基于Plant Simulation 的汽車生產線仿真技術研究

孫智超,高長水

(南京航空航天大學機電學院,江蘇南京210016)

0 前言

日益加快的全球化市場和不斷增加的復雜性對汽車企業和汽車生產人員的要求越來越高。汽車生產線由于受現場隨機因素影響較大,各個生產部門之間工藝要求不同而具有離散性。傳統往往采用人工經驗對生產線進行設計優化,實際生產中再進行調度調試。由于透明度和調度準確性的缺乏使得生產線的實際生產能力低下,并因此減弱了產品和企業的競爭力。

數字化制造是指制造技術、計算機技術、網絡技術與管理科學的交叉、融合、發展與應用的一種先進制造技術。國內外的汽車、航空航天等高端制造業越來越多地采用數字化制造技術來進行生產設計、生產調度和企業決策。通過數字化制造系統,制造工程師可以在一個虛擬的環境中創建某個制造流程系統的完整仿真。

本文通過建立某汽車生產線BDC(車體分配中心)區的完整系統仿真,達到虛擬生產過程的可視化,提供給調試和調度人員在更加接近現實的環境下對設備進行優化,對各種改良措施進行無風險調控,避免人力和資金的浪費。

1 仿真平臺選擇

目前應用于汽車生產線仿真的軟件有很多,如Plant Simulation,Flexsim,witness,AutoMod 等,都是采用了面向對象的方法來建立仿真模型,并且能對模型的系統設計進行規劃,對系統數據進行統計,對模型進行優化。模型采用二維或者三維的可視化的動態顯示,以便于決策者更加直觀地對生產線的各個環節實施跟蹤分析,更好地發現所存在的問題。本文采用Plant Simulation作為該汽車生產線的仿真平臺。

Plant Simulation原名 eM-Plant,是以色列 Tecnomatix公司出品的的eMPower軟件工具,又稱為SiMPLE＋＋,Tecnomatix公司被德國Siemens公司收購后,軟件改名為Plant Simulation。該軟件提供了大量的物流設備和生產單元的模型庫—物流模塊(加工設備,滾床,輸送線,AGV小車等),資源模塊(工人),信息流模塊(控制策略,報表,數據庫),用戶界面模塊(對話框,柱狀圖)。Plant Simulation采用了時鐘推進機制,只要通過設置模型控制策略的觸發條件和執行的操作,就能實現對仿真過程的控制。軟件采用面向對象,圖形化,模塊化,多層次的建模方式,從而實現建模易用性和靈活性。對于需要精細控制、具備高度靈活性的部分,可以通過內嵌的SimTalk程序語言來實現,其語法與VC＋＋一致。該軟件還具有多種形式的接口,從而使其能夠和其他各類應用軟件進行良好的通信。Plant Simulation不僅能夠建立2D仿真模型,還可以建立3D仿真模型,或者將已有的2D仿真模型轉換為3D模型,為仿真模型提供一個更加直觀的三維仿真視角。

2 某汽車生產線BDC區仿真模型分析

某汽車生產線的BDC區域主要指生產線中的車體分配中心。車體分配中心是建立在焊裝車間到涂裝車間,涂裝車間到總裝車間的自動化立體倉庫,主要用于緩存車身,白車身和滑撬,調節各個車間之間因為生產工藝不同而導致生產節拍不同,而產生的緩沖車體。車體分配中心主要由自動化立體倉庫,滑撬線,焊裝到涂裝線,涂裝到總裝線。本文主要著重研究自動化立體倉庫中堆垛機運行效率和在不同節拍下各個運輸環節的工作效率,以及在各種故障狀態下BDC的運行狀態。不僅建立的2D模型,還建立3D模型(如圖1所示)使用軟件的決策者更加直觀的了解生產線和自動化立體倉庫的狀態。

圖1 汽車生產線BDC區的3D模型

汽車生產線BDC區域系統內容包括以下部分:

