基于Plant Simulaton的沖壓車間數(shù)字化仿真平臺研究

滕繼東，樸永燦，黃大巍，謝魁英，宿 彪

（1.機械工業(yè)第九設(shè)計研究院有限公司，長春 130011；2.北京迪基透科技有限公司，南京 211101）

0 引言

近年來，隨著我國自主汽車品牌的崛起和用戶需求多樣性的變化，傳統(tǒng)小品種大批量生產(chǎn)模式無法滿足市場需求，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、交貨周期短迫使主機廠需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進行升級改造或引進先進的生產(chǎn)線，以經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)車間生產(chǎn)線規(guī)劃方式已不符合現(xiàn)代制造的要求，因此，運用虛擬仿真技術(shù)對沖壓車間進行研究，在車間的設(shè)計規(guī)劃階段，對整個車間的運行進行分析和預(yù)判，把可能出現(xiàn)的缺陷在設(shè)計階段解決，對提高沖壓車間的運行效率、降低生產(chǎn)成本具有重要的研究意義[1]。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者從不同角度對虛擬仿真和沖壓車間仿真等進行了研究，如朱肖宇等[2]對汽車沖壓車間生產(chǎn)批量和生產(chǎn)調(diào)度等問題進行分析和優(yōu)化；Roychowdhury等[3]研究了以共用沖壓件料架容量為約束，對生產(chǎn)計劃最小交貨期進行研究，并設(shè)計求解算法；黃豐等[4]建立沖壓車間仿真模型，并驗證車間不同生產(chǎn)計劃的優(yōu)劣。付百川等[5]研究了數(shù)字化工廠實施的步驟，探討了實施過程需要注意的要點等。姜根成等[6]研究了沖壓車間仿真平臺，用遺傳算法對叉車路徑進行優(yōu)化，降低叉車無效行駛的浪費。

基于以上研究，本文結(jié)合沖壓車間的生產(chǎn)特點，開發(fā)高效的柔性沖壓車間仿真平臺，實現(xiàn)技術(shù)人員根據(jù)方案不同快速生成仿真模型，為規(guī)劃方案決策提供支撐，同時基于“工業(yè)4.0”的思想，搭建虛實互聯(lián)車間，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、可視化。

1 沖壓車間仿真平臺分析

1.1 沖壓車間工藝物流分析

沖壓車間是將板材沖壓形成汽車車身、車廂、車底板等部件的過程，沖壓是汽車生產(chǎn)四大加工工藝的首個工序，直接影響著汽車焊裝、涂裝、總裝車間的生產(chǎn)[7]。沖壓車間生產(chǎn)具有以下特點：

1）換模時間長：每種沖壓件均有一套專用沖壓模具，模具從模具庫通過天車送到?jīng)_壓線，并進行換模，換模時間時間需幾分鐘到十幾分鐘，遠大于單個產(chǎn)品的沖壓時間，因此換模時間不可忽略。

2）大批量生產(chǎn)：因不同產(chǎn)品換模時間較長，且準備過程需要消耗大量的能源和人力，生產(chǎn)過程應(yīng)盡量減少換模次數(shù)，因此采用批量生產(chǎn)的方式。

3）需求拉動：為了滿足下游車間正產(chǎn)生產(chǎn)，沖壓車間需根據(jù)下游車間的需求計劃進行批量生產(chǎn)，在保證安全庫存的前提下，盡可能減少在制品數(shù)量。

圖1 沖壓車間工藝邏輯

某企業(yè)沖壓車間由毛坯補料區(qū)、毛坯存放區(qū)、模具存放區(qū)、沖壓生產(chǎn)線、沖壓件存放區(qū)、叉車停靠區(qū)等幾個區(qū)域組成，沖壓車間內(nèi)部的物流配送通過叉車和天車完成，如圖1所示為沖壓車間的工藝運行邏輯：

