基于PlantSimulation的離散制造系統(tǒng)仿真研究

張 青

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

1 引言

生產(chǎn)制造系統(tǒng)是制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理的主體，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化的不同可以將生產(chǎn)制造系統(tǒng)分為連續(xù)制造系統(tǒng)和離散制造系統(tǒng)。連續(xù)制造系統(tǒng)主要應(yīng)用在石油、化工、冶煉、電力等行業(yè)，離散制造系統(tǒng)涵蓋有機(jī)械、電子設(shè)備制造業(yè)及機(jī)電消費(fèi)品制造業(yè)等。

通常，離散制造系統(tǒng)可以分為三類[1]：（1）流水線系統(tǒng)，如產(chǎn)品組裝線或加工線，零件被獨(dú)立加工處理或成批由機(jī)器進(jìn)行批處理，直到完成為止；（2）加工車間（如金屬加工車間）和設(shè)計車間（如定制軟件），對象的加工過程取決于對象類型和可用資源；（3）單元柔性制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)中相當(dāng)多的零件被成組的機(jī)器加工。

2 離散制造系統(tǒng)建模仿真

傳統(tǒng)的離散制造系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計方法一般基于數(shù)學(xué)抽象，通過對實(shí)體模型進(jìn)行簡化，建立抽象的生產(chǎn)線優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用其優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)線設(shè)計。用數(shù)學(xué)優(yōu)化模型描述的設(shè)計問題盡管己做了簡化，但與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，在有限時間內(nèi)得不到精確解，且抽象的數(shù)學(xué)描述不易理解，不利于不同的設(shè)計人員之間的溝通[2，3]。

計算機(jī)仿真技術(shù)作為一種系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)分析方法，能夠把離散制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)資源、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、庫存等信息動態(tài)地結(jié)合起來，以系統(tǒng)活動過程的“復(fù)現(xiàn)”代替以往數(shù)學(xué)等方法單純的抽象描述，表達(dá)形式易于理解，能全面反映生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)活動過程和特征，因此為離散制造系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行管理提供了理想手段，并已成為貫穿系統(tǒng)的整個生命周期，為各項(xiàng)單元技術(shù)提供集成環(huán)境，進(jìn)而形成數(shù)字化制造的重要手段。與此同時，對離散制造系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)仿真研究，能達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低庫存量、降低成本、縮短生產(chǎn)周期、快速響應(yīng)市場等目標(biāo)[4]。

3 系統(tǒng)仿真工具

目前，比較流行的仿真軟件有 Extend、 Flexsim、Plant Simulation、AutoMod、Arena、Promodel、和Wintness等。幾個流行軟件的主要特征比較可參看表1。下面，特別介紹在生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣的仿真軟件PlantSimulation。

PlantSimulation最初命名為eM-Plant，是以色列Tecnomatix公司開發(fā)的，主要用于生產(chǎn)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的建模與仿真的軟件系統(tǒng)。2005年4月，產(chǎn)品生命周期管理軟件和服務(wù)提供商UGS收購了Tecnomatix，并將產(chǎn)品重新命名為“工廠仿真”（Plant Simulation），2007年西門子公司收購UGS，自此Plant Simulation成為西門子公司PLM產(chǎn)品全生命周期解決方案中的一個不可或缺的組成部分。用戶可在PlantSimulation環(huán)境下分析和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)：生產(chǎn)率、在制品水平、設(shè)備利用率、工人負(fù)荷平衡情況、物流順暢程度等。它具有如下一些特點(diǎn)[5,6]：

（1）提供了典型生產(chǎn)設(shè)備對象庫，包括上下料工位、生產(chǎn)工位、物料運(yùn)輸設(shè)備、物料存儲設(shè)備、托盤、工人等，并且可自定義設(shè)備參數(shù)，例如生產(chǎn)時間、故障率、維修時間等。

（2）用戶可在PlantSimulation提供的典型設(shè)備對象庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況自定義的符合要求的生產(chǎn)設(shè)備對象。

（3）提供SimTalk編程語言，用戶可通過編程實(shí)現(xiàn)對仿真流程的控制。

（4）提供對仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析以及圖表顯示工具，例如自動的系統(tǒng)瓶頸分析工具和設(shè)備利用率的柱狀圖生成工具。

（5）提供用于系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化一些通用算法。

（6）具有開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供多種相關(guān)軟件接口，例如CAD、ERP、ORACLE、SQL、ODBC等。

4 基于Plant Simulation建立離散制造系統(tǒng)仿真模型

4.1 凸輪軸生產(chǎn)線仿真建模分析

下面以某柴油機(jī)制造企業(yè)6缸柴油機(jī)用凸輪軸的生產(chǎn)流程為研究對象，搭建離散制造系統(tǒng)的仿真模型。該生產(chǎn)線可以生產(chǎn)多種型號凸輪軸，呈直線型布局，生產(chǎn)方式為單獨(dú)生產(chǎn)，無混流生產(chǎn)，整個加工過程是典型的流程型加工。生產(chǎn)線的上線物料以拉動式供應(yīng)，通過自動物流線運(yùn)輸，物料前進(jìn)方向是單一一致的，產(chǎn)品下線后的運(yùn)輸方式采用鏟車運(yùn)送。

