；也可以是柔性制 造单元(FMS)。 n部门级的布置指的是块状布置图(Block Layout)，工作 中心级的布置指的是详细布置图(Detailed Layout)。 n工作中心由工作站(Workstation)组成。工作站也称工 作地，是最小作业单位，它一般由一台机器和/或一 个作业人员组成。 n工作地布置是整个布置的基础，工作站面积大小和形 状对上面几个层次的布置影响很大，一般通过人机工 程、工作测量、机器本身的尺寸、输入输出要求来确 定工作地的面积和其他要求。 5 作业单位的层次 设施 部门部门部门部门 工作中心工作中心工作中心 工作地工作地工作地 块 状 布 置 图 详 细 布 置 图 工作地布置 6 1.2设施布置的原则 n设施布置的好坏直接影响整个系统的物 流、信息流、生产经营能力、工艺过程 、灵活性、效率、成本和安全等方面， 并反映一个组织的工作质量、企业形象 和顾客印象等内涵。 7 设施布置设计要考虑的基本原则： n符合工艺过程的要求 n最有效地利用空间 n物料搬运费用最少 n保持生产和安排的柔性 n适应组织结构的合理化和管理的方便 n为职工提供方便、安全、舒适的作业环境 8 2 典型布置形式 n按设施类别分为生产设施和服务设施两大类。 n生产设施的四种基本的布置形式： n固定式布置 n产品原则布置 n工艺原则布置 n成组原则布置 n服务设施的三种基本的布置形式： n零售店布置 n办公室布置 n仓库布置 9 2.1固定式布置 n固定式布置 (Fixed-Position Layout) 也称 项目布置，它主要是工程项目和大型产品 生产所采用的一种布置形式。 n它的加工对象位置、生产工人和设备都随 加工产品所在的某一位置而转移。之所以 要固定，是因为加工对象大而重，不易移 动。 n如工程建设、飞机厂、造船厂、重型机器 厂等。 10 11 12 13 n固定式布置是人类最早的生产布置形式 ，用于农业种植、房屋建造、道路建设 和采掘开矿等方面。 n一般不采用固定式布置，即使采用，也 尽量将大的加工对象先期分割，零部件 标准化，尽可能分散在其他位置和车间 批量生产，以降低生产组织管理难度。 如工程建设的预制件生产和大型机器设 备的部件生产。 14 2.2产品原则布置 n产品原则布置(Product Layout)，又称 流水线布置（Assembly Line Layout） 或对象原则布置。 n当生产产品品种少批量大时，应当按 照产品的加工工艺过程顺序来配置设 备，形成流水生产线或装配线布置 。 nFord首创流水线生产。 15 16 17 18 n产品原则布置的基础是标准化及专业分工。 整个产品被分解成一系列标准化的作业，由 专门的人力及加工设备来完成。 n以汽车装配线为例，对于一条装配线而言， 其车型基本不变或变化不大，整个装配顺序 固定不变，这样，通过作业分工将汽车装配 分解为若干标准化的装配作业，各个工作站 配备有专用的装配设备来完成固定的装配作 业，不同工作站间的运输采用专用的、路径 固定的运送设备。 19 20 2.3工艺原则布置 n工艺原则布置（Process Layout），又称功能布 置（Functional Layout）。 n将功能相同或相似的一组设施排布在一起。又 被称作机群式布置。 n加工工艺需要这些设备的工件按工艺路线成批 进入这些班组。不同的产品需要不同的工艺路 线。 n为了适应多种加工对象及工艺路线，需要采用 可变运输路线的物料搬运设备，如叉车、手推 车等。 21 22 23 24 n工艺原则布置在服务业中也很常见，此 时称为过程原则布置。 n例如综合医院的布置一般是将功能相似 的检查设备，如牙齿的X射线检查仪、内 脏的X射线检查仪等及相应的医护人员组 成放射科，或将服务功能相似的医生， 如外科医生、精神科医生等分别组成外 科、精神科。 n航空公司和公共图书馆都属于这一类。 25 2.4组合布置 n上述三种基本布置形式是理想的模型，实际布置设计常 常是几种形式的组合。 n例如一些机械工厂从大面上看是工艺原则布置，但不排 除部分车间采用产品原则布置。医院总的来说也是工艺 （过程）原则布置，但手术室等则为固定式布置。 n工艺原则布置和产品原则布置代表了小批量生产到连续 大规模生产的两个极端。 n在工艺原则布置的基础之上，向产品原则布置靠拢。