1.2 模型邊界和仿真目標

仿真平臺以沖壓車間為分析研究對象，研究的范圍從毛坯進入沖壓車間開始到?jīng)_壓件離開沖壓車間進入焊裝車間為止，不包括沖壓車間以外的生產(chǎn)操作。基于沖壓車間具體實例的分析，仿真優(yōu)化模型的目標有：

1）基于沖壓車間的生產(chǎn)工藝流程，構(gòu)建沖壓生產(chǎn)線的線體仿真模型，對沖壓生產(chǎn)車間進行動態(tài)分析。

2）采用參數(shù)化建模的技術(shù)，開發(fā)通用的沖壓車間仿真平臺，能對不同的規(guī)劃方案進行分析比較，提高仿真平臺的柔性。

3）分析沖壓車間叉車數(shù)量對沖壓車間產(chǎn)能的影響，確定最優(yōu)的叉車數(shù)量,確定車間毛坯和沖壓件庫緩存區(qū)的大小等。

4）建立車間的三維動態(tài)展示模型，實時了解車間和模型的運行狀態(tài)。

5）建立先進的智能數(shù)字化仿真平臺，實現(xiàn)與車間Mes系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)及Excel軟件互聯(lián)互通的數(shù)字化應(yīng)用平臺。

1.3 模型假設(shè)

沖壓車間物流多且過程復(fù)雜，若對所有的生產(chǎn)動作要素進行分析，不僅會消耗大量的人力物力，也會影響對仿真目標的分析研究，因此在實際建模的過程中要根據(jù)沖壓生產(chǎn)線的特點和仿真目標的不同，對分析目標影響較小的因素進行簡化，保證仿真模型的有效性。結(jié)合沖壓車間優(yōu)化改善的目標，對沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)模型做如下假設(shè)：

1）沖壓生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致停線的概率按照設(shè)定的分布函數(shù)隨機發(fā)生。

2）沖壓工位的機器人、夾具、端拾器等不做具體動作建模，以每個設(shè)備作為最小的建模對象。

3）除沖壓線尾人工裝沖壓件到料框外，其他區(qū)域認為人員充足供應(yīng)，模型中省略對工人的建模。

2 沖壓車間仿真平臺

2.1 建模的流程

Plant simulation建立仿真模型的步驟如圖2所示。

圖2 仿真建模流程圖

2.2 沖壓車間仿真平臺建立

2.1.1 模型建立的原則

為了建立面向普通用戶的通用化仿真平臺，仿真平臺的柔性、靈活性和通用性是仿真平臺的基本要求，沖壓車間仿真平臺采用模塊化、層次化的建模方式，各系統(tǒng)子模塊封裝成友好的人機界面，同時建立良好的三維交互式系統(tǒng)，用戶能根據(jù)實際沖壓車間方案的調(diào)整，對生產(chǎn)線仿真平臺的節(jié)拍、生產(chǎn)過程、車間布局等進行快速調(diào)整。沖壓車間仿真平臺遵循以下幾個原則：

1）類對象的使用

Plant Simulation是面向?qū)ο蟮姆抡娣治鲕浖诮５倪^程中把一些相似的對象歸為一類，可以通過繼承的方式使用軟件中的基本屬性，也可以開發(fā)模型所需要的新屬性，并以繼承的方式重復(fù)使用，這種特性可以為建模節(jié)省大量的時間，提高建模的準確性，同時使模型的層次更加清晰。

2）模塊化建模

根據(jù)沖壓車間的特點和工藝流程把沖壓車間劃分為不同的功能模塊，仿真平臺采用自下而上的層級化建模方式，從最小的作業(yè)單元到某一特定功能的功能模塊逐步建模，單個子模塊實現(xiàn)該模塊特定的功能，同時充分考慮各功能模塊的通用性、可擴展性、可復(fù)制性和相互通信的簡易性，能滿足客戶對仿真平臺的擴展修改，沖壓仿真平臺的模塊劃分如表1所示。

表1 仿真平臺模塊劃分

表1 （續(xù)）

3）層次化

模型中各單線體采用層次化建模的思想來構(gòu)建模型，每個單線體建立在一個單獨的框架中，先建立底層的子系統(tǒng)模型，再按照工藝流程將各子模型的接口連接起來，建立一個整體模型。

