紅旗H平臺涂裝車間物流系統(tǒng)仿真分析

李允升，艾 巍，滕繼東，樸永燦

（機械工業(yè)第九設計研究院有限公司，吉林 長春 130011）

1 引言

仿真是對現(xiàn)實世界的過程或系統(tǒng)隨時間運行的模擬。為了進一步研究系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)內部各實體之間的關系，并對系統(tǒng)運行狀況進行真實準確的預測，我們可以構建一個真實系統(tǒng)或實體模型進行試驗。然而，實際系統(tǒng)往往極為復雜，且造價即為昂貴，因此，我們需要新的手段來描述系統(tǒng)運行狀態(tài)，預測系統(tǒng)行為。模擬仿真既是以一種相對較少的數(shù)學假設來描述系統(tǒng)復雜行為的方法，在建立適當?shù)姆抡婺Ｐ秃?，以電腦進行模擬，以清楚準確的了解系統(tǒng)的行為。

涂裝車間的生產(chǎn)物流系統(tǒng)是典型的離散型事件系統(tǒng)，具有隨機性、并發(fā)性等特點，而且涂裝工藝與總裝工藝息息相關，涂裝車間的物流規(guī)劃設計復雜，工序多。

PlantSimulation是面向對象的層次化結構的仿真軟件，除了提供豐富的對象庫，還能通過SimTalk語言實現(xiàn)仿真控制策略。運用該仿真軟件建立涂裝生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型并分析，能夠驗證方案的合理性，并為制造型企業(yè)在生產(chǎn)管理方面做出有效的決策提供支持。

2 系統(tǒng)概述及工藝流程

2.1 系統(tǒng)概述

新紅旗H平臺涂裝車間項目全線采用虛擬安裝、虛擬調試、虛擬仿真技術，通過數(shù)字化設計，測試從工藝到信號的可行性和可靠性，用虛擬試生產(chǎn)實現(xiàn)從設計到現(xiàn)實生產(chǎn)的無縫銜接。車間生產(chǎn)能力如下：（1）基數(shù)：250天，16h。（2）設備開動率：電泳至電泳烘干95%，打磨至注蠟93%。（3）涂裝車間合格產(chǎn)能：25JPH。（4）返修率：5%，套色返回5%。

2.2 工藝流程

（1）焊裝車間產(chǎn)出的白車身到達涂裝車間，經(jīng)過打磨、電泳、烘干、噴底漆、噴面漆、密封、返修等一系列加工處理，得到漆后車身。車間總體上是一個流水線式生產(chǎn)線。

（2）車間內分為多層，車身和空滑橇通過升降機、滾床和移行機等設備，在多層之間形成循環(huán)。

（3）前處理和電泳系統(tǒng)采用擺桿輸送。

（4）車間內存在立庫，替代常規(guī)的滾床存儲區(qū)。

（5）系統(tǒng)受廠房面積和產(chǎn)能提升限制，方案存在不確定因素。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

3 仿真目標

根據(jù)一汽紅旗的實際需求，以PlantSimunation三維仿真軟件為平臺進行系統(tǒng)仿真，構建涂裝車間及立體倉庫三維可視化仿真模型系統(tǒng)，將系統(tǒng)仿真作為方案評估和驗證的重要手段?？蓪崿F(xiàn)的預期目標如下：

（1）以三維仿真軟件為平臺，創(chuàng)建典型車身立體倉庫及配套機械化輸送系統(tǒng)的三維離散動態(tài)，模塊化的仿真模型；

（2）驗證現(xiàn)有的兩個工藝方案是否能夠達產(chǎn)，若不能，需要分析原因并提出改進的措施；

（3）通過虛擬現(xiàn)實技術和仿真結果的數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化現(xiàn)有車身立體倉庫的設計方案，評估合理的庫位設置，找出立庫的瓶頸點所在；

（4）驗證堆垛機參數(shù)是否能夠滿足要求，若負荷率過高或利用率過低，需要分析原因并考慮是否能夠優(yōu)化堆垛機參數(shù)；

（5）通過長時間、多隨機數(shù)的不斷仿真驗證，得出整個車身庫系統(tǒng)所需的最少滑撬數(shù)量和合理滑撬數(shù)量。

（6）通過多媒體技術，利用虛擬化車間，制作三維全景式涂裝車間生產(chǎn)運行動畫。

4 仿真分析

4.1 仿真輸入

4.1.1 車間方案布局

車間整體布局圖（一）、（二）、車間局部布局示意圖，如圖2～圖4所示。

圖2 車間整體布局圖（一）Fig.2 Overall Layout of Workshop（I）

圖3 車間整體布局圖（二）Fig.3 Overall Layout of Workshop（ii）

圖4 車間局部布局圖Fig.4 Partial Layout of Workshop

4.1.2 工藝參數(shù)

工藝參數(shù)表，如圖5所示。

圖5 工藝參數(shù)表Fig.5 Process Parameters Table

4.1.3 立庫參數(shù)

