基于slp的某工厂平面布局设计学位论文.docx
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基于slp的某工厂平面布局设计学位论文
基于SLP的某工厂平面布局设计
摘要
布局设计是制造系统设计的重要内容，其设计的优劣将直接影响物流，产品质量，生产能力，经济效率，安全和生产效率。
在我国企业中，尤其是一些大型的制造企业，由于在生产过程中生产物流量较大会出现诸多问题,如设施布局不完善、物流路线的选择不佳、车间面积没有得到充分的利用、生产过程中的原料浪费尤其严重等问题。
以上这些问题都可以通过对平面布局设计的研究加以解决，同时也会降低生产成本，提高我国制造型企业的国际竞争能力。
本课题根据中海油宁波大榭经济技术开发区宁波大榭石化公司总体规划，以年产150000吨环氧丙烷装的布置设计为背景。
引入系统布置设计SLP法，根据化工厂各作业单位之间的物流量的不同，依据工厂布局设计的基本原始材料——产品（P）、产量（Q）、工艺过程（R）、辅助服务部门（S）、时间安排（T），并根据各工作单元之间的关系进行了对比剖析，得到化工厂的物流相关表以及工作单元的非物流相关表；按照权重计算得到每个相互作业单元的综合关系表，生成化工厂综合接近程度排序表，并将生成的化工厂按综合接近程度表进行排序；根据为每个工作单元的之间的关系来规划其位置，在合理规划的基础上，并结合各工作单元的实际面积画出每单位面积相关图和具体位置；通过校正和调整单元面积相关图调整，可以得到三种可行的布置方案；最后对各方案进行评价择优,得到年产15万吨环氧丙烷合成分厂的总平面布置设计的最佳布置方案。
关键词系统布置设计SLP，化工厂布局设计，优化评价
ABSTRACT
Layoutplanningisanimportantpartofthemanufacturingsystemdesign,whichwilldirectlyaffectthelogistics,productquality,productioncapacity，economicefficiency,safetyandproductivity.InChina'senterprises,especiallysomelargemanufacturingcompanies,becauseofthebigvolumeofproductionlogisticsintheproductionprocess,therewillbealotofproblems,suchasinadequatefacilitieslayout,poorlogisticslines,underutilizedworkshoparea,grievouswasteof rawmaterialsduringtheproductionprocessandsoon.Above-mentionedproblemscanbesolvedthroughtheresearchofthelayoutplanning,aswellasreduceproductioncosts,soastoimprovetheinternationalcompetitivenessofChina'smanufacturingenterprises.
Thisthesisisbasedonthelayoutdesignofanannualoutputof150,000tonsofpropyleneoxide,accordingtotheoverallplanofCNOOC NingBo DaXie Petrochemicl .LTD.Importingsystemlayoutplanning（SLP）,accordingtothedifferentlogisticsquantitiesofworkunitsandthefundamentalrawmaterialsoftheplantlayoutplanning——Product（P）,Quantity（Q）,Route（R）,services（S）,time（T）,alsoaccordingtothecomparativeanalysisofrelationshipbetweentheworkunits,wegotthelogisticsrelatedtablesofchemicalplantandthenon-logisticsrelatedtablesofworkunits;accordingtotheweight,calculatingcomprehensiverelationaltablesofeachoftheworkunits,andgenerateschemicalcomprehensiveproximityrankingtablewhichwouldberanked;accordingtotherelationshipbetweeneachoftheworkunitstoplantheirpositions,onthebasisofrationalplanning,combinedwiththeactualareaofeachworkunittodrawacorrelationdiagramperunitareaandthespecificlocation;bycorrectingandadjustingunitareacorrelationdiagram,wecangetthreepossiblelayoutscheme.Finally,evaluatingthemeritofeachprogram,wecanobtainthebestlayoutschemeofthechemicalplantwhichoutputs150,000tonsofpropyleneoxideperyear.