4）參數(shù)化建模

仿真平臺各功能模塊、模型輸入和輸出模塊封裝成集成的模塊，設(shè)計UI用戶界面，在UI界面修改參數(shù)和輸出優(yōu)化分析圖表等。如圖3所示為“模具庫模塊”，在該UI界面輸入模具存放區(qū)的參數(shù)，即可生成模具存放區(qū)，單擊“打開庫位表”如下圖4在表格中輸入不同模具的存放位置，即可按該表格生成模具存放區(qū)。

圖3 模具庫管理界面

圖4 模具存放位置圖

2.2.2 Plant Simulation仿真模型中對象要素

Plant Simulation是一個面向?qū)ο蟮碾x散型建模和仿真軟件，根據(jù)沖壓車間各對象元素的特點，主要的建模單元有：

1）毛坯件：采用移動對象Entity表達，主要屬性有名稱、長度等。根據(jù)這些屬性確定沖壓毛坯數(shù)量、托盤容量、訂單數(shù)量等。

2）沖壓工位：采用物流對象SingleProc表達，主要參數(shù)有沖壓時間、故障率和平均修復(fù)時間等。

3）托盤：采用移動對象Container表達，主要參數(shù)有長度和容量等。

4）安全區(qū)：采用資源對象LockoutZone表達，主要參數(shù)為安全區(qū)工位列表，控制安全區(qū)所有工位的故障。

5）模具庫、沖壓件庫:采用物流對象Buffer表達，主要參數(shù)為容量。

2.3 數(shù)字化虛實互聯(lián)車間

2.3.1 虛實互聯(lián)車間

基于“虛實互聯(lián)”的理念，和物理工廠建立同步虛擬數(shù)字化仿真平臺，通過虛擬物理工廠并獲取物理工廠數(shù)據(jù)提前仿真、模擬、展示物理工廠運作，通過虛實結(jié)合，實現(xiàn)虛擬工廠對物理工廠的實時展示和監(jiān)控。

虛實互聯(lián)工廠的主要內(nèi)容如下：

1）Plant仿真模型自動獲取工廠Mes數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)工時、BOM表、生產(chǎn)工位信息、生產(chǎn)計劃、托盤容量等，并以此為模型的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)從實到虛的數(shù)據(jù)傳遞。

2）Plant仿真模型根據(jù)輸入的參數(shù)進行仿真優(yōu)化，并把排產(chǎn)計劃等優(yōu)化結(jié)果反饋到車間Mes生產(chǎn)系統(tǒng)，指導(dǎo)車間的生產(chǎn)，實現(xiàn)從虛到實的數(shù)據(jù)傳遞。

通過Plant Simulation與車間Mes建立互聯(lián)互通的的環(huán)境，具有以下意義：

1）Plant仿真模型自動獲取工廠Mes數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)工時、BOM表、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)工位信息等，并以此為模型的數(shù)據(jù)輸入，保證輸入數(shù)據(jù)的正確性。

2）Plant仿真模型根據(jù)輸入的參數(shù)進行仿真優(yōu)化，并把仿真優(yōu)化結(jié)果反饋到車間Mes生產(chǎn)系統(tǒng)，指導(dǎo)車間的生產(chǎn)。

3）能夠獲取車間某一時刻的生產(chǎn)狀態(tài)，并以此狀態(tài)為仿真模型的初始狀態(tài)，基于此狀態(tài)和車間的生產(chǎn)計劃驗證計劃能否完成等，使仿真結(jié)果更貼近實際。

4）能夠在Plant三維模型中動態(tài)展示和查看車間每個設(shè)備的運作狀態(tài)。

2.3.2 虛實互聯(lián)車間實施

數(shù)字化虛擬車間以沖壓車間仿真平臺為支撐，借助3D模型，動態(tài)展示沖壓車間的運行過程，并將仿真結(jié)果反饋到?jīng)_壓車間，形成仿真平臺、沖壓車間和Mes系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)。虛實互聯(lián)車間的信息傳遞如圖5所示。