熱處理后的半成品上線頻率為每12分左右上線一次，每次上線4個半成品件。該生產(chǎn)線是半自動線，主要加工設(shè)備為修正中心孔專機(jī)1臺、數(shù)控外圓磨床3臺、數(shù)控成形磨床1臺、數(shù)控凸輪磨床2臺、立式數(shù)控加工中心1臺、鉗床1臺、半自動拋光機(jī)1臺。凸輪軸的熱處理后精加工工藝和所需加工時間見表2。

4.2 仿真模型建立

按照上述信息，并充分考慮系統(tǒng)中實(shí)際存在的隨機(jī)因素，如加工時間的隨機(jī)性、運(yùn)輸時間和調(diào)整時間等，可以在Plant Simulation的二維建模界面（圖1）上建立仿真模型，如圖2所示。

5 仿真結(jié)果分析

使用PlantSimulation分析工具可以輕松地解釋仿真結(jié)果。統(tǒng)計分析、圖、表可以顯示緩存區(qū)、設(shè)備、勞動力的利用率。用戶可以創(chuàng)建廣泛的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表，對生產(chǎn)線工作負(fù)荷、設(shè)備故障、空閑與維修時間、專用的關(guān)鍵性能等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)分析，并可以比較生產(chǎn)線現(xiàn)行的狀況與理想狀況的差距，找出瓶頸所在后即可進(jìn)行優(yōu)化。表3是該模型中各工序在350件日均流量的負(fù)荷下運(yùn)行一個工作日后的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

由仿真結(jié)果可以看出，部分工序的產(chǎn)能和人工并沒有得到充分的利用，現(xiàn)有的部分工序的生產(chǎn)人員沒有做足7.5小時/班，部分工序可以通過兩班制運(yùn)轉(zhuǎn)，并加少量連班，從而可以降低這種勞動力的浪費(fèi)。

此外，實(shí)際生產(chǎn)時存在設(shè)備RCM、維護(hù)和故障排除時間，一般的設(shè)備利用率設(shè)定為85%。針對該凸輪軸生產(chǎn)線的數(shù)控凸輪磨床（80#精磨凸輪外形）還存在不定期的換型時間，因此在理想產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，考慮由故障、檢修、維護(hù)和換型帶來的生產(chǎn)線不能進(jìn)行生產(chǎn)的狀態(tài)，設(shè)置、修改模型的相關(guān)參數(shù)，再次運(yùn)行仿真模型（模擬運(yùn)行時間為一個月）后可以得到生產(chǎn)線的部分信息數(shù)據(jù)，如圖3所示。

通過圖3可以看出，工序40#、50#、90#、100#、110#的設(shè)備負(fù)荷率較小，其余關(guān)鍵磨床的設(shè)備負(fù)荷率基本都在90%以上。其中工序80#的設(shè)備負(fù)荷率達(dá)到95.06%，是整個生產(chǎn)線的瓶頸，易造成生產(chǎn)線出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。針對該工序設(shè)備，應(yīng)該考慮通過適量加班、減少月?lián)Q型產(chǎn)品生產(chǎn)頻次、配備機(jī)床關(guān)鍵備件等措施減小設(shè)備的瓶頸影響。

6 結(jié)束語

本文以在生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣的仿真工具PlantSimulation為平臺，應(yīng)用工業(yè)工程（Industrial Engineering，IE） 的方法實(shí)地采集凸輪軸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提出了凸輪軸生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程仿真建模方法，并利用PlantSimulation的物料流動單元、信息流單元和統(tǒng)計分析單元（Sankey圖分析、Gantt圖分析），對凸輪軸精加工生產(chǎn)線進(jìn)行了二維建模，并結(jié)合實(shí)例分析，提出優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明，離散制造系統(tǒng)的數(shù)字化建模仿真，能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)能與設(shè)備負(fù)荷分析（物資效率分析、瓶頸分析），從而診斷出生產(chǎn)中的瓶頸環(huán)節(jié)；能夠優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和調(diào)度方案（包括基因算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法），從而為企業(yè)的生產(chǎn)管理和優(yōu)化調(diào)度提供有效的決策支持。

1徐克林.工業(yè)工程基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

2胡震.發(fā)動機(jī)車間布局優(yōu)化設(shè)計研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程系，2005.

3郝理想.基于虛擬仿真的生產(chǎn)車間布局設(shè)計方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動化系，2006.

4 Steffen Bangsow.Manufacturing Simulationw ith Plant Simulation and Sim Talk[M].Germany: Springer-Verlag,2010.

5 UGSCorporation.Plant Simulation User Guide version 6.1.1[M],2002.

6施於人，鄧易元，蔣維編著.eM-Plant仿真技術(shù)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2009.