这 样，系统既灵活又有效，单位生产成本低。单元制造、 成组技术和柔性制造单元就代表了这种方向。 26 2.5成组原则布置（Group Layout） n成组原则布置在制造业中又称单元制造（Cellular Manufacturing），是一种较为先进的布置方法。 n由于顾客需求的多样化，多品种、少批量生产模式已成为当 前生产的主流。成组技术正是适应这种需要而发展起来的。 n成组技术就是识别和利用产品零部件的相似性，将零件分类 。一系列相似工艺要求的零件组成零件族。针对一个零件族 的设备要求所形成的一系列机器，称作机器组。这些机器组 即制造单元。 n成组原则布置可以认为是产品原则布置的缩影，是将工艺原 则布置系统转化为接近产品原则布置系统。 n相比于工艺原则布置，由于经过分组，其加工时间较短、物 流效率较高、在制品量较低、准备时间较短，同时又具有工 艺原则布置的柔性特点，因而是一种具有发展潜力的布置方 式。 27 28 29 2.6流动模式 n布置问题的定量分析最常见的目标是降低 物流成本，这时就要对设施内的流动模式 (Patterns of Flow) 作出分析。 n流动模式可以分为水平和竖直的，如是单 层设施，就只用考虑水平流动模式，多层 设施布置时还要考虑竖直模式。但总的来 说，水平模式是最基本的。 30 5种基本的流动模式 n直线形是最简单的流动模式，它将入口和出口分开。 nL形适用于设施或建筑物不允许直线流动的情形。 nU形最大的好处是收发口在同一位置，有利于物料搬运 ，人员、搬运设备和站台都可以只建一个，形成既不 占很大空间又具有高速度的生产线。 n环形适用于要求物料返回到起点的情况。 nS形常用于长的流水装配线布置，如汽车装配线。 31 n选择流动模式时主要考虑收发口、场地和建 筑物的限制、生产流程和生产线的特点、通 道和运输方式等。 n实际设施布置的流动规划常常是上述几种模 式的组合。 n如组合成鱼刺式，最适用于离散制造中部件 和产品的装配，分枝为部件装配，主干为总 装。 n物流合理化的一个重要原则是避免物流路径 交叉。 32 2.7产品原则布置设计 n流水线的设计包括： n技术设计（“硬件”设计）是指工艺路线、工艺规程 的制订、专用设备的设计、设备改装设计、专用工具 设计、运输传送装置的设计以及信号装置的设计等。 n组织设计（“软件”设计）是指流水线的节拍确定、 设备需要量的计算、工序同期化设计、工人配备、生 产对象运输传送方式的设计、流水线平面设计、流水 线工作制度、服务组织和标准计划图表的制订等等。 33 流水线的特点 n品种少，单一或少数几种； n工作地按工艺顺序排列，即按产品原则布置； n生产速度按统一节拍进行； 节拍：流水线上前后出产两种相同产品之间的时间间隔。 n 各工序的生产能力是平衡的，成比例的； 单件作业时间（t） t1 t2 tm = = = = = 节拍（） 设备数（S） S1 S2 Sm n在制品运输采用传送带等装置 。 34 流水线的分类 35 单一品种流水线的组织设计 1.确定节拍（） F 计划期的有效工作时间 = Q 计划期的产量 F = F0 F0 计划期的制度工作时间 计划期的时间利用系数（修整机器、更换 工具、工人休息、产前准备）。 = 0.9 0.96 Q = Q0 /（1-） Q0 计划期的任务量（合格品数量或交货量） 废品、实验用百分比， = （Q- Q0） / Q 36 2.计算最少工作地数 T 产品在流水线上总加工时间 Smin = 取大于或等于 内的最小整数 3.工序同期化 即采用各种技术、组织的措施来调整各工作地的单件作 业时间，使其等于节拍或节拍的整数倍。 要求：保证各工序间先后顺序关系； 各工作地的工序作业时间应等于节拍或节拍的 整数倍； 应使工作地的数目最少，即等于Smin。 方法：将整个作业细分为许多小工序（或称工步）； 将相邻的小工序组合成大工序，使这些大工序 的单件作业时间接近于节拍或节拍的整数倍。 