2.3.3 虛實互聯(lián)車間接口設(shè)計

虛實互聯(lián)車間數(shù)據(jù)傳遞包括內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞和外部數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞即是沖壓車間不同功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞在沖壓仿真平臺內(nèi)部使用控制函數(shù)進行數(shù)據(jù)傳遞；外部數(shù)據(jù)是仿真平臺和Mes系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫或Excel辦公軟件間的數(shù)據(jù)傳遞，在設(shè)計階段，需要規(guī)定不同數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間的傳遞方式、數(shù)據(jù)傳遞格式、輸入和輸出格式等。

圖5 虛實互聯(lián)車間信息傳遞示意圖

虛實互聯(lián)車間中使用ODBC接口與車間MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)動態(tài)交互，從Mes系統(tǒng)讀取基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、工藝信息、過程生產(chǎn)信息等，使用ODBC接口把仿真結(jié)果寫入到Mes系統(tǒng)。如下所示為虛實互聯(lián)車間從Mes系統(tǒng)讀取生產(chǎn)計劃表的實現(xiàn)方式：其中”***”為數(shù)據(jù)庫名稱，"###"為用戶名，"&&&"為密碼，SH,CYX，CX，ZL，SL，YMDJ，YLSL為數(shù)據(jù)庫表字段名，t_ProductionPlan為仿真模型中生產(chǎn)計劃表名稱，PRODUCT_P LAN為數(shù)據(jù)庫中生產(chǎn)計劃表名稱。

var returnValue:=

.Models.Model.ODBC.login（“***”，”###”，”&&&”）

if returnValue

messageBox(“連接成功!")

t_ProductionPlan.delete

.Models.Model.ODBC.sql(t_ProductionPlan,"select SH,CYX,CX,ZL,SL,YMDJ,YLSL,From PRODUCT_P LAN")

else

var sSQLError,sErrorMessage :string

var nErrorCode :integer

.Models.Model.ODBC.sqlError(sSQLError,nErrorCode,sErrorMessage)

MessageBox(sprint("連接失敗",to_str(sErrorMessage,chr(10))))

end

虛實互聯(lián)車間中使用DDE連接技術(shù)與Excel進行數(shù)據(jù)動態(tài)輸出，把仿真平臺統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)實時輸出到Excel表格中，如下為DDE輸出到Excel中的方式：

='eM-Plant'|data!'.Models.Model.Door1.v_WaitTimes'

2.3.4 虛實互聯(lián)車間顯示與分析

虛實互聯(lián)車間除了提供沖壓車間的分析功能外，還可以通過逼真的三維模型動態(tài)展示沖壓車間的運行過程，直觀的看到毛坯配送、沖壓過程、沖壓件裝框等整個車間的運行情況。仿真過程中每個沖壓件產(chǎn)品從進入沖壓車間到離開沖壓車間，過程運行信息都以表格或自定義屬性的形式存儲，如毛坯進入沖壓車間、進入和離開沖壓線時間、設(shè)備的利用率、工人的利用率等均可追蹤查看。如圖6所示為虛實互聯(lián)車間沖壓生產(chǎn)線展示界面，單擊工位三維數(shù)模展示該工位的工位過程信息。

圖6 虛實互聯(lián)車間工位信息展示圖

3 沖壓車間仿真平臺應(yīng)用

3.1 沖壓車間分析

隨著精益生產(chǎn)理念的應(yīng)用，JIT生產(chǎn)方式成為企業(yè)提高競爭力的有效手段之一，以最合理的資源投入，獲取最大的經(jīng)濟效益，保證車間生產(chǎn)過程的流暢性，是企業(yè)追求的目標。