立庫參數(shù)、立庫堆垛機參數(shù)，如圖6、圖7所示。

圖6 立庫參數(shù)Fig.6 Database Parameter

圖7 立庫堆垛機參數(shù)Fig.7 List of Parameters of Vertical Stacker

4.1.4 設備模型

滾床、移行機、升降機、旋轉臺，如圖8～圖11所示。

圖8 滾床 Fig.8 Rolling Bed

圖9 移行機Fig.9 Moving Machine

圖10 升降機 Fig.10 Elevator

圖11 旋轉臺Fig.11 Rotating Table

4.2 仿真過程

以涂裝生產(chǎn)線的布局圖為背景，按照工藝流程的順序，在PlantSimulation中分別建立涂裝車間的4層子模型（其中，17m層沒有工藝段）、2個焊裝車間的簡化模型以及總裝車間的簡化模型，然后在頂層模型中，用“Interface”接口將相互聯(lián)系的子模型連接起來，形成完整的涂裝車間仿真模型。

（1）其二維仿真模型的界面，如圖12～圖14所示。

圖12 Plant仿真界面（一）Fig.12 Plant Simulation Interface（I）

圖13 Plant仿真界面（二）Fig.13 Plant Simulation Interface（ii）

圖14 Plant仿真界面（三）Fig.14 Plant Simulation Interface（3）

（2）其三維仿真效果，如圖15、圖16所示。

圖15 立庫三維效果Fig.15 3d Effect of Library

圖16 電泳擺桿輸送機Fig.16 Electrophoresis Pendulum Conveyor

5 仿真輸出

5.1 產(chǎn)能驗證

考慮開動率考慮班次的情況下，打開時間控制器“Event Controller”使模型連續(xù)運行31天，從第2天開始統(tǒng)計，取3次試驗的平均結果作為仿真結果。產(chǎn)能驗證結果顯示，提升方案的涂裝產(chǎn)能可以達到規(guī)劃的25JPH，如圖17所示。

圖17 25JPH產(chǎn)能驗證表Fig.17 25JPH Capacity Verification Table

5.2 立庫驗證-堆垛機平均效率統(tǒng)計

（1）#1堆垛機只負責電泳后車身的庫間轉移，因此它的利用率低，閑置情況較多；

（2）#5堆垛機的平均呼叫頻次較高，這是因為它同時執(zhí)行漆后車身和套色車的出入庫兩項任務；

（3）#2、#3、#4堆垛機的負荷率及呼叫頻次都比較穩(wěn)定，這是由它們的執(zhí)行任務單一所決定的。

5個堆垛機利用率曲線、5個堆垛機利用率平均值和最大值，如圖18、圖19所示。

圖18 5個堆垛機利用率曲線Fig.18 Utilization Xurves of 5 Stackers

圖19 5個堆垛機利用率平均值和最大值Fig.19 Mean and Maximum Utilization of 5 Stackers

5.3 立庫驗證-立庫平均緩存統(tǒng)計統(tǒng)計

5個立庫平均緩存、5個立庫庫位平均值，如圖20、圖21所示。

圖20 5個立庫平均緩存Fig.20 Average Cache of 5 Libraries

圖21 5個立庫庫位平均值Fig.21 Average Values of 5 Vertical Libraries

（1）立庫利用率很高，從統(tǒng)計可以看出，正常生產(chǎn)時，達25JPH后，立庫在正常情況下也只是滿足使用需求，沒有富余庫位，這使得系統(tǒng)很剛性，如果出現(xiàn)較長時間停臺，會導致立庫庫位不足，必須通過加班等方式調解。

（2）案不具備調序能力，調序必須在涂裝后后總裝前完成，這是不足之處

（3）方案存在得問題：

①堆垛機利用率不均衡；

②庫位緊張，滿足正常生產(chǎn)，但異常狀況無法滿足，線體剛性。

③立庫無調序功能，必須額外增加存儲區(qū)，增加成本。

（4）導致方案問題原因是因為產(chǎn)能提升較大，同時空間受局限。

5.4 滑撬數(shù)量實驗

實驗結果顯示，最優(yōu)組合為電泳滑橇82個，面漆滑橇140個。仿真前計劃生產(chǎn)數(shù)量為：電泳撬100，面漆撬160，根據(jù)仿真結果可以節(jié)約滑橇共計38個，如圖22、圖23所示。

圖22 滑撬統(tǒng)計Fig.22 Skid Statistics

圖23 滑撬統(tǒng)計Fig.23 Skid Statistics

6 仿真的指導意義

6.1 建立技術路線，確定仿真流程：

（1）仿真輸入：方案布局圖、系統(tǒng)邏輯、線體速度、節(jié)距節(jié)拍、設備預估數(shù)量、時序圖等。

（2）仿真分析：建立模型、編寫程序、輸入?yún)?shù)、驗證方案。

（3）方案調整：重新仿真、再驗證、直到最優(yōu)解。

（4）仿真結論：編寫報告、制作視頻。

6.2 提效降本

（1）根據(jù)仿真結果：電泳滑橇減少18個，面漆滑橇減少20個。滑橇價格：電泳橇9100元，面漆橇7900元，此項可節(jié)約成本約32萬元。

（2）反向提出立庫升降機機開動率，指導設計電機選型，一期方案出現(xiàn)仿真前電機效率不足問題，通過仿真結果，提出電機功率要求，避免變更帶來的成本風險。

6.3 質量提升

（1）通過仿真局部調整方案，對于立庫進出，存儲策略提出指導意見。（2）指導電控系統(tǒng)及立庫仿真策略，節(jié)約時間成本。