37 工序同期化示例 流水线节拍为=5.2分 原工序号1234567 工序时间 （分） 6.93.45.87.22.03.75.9 工步号123456789101112 工步时间 （分） 2.03.21.73.41.93.94.03.22.03.72.33.6 设备 数2112111 原工序同 期化程度 0.660.651.120.690.380.711.13 新工序号12345 新工序时 间（分） 5.25.19.85.29.6 新设备 数11212 新工序同 期化程度 1.000.980.941.000.92 38 例：某流水线，设计日产量110件，采用两班制生产 ，每班制度工作时间8小时，规定每班有22分钟停歇 时间，计划废品率为4%。单位产品总装配时间为44分 钟，该流水线上有13道装配工序，产品装配工艺顺序 如下图所示。试确定该流水线的节拍，以及组织工序 同期化使该流水线平衡。 6 3 7 2 2 5 1 2 5 2 11 1 8 4 9 3 12 2 3 8 13 3 4 2 10 7 39 解： 8260222 = = 7.99 8（分） 110 （14%） 44 Smin = = 5.5 = 6 （个工作地） 8 40 6 3 7 2 2 5 1 2 5 2 11 1 8 4 9 3 12 2 3 8 13 3 4 2 10 7 41 3 系统布置设计 n设施布置的方法和技术，一直是人们不断探索的问题 。人们研究出了许多手工设计、数学分析和图解技术 。 60年代，又出现了计算机辅助设施设计技术。 n1961年理查德缪瑟 (RMuther)创立的系统布置设计 (SLPSystematic Layout Planning)方法，使工厂布 置设计由定性阶段发展到定量阶段，在世界范围内对 设施布置都有较大的影响，应用也十分普遍。 nSLP是一种条理性很强，物流分析和作业单位关系密切 程度分析相结合、寻求合理布置的技术。 nSLP不仅适合各种规模或种类的工厂的新建、扩建或改 建中对设施或设备的布置或调整，也适合在制造业中 对办公室、实验室、仓库等的布置设计，同时，也可 用于医院、商店对服务业的布置设计。 42 3.1 工厂布置概述 n传统的观点认为，降低生产成本主要着眼点在 于产品的设计和加工工艺方面的改进。 n据资料统计分析表明，产品制造费用的20 50是用作物料搬运的，而物料搬运直接与工 厂布局及设备布置情况有关，有效的设施布置 大约能减少搬运费用的30左右。 n工厂设施布置的优劣不仅直接影响着整个生产 系统的运转通畅情况，而且也成为了决定产品 成本高低的关键因素之一。 43 工厂布置的基本设计原则 n工厂总平面布置设计原则 满足生产要求，工艺流程合理。具体模式 有两种： a按功能划分厂区，即将工厂的各部门按生 产性质、卫生、防火与运输要求的相似性，将工 厂划分为若干功能区域。 这种布置模式的优点是各区域功能明确，相互 干扰少，环境条件好。缺点是难以完全满足工艺 流程和物流合理化的要求。 b采用系统布置设计模式（SLP），即按各 部门之间物流与非物流相互关系的密切程度进行 系统布置，因此可以避免物料搬运路线的往返交 叉，节省搬运时间与费用，最终达到增加经济效 益的目的。 44 适应工厂内外运输要求，线路短捷顺直。 工厂总平面布置要与工厂内部运输方式相适应。 根据生产产品产量特点，可以采用铁路运输、公路运 输、带式运输或管道运输等，根据选定的运输方式、 运输设备及技术要求等，合理地确定运输线路及与之 有关的部门的位置。 厂内道路承担着物料运输、人流输送、消防通行 的任务，还具有划分厂区的功能。道路系统的布局对 厂区绿化美化、排水设施布置、工程管线铺设也有重 大影响。 工厂内部运输方式、道路布局等应与厂外运输方 式相适应。 45 合理用地。在工厂总平面布置时可以采取如 下措施： a根据运输、防火、安全、卫生、绿化等要求 ，合理确定通道宽度以及各部门建筑物之间的距离 ，力求总体布局紧凑合理。 b在满足生产工艺要求的前提下，将联系密切 的生产厂房进行合并，建成联合厂房。此外，可以 采用多层建筑或适宜的建筑物外形。 联合厂房是现代制造总装厂的一种重要的布置 模式。 c适当预留发展用地。 46 充分注意防火、防爆、防振与防噪声 。 在某些危险部门之间应留出适当的防火 、防爆间距。 振动会影响精密作业车间的生产，因此 精密车间必须远离振源或采用必要的隔振措 施。如机械厂的精加工车间及计量部门应远 离锻造车间或冲压车间。 噪声不仅影响工作，而且还会摧残人的 身体健康，因此，在工厂总平面布置时要考 虑防噪声问题，。 47 利用气候等的自然条件，减小环境污染。 