基于AutoMod的滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

暢攀人，王 勇，汪靈瑤，楊 鵬，張文琦

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略前提下，作為國內(nèi)化纖生產(chǎn)自動化、信息化、智能化的引領(lǐng)者，北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司與多個化纖生產(chǎn)企業(yè)加強合作，加快了智能制造推進的步伐，為降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)綜合市場競爭力，以“智慧物流”的理念徹底改變了化纖產(chǎn)品包裝的生產(chǎn)方式。目前北自所自動包裝設(shè)備的水平、可靠性同國外產(chǎn)品接近，保持對國內(nèi)產(chǎn)品的絕對優(yōu)勢，但系統(tǒng)包裝效率仍有待提高。通過現(xiàn)場產(chǎn)能測試發(fā)現(xiàn)，北自所的DTY（滌綸低彈絲）自動包裝系統(tǒng)單線生產(chǎn)能力穩(wěn)定在27000錠/天，國外DTY自動包裝系統(tǒng)單線生產(chǎn)能力穩(wěn)定在30000錠/天，與國外進口設(shè)備包裝效率仍有一定差距。由于滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)由實現(xiàn)不同功能的各子系統(tǒng)組合而成，各工藝段子系統(tǒng)間節(jié)拍協(xié)調(diào)性不足，負荷分布不均衡，導致目前自動包裝系統(tǒng)的實際產(chǎn)能未達到其理論產(chǎn)能，包裝線物流系統(tǒng)的整體運行效率仍有很大提升空間。

針對上述自動包裝線系統(tǒng)物流規(guī)劃設(shè)計存在的問題與不足，提出有效解決方案的前提，必須通過系統(tǒng)仿真軟件模擬自動包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)包裝運行實況，從仿真運行過程與仿真數(shù)據(jù)分析中得出滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的瓶頸根源所在。系統(tǒng)仿真AutoMod軟件具備強大的數(shù)據(jù)分析對比功能，其仿真報告中含有各子系統(tǒng)進程運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有利于尋找系統(tǒng)短板，分析瓶頸產(chǎn)生原因，并對系統(tǒng)短板進行仿真優(yōu)化設(shè)計。因此，滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的AutoMod仿真優(yōu)化工作亟待開展。

1 滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)簡介

滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)組合而成，各子系統(tǒng)間相對獨立卻又彼此緊密銜接。其主要子系統(tǒng)包括絲車輸送子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺上線子系統(tǒng)、絲餅輸送子系統(tǒng)、裝箱龍門子系統(tǒng)、紙箱輸送子系統(tǒng)、碼垛子系統(tǒng)、分配車子系統(tǒng)、自動倉儲子系統(tǒng)等。并通過PROFINET網(wǎng)的通訊連接實現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè)，保證了自動包裝系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。自動包裝系統(tǒng)通過PLC控制系統(tǒng)、上位機信息管理系統(tǒng)、光電傳感器，RFID讀碼器等實際硬件設(shè)備三者的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)了自動包裝系統(tǒng)以下功能：絲車輸送轉(zhuǎn)運上線、機器人自動抓取放置、絲餅稱重，外檢，直徑檢測及套袋工序、龍門自動裝箱、滿箱絲餅的激光貼標，封箱及打帶、自動碼垛及入庫。最終實現(xiàn)化纖滌綸長絲的全自動包裝功能。

2 AutoMod仿真模型建立

結(jié)合自動包裝系統(tǒng)現(xiàn)有物流規(guī)劃設(shè)計，以某化纖企業(yè)DTY自動包裝系統(tǒng)為仿真建模對象，將根據(jù)以下的AutoMod建模步驟總綱展開滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的仿真建模工作：

1）創(chuàng)建新模型并定義模型名稱為hxdty（化纖DTY）。

2）匯總Conveyor系統(tǒng)中的關(guān)鍵停留站點，停留站點詳細信息如表1所示。繪制Conveyor物流輸送系統(tǒng)，Conveyor物流輸送系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

表1 Conveyor系統(tǒng)關(guān)鍵停留站點匯總表

圖1 自動包裝系統(tǒng)Conveyor物流輸送系統(tǒng)圖

3）在進程系統(tǒng)中分別創(chuàng)建絲餅載具實體Load（空盤Lpallet、滿盤Lhuo）、套袋機資源Resource（R_wrap）和套袋機隊列Queue（Q_wrap）。

4）定義并編寫模型子進程process，新建子進程如表2所示。

表2 自動包裝系統(tǒng)仿真模型子進程表

5）新建Source File，按進程編寫系統(tǒng)仿真程序。

Source File程序編寫工作結(jié)合AutoMod軟件特點采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、集成化的方式展開。將滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)化繁為簡，按工藝流程將其進行模塊或結(jié)構(gòu)劃分，實現(xiàn)自動包裝系統(tǒng)的模塊化、結(jié)構(gòu)化。然后分別編寫各工藝流程Source File程序，最后進行系統(tǒng)資源整合，實現(xiàn)自動包裝系統(tǒng)的整體系統(tǒng)仿真。

