基于Plant Simulation的車身車間EMS仿真分析應用研究

方建程，劉德俊，吳聿棟，朱志霖

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

我國是全世界最大的汽車生產和消費大國，汽車行業既有一定的發展潛力，也面臨著激烈的競爭，因此在汽車生產和規劃的過程中，汽車企業要提升自身競爭力，既要提升自身產能，也要規劃投資和精益生產。

Plant Simulation是基于離散事件的仿真工具，自帶大量的設備和生產單元模型庫，能為生產線建立清晰直觀的仿真模型，實現對生產線運行狀態和效率的預測和分析，同時內置的SimTalk語言可靈活地控制、優化產能仿真系統和工藝過程。

本文將結合車身車間規劃EMS小車數量的案例，介紹EMS仿真的過程和Plant Simulation模塊的二次開發和應用。根據現場的實際輸入和輸出要求，測試系統產能，評估規劃方案并提出優化意見，以減少項目投資，為最終決策提供依據。

1 車身分線EMS問題分析

首先我們了解一下一般車身車間的系統結構，如圖1所示。

圖1 某車身車間系統結構

車身車間作為一個復雜的系統，由所有的單線線體互相連接構成。某汽車車身車間主要由底板、側圍、總拼、補焊、表調線以及各條線之間的自動化輸送系統、氣泡(Buffer)組成。

一般情況下對于不重要的送料系統，即不對車間產能造成損失的分線，在產能仿真分析模型中可以忽略其對系統的影響。對于車身車間的非計劃停線一般有以下原因：故障（Failure）、堵塞（Block）、拉空（Starved）等。其中內外側圍線的側圍需要在生產完成后由EMS裝載進入空中機運線，并由EMS小車分別運輸到內外總拼完成合拼動作。

EMS線對于主線產能的影響主要原因有以下幾點：

（1）內外側圍上料是人工工位，對于主線的產能配比無法做到完全匹配，因此需要設置合理的緩存容量；

（2）EMS Loop距離較長，EMS小車的數量不足會導致對主線供料不足的問題；

（3）EMS線體對于每一種車型有對應的分道，存在車型的分流和合流位置，EMS小車的數量較多會導致輸送道和返回道堵塞；

（4）內外側圍連續生產情況下造成的分合流位置堵塞。

因此對于新車型引入，工藝、車間需要對EMS小車數量進行計算，工藝的規劃和計算方法無法根據小車數量和車型配比的不同進行計算，只能估計出保證生產的數量范圍，無法做到精益規劃。

產能仿真可以模擬當前現場生產的情況，根據現場布局和車型配比進行仿真分析，仿真結果可以提供精確的數量范圍，實現精益規劃。針對本項目工藝規劃人員提出了以下的目標需求。

（1）當前EMS小車是否可以滿足目標產能（43JPH）需求；

（2）若將EMS改造為共用的EMS小車，則需要多少臺小車；

（3）內外側圍的產車配比有什么要求，是否會產生產能損失。

2 車身分線EMS仿真分析過程

2.1 仿真建模過程

產能仿真項目一般分為模型建立和仿真分析。模型建立包括目標建立、數據收集、模型建立和驗證。其中，模型的建立和數據的收集至關重要。數據的輸入主要為車間/工藝布局（Layout）、目標產能（JPH）、CT、設備開動率（SAA）、MTTR、MTBF、載具數量、儲存區策略、控制策略等。仿真分析主要包括仿真實驗、瓶頸分析、仿真結果及優化、仿真報告。

2.2 某車身車間仿真模型數據建立

在本案例中，車身車間要求新車型進廠后整車車間產能達到43JPH，其中EMS數量需要重點分析，由于評估的是整廠的產能輸出，需要收集整廠的仿真數據，包括內外總拼和內外側圍以及EMS升降工位和附近工位的數據。

2.3 仿真建模及驗證

按照現場Layout和工藝流程，使用Plant Simulation軟件自帶的模塊，和二次開發用于整車的仿真對象，搭建整車系統模型，并建立邏輯結構，其中EMS的模型布局如圖2所示。