1)車身自動化輸送系統

車身輸送系統位于整個BDC區的二層。在焊裝車間的出口,通過旋轉滾床將車身送入輸送線,再經過升降機將車身從一層送入BDC區的二層,由移行機將車身進行選擇,送入立庫。從立庫中將車身取出放入移行機,送入輸送線的滾床最終進入涂裝車間。

在涂裝車間的出口,涂裝好的白車身通過旋轉滾床進入輸送線送入總裝車間進行裝配。在總裝出現故障的時候,涂裝好的白車身也可以直接進入立體倉庫進行緩存,而不影響涂裝車間生產。

2)滑撬自動化輸送系統

滑撬線位于整個BDC區的一層滑撬在焊裝車間和涂裝車間、涂裝車間和總裝車間之間進行流動。在一般的生產狀態下滑撬是不進入立體倉庫,只有在兩個車間之間出現節拍不同時,滑撬才會進入立體倉庫,而立體倉庫中的滑撬也可以被輸送出用于補償節拍變化帶來的滑撬空缺。

3)自動化立體倉庫儲存系統

自動化立體倉庫是整個車身分配中心區域的核心,用于分配焊裝車間出來的車身,涂裝車間出來的白車身以及滑撬。立體倉庫有5排,每排6層10行,總共300個車位。有3個巷道3個堆垛機負責將車身和滑撬送入車位,每一種貨物分有2個進口和3個出口用于分配給堆垛機貨物。自動化立體倉庫的車位用于解決因節拍不同或者故障而造成車身堆積,使各個車間之間生產工藝或者故障而導致的節拍不同送造成對整個生產線的影響在一定時間段內的消除,從而增加了解決問題或者故障的時間,減少因此帶來的損失。

3 仿真模型建立

3.1 某汽車生產線BDC區仿真模型

運用面向對象以及模塊化的建模思想,根據生產線的實際情況,各個設備之間的相互關系,建立系統模型。將模型分為設備模型類,生產信息類,過程控制類,過程分析類,人機界面類。圖2是汽車生產線BDC區的模型。

圖2 汽車生產線BDC區模型

3.2 模型中個體的建立

在建模的過程中,可以利用Plant Simulation以模塊化,面向對象的建模方式,將整個模型分為多個個體,分別進行建模,2D模型如圖3所示。在整條汽車生產線BDC區中,模型的個體有很多,其中主要有車身,滑撬,滾床,旋轉滾床,升降機,立體倉庫,堆垛機,運行軌道等等。

圖3 生產線BDC區2D模型

系統的生產節拍要求在0－60JPH之間可調,焊裝車間和涂裝車間的出口都可以用源(Source)來生成所需要的貨物,采用間隔時間生成貨物,換算成生產節拍,在用戶界面中顯示。車身用MUs下的Entity表示,將Entity的物理屬性修改為車身的屬性。因為Plant Simulation支持的3D建模軟件接口有多種形式,可以將Entity的3D模型用Soildworks建立好的車身模型進行替換,達到能加形象真實的顯示模型。滑撬可以用MUs下的Container表示,在汽車生產中所用的滑撬是用來裝載車身,因此還需將Container的容量屬性設為1。Container的3D模型與現實較為接近,不需要修改。

BDC區的車身和滑撬的運輸線是由不同尺寸大小的滾床組成,具有一定的長度和速度,滾床速度范圍在0~24 m/min,可進行變頻調速。可以利用Material flow下的Line進行建模表示,參照實際的CAD圖樣,設定Line的長度,并且參照實際生產中的情況設定滾床的速度。如果需要,勾選加速度選項,設定加速和減速的加速度,模擬變頻器的變頻調速狀態。涂裝車間和焊裝車間的出口都設有旋轉滾床,可以用Material flow下的TurnTable建模,按照實際,設定速度,加速度,旋轉角度。