6）運行仿真模型Run Model，仿真模型運行實況如圖2所示。

3 AutoMod仿真模型瓶頸問題分析

圖2 自動包裝系統(tǒng)3D仿真模型運行圖

在經(jīng)過搭建仿真模型，定義模型變量，繪制輸送輥道conveyor系統(tǒng)，編寫各進程Source File程序等建模步驟后，完成了自動包裝線系統(tǒng)AutoMod建模工作。通過運行仿真模型，設(shè)定運行時間為2小時，得出原始仿真數(shù)據(jù)。各進程原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖3所示，套袋機原始仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。套袋機隊列平均統(tǒng)計及利用率具體計算如式(1)、式(2)所示。

式中：Average為隊列平均統(tǒng)計，Util為隊列利用率，Total為Queue中的占用總量，Av_time為Queue中每項占用的平均時間，Capacity為隊列容量，Total simulate time為模型總體仿真時間。

圖3 原始進程統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表3 套袋機隊列原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)Queue Statistics

對仿真原始統(tǒng)計圖表進行數(shù)據(jù)分析，由圖3原始進程統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，Pma平均時間為38.13s，裝箱效率較低，影響自動包裝系統(tǒng)整體運行效率，從而得出裝箱區(qū)成為自動包裝系統(tǒng)的瓶頸之一。另結(jié)合仿真運行實際過程，由于裝箱進程的延緩，導致空盤回流遲滯，P_reverse進程平均時間拖延至48.58s，影響空盤上線速率，使得上線區(qū)成為自動包裝系統(tǒng)的另一瓶頸。再從套袋機原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)表3中得出：套袋機1利用率63.1%，平均套袋時間6.19s，平均套袋等待時間4.65s；套袋機2利用率94.3%，平均套袋時間8.80s，平均套袋等待時間7.91s。兩臺套袋機使用失衡，利用率有待提高，平均套袋時間及套袋等待時間也亟待縮短。因此對套袋區(qū)的優(yōu)化設(shè)計也有待開發(fā)。最終得出滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)現(xiàn)存的三大瓶頸：裝箱區(qū)子系統(tǒng)、上線區(qū)子系統(tǒng)、套帶區(qū)子系統(tǒng)。

4 AutoMod仿真優(yōu)化設(shè)計

4.1 裝箱區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計

裝箱區(qū)系統(tǒng)介紹：裝箱區(qū)負責將2×3裝箱絲餅從絲餅載具輸送系統(tǒng)抓取后，放置于紙箱線絲餅放置點的紙箱中，完成裝箱工作。裝箱前輸送系統(tǒng)執(zhí)行分流動作，裝箱后輸送系統(tǒng)進行合流。考慮裝箱模式為2×3絲餅放置，因此裝箱區(qū)原始系統(tǒng)模型設(shè)置為2×3裝箱區(qū)。

裝箱區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計：由于裝箱前的分流變向動作拖延2×3裝箱托盤就位，導致2×3裝箱托盤就位遲滯。針對裝箱托盤就位遲滯原因，可在2×3裝箱區(qū)工藝布局前增加裝箱等待區(qū)，可將2×3托盤提前就位以減小因分流動作帶來的裝箱遲滯影響。另裝箱完畢后空盤回流區(qū)合二為一的機械工藝布局使得排出動作遲緩，導致空盤排出效率低。因此可在2×3裝箱區(qū)工藝布局后增加裝箱回流區(qū)，用于裝箱完畢后空盤的緩存，加快空盤排出效率。因此需要通過改善裝箱區(qū)輸送系統(tǒng)的機械工藝布局來解決裝箱區(qū)瓶頸問題。現(xiàn)結(jié)合裝箱瓶頸原因分析提出3種仿真優(yōu)化設(shè)計方案：在裝箱區(qū)分別搭建3種裝箱區(qū)模型：裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)組合、2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)組合、裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)組合。圖4是裝箱區(qū)3種仿真優(yōu)化設(shè)計Conveyor運動系統(tǒng)對比圖。

修改裝箱區(qū)仿真模型Conveyor運動系統(tǒng)后，再分別編寫相應的仿真優(yōu)化Source File程序。運行3種優(yōu)化設(shè)計的仿真模型，得出包裝效率參數(shù)對比詳見圖5所示。通過對三種優(yōu)化設(shè)計方案的數(shù)據(jù)分析與對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計3方案包裝效率最高，可達到1300錠/小時，裝箱時間參數(shù)對比如圖6所示。其裝箱平均時間16.45s，耗時也最短。因此得出裝箱區(qū)=裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)的機械工藝布局為裝箱區(qū)最佳工藝布局。

圖4 仿真優(yōu)化設(shè)計Conveyor運動系統(tǒng)對比圖

圖5 裝箱區(qū)優(yōu)化設(shè)計包裝效率對比示意圖

圖6 裝箱區(qū)優(yōu)化設(shè)計裝箱平均時間對比示意圖

4.2 上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計

上線區(qū)系統(tǒng)介紹：上線區(qū)通過絲車輸送系統(tǒng)及上線機器人的協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)絲餅從上線轉(zhuǎn)臺到輸送系統(tǒng)絲餅放置點的上線功能。上線絲車經(jīng)絲車輸送系統(tǒng)運送至上線轉(zhuǎn)臺處，通過上線抓紗機器人的抓取、放置動作實現(xiàn)絲餅從上線絲車到包裝線絲餅載具的轉(zhuǎn)移上線。

