高壓開關(guān)柜生產(chǎn)物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究

王 佩， 馮 波

（1． 西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710071；2． 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710065）

0 引 言

當(dāng)前，產(chǎn)品生產(chǎn)過程的三維虛擬仿真，在企業(yè)及科研院所已經(jīng)開始全面推廣，亟須高校培養(yǎng)學(xué)生的虛擬仿真能力，以適應(yīng)企業(yè)、科研院所的需求。2017 年6月，教育部辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，推出新工科建設(shè)的戰(zhàn)略舉措［1］。同年為了促進(jìn)新工科建設(shè)，教育部發(fā)布了《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，緊接著2018 年發(fā)布了教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》［2］，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中具有重要應(yīng)用，是教育信息化的重要組成部分［3］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)行課堂教學(xué)與虛擬空間教學(xué)協(xié)同運(yùn)行，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的時(shí)空制約，成為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［4-12］。

由于企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，學(xué)生對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程技術(shù)和知識(shí)獲取的渠道不多，缺乏直觀、可視化的學(xué)習(xí)資料，把生產(chǎn)過程實(shí)踐操作訓(xùn)練納入日常課程進(jìn)行學(xué)習(xí)更遙不可及，使得學(xué)生在工藝、生產(chǎn)方面的實(shí)踐訓(xùn)練不足［13-16］。機(jī)械制造課程組緊扣新工科建設(shè)，在先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)課程的建設(shè)過程中，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，針對(duì)高壓開關(guān)柜產(chǎn)品，依據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備等資源，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和內(nèi)容，搭建一個(gè)完整的高壓開關(guān)柜生產(chǎn)環(huán)境，包括車間布局、生產(chǎn)線、物流過程以及主要的工藝流程，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中感受和理解企業(yè)的生產(chǎn)過程，通過反復(fù)多次的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)和掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)制造技術(shù)，為培養(yǎng)合格的新工科人才提供支撐。

1 物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

在該實(shí)驗(yàn)過程中利用三維設(shè)計(jì)工具對(duì)設(shè)備組成的生產(chǎn)線和生產(chǎn)單元進(jìn)行三維建模和模型輕量化處理，并依據(jù)特定的工藝、物流配送等要求在虛擬仿真環(huán)境設(shè)計(jì)車間布局，建立車間三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)工藝與運(yùn)營(yíng)流程，建立車間物流過程仿真模型，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)及物流配送等過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)過程、物料配送等進(jìn)行虛擬仿真與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：

（1）根據(jù)要求在虛擬仿真環(huán)境中建立生產(chǎn)計(jì)劃、資源、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、制造資源布局等模型，并存儲(chǔ)到Excel數(shù)據(jù)表中。利用Excel工具建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)與工藝、生產(chǎn)計(jì)劃以及物料等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）格式接口，通過編程的方式將相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)載入Quest 參數(shù)化配置界面中，快速自動(dòng)生成三維仿真模型。

（2）通過三維物流仿真模型，模擬加工設(shè)備、物料緩存區(qū)、物流設(shè)備等的運(yùn)作狀態(tài)，分析和發(fā)現(xiàn)物料阻塞、設(shè)備等待等問題，進(jìn)行生產(chǎn)過程異常及改善措施分析。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程

2.1 物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)化設(shè)計(jì)

在物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建過程中，采用Excel 工具建立工藝參數(shù)表單，將物流仿真過程中需要的產(chǎn)品工藝信息、物料生產(chǎn)信息及物流信息建立成表格，通過Excel的宏進(jìn)行VBA 編程。將Excel 中的各種輸入數(shù)據(jù)形成批處理控制語言（Batch Control Language，BCL）文件，載入到Quest仿真模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下參數(shù)化的三維物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建，具體流程如圖1所示。

