生產流水線雙向仿真系統模型

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070）

0 引言

進入21世紀，互聯網，新能源，新材料正在以極快的速度形成巨大的產業能力以及市場，產業鏈將被分工重組，整個工業生產體系將進入一個新的水平，工業4.0時代的產物即將體現在我們的生活中，具有“人-機”“機-機”相互通信能力的信息物理融合系統必將普遍應用在工業生產中。工業4.0提出的智能制造是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造，工業4.0的三大主題之一“智能工廠”也將成為未來成產的潮流，人們對于物質文化的需求日益增長，也要求著制造業再次升級[1]。然而傳統的生產方式，生產技術，生產設備等卻限制著制造業的進一步發展，如何加快人才培養，傳遞先進的生產概念已經成為深化改革、促進社會生產力發展亟待解決的問題。目前，高校普遍與企業建立合作培養人才的關系，學生通過到企業觀察實習，將理論與實際結合起來，但是學生對于大型生產流水線的學習難免走馬觀花，導致對生產流程、工序設計以及生產線的實際生產問題如誤工、誤時等無從知曉。同時，高校自身受資金和場地限制，很難提供完整的實踐實驗條件。

所以如今，通過建立適當的模型來模擬大型生產過程已經成為一種有效的實驗方式，從建設規模來看，主要有大規模試驗平臺模型，中小型仿真模型和軟件仿真模型，綜合考察資金與演示的直觀性，在教學中，多采用中小型仿真模型，以小型的實物模型作為模擬對象，構成一個小型的實驗教學平臺[2]。因此，可以建立一種以慧魚模型為基礎的生產線雙向仿真實驗平臺，滿足對學生的教學培養要求。

1 研究現狀

對于生產流水線的軟件仿真部分，綜合考量3dmax，SolidWorks，FlexSim等動畫仿真軟件，基于FlexSim能進行生產流程、生產元素、生產執行人以及生產時間等的參數設置，更接近實際生產流水線的生產過程，采用FlexSim進行仿真。FlexSim是由美國FlexSim公司開發，是工程師、管理者和決策人對提出的“關于操作、流程、動態系統的方案”進行試驗、評估、視覺化的工具，可以用來對離散系統進行建模，系統根據特定事件發生的結果在離散時間點改變狀態。于FlexSim的應用的研究主要在物流系統的設計以及車間生產安排等方面，東南大學自動化研究所的張衛德就提出了基于FlexSim的生產線仿真和應用[3]，武漢理工大學的肖鋒則是提出一種基于FlexSim的碼頭的仿真[4]。

對于生產流水線模型的實物模型部分，慧魚創意組合模型作為一種工程技術類拼裝模型，是創新教育和創新實驗的優良載體。國內針對如何將慧魚創意組合模型更好的應用在高校教學中進行了進一步的探究，東北大學的牛藝靜提出利用VC++為編程軟件，開發慧魚模擬軟件[5]，慧魚創意組合更多的被利用在高校創新教育上，通過構建或模擬現實發揮創意來完成模型組建，其中華南理工大學的周述璋就介紹了基于慧魚模型的創新實例[6]。

總之，目前慧魚創意組合模型越來越多的被高校用來作為培養高校學生創新能力的教具，也有研究探究了慧魚創意組合模型的仿真控制，而FlexSim主要用來仿真物流系統等的運作，本文則采用二者去模擬現如今的自動生產流水線的生產過程的可視化監控。

2 系統設計

2.1 系統組成

本文在對制造業生產流水線的生產特點和方針原則進行學習分析后，得出按工位建模的思想。按照車間工位的特點，設計了一條生產流水線為范例來進行模擬，用以說明如何基于FlexSim和慧魚模型進行生產流水線的雙向仿真。生產流水線雙向仿真系統模型主要包括實體模型部分和仿真控制部分兩個部分，在PC端FlexSim軟件完成仿真模型的建立，并映射在慧魚模型上完成流水線生產仿真的運程，當工件模型在慧魚模型上模擬加工過程時，由傳感器收集工件模型的運動信息，并反饋到PC端用于數據分析，從而實現雙向仿真。