上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計：通過分析上線區(qū)空盤上線流程發(fā)現(xiàn)，回流空盤從空盤等待區(qū)進入上線區(qū)時，需滿足上一組的滿盤全部排出后，下一組空盤才能進入上線區(qū)。上線區(qū)輸送輥道長達2.5m左右，從滿盤排出結(jié)束至空盤全部就位輸送時間長達6s。這種傳統(tǒng)的先出后進上線模式保證了托盤信息的準確性，卻影響了系統(tǒng)整體空盤上線效率。因此需改進空盤上線模式，在滿盤全部排出的同時，后續(xù)空盤已全部就位，由此可縮短空盤上線時間6s左右，從而提高上線區(qū)整體空盤上線效率。上線區(qū)的仿真優(yōu)化設(shè)計通過改進P_newstart空盤循環(huán)再利用進程的Source File程序?qū)崿F(xiàn)。優(yōu)化后的上線區(qū)部分仿真程序如下。

通過對上線區(qū)Source File程序的分析與優(yōu)化設(shè)計，改進上線區(qū)空盤上線模式后再次運行仿真模型，分析仿真數(shù)據(jù)報告。分析P_kongwait進程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，上線區(qū)平均空盤等待時間由優(yōu)化前的17.08s縮短至9.45s，驗證了上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計的高效性。圖7為優(yōu)化后各進程統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

4.3 套袋區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計

套袋區(qū)系統(tǒng)介紹：套袋區(qū)主要利用裹膜機對絲餅進行套袋工藝，套袋工藝通過絲餅裹膜、上吸袋、下吸袋等動作使得膠膜吸附于絲餅表面，以保證絲餅外表面的整潔度。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出，單臺裹膜機套袋節(jié)拍為4s/錠，難以滿足自動包裝系統(tǒng)套袋工藝節(jié)拍需求，因此采用兩臺裹膜機同時作業(yè)。

圖7 上線區(qū)優(yōu)化后進程統(tǒng)計數(shù)據(jù)

套袋區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計：在兩臺裹膜機同時作業(yè)的情況下，套袋工藝前的輸送系統(tǒng)需進行分流處理，通過分流器實時調(diào)節(jié)輸送方向，分別向兩臺裹膜機輸送套袋絲餅。而套袋工藝前一分為二，套袋工藝后合二為一的分、合流輸送系統(tǒng)，因分流變向動作影響后續(xù)托盤輸送，使得套袋工藝前的平均等待時間延長，降低了套袋機使用率。因此需協(xié)調(diào)分流動作時間與分流個數(shù)間的關(guān)系，通過多次仿真實驗對比尋找合理分流比（向兩臺套袋機輸送的絲餅個數(shù)關(guān)系比）。以達到提高套袋機使用率的研究目的。通過調(diào)節(jié)Vtd分流參數(shù)，尋找套袋區(qū)的合理分流比，使得包裝效率達到最優(yōu)的前提下，平衡兩臺套袋機利用率。結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)選出特定的幾組分流比（3:5；4:5；4:4；5:4；5:3）進行仿真實驗，最終得出套袋區(qū)分流比與包裝效率、利用率的關(guān)系圖表。套袋區(qū)分流比與套袋機包裝效率關(guān)系如圖8所示，套袋區(qū)分流比與套袋機利用率關(guān)系如圖9所示。

圖8 套袋區(qū)分流比與包裝效率關(guān)系圖

通過分析對比套袋區(qū)分流比與包裝效率關(guān)系、套袋區(qū)分流比與利用率關(guān)系，由此得出分流比4:4時包裝效率最高，且其兩臺套袋機利用率同時達到99%，均為最高。從而確定套袋區(qū)的合理分流比為4:4。

圖9 套袋區(qū)分流比與利用率關(guān)系圖

解決了自動包裝系統(tǒng)仿真模型裝箱區(qū)、上線區(qū)、套袋區(qū)三大瓶頸難點后，最終得出自動包裝線系統(tǒng)的最優(yōu)仿真模型。由仿真報告計算得出：包裝效率可上升至1543錠/小時。日產(chǎn)量=1543錠/小時×21小時=32403錠。

5 結(jié)語

本文以化纖滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)為研究對象，利用AutoMod系統(tǒng)仿真軟件對包裝線物流系統(tǒng)現(xiàn)存問題展開深入研究與分析，通過完善裝箱區(qū)輸送輥道工藝布局，改進上線區(qū)空盤上線模式，尋找套袋區(qū)合理分流比等方法分別對三大瓶頸進行仿真優(yōu)化設(shè)計，使得包裝線物流系統(tǒng)仿真模型運行效率得到很大提升。為滌綸長絲自動包裝物流系統(tǒng)的控制實現(xiàn)提供了可借鑒的仿真成果和理論依據(jù)。