圖1 物料仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)化設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行三維物流仿真模型設(shè)計(jì)時(shí)，首先構(gòu)建工藝布局與三維模型，將布局與三維模型建好導(dǎo)入Quest中進(jìn)行三維物流環(huán)境的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行工藝邏輯連接，建立各種模型、行車、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（VGA）等的決策點(diǎn)，然后連接它們，形成在生產(chǎn)過程中的路徑，通過行車、AGV調(diào)動(dòng)料物進(jìn)行運(yùn)送，形成物料配送傳送邏輯、傳送路徑。建立好連接關(guān)系之后再進(jìn)行外部Excel數(shù)據(jù)輸入。在Excel表中，準(zhǔn)備好各種數(shù)據(jù)，填寫生產(chǎn)計(jì)劃的起始及結(jié)束時(shí)間，根據(jù)起始和結(jié)束時(shí)間算出仿真的時(shí)間，設(shè)置模型的路徑以便找到項(xiàng)目和模型，依次設(shè)置好生產(chǎn)計(jì)劃表、鈑金加工、裝配、物料參數(shù)表、緩存區(qū)的表格、故障和班次，通過前面的數(shù)據(jù)總結(jié)出鈑金零件、斷路器半成品以及開關(guān)柜成品的總覽，鈑金工藝和裝配工藝的總覽，這些表格可以方便建立模型的輸入?yún)?shù)，最后構(gòu)建一個(gè)仿真結(jié)果的存儲(chǔ)表格。這些信息設(shè)置完成之后，設(shè)計(jì)運(yùn)行仿真過程，通過VBA來進(jìn)行BCL參數(shù)讀入，啟動(dòng)加載Quest。運(yùn)行仿真是通過Excel指定宏實(shí)現(xiàn)的，通過Excel中選項(xiàng)—自定義功能—開發(fā)工具，啟動(dòng)VBA 開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行仿真功能的設(shè)計(jì)，具體如圖2 所示。

圖2 Excel中的指定宏

VBA程序主要分成幾個(gè)關(guān)鍵功能，獲取模型所在位置，寫入BCL 文件，通過BCL 命令文件加載Quest，建立自動(dòng)化接口使此宏可以啟動(dòng)BCL 命令文件加載的Quest模型。這樣可以把Excel中的設(shè)置的零件、工藝、設(shè)備等數(shù)據(jù)信息寫入BCL，并把BCL 文件加載到Quest中，實(shí)現(xiàn)對(duì)Quest里面的邏輯設(shè)置。在BCL讀入的過程中先創(chuàng)建零件，再創(chuàng)建工藝和設(shè)備參數(shù)，設(shè)置物料搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，然后加載Quest。同時(shí)把Quest的仿真結(jié)果輸出至Excel 中，在Quest 的邏輯（LOGICS）文件夾下面通過． txt 文件編寫輸出邏輯，這個(gè)是自定義輸出仿真結(jié)果定義的，通過這個(gè)邏輯加載到Quest之中，當(dāng)模型運(yùn)行完成之后生成所需要的結(jié)果數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果保存在輸出（OUTPUT）文件夾，再由Excel的VBA程序進(jìn)行讀取，可以由在Excel中仿真結(jié)果工作表下讀入自定義的仿真結(jié)果。輸入數(shù)據(jù)是Quest非常重要的參數(shù)配置來源，主要包括工藝及生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、物流參數(shù)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)示例見表1、2，RGV為有軌制導(dǎo)車輛（Rail Guided Vehicle，RGV）。

表1 工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

表2 物流參數(shù)設(shè)置

2.2 三維物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

建立的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕ㄐ熊囓壍溃–rane_Track），地面平板車軌道（AGV_Track），生產(chǎn)線設(shè)備（machine）建模，車間線邊庫（Buffer）包括原料庫、鈑金半成品庫、二次配線半成品、斷路器半成品庫、開關(guān)柜成品庫等。仿真模型中常包含不同類型的工藝，如循環(huán)、裝載、卸料、維修和準(zhǔn)備過程等。生產(chǎn)仿真物流過程中可以通過工藝過程的設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)對(duì)零件（Part）物料、運(yùn)輸設(shè)備AGV、工人（Labor）等定義需求的資源，以及對(duì)工藝時(shí)間和產(chǎn)品的設(shè)置。通過建模過程（Model Process）用戶頁面可以打開Process 操作欄以及對(duì)應(yīng)的按鈕操作區(qū)。通過這些按鈕操作，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求或者自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)建、修改各種類型的加工過程，如圖3 所示。

（1）循環(huán)過程（Cycle Process）設(shè)置。循環(huán)過程是機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵。例如，對(duì)一臺(tái)需要完成一個(gè)裝配過程的機(jī)器設(shè)備，則循環(huán)過程將定義需要的零件種類與數(shù)量、生產(chǎn)的產(chǎn)品以及整個(gè)裝配過程的循環(huán)時(shí)間。應(yīng)當(dāng)注意的是，循環(huán)過程（Cycle Process）只對(duì)Machine元素類適用。通常，機(jī)器設(shè)備元素在仿真中用于表示一個(gè)工作單元，或者用于表示其他任何邏輯處理元件（Component）。在這些邏輯處理元件上，可對(duì)零件進(jìn)行一般意義上的組合、拆分操作，或產(chǎn)生相同或不同的產(chǎn)品。