生产中产生的有害烟雾和粉尘会严重影响工作人 员的身体健康，并会造成环境污染。进行工厂总平面 布置前，必须了解当地全年各季节风向的分布、变化 转换规律，利用风向变化规律避免空气污染。 建筑物的朝向也是工厂总平面布置时应注意的问 题，特别是对日照、采光和自然通风要求较高的建筑 物，更应注意这个问题。 应充分利用地形、地貌、地质条件，考虑建筑群 体的空间组织和造型，注意美学效果；考虑建筑施工 的便利条件。 48 n车间布置设计原则 确定设备布置形式。 根据车间的生产纲领，分析产品产 量关系，确定生产类型是大量生产、成批 生产还是单件生产，由此决定车间设备布 置形式是采用流水线式，或者是成组单元 式还是机群式。 满足工艺流程要求。 车间布置应保证工艺流程顺杨、物料搬 运方便，减少或避免往返交叉物流现象。 49 实行定置管理，确保工作环境整洁、安全。 车间布置时，除对主要生产设备安排适当位置外，还 需对其他所有组成部分包括在制品暂存地、废品废料存放 地、检验试验用地、工人工作地、通道、辅助部门如办公 室、生活卫生设施等安排出合理的位置，确保工作环境整 洁及生产安全。 选择适当的建筑形式。 根据工艺流程要求及产品特点，配备适当的起重运输 设备，确定建筑物高度、跨度、柱距及外形。注意采光、 照明、通风、采暖、防尘、防噪声。应使布置具备适当的 柔性，以适应生产的变化。 50 3.2 系统布置设计(SLP)模式 n系统布置设计基本要素 在缪瑟提出的系统布置设计(SLP)中，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作为基本要素(原始资料 )。 制 定 工 艺 路 线 R 划 分 作 业 单 位 S 制 定 作 业 计 划 T 布置设 计方法 布置 方案 产品P 产量Q 工厂设计过程 定性约束条件 定量约束条件 51 n产品P 产品要素影响着生产系统的组成及其各作 业单位间相互关系、生产设备的类型、物料搬 运方式等方面。 n产量Q 产量要素影响着生产系统的规模、设备的 数量、运输量、建筑物面积大小等方面。 n生产路线R 生产路线影响着各作业单位之间的联系、 物料搬运路线、仓库及堆放地的位置等方面。 52 n辅助服务部门S 把除生产车间以外的所有作业单位统称为辅助 服务部门，包括工具、维修、动力、收货、发运、 铁路专用路线、办公室、食堂等，由这些作业单位 构成生产系统的生产支持系统部分。 在SLP中，S也常用来表示工厂作业单位部门划 分情况。 n时间T 在工艺过程设计中，根据时间因素，确定生产 所需各类设备的数量、占地面积的大小和操作人员 数量，以平衡各工序的生产时间。 53 .确定位置 .总体区划 .详细布置 .实施 时间 阶段 系统布置设计阶段 54 n阶段 确定位置 确定出新厂房座落的地区位置。 n阶段 总体区划 总体区划又叫区域划分，就是在已确定的 厂址上规划出一个总体布局。明确各生产车间 、职能管理部门、辅助服务部门及仓储部门等 作业单位的工作任务与功能，确定其总体占地 面积及外形尺寸，在确定了各作业单位之间的 相互关系后，把基本物流模式和区域划分结合 起来进行布置。 55 n阶段 详细布置 详细布置一般是指一个作业单位 内部机器及设备的布置。 n阶段 实施 在完成详细布置设计以后，经上 级批准后，可以进行施工设计、安装 等工作。 56 系统布置设计SLP程序模式 57 n准备原始资料 明确给出基本要素产品P、产量Q、生产工艺 过程R、辅助服务部门S及时间安排T等这些原始资料 ，同时也需要对作业单位的划分情况进行分析。 n物流分析与作业单位相互关系分析 物流分析适于以生产流程为主的物料移动；作业 单位相互关系分析主要针对某些辅助服务部门或某些 物流量小的各作业单位之间的相互关系。 物流分析的结果可以用物流强度等级及物流相关 表来表示。非物流作业单位间的相互关系可以用量化 的关系密级及相互关系表来表示。需要综合考虑作业 单位之间物流与非物流相互关系。 58 n绘制作业单位位置相关图 根据物流相关表与作业单位相互关系表，考虑 每对作业单位间相互关系等级的高或低，决定两作 业单位相对位置的远或近，得出各作业单位之间的 相对位置关系，也称之为拓扑关系。 