物流輸送系統的