圖2 車身車間EMS模型示意圖

2.4 車間仿真模型數據通過模塊庫的批量導入

通過二次開發的Plant Simulation數據處理模塊，將主線的工位信息批量導入模型中。模塊庫的開發遵循可重復使用、可擴展、易維護和可評估的原則，主要的目的是使我們的仿真工作更加的標準化，并且實現仿真人員和開發人員的分工，極大的提高產能仿真的效率。目前開發模塊功能主要分為以下三個層級，使用層：面向用戶，負責參數的設置；建模層：面向用戶，負責模型的搭建；開發層：面向開發人員，負責功能的建立和更新。具體的層級和作用如圖3所示。

圖3 Plant Simulation的模塊開發原則

2.5 車間EMS仿真模型邏輯建立

完成模型搭建后，根據實際情況對EMS小車進行邏輯控制，以保證EMS車型匹配、空車等待、返回和分流邏輯正確。

通過SimTalk編程邏輯實現對EMS小車的邏輯控制，并在前述模塊開發的思想下，開發可重復使用的仿真分合流模塊，實現對車型A、B、C、D的EMS控制，該模塊還可以通過參數修改用于整廠仿真的分合流邏輯控制，如圖4所示。

圖4 分合流邏輯控制模塊

控制模塊完成后，在物流流向控制模塊(ContCtrl)中設置傳感器，如下圖5所示。設置車間模型的各個分合流位置按照現場邏輯運行，如保證空中EMS線的分線零件種類與主線車型的匹配。

圖5 控制傳感器設置

由于涉及到車型數量配比問題，需要實現現場給出車型連放要求，UR和FO合流點的連放要求見圖6。

圖6 UR和FO連放條件

（1）A、B車型連續拉動在不影響生產的情況下最少連續5輛，最多不超過8輛

（2）C、D車型連續拉動在不影響生產的情況下最少連續6輛，最多不超過12輛

使用EMS開發分合流模塊的MinMaxFlow功能，實現車型的連放策略。因為A、B和C、D的側圍生產位置不同，且應與UB和FI的來車進行匹配，因此A、B和C、D的配比應該分別考慮。根據現場規劃人員給出的目前車間的規劃產能數量，按照隨機生產和連放的要求對內外側圍的生產比例和最大最小連放要求進行仿真分析。

最后對編程邏輯的準確性進行試運行驗證，排除編程過程中可能出現的錯誤，直到模型運行邏輯和功能達到預先的設計工藝流程，能夠流暢運行。

3 仿真結果分析

Plant Simulation軟件仿真時，測試的是長期穩定的結果，為了保證結果的正確性，需要設置預熱時間為24小時，然后模擬運行1000小時。同時Plant Simulation軟件的仿真結果是一個隨機數據集合，在一定置信區間內，數據才是離散系統仿真的結果。

本文通過對EMS數量配比的仿真分析，在二次開發的模塊基礎上，運行的實驗結果如圖7所示，根據工藝規劃人員提出的需求，仿真結果有以下幾條。

圖7 仿真結果

（1）當前EMS小車可以滿足目標產能（43JPH）需求，車間產能為43.2JPH；

（2）若將EMS改造為共用的EMS小車，外側圍ESO達到最大JPH時小車數量大于等于27個；內側圍ESI達到最大JPH時小車數量大于等于22個。改造后車間產能能滿足44.3JPH生產，EMS改造有利于產能提升。

（3）內外側圍A、B的生產配比應為1：2且B的連續生產數量不超過2輛，A的連續生產數量不超過5輛；C、D的生產配比應為4：7，且D的連續生產數量不超過5輛，C的連續生產數量不超過10輛，否則會產生產能損失，當車型配比超過一定比例時會造成EMS的反堵，若不進行人為調度，則會使車間產能仿真結果為零。

4 結語

本文通過汽車車身車間EMS的仿真案例，介紹了Plant Simulation在車身車間EMS產能仿真的應用。通過產能仿真模擬現場的運行策略、生產邏輯和設備參數，通過實驗的方式進行方案的驗證，從而為生產、改造規劃提供直觀量化的依據，從而降低成本，減小投產風險，對企業生產來說具有十分重大的意義。

同時本文針對整廠仿真中常用的邏輯策略，提出了可重復使用的標準控制模塊開發，從而可以降低在建模過程中大量的重復勞動，達到建模的高效率、準確性和標準化的目的。對Plant Simulation的開發和使用提供了重要的借鑒意義。