KeywordssystematiclayoutplanningSLP,chemicalplantlayoutdesign,optimizationandevaluation
1绪论
1.1课题研究背景
这个课题项目是中海油宁波大榭经济技术开发区石油宁波大榭石化有限公司的总平面设计，设计产能为年产能力为150000吨的环氧丙烷化工分厂。
目前国内制造企业的工厂布局，多采用经验设计的方法来解决问题。
利用现有的厂房作为设计参考标准，再结合多年积累的经验和教训来解决设施布局问题。
而经验设计方法具有很大随意性，没有经过仔细的计算以及合理安排在后期生产过程中会逐渐显示出设计的弊端，不同的工厂在设计时需要考虑的问题都不相同，没有哪一种设计方法是通用的，特别是在设计量较大的的设计中需要考虑的问题很多，并且需要经过大量的分析以及数据的对比，而在这些大量的数据分析以及对比过程中很容易照成数据以及考虑因素的遗漏。
同时在对工厂布局时局部修改时也会影响系统其他部分的布局结构。
在生产管理中，很多企业都在努力追求的改革和完善。
系统布局规划（SLP）是对设计项目相关的排列方式，步骤，和方法，该方法已经形成了一个基本模式，它对大部分的工厂布局都适用。
1.2课题研究的目的与意义
目前制造业的之间竞争越来越激烈，为了加强工厂的竞争活力力则应该减少物流成本，提高企业生产效率等方面做手。
而工厂布置的好坏将会直接影响到产品成本的高低，生产效率以及运营成本等问题。
好的布置可以提高物流效率节省原料运费，减少产品的生命周期，加快资金回流提高企业的竞争能力。
工厂平面布局设计考虑的因素很多，长期以来设计人员大多是凭借经验结合以往的数据对工厂平面布局进行设计。
这种设计有许多的弊端如设计目的不明确，没有进行实际数据的分析和对比。
查徳·谬瑟在1961年提出的系统布置设计法（SLP法）之后，工厂平面布置设计由原来的定性阶段向定量阶段发展。
SLP系统布置设计是通过对物流流向与每个作业单位之间联系的紧密程度来设计出合理的工厂平面布局，这种设计方法在目前在工厂平面布局设计上已经被广泛的采用。
上世纪80年代我国引进SLP设计理论的方法并将其应用于工厂平面设计中并且收到了非常显著的效果。
对每一个作业单元彼此之间联系的紧密程度进行分析，这些分析其中主要包括物流关系分析以及非物流关系的分析，这些分析是采用SLP法对工厂总平面设计的首要工作。
然通过对以上分析每一个单位之间的密切程度，来合理计算和规划出每一个作业单位之间的位置关系以及每一单元的实际占地面积，根据这些计算绘制出的每个作业单元的位置关系图和实际占地面积图。
将两图合并成一个单位面积相关图；通过后期对每一个作业单位面积的计算修改做出调整，得出数个可行的布置方案；在通过后期通过采用加权因素比较每一个方案，对这些方案进行比较评分，得分最高的方案就为最佳的布置方案。
SLP法诞生以来，规划设计人员采用此设计方法用在在机械厂中，并不断探索在其他领域的应用SLP法。
本课题将结合工程设计的实际，对SLP法在一座年产15万吨环氧丙烷合成分厂的总平面布置设计中进行有效尝试。
2工厂布局问题概述
2.1设施规划与设计的研究范围
设施规划和设计研究的范围包括了很多的方面，例如在工业设施和规划设计过程中，包含机械、土木工程以及应用化工等多种学科的内容。
从本专业的的角度来看可以将设施规划其分为厂址的选择和设施设计。
设施的设计分为以下几个部分：
材料运输、总体布局设计、公用工程设计、建筑设计和信息系统等部分[1]。
如图2.1所示。
图2.1设施规划与设计组成
设施规划一般都是面向制造工厂的。
制造设施规划主要由以下研究范围：
第一是合理安排每个设备的人员操作比，以便合理安排工作人员和合理利用设备提高生产效率；确定各设备（包括生产设备，材料处理设备，存储设备，辅助设备，材料和人员等）要求的工作空间；分析各种制造工艺的关系，以便于将设备安放在最佳的位置，提高厂房的利用效率；妥善规划厂区生产原料、制造、成品存储、出货等过程的物流路线以减少生产成本避免因规划不合理照成的资源的浪费。
2.2设施规划的目标与原则
（1）设施规划的目标