圖3 Cycle Process 定義

學(xué)生在選中一個(gè)加工過程進(jìn)行修改或創(chuàng)建新的加工過程中，會(huì)得到如下所示的Cycle Process Definition對(duì)話框，在此對(duì)話框中可以設(shè)置物料循環(huán)生產(chǎn)過程的不同屬性值，如圖4 所示。

圖4 Cycle Process定義對(duì)話框

（2）命令（Order）設(shè)置。學(xué)生可設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程工人（Labor）、Parts和AGV的需求順序，如圖5 所示。可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)操作：

模式（Mode） 確定單個(gè)資源如Part，Labor，或AGV被Process需求的順序方式。如果選擇As Avail，則資源可即時(shí)被使用。如果選擇All 時(shí)，只有當(dāng)所有要求的資源都可用時(shí)，加工過程才會(huì)使用這些資源。

順序（Sequence） 確定Process 對(duì)不同資源的需求順序。默認(rèn)方式為先需求Part，其次Labor，最后是AGV。

圖5 Process處理順序設(shè)置

（3） 零件（Parts）。在零件需求（Part Requirement）對(duì)話框中設(shè)置加工過程對(duì)Part 的要求。具體的Part要求可以設(shè)置為Any Part，或是模型內(nèi)指定Part類型的組合。有效值為從0 到任意正整數(shù)。

學(xué)生設(shè)定加工過程對(duì)Part 的需求為1 個(gè)Part1，1個(gè)Part2 類型，直到存在至少1 個(gè)Part1 和1 個(gè)Part2 類型可用，加工過程才會(huì)開始。如圖6 所示，當(dāng)Part1 和Part2 的數(shù)量都被設(shè)置為1 時(shí)，加工過程才會(huì)按照設(shè)置的參數(shù)去執(zhí)行。

圖6 Part輸入輸出設(shè)置對(duì)話框

（4）工人（Labor）設(shè)置。學(xué)生通過選擇此按鈕可以定義加工過程對(duì)Labor的要求。可以從Labor Class中設(shè)定任意可用的Labor 單元，或者指定一個(gè)具體Labor 類的Labor 元素。圖7 所示為L(zhǎng)abor Requirements對(duì)話框，表明加工過程對(duì)不同Labor的要求，其中必須包含1 個(gè)Labor1。

圖7 Process所需工人設(shè)置

（5）自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車（AGV）運(yùn)輸設(shè)置。學(xué)生可以定義一個(gè)或多個(gè)AGV 作為加工過程的運(yùn)輸要求。可以設(shè)置Any AGV，或具體的AGV類，來滿足加工過程對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的要求。AGV Required 區(qū)域設(shè)置為Yes／ No選項(xiàng)，因?yàn)锳GV 每次只能夠移動(dòng)到一個(gè)決策點(diǎn)。如果在Required區(qū)域允許設(shè)置多個(gè)AGV，加工過程在等待滿足條件AGV時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生被鎖住的現(xiàn)象。

如果決策點(diǎn)索引（Dec Point Index）值設(shè)置為2 個(gè)或以上，則必須至少有2 個(gè)或以上數(shù)量的輸入連接到AGV路徑上的決策點(diǎn)，如圖8 所示。

圖8 AGV需求設(shè)置

（6）循環(huán)時(shí)間（Cycle Time）。定義循環(huán)過程的工作時(shí)間。循環(huán)時(shí)間可以是常數(shù)值或是各種隨機(jī)分布類型。時(shí)間分布對(duì)話框如圖9 所示。

圖9 循環(huán)工作時(shí)間設(shè)置

（7）產(chǎn)品（Products）設(shè)置。產(chǎn)品本質(zhì)上是零件類，作為加工過程產(chǎn)生的結(jié)果。如果用戶想要銷毀一個(gè)零件類，此處可以操作實(shí)現(xiàn)。同樣，還可以創(chuàng)建一個(gè)之前沒有存在的產(chǎn)品，如圖10 所示。

圖10 裝配／拆卸工藝設(shè)置

（8）仿真時(shí)間設(shè)置及運(yùn)行仿真。在Excel中進(jìn)行仿真時(shí)間、運(yùn)行仿真設(shè)置，如圖11 所示。同時(shí)將在Excel中輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行Quest 啟動(dòng)與參數(shù)加載，如圖12 所示。

