基于仿真的數字化車間天車系統設計與驗證

劉艷嬌，陸劍峰，夏 曉，李文赫

（1.同濟大學CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽機床（集團）設計研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

基于仿真的數字化車間天車系統設計與驗證

劉艷嬌1，陸劍峰1，夏 曉2，李文赫1

（1.同濟大學CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽機床（集團）設計研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

天車是生產車間物料運輸的重要設備，目前在生產系統設計的時候，往往忽略了天車調度方案對生產線運行的影響。針對天車調度問題，介紹了一種利用仿真模型對生產系統中天車調度方案設計的方法。論文分析了天車調度的幾種典型方案，構建了包括天車模型的數字化車間生產系統模型，利用Plant Simulation軟件對整個生產系統的運行過程進行仿真，分析不同天車調度控制方案下生產系統的運行指標，從而得到優化的結果。論文把天車系統和生產系統結合起來進行優化仿真，為生產系統的設計優化提供了一種新的方法。

數字化車間；天車調度；Plant Simulation；仿真

0　引言

數字化車間的設計，其重要的一點是合理利用資源、降低生產成本，提高生產效率。車間里的天車是工序間物料匹配、銜接、調控的“樞紐”。合理、有效地進行天車調度，有助于提高生產效率，為上層生產調度的實施奠定基礎，并對提高系統整體效益起著至關重要的作用。

目前在生產系統的設計過程中往往忽略天車運行對生產運行的影響，認為天車運行在調度過程中是非限制性環節，并不具體考慮天車調度的問題。本文旨在用仿真的方法解決數字化車間天車調度問題，分析比較不同天車調度方案下的生產運行指標，以得到較優的天車調度方案。

1　天車系統

天車（又稱橋式起重機）是搬運大型物資不可缺少的設備，在冶金、建筑、化工、汽車和港口物流等行業應用廣泛，主要用于物料的起重、運輸、裝卸和安裝等作業。它具有結構簡單、操作方便和節省工作空間的優點[1]。天車作業機械化程度高，負荷作業率高，勞動強度低，工作級別高，而且可以在惡劣的條件下工作，研究天車對數字化車間的生產調度的發展具有重大意義。

2　Plant Simulation仿真軟件與PortalCrane對象

2.1Plant Simulation仿真軟件

Plant Simulation（原名SIMPLE++）是Tecnomatix公司開發的主要用于離散事件系統仿真的商務軟件，它采用面向對象建模（Object-oriented Modeling）的編程方法，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活，使用方便。Plant Simulation有模塊化和多層次的建模單元，對于需要精細控制的部分，可以通過內嵌的Simtalk程序語言實現，一些應用模板可以直接用在自己的模型中，這體現了它的靈活性，可靈活地用于規劃、仿真和優化制造企業、生產系統和工藝過程[2]。Plant Simulation內部具有豐富的物流和交通系統建模組件，具有建模效率高、可視化建模能力、二次開發能力強、操作簡單等優點，被廣泛用于生產和物流系統的建模、仿真和優化過程中[3,4]。因此本文擬采用Plant Simulation仿真平臺進行天車系統調度的仿真。

2.2利用PortalCrane仿真進行天車設計的方法

PortalCrane是Plant Simulation仿真軟件中不需要額外許可就可以使用的應用建模對象。作為一個立體自動化倉庫對象，PortalCrane提供三維立體的矩形存儲區并可以堆垛的存儲空間。貨物的搬運通過天車來進行，天車有兩條立柱，可以在x方向（軸）水平移動，兩條立柱之間有一條橫梁，裝載設備可以在橫梁上進行y方向（軸）水平移動及垂直z方向的吊鉤升降，從而實現貨物在存儲空間的任意位置進行存儲作業。

PortalCrane對象可以實現四種方式的貨物進出倉作業[5]，如下：

1）貨物自動入倉（由PortalCrane對象決定貨物的存儲）和出倉。

2）貨物自動入倉和按需出倉（由相應的Method控制什么時間、什么貨物出倉）。

3）貨物按需入倉和自動出倉。

4）貨物按需入倉和按需出倉。

2.3Plant Simulation中PortalCrane對象的屬性及控制

方法

Plant Simulation軟件中，PortalCrane對象的屬性定義對話框如圖1所示。

圖1　PortalCrane對象屬性定義對話框

1）Crane Runway標簽頁：定義天車軌道的長寬高等信息。

2）Portal標簽頁：定義橫梁寬度、立柱高度和天車x方向移動速度等信息。

3）Trolly標簽頁：定義橫梁上天車y方向移動速度等信息。

4）Hook標簽頁：定義橫梁上吊鉤的高度和z方向垂直升降速度等信息。

5）Failures標簽頁：定義天車故障，如利用率、平均故障修復時間等信息。

6）統計信息標簽頁：天車作業及倉儲作業統計信息。

仿真模型內對天車的控制大多由Method來控制，控制方法中，設置初始化參數step為integer型，每次增量為1，模型依次檢查當前step值，執行相應操作；同時設置初始化參數finished為Boolean型，用于標記當前任務的命令序列是否執行完畢，在模型內，如果當前命令序列沒有結束，會繼續執行下去，不會轉去執行別的命令。單個搬運任務的命令序列的控制方法流程圖如圖2所示。

圖2　天車搬運控制流程圖

3　案例驗證

3.1案例背景

以某公司“高檔數控車床制造數字化車間的研制與應用示范”項目中主軸生產線的簡化模型為例，介紹在Plant Simulation軟件中使用PortalCrane對象進行車間內天車調度仿真的方法。