一个设施由许多与之相关连的子系统组成，想要使设施规划达到最佳的效果，就应该从加强对设施的每一个子系统的合理规划从而达实现整体的规划目标。
使的企业所投入的各种资源达到最为合理的安排保证增大所规划的企业的投资回报率，提高企业的经济效益。
对企业的规划主要是为了达到以下目标：
①简化加工过程，缩短生命周期，生产流程的均衡性好。
②合理安排人力物力资源。
③搬运的最佳化。
④对布置变更的应对能力强。
⑤提高投资回报比率
⑥保护环境，为员工提供方便、安逸、安全和复合工作卫生要求。
上述几个目标相互之间往往存在矛盾，在实际的生产过程中需要合理进行调节与安排，以减小目标之间的相互冲突以便于实现总体目标的最优化。
（2）设施规划的原则
想要达到上述条件，设施规划和设计需要遵循以下原则：
①减少或消除不必要的操作，能够有效地降低原料和人力的消耗同时也是提高生产效率有效的方法。
在生产上缩小生产的周期，以提升空间面积的利用，原材料的处理与库存，减少原材料停留，保证以最少资本的投入量，达到生产的成本最低[2]。
②要保证在生产中以原料、信息、人力等资源的流动方向为依据作为设计规划的重要依据，并且在设计过程中要始终以这个为出发点来设计。
③运用系统的概念。
利用系统分析的方法来计算得出系统的整体优化。
④重视人的因素，运用人机工程学理论的重要性采用一体体化的设计，应综合考虑环境条件，包括空间，通道配置，颜色，光，温度，湿度和噪音的大小以及其他因素对效率和身心健康的影响。
⑤设施规划设计的步骤一般是由是从整体系统再到系统中的每一个个体，再从每一个个体到整体系统的反复迭代和设计的过程。
先进行总体的布置设计，然后根据具体的要求进行详细的布局；详细设计完成之后一并反馈到布局方案，以便于修改进行总体规划。
总之，在设施规划以及设计中需要对所有的因素进行充分的考虑，分析，规划，设计到生产或者服务体系，这是一个系统的资源是否配置合理的依据[3]。
如果计划不合理，会出现：
无效的搬运或移动，仓库和操作现场复杂，运输距离，运输成本相对较高，工作场所和通道的混乱，等待了很长时间，工作效率不高。
2.3设施规划与设计的阶段结构
如表2.1所示，规划和设计在整个项目开发周期的设施的可行性研究和设计阶段的工作。
因此，规划和事件相关设施的设计。
图2.2显示了阶段结构。
这种结构包含了从宏观设计到形微观设计、从构思再到实际的设计的顺序。
这种更高层次的工作完成是在前一阶段的基础上完成的，且在前面的工作时作为后一阶段的工作成果的评判标准，前后阶段之间要按照顺序交叉进行，并且每个阶段都相互存在着影响[4]。
表2.1列出了设施规划设计阶段结构的工作和成果。
图2.2设施规划与设计阶段结构
表2.1设施规划与设计阶段结构
阶段
0
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
名称
预规划
确定方案
总体规划
详细规划
规划实施
规划后
成果
确定目标
分析并确定位置及其外部条件
总体规划
详细规划
实施设施计划
竣工试运转
主要工作内容
制定实施要求预测、估算生产能力及需求量
确定实施要求生产能力及需求量
按规划要求作总体规划及总布置图
按规划要求做详细计划及详细布置图
制定进度表或网络图
项目管理（施工、安装、试车及总结）
财务工作
财务平衡
财务再论证
财务总概算比较
财务详细概算
筹集资金
投资
2.4布局设计设计方法
工厂布置作为设施与规划和设计的核心，务必要首先进行[5]。
物流设计在布局设计中尤其重要布局设计方法可分为：
（1）摆样法。
这是最早的布局方法。
根据比例原理制成的样品放置在平面上表示系统组件相同的比例，再通过分析调整各图片之间的位置得出比较好的方案。
这种方法缺点很多如：
准确性不高、比较费时。
但是比较适用于布局简单的设计。
（2）数学模型法。
选用运筹学，系统工程（如线性规划，随机规划，多目标规划，运输问题，排队论）得出最合适的布局方案作为研究仿真优化技术，为设计提供数学模型，以提高系统布置的精确性和效率。
（3）图解法。
其包含了简单的布局规划方法和螺旋规划以及运输路线图等。
图解法的优点是将本摆样法和数学模法这两个方法型的优特点都结合在其中，但在实际中很少应用。