圖11 Excel中仿真時(shí)間與運(yùn)行仿真設(shè)置

圖12 通過VBA進(jìn)行Excel輸入?yún)?shù)讀取、BCL寫入及Quest啟動(dòng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真結(jié)果分析，主要包括：設(shè)置的線邊緩存區(qū)的空間是否滿足要求，物流轉(zhuǎn)運(yùn)工具的利用率分析，缺料對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析。Quest仿真之后生成的仿真分析報(bào)告如圖13 所示。

對(duì)車間生產(chǎn)系統(tǒng)的主要物流設(shè)備利用率進(jìn)行分析，分析物流設(shè)備的繁忙時(shí)間和阻塞時(shí)間，為物流設(shè)備優(yōu)化調(diào)度提供決策數(shù)據(jù)。對(duì)重點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備利用率進(jìn)行分析，包括各生產(chǎn)設(shè)備的利用率、繁忙時(shí)間、阻塞時(shí)間等。物料緩存區(qū)利用率如圖14 所示，可以得到生產(chǎn)線工位的緩沖區(qū)都占用比較大，特別是二次配線工位，說明其是一個(gè)非常明顯的瓶頸工位，可以通過增加操作工位解決瓶頸。同時(shí)鈑金半成品多是由于一個(gè)鈑金加工設(shè)備有故障，物流積壓。

圖13 系統(tǒng)仿真測(cè)試報(bào)告

圖14 物料緩存區(qū)利用率分析

同時(shí)可以分析出物料配送工具的利用情況，如圖15 所示，由于配送工具造成的阻塞時(shí)間為零，而且物流設(shè)備利用率值都偏中下，因此物流工具設(shè)計(jì)較合理。

圖15 物流、生產(chǎn)設(shè)備利用率分析結(jié)果

通過工位的產(chǎn)品堆積情況，進(jìn)行生產(chǎn)瓶頸分析，分出主要及次要瓶頸，指導(dǎo)物料配送。如圖16 所示可以很直觀地觀察到物流堆積和產(chǎn)品堆積兩種生產(chǎn)瓶頸，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)物料堆積因是因?yàn)槲锪喜积R套引起，產(chǎn)品堆積是因?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)線下一個(gè)工位出現(xiàn)故障造成的。根據(jù)分析的原因調(diào)整物料配送的時(shí)間和數(shù)量，消除物料堆積的現(xiàn)象。

4 提高虛擬仿真教學(xué)效果的措施

為保證開關(guān)柜制造過程虛擬仿真教學(xué)效果，采用了以下一些措施：

圖16 生產(chǎn)瓶頸分析

（1）各工位的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是生產(chǎn)計(jì)劃及物流仿真的重要基礎(chǔ)參數(shù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的真實(shí)性。

（2）通過設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（故障，忙，閑等）和生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間模擬運(yùn)行，對(duì)物料流轉(zhuǎn)和生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分析，評(píng)估車間計(jì)劃、物料分配和生產(chǎn)節(jié)拍的合理性。

（3）理解工位之間的物料緩存區(qū)的概念，由于設(shè)備故障率，物料齊套的影響，需要的緩存區(qū)的大小不一樣，要考慮偶然因素。

（4）對(duì)于物料搬運(yùn)設(shè)備，分析各條生產(chǎn)線的物料轉(zhuǎn)運(yùn)水平，是否造成設(shè)備物料的等待與阻塞。

（5）進(jìn)行生產(chǎn)線停機(jī)／設(shè)備故障等對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析。

（6）進(jìn)行物料齊套對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析

5 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)在高壓開關(guān)柜制造過程教學(xué)中意義在于：

（1）在高壓開關(guān)柜復(fù)雜機(jī)電裝備制造相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬迅邏洪_關(guān)柜（特別是大型高壓開關(guān)柜）制造過程生動(dòng)形象地式呈現(xiàn)出來，使學(xué)生加深對(duì)典型高壓開關(guān)柜的理解，是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)的有效補(bǔ)充和拓展。

（2）通過典型高壓開關(guān)柜虛擬制造仿真，學(xué)生可以深刻理解裝配物料、裝配工藝、設(shè)備、物料緩沖區(qū)、生產(chǎn)計(jì)劃、物料配送路徑和設(shè)備故障對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)能和影響，可以豐富理論教學(xué)，使學(xué)生接觸和使用更多的生產(chǎn)信息，并通過仿真手段分析產(chǎn)品生產(chǎn)過程，開拓學(xué)生的分析問題的思路，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

（3）改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)流程信息不足等問題。