堆垛機是整個模型中最重要,也是模型個體單元中最復雜的部分。堆垛機的建模完善很大程度上決定了整條生產線模型的真實性和準確性。要求堆垛機在行走,升降以及叉車的伸縮都可在一定范圍內可調,并且支持變頻調速。堆垛機的建模實際上是一個組合控制建立的模型,可以將其分為機架、升降裝置和貨叉。這三個不同的單元都可以利用Material flow下的Transporter進行建模,但是三者的建模方式是不同的。機架在軌道上運行的,可以用機架的Transporter在Material flow類下的Track上運行、實現建模。升降機是在機架上運行,貨叉又是在升降機上運行。此時可以通過設置Transporter的Matrix load bay選項來建模,此時Transporter允許裝載其他的Transporter并在其中進行運動,設置3D選項中的路徑編輯,可以編輯Transporter的運動方向,使升降機和貨叉按照實際進行運動。升降機和貨叉均采用采用sensor觸發的方式實現定位控制,再定義貨叉的容量為1,按照現場要求設置機架,升降機,貨叉的速度和加速度即可完成堆垛機的建模。升降機可以參考堆垛機的方式實現建模。

立體倉庫采用Store模塊建模,并利用Store的xdim和ydim來設定立體倉庫的層數和列數。Store模塊屬于被動對象,即不具備自主移動的能力,或只能被其他對象控制、被動響應。所以出庫模塊采用Generator調用出庫程序實現建模。Generator是隨機發生器,根據輸入的起始時間間隔的觸發出庫程序,將出庫節拍轉化為出庫間隔時間即可實現出庫模塊的建模。

利用Dialog模塊可以建立起簡單的人機界面,編程方式類似于VC＋＋。在這里可以通過人機界面,調整生產節拍,模擬故障和消除故障,達到仿真應有的功能,提供給生產人員更加方便快捷的使用軟件進行生產調度和生產計劃。

3.3 仿真模型控制

汽車生產線BDC區正常運行時,焊裝車間出來的車身必須先進入立體倉庫再出庫進入涂裝車間,滿足先進先出(FIFO)原則,即離開焊裝車間的車身先進入涂裝車間。涂裝車間出來的白車身直接進入總裝車間,同時滿足FIFO原則。滑撬在各個車間之間正常流動,不進入立體倉庫。

利用系統提供的仿真語言SimTalk編輯控制決策方法Method,可以與控制物流對象之間建立聯系,是實現控制策略的重要手段。車身在生成時候自身標有自己的序號。車身從焊裝車間出來時通過封裝在Method的SimTalk語句按照一定的順序進行倉庫的分配,進入入庫軌道,入庫軌道的出口處exit strategy提示堆垛機有進庫任務進入。堆垛機載入車身,通過調用入庫Method查詢事先放入TableFile的經過優化的優先級列表,決定放入的最佳庫位,并將車身的編號存入庫位號的TableFile。堆垛機本身的運動依靠設置在軌道和機架上的Sensor進行觸發控制堆垛機的位置,確保模型的準確性。出庫時,利用Generator提示堆垛機有出庫任務進入,調用出庫Method,按照先進先出原則查詢庫位號TableFile,決定先進入的車身先出庫。