n作业单位占地面积计算 各作业单位所需占地面积与设备、人员、通道 及辅助装置等有关，计算出的面积应与可用面积相 适应。 n绘制作业单位面积相关图 把各作业单位占地面积附加到作业单位位置相 关图上，就形成了作业单位面积相关图。 59 n修正 作业单位面积相关图只是一个原始布置图 ，还需要根据其他因素进行调整与修正。 考虑了各种修正因素与实际限制条件以后 ，对面积图进行调整，得出数个有价值的可行 工厂布置方案。 n方案评价与择优 针对得到的数个方案，需要进行技术、费 用及其他因素评价，通过对各方案比较评价， 选出或修正设计方案，得到布置方案图。 60 3.3 基本要素分析 （1）产品P产量Q分析 企业生产的产品品种的多少以及每 种产品产量的高低，决定了工厂的生产 类型，直接影响着工厂的总体布局及生 产设备的布置形式。 根据单位时间(一般是一年)内产品 的生产量，可以把企业的生产类型分为 单件生产、成批生产和大量生产三种生 产类型。 61 产品类型 零件重量（kg） 轻型零件中型零件重型零件 电子工业30.0 机床50.0 重型机械200.0 不同行业产品类型划分 62 生产类 型 零件生产量（件/年） 重型零件中型零件轻型零件 单件生产1000500050000 生产类型的划分 63 生产类 型 条件 大量生产 (流水线生产) 成批生产单件生产 需求 条件 品种 品种较少，产 品的品种、规 格一般由企业 自己决定。 品种较多,产品 品种、规格由 企业或用户决 定。 品种繁多,产品品 种规格多由用户 决定，产品功能可 有某些特殊要求。 质量 质量变动 少,要 求有互换性。 质量要求稳定 ，但每批质量 可以改进。 每种产品都要求有 自己的规格和质量 标准。 产量 产量大,可以根 据国家计划或 市场需求预测 销售(出产)量。 产量较小,可分 批轮番生产， 可以根据市场 预测 和订货 确 定出产量。 产量小,由顾客订 货时 确定产量。 生产类型特点 64 生产类 型 条件 大量生产 (流水线生产) 成批生产单件生产 技 术 特 点 设备多采用专用设备部分采用专用设备采用通用设备 工艺 装备 专用工艺装备部分专用工艺装备通用工艺装备 工序 能力 通过更新程序能 够生产多种规格 产品,各工序能力 要平衡 通过更新程序能够 生产许 多品种、主 要工序能力要平衡 通过更新程序 能够生产许 多 品种产品，各 工序能力不需 要平衡 运输使用传送带使用卡车、吊车 使用吊车、手 推车 零件 互换 性 互换选 配部分钳工修配钳工修配 标准 化 原材料、零件工序 和操作要求标准 化 对规 格化通用化 零件要求标准化 对规 格化通用 化零件要求标 准化 65 生产类 型 条件 大量生产 (流水线生产) 成批生产单件生产 生 产 管 理 特 点 设备 布置 对象原则 (流水线布置) 混合原则 (成组布置) 工艺原则 (机群式布置) 劳动 分工 分工较细一定分工粗略分工 工人技 术水平 专业 操作专业 操作多面手 计划 安排 精确比较细 致粗略、临时 派工 库存 用库存成品调 节产 量 用在制品调节 生产 用库存原材料、零 部件调节 生产 维修 保养 采用强制的或 预防修理保养 制度 采用预防修理 保养制度 关键设备 采用计 划维修制，一般设 备可采用事后维修 66 生产类 型 条件 大量生产 (流水线生产) 成批生产单件生产 生 产 管 理 特 点 生产周期短较短长 劳动 生产率高较高低 成本低中高 生产适应性差较差强 67 在图中M区的产品适用于采用大量生产类型，J 区属于单件小批生产类型，而介于M区与J区之间 的产品生产类型为成批生产。 68 在产品P产量Q分析过程中，将产品P产量Q的关系绘制成P Q曲线，绘制曲线时，按产量递减顺序排列所有产品。 产品品种的多少、产量的高低直接决定了设备布置的形式。 流水型 GT型 机群型 产 品 固 定 型 69 （2）工艺过程R分析 n产品的工艺过程是由产品的组成、零 件的形状与加工精度要求、装配要求 、现有加工设备与加工方法等因素决 定的。 n工艺过程决定了生产车间的划分状况 ，其他辅助服务部门的设置也大多受 生产工艺过程的影响。 70 产品组成分析 n按加工、装配过程的相反顺序，对产品进 行分解，从而分析产品的组成。 n完整的产品可以按其功能结构分解成数个 部件(或组件)，每个部(组)件又是由多个 零件组合而成的。