3.2策略選擇

利用仿真進行天車系統的設計，常用的作業調度算法有：先來先服務調度算法、輪轉法、優先級法、最短作業優先法、最高響應比優先法、按工序順序響應的算法等，其中先來先服務和按工序順序響應的算法比較簡單實用，因此本案例采取這兩種策略分別對天車進行調度，以相同生產計劃下的完工時間作為評價指標，進行對比分析，以此說明不同的天車調度策略對生產線運行的影響。

3.3天車調度策略在仿真平臺內的實現

圖3所示為Plant Simulation仿真平臺中建立的多個工件、9臺設備的車間加工制造模型。

該輸送系統中，加工零件需經過首次加工、定性、二次加工等流程，如圖3中綠色標記區域所示；相關的信息對象和控制方法如圖中黃色標記區域所示，該區域分為五個部分，其中初始化、工藝數據（除PortalCraneActionList外）、分析工具三個部分為兩種策略的通用部分，“按工序順序響應”策略部分用于按工序順序響應策略調度，“先來先服務”策略部分用于先來先服務策略調度。模型實現的步驟如下：

圖3　Plant Simulation仿真平臺中建立的多個工件、9 臺設備的車間加工制造模型

步驟1：構建基本模型。

步驟2：初始化天車。在系統初始化Init方法里，調用moveToBasePosition方法，模型開始運行時即產生天車，并移動到初始位置。

步驟3：添加策略。首先明確所選兩種策略的基本實現思想：

1）“按工序順序響應”策略。首先，將模型內所有工藝流程存儲在表里（如圖3中的PortalCraneActionList），表中每一行為一條記錄i（i為整數，n為搬運流程總數），包含三項信息：起始工站Si、目的工站Di、搬運標簽Fi。Fi用于表征第i個流程是否需要天車搬運；其次，為每個可能需要天車搬運的工站設置入口事件（如圖3中的PCEntrance）和出口事件（如圖3中的PCExit），用于上述標簽值Fi的修改。天車每執行完一組命令序列就去上述表中從上至下檢查標簽值，滿足條件即執行相應的搬運動作。

2）“先來先服務”策略。給需要天車搬運的工站指派相應的出口事件（如圖3中的“先來先服務”策略部分所示），每個工站的工件加工完畢之后即觸發對應的出口事件：天車如果在空閑狀態，且目的工站/緩存區滿足接受工件的條件，進行搬運任務，否則繼續等待，直到其他工站觸發出口事件。

上述策略在模型內的實現和切換方法如圖4所示。

圖4　天車調度策略在仿真平臺內的實現控制流程圖

3.4結果分析

1）在模型內的schedule內更改生產計劃，分別運行兩種策略，得到結果如表1所示。

從表中可以看出，針對該輸送系統中的天車調度，“先來先服務”的策略明顯優于“按工序順序響應”策略，且加工工件越多，完工時間的優勢越明顯。

2）圖5和圖6分別是“先來先服務”策略、“按工序順序響應”策略時，系統模型生產600件產品的資源利用情況，對比可知，“先來先服務”調度策略下，各工站的工作時間比都有所增加，提高了整個系統的工作效率。

圖5　資源利用情況(先來先服務)

圖6　資源利用情況(按工序順序響應)

3）利用Plant Simulation的瓶頸分析工具得到兩種策略下按照加工時間排序的瓶頸工位均為m17工站，但是“先來先服務”策略的排序值84.34明顯高于“按工序順序響應”策略的排序值79.05。

由以上模型驗證分析可得，該運輸系統中的天車調度宜采用“先來先服務”策略。

4　結束語

天車運行使車間柔度增加，并直接影響生產的連續性和生產效率。將仿真方法應用于數字化車間天車調度能有效刻畫天車調度問題實質，可以對各調度方案進行仿真實驗并對結果進行比較分析，從而制訂出一個優化的天車調度方案，進而輔助實現生產管理的計劃、調度和控制等基本功能，提高管理水平。

本文以通用仿真工具Plant Simulation為平臺，采用“先來先服務”、“按工序順序響應”兩種策略設計了數字化車間天車調度問題的仿真方法，并結合示例說明了其可行性和可信性。本文為生產系統的設計優化提供了一種新的方法。

[1] 高敏.天車工培訓教程[M].機械工業出版社.2004,3.

[2] 鮑婷潔,樓佩煌.基于eM-Plant的汽車車身焊裝線系統仿真技術研究[J].工業控制計算機,2010,12：7-8.

[3] 徐翔斌,王琦,涂歡.基于eM-Plant配送中心的流程仿真和優化[J].華東交通大學學報,2011,01：29-33.

[4] 宋林,張則強.基于em-plant的汽車變速箱總裝線的仿真與優化[J].機械管理開發,2010,01：32-33.

[5] 周金平.生產系統仿真——Plant Simulation應用教程[M].北京：電子工業出版社,2011.

Design and verifi cation of digital workshop crane system based on simulation

LIU Yan-jiao1, LU Jian-feng1, XIA Xiao2, LI Wen-he1

TP391.9

A

1009-0134(2016)07-0096-04

2016-04-14

2013智能制造裝備發展專項：高檔數控車床制造數字化車間的研制與應用示范

劉艷嬌（1989 -），女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為數字化車間相關技術。