一個巷道中的堆垛機有可能在同一時間段就收到多個進庫或者出庫任務,此時就需要對任務的優先級進行判斷。任務的排序應滿足以下條件:1)先到先服務(FIFS)原則。即最先到達堆垛機的任務最先執行,這樣可以滿足堆垛機的高響應,避免堆垛機長期等待某個任務而導致效率低下;2)聯合出庫原則。即堆垛機每次出庫或者進庫都是帶著貨物執行程序,避免堆垛機空載執行導致的效率降低和能耗增加。但在實際的生產過程中,先到先服務原則和聯合出庫原則很難同時滿足,有時候是對立矛盾的。可以采用結合動態優先級和靜態優先級的方法解決這個問題。動態優先級是指任務具有相同的優先級初值,等待時間越長的任務所具有的優先級越高。本文中所應用的靜態優先級是指根據任務的不同而賦予任務不同的優先級初值。具體實現方法如下:首先根據堆垛機所在位置(右端,庫中,左端)的不同制定的任務的靜態優先級列表,列表應滿足堆垛機行走路程最短和聯合出庫的要求。當任務到達時具有相同的初值,根據靜態優先級列表所排列出的優先級執行優先任務,同一時間段到達的任務如果沒有被執行,優先級提高一級。當前任務執行結束后,判斷堆垛機任務,選擇優先級為最高的任務組根據當前位置的優先級列表進行排列,執行排列出最高的任務。如此循環執行任務,堆垛機在大多數時間段即可滿足聯合出庫要求,提高堆垛機的運行效率,又滿足先到先服務原則,不會因為某些任務長期霸占堆垛機而導致其他任務的堆積而致生產線停產。將靜態優先級制作為列表,應用SimTalk語句不斷查詢和修改任務優先級,判斷需要執行的任務,最終反饋給出庫或者入庫的Method執行任務。

故障的仿真控制也是模型的重要組成部分。生產車間之間既是獨立的,又是相互關聯的。故障的仿真就是需要在某一個生產車間故障不生產的情況下生產線上BDC區的運行狀況。當焊裝車間停線時,車身繼續從立體倉庫中進入涂裝車間,從涂裝車間來的滑撬無序的進入立體倉庫;當涂裝車間停線時,車身停止進入涂裝車間,從總裝車間來的滑撬無序進入立體倉庫;當總裝車間停線時,從涂裝來的白車身進入立庫緩存。故障的觸發和恢復均由用戶界面(圖4)來進行觸發和設置,BDC區域用于保證在某個車間出現故障的時候,可以保障其他車間生產2 h,如果不能滿足2 h的生產要求是,反饋給用戶界面予以顯示,以便生產人員更好地做生產計劃和調度。

圖4 用戶界面

4 仿真結果分析

整個系統的仿真時間為12 h,各個車間的生產節拍由用戶在仿真之初設置,在仿真過程中可以根據用戶需求隨時更改。仿真運行后,將車間出入口的旋轉滾床和立庫的進出口作為分析單元,列出對于評估生產重要的幾個參數working,waiting,blocking等數據如表1所示。生產人員可以根據實時變化情況調整生產節拍。

表1 節點數據分析表

堆垛機在焊裝車間和涂裝車間生產節拍都為60JPH時的運行效率如圖5(a)所示,連續工作1 h后,堆垛機1和2的運行效率穩定在10%左右。當總裝發生故障1 h后,堆垛機運行效率提升至40%(圖5(b));總裝故障恢復后1 h,堆垛機的運行效率一直穩定在40%左右(圖5(c))。

圖5 堆垛機運行效率

由此大量仿真得出,在最大節拍60JPH下,不管哪條生產線發生故障或暫停,在2 h預留生產量時間內,堆垛機運行正常,沒有發生堵塞,其他生產線可以正常工作。當恢復生產后,也能很好的銜接上生產計劃。由于工廠規劃建設焊裝和涂裝車間各兩個,而仿真只搭建了一期工程,所以仿真結果顯示堆垛機運行效率不高,但可以滿足工廠后期對于生產線的規劃。

5 結語

通過對某汽車生產線中的BDC區域進行建立模型和仿真研究,為該品牌汽車的規劃設計和生產計劃的調整提供更為直觀的結果。仿真研究能對生產線進行瓶頸分析,設備載荷分析,堆垛機運行效率分析以及故障排查和控制,使生產調度人員可以合理的安排生產計劃,調節生產節拍,分配堆垛機任務,在出現故障時可以更加有針對性的解決問題。仿真研究可以為汽車生產企業提供優化的故障解決方案的科學依據,節省調試時間,減少資金浪費,提高生產效率。

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