（4）系统布置设计SLP法。
Muther对工厂布局等五个子系统提出了一套统一化、系统化的规划设计方法，即系统布局的SLP方法[6]。
这也是在目前厂房布局设计中应用最为广泛的一种方法。
3系统布置设计（SLP）方法概述
3.1SLP方法概述
在工厂建设规划阶段对工厂的每个部门的总体布局的设计与规划是为了每一个部门的位置合理。
厂房的位置的设计以及布局是否合理，对企业的是否盈利以及企业的竞争活力起着关键的作用。
目前的SLP法是最具代表性的工厂布局设计方法，这种方法主要是基于产品，产量，生产线，配套服务，计划生产时间（即P，Q，R，S，T）的一个给定的基本要素（原始数据）是设计和布局的重要依据，如表3.1所示。
表3.1P、Q、R、S、T
产品P和产量Q
产品和产量是指工厂要生产的产品型号、规格、系列、产量和年生产量，影响到设施的相互关系及其组成、物料搬运的方式、选用设备的类型等，年度生产纲领提供各类产品的产量，常用件数、销售价值或质量来表示。
这一因素对设施规模、设备数量、建筑面积、运输量均产生重要影响。
工艺过程R
装配工艺卡、工艺路线卡、工艺过程表等工艺文件，工艺过程将对生产单位的仓库位置、物料搬运路线、物流系统组成等有重要影响。
辅助服务部门S
指支持生产运行的工厂各个辅助部门，如各公用设施管理部门、工具动力部门、领取和维修部门等。
工厂布局设计时要确定各个辅助部门及其规模大小。
时间安排T
是指产品的各种操作时间定额标准、投产的批量与批次、生产周期等。
这些数据能在设计过程中用来估算各生产单位之间的平衡、需要的面积和人员、设备的数量等。
通过P、Q、R、S、T原始材料，我们就可以进行布局设计了。
不论采用何种方法，布局设计均需要解决以下四个问题：
了解企业有多少生产活动单元；每一个单元对求空间的需求大小、空间形状、位置（相对/绝对）。
而生产活动的因素，企业应该从生产单元单元来考虑其影响[7]。
考虑产品结构的特点、品种、生产专业化程度，也与企业规模相关。
不解决这四个具体问题，就不能算是布局设计，只能算是数学模型求解而已。
3.2系统布置设计（SLP）的四个阶段
如果说产品设计、工艺设计的最终目的是保质保量地维持产品的正常生产，那么布置设计则是要把具有独立职能的作业单位（生产车间、职能部门乃至一台设备均可视为作业单位）合理地组合起来，以便保证生产作业系统的流畅性。
SLP基本包括以下四个阶段：
（1）确定位置。
工厂的选址，设计，对于技术改造项目，设计就是要明确是否利用现有的车间、仓库或其他面积。
（2）总体区划。
对总体布局和区域分工布局设计已经确定的区域，通常称为“块布局”。
（3）详细布置。
在每一个作业区域内确定每台设备的确切位置。
（4）安装。
对设备的安装或者搬迁要以设计图纸为标准参。
应当指出的是，SLP包括总体规划和详细布置两个核心内容，布局设计人员可以不完全参与位置和安装这两个阶段[8]。
如图3.1所示。
图3.1系统布置设计四阶段
3.3系统布置设计（SLP）的基本流程
SLP的程序如图3.2所示。
图3.2SLP的基本流程
该程序表明了如表3.2所示的几点：
表3.2SLP程序的步骤
序号
步骤
1
决定系统布置设计的五个基本要素是：
产品P（Product）、产量Q（Quantity）、辅助服务部门S（SupportingService）、工艺路线R（Routing）、和时间T（Timing）。
其中产品-产量（P-Q）的分析是决定工厂平面布局设计的关键性因素。
2
生产系统的布局设计均物流分析为主要依据，目的是尽量缩短物流距离和减少物流量，保证作业系统有效运作。
3
将P、Q、S结合起来研究各个辅助服务部门与作业单位之间的关系，考虑到诸如是否使用同一设备、人员来往频繁程度、避免干扰等非物流关系，将各作业单位之间的相互关系分为绝对必要（AbsolutelyNecessary）、特别重要（EspeciallyImportant）、重要（Important）、一般（Ordinary）、不重要（Unimportant）和不能接近等不同等级，分别用大写字母A、E、I、O、U、X来表示，并赋予一个系统值[9]。
见表3.3。