為了完成生產流水線雙向仿真系統模型的構建，主要包括三個方面，設計一條試驗仿真的生產線，基于FlexSim對流水線生產過程進行仿真以及對流水線生產過程的可視化監控。

圖1 系統組成圖

2.2 試驗仿真的生產流水線的設計

以銑、鉆兩道工序生產為示例設計一個串聯物流系統，銑床和鉆床按工藝順序依次排列，用自動運輸裝置和其他輔助設置將其連接起來并依次進行加工，以電氣裝置作為控制裝置，使整個系統按照規定的程序和節拍進行工作。整個生產流水線實物模型由慧魚創意組合模型搭建而成，用來說明本項目的所能實現的功能。

圖2 加工流程圖

生產線工藝流程為：工件從上料口由傳送帶到銑床工位，銑床進行預設加工過程，加工完成后再經由傳送帶運送到鉆床工位，鉆床完成預設的加工，最后工件被傳送到下料口。

由于仿真的目的是為了展示效果以及對仿真結果進行分析，故此對生產流水線模型進行簡化，銑床、鉆床的運動主要有工作臺的橫向進給、縱向進給、回轉工作臺的回轉運動，主軸沿立柱的進給運動以及主軸自身的旋轉運動，現將機床的運動簡化為（x,y,z）維度上的運動，主要包括工件的橫向進給，工作臺的縱向進給，沿立柱的升降運動，以及刀具的回轉運動，用以表現鉆床，銑床的加工功能。

圖3 生產流水線實物工程圖

2.3 基于FlexSim對流水線生產過程進行仿真

FlexSim軟件能夠進行離散時間系統建模，每一個對象都有一個坐標（x,y,z）速度（x,y,z）旋轉以及一個動態行為（時間）對象可以創建、刪除，而且可以彼此嵌套移動，它們都有自己的功能或繼承來自其他對象的功能。FlexSim允許用戶建立自己的模擬對象來滿足使用需求，故可首先在SolidWorks建立鉆床、銑床的模型，再由FlexSim導入3D模型，并拉取發生器等，構建生產流水線模型。

圖4 生產流水線仿真模型

建立一個完整的物流仿真系統，需要對系統原始數據進行收集分析，包括工藝流程、時間、作業單位等。工藝流程為待加工的工件由上料口進入生產流水線進行加工，再經傳送帶運送到加工位，檢測到到達加工位后，刀具開始運動到加工位，工件開始加工，加工完成后由下料口離開。由于實際加工過程是人為操作的，在模型中無法表示，因此采用定時器模擬加工過程所消耗的時間，電機速度亦為設定值。由于模擬生產流水線為自動化生產，無操作人員，作業單位為兩臺機床。

2.4 對流水線生產過程的可視化監控

慧魚創意組合模型可采用LLWIM3.0和PLC作為編程控制，但是LLWIM3.0其表達效果僅為功能模塊的拖動，不能實現可視化監控，而FlexSim的資料，圖像和結果都可以與其他軟件公用，主要通過從Excel表讀取資料和輸出資料。基于本文的研究目的，把PLC作為FlexSim與慧魚創意組合模型的中介，從而FlexSim能通過PLC完成與基于慧魚創意組合模型搭建的實物模型之間的數據交換，數據收集系統通過PLC將收集的實時數據傳給FlexSim，同時將實際模型運行狀態反映在FlexSim仿真平臺上。

結合系統的實際需求，采用FX1N-60MR-001為實現控制模塊的PLC，控制規模為60點，36點輸入，24點輸出，繼電器輸出，運算快速，基本指令能達到0.55～0.7μs，從而保證雙向仿真的節拍有序進行。