以某企業(yè)沖壓車間為研究對象，利用沖壓車間數(shù)字化仿真平臺，建立仿真模型和虛實互聯(lián)車間。該企業(yè)有一條6序沖壓線、兩個模具庫存放區(qū)、一個毛坯存放區(qū)和沖壓件庫。沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍5s，沖壓線尾8名工人負責從線尾取沖壓件裝入料框，料框裝滿后由線尾叉車運送到?jīng)_壓件存放區(qū)，線尾叉車數(shù)量過少時，滿料框配送不及時，會導(dǎo)致沖壓線尾沖壓件堆積，使沖壓線停線，影響生產(chǎn)的流暢性，叉車數(shù)量過多則會增加車間成本。利用搭建的沖壓仿真平臺進行分析，分析參數(shù)為線尾叉車數(shù)量，分析目標為沖壓線停線次數(shù)，進而確定最佳的叉車數(shù)量。

為了保證仿真數(shù)據(jù)的有效性，設(shè)置仿真時間為20天，從第二天開始統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中每周的排班計劃如圖7所示。

圖7 沖壓車間排班計劃

如圖7所示，每周的周一到周五為工作時間，每天2個班次輪換上班，Pauses為中間休息時間，休息時間內(nèi)，整個系統(tǒng)會暫停工作。

3.2 DOE實驗設(shè)計確定叉車數(shù)量

DOE（Design of Experiment）是一種基于概率論的正交試驗數(shù)理統(tǒng)計方法，通過合理安排實驗，以較小的實驗次數(shù)和較低的實驗成本，獲得理想的實驗結(jié)果。

設(shè)置實驗?zāi)繕藶闆_壓車間停線次數(shù)StopTimes值最小，設(shè)置線尾叉車為單因子，叉車數(shù)量為多水平，選取1、2、3、4、5、6共6個水平影響產(chǎn)能因素。得到叉車數(shù)量和沖壓車間停線次數(shù)StopTimes值之間的關(guān)系圖如圖8所示。

圖8 沖壓線停線次數(shù)隨叉車數(shù)量變化趨勢圖

如圖8所示，隨著叉車數(shù)量的增多，沖壓生產(chǎn)線停線次數(shù)逐漸減少，叉車數(shù)量為1～3時，停線次數(shù)提升較為明顯，當叉車數(shù)量為3～5時，停線次數(shù)提升不大，叉車數(shù)量為5及以上時，沖壓線停線次數(shù)為0，考慮到?jīng)_壓車間的時間成本，叉車數(shù)量選擇5。

4 結(jié)語

本文結(jié)合沖壓車間生產(chǎn)背景，對沖壓車間生產(chǎn)線進行仿真研究，搭建沖壓車間仿真平臺，該平臺對沖壓車間的計劃調(diào)度、資源規(guī)劃、物流分析、布局分析等方面，在進行車間規(guī)劃和車間改造進行分析和論證。同時結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建互聯(lián)互通的虛實互聯(lián)仿真環(huán)境，建立互聯(lián)的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化模型。該平臺具有以下功能和優(yōu)點：

1）采用Plant Simulation軟件建立沖壓車間通用仿真平臺，實現(xiàn)對沖壓車間緩存區(qū)大小、轉(zhuǎn)運批量、生產(chǎn)計劃、瓶頸環(huán)節(jié)分析等。平臺采用模塊化、參數(shù)化建模方式，滿足技術(shù)人員對功能模塊進行快速的調(diào)整、規(guī)劃，能有效提高車間規(guī)劃的效率、為車間生產(chǎn)提供決策支持。

2）建立互聯(lián)互通的虛實互聯(lián)車間，打破傳統(tǒng)仿真模型孤立運行的模式，實現(xiàn)仿真平臺、Mes系統(tǒng)、生產(chǎn)車間的閉環(huán)連接，克服傳統(tǒng)仿真與實際生產(chǎn)的脫節(jié)，使仿真與車間狀態(tài)緊密結(jié)合。

3）虛實互聯(lián)車間能動態(tài)展示沖壓車間運行過程，在仿真平臺實時可以查看實際車間的運作狀態(tài)和相關(guān)的參數(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)車間的監(jiān)控和管理。