4
根据物流分析的计算结果，同时考虑到非物流关系，可以绘制出表明各作业单位关系的“相互关系表”；为把相互关系图表中的资料更形象地表现出来，通常要将作业单位之间的关系绘制成“相互关系图”，图解中的图例符号见表2.1，以线条数来表示密切程度等级。
5
在各作业单位的位置确定后，再计算出各作业单位所需面积，绘制成“面积相关图”，这样就得到了一个粗略的布置图。
要利用面积做图解，首先必须把各作业单位所需面积计算出来，其方法有计算法、转换法、标准面积法及概略布置法等。
计算法是根据作业单位实际采用机器设备的明细表，计算出该作业单位需要的面积（含设备面积，操作维修面积、存放面积等），通常这种方法最为精确；转换法通常是在计算出生产作业单位所需面积后，通过判断，推测出辅助服务部门（如仓库等）所需的面积；标准面积法是指实现确定出一些“面积标准”（如美国汽车停车场地的面积标准为300平方英尺/辆）来推算出所需面积[10]。
当某些布置设计项目用计算法、转换法均不合适，也没有任何面积标准可供借鉴时，可考虑采用概略布置法。
所谓概略布置法是指在按比例绘制的区域平面图上利用样片或模型进行概略布置，以此得出所需面积。
6
生产系统布置设计中还要考虑到物料搬运的方法、仓库设施、建筑特征等实际限制条件和修正因素，在进行全面综合平衡后，可得到几个可行的布置方法[11]。
7
对上述可行布置方案进行评价，从中选取满意方案。
评价、选优时最有效通用的方法是加权因素分析法。
表3.3作业单位相互关系分类及代号
字母
系数值
密切程度等级
线条数
A
4
绝对必要
////
E
3
特别重要
///
I
2
重要
//
O
1
一般
/
U
0
不重要
X
-1
不能接近
根据上面的描述可以看出，系统布置设计是采用严格规范的制度分析工具系统的设计步骤的规划设计方法，很实用[12]。
3.4系统布置设计（SLP）法求解
3.4.1物流分析与物流相关表
（1）物流强度等级
按照物流强度增加的排列方法可以将其排列为A、E、I、O、U这5个层次，工作单元（也被称为物流路线）物流力量承担物流量比或物流路径的比例来确定[13]，如表3.4所示。
表3.4物流强度等级比例划分表
物流强度等级
符号
物流路线比例（%）
承担的物流量比例（%）
超高物流强度
A
10
40
特高物流强度
E
20
30
较大物流强度
I
30
20
一般物流强度
O
40
10
可忽略搬运
U
根据工艺图，统计物流总值（正面和负面两到物料流和）时，应注意采取的测量统计的物流强度统一的单位。
然后，根据物流强度的大小排序，在每个工作单元的物流强度绘制物流强度计的基础上。
（2）物流相关表
依照物流表中标注每一个作业单元之间的物流关系，在表中行与列交叉的方格中标注出其物流强度等级[14]。
设施布局设计，根据表中物流强度高的作业单元应该合理规划出相互之间的间隔，在规划物流强度低工作单位的位置时要减少对物流强度高的影响规划，可适当增加物流活动强度低的操作单元之间的距离。
3.4.2作业单位相互关系分析
如果物流在企业的生产中对企业的影响比较大的时候，可以将物流分析作为是工厂布局设计的重点考虑对象，但是也应该注意非物流因素带来的影响，特别是物流对生产影响不大的时候。
因此，车间布置设计不仅取决于物流的分析，还应考虑其他因素[1]。
（1）相互关系的决定因素与等级划分
密切关系的等级A，E，I，O，U，X，它的含义和比例如表3.5所示。
表3.5作业单位相互关系等级
符号
含义
说明
比例（%）
A
绝对重要
2-5
E
特别重要
3-10
I
重要
5-15
O
一般密切程度
10-25
U
不重要
45-80
X
负的密切程度
不希望接近，酌情而定
（2）作业单位综合相互关系表
①作业单位非物流相互关系表。
对不同工作单元影响之间的关系的非物流因素的选择。
表3.6为制定供参考用的的非物流基准相互关系[15]。
表3.6基准相互关系
字母
一对作业单位
关系密切程度理由
A
钢材库和剪切区域
最后检查和包装
清理和涂装
搬运物料的数量
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