圖5 數據處理過程

具體的數據處理過程主要包括PLC數據的采集以及FlexSim數據的調用，將數據庫作為PLC和FlexSim的中介。創建一個數據庫后，可以將PLC中的外部控制數據等會保存到對應的內部數據庫變量中，然后通過WinCC的全局 C 腳本動作觸發程序，周期性地通過內部變量采集與PLC相關的外部變量的值，通過編程語言實現內部變量和外部變量的雙向賦值，而FlexSim可通過ODBC接口訪問數據庫，過程為：創建數據源名稱→在FlexSim腳本中利用dbopen命令打開相應的數據庫→對數據庫的數據進行調用。最后完整實現FlexSim對于慧魚模型運作過程的動畫仿真，同時數據庫的數據作為PLC命令的判斷條件之一，通過判斷判斷條件是否成立，完成對慧魚模型相應的控制。

圖6 I/O定義口

在程序設計上，對多個接觸式傳感器、光電傳感器、電機編號并確定對應的PLC接口，傳感器接收的信號經由PLC存至數據庫，反映在FlexSim上的模型，再由程序對比判斷每一步工序是否繼續，從而PLC控制慧魚模型停止工作或是繼續工作。

3 系統運行

圖7 運行過程圖

仿真過程為：首先在FlexSim中確定相應的參數值，裝置啟動后，基于FlexSim搭建的生產流水線仿真模型的工作動畫和基于慧魚創新組合模型搭建的生產流水線模型開始同步運作，慧魚模型的實際運作狀態被實時反饋在FlexSim的動畫仿真演示上，當收集的數據表示慧魚模型實際工作與預設工序不同時，在FlexSim上顯示模型的運作狀態，彈框警示工序出錯，同時相應數據被調用，PLC執行相應的慧魚模型停止工作同時紅燈警示的命令。

在得到幾組數據后，使用ExpertFit來分析得到最佳的概率分布函數以及相對應的參數值,創建一個新項目→選擇分析類型→進入數據分析界面→導入數據→選擇最佳概率分布函數→比較選擇概率分布函數→確定正態部分函數的參數，可通過數據分析過程得到數據分析結果以及最優的參數。如果需要對生產流水線進行重新設計，慧魚創意組合模型可以重新拆裝，而PLC程序也可以在計算機上編輯，修改程序。

圖8 仿真運行圖

4 結論

本文利用慧魚創意組合模型對實際的生產流水線進行仿真，同時在FlexSim搭建平臺并通過交互式信息終端采集信息的方法，保證實時、準確、全面對流水線生產進行信息采集，便可以在仿真系統中實時觀察到流水線三維模型的運行情況，當生產出現故障時，能在監控里面實時顯示相關工件信息，方便及時發現問題，快速解決故障。能普及智能化生產流水線的概念，預先加強學生對于制造業升級的意識，并進行一定的時間培養，利于與企業工作的接軌，適應如今提倡的提高高校學生動手能力，為企業以及學術研究領域培養人才的要求。對各種先進制造模式，如精益生產、敏捷制造、并行工程等的研究有一定實踐意義。

[1]張曙.工業4.0和智能制造[J].機械設計與制造工程,2014(8):1-5.

[2]張毅.基于自動生產線的仿真教學系統設計與研究[D].南京:南京理工大學,2014.

[3]張衛德,嚴洪森,徐成.基于FlexSim的生產線仿真和應用[J].工業控制計算機,2005:46-47.

[4]肖鋒.基于FlexSim集裝箱碼頭仿真平臺關鍵技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[5]牛藝靜.慧魚模擬軟件的研究與開發[D].沈陽:東北大學,2009.

[6]周述璋.基于慧魚模型的機械創新設計[J].信息技術2014:123-131.

[7]許晨,基于的某汽車裝配車間物流建模與仿真研究[D],山東;山東大學,2008.

[8]漆向軍,陳霖.基于LLWin3.0控制Fischertechnik模型實例[J].農機化研究,2004(4):194-196.

[9]謝小成,姜莉莉,許玉枝.面向 PLC自動控制生產過程的實時仿真系統設計[J].中北大學學報,2012(3):282-286.

[10]賴明勇.物流信息系統驅動FlexSim的仿真互操作機制研究[J].湖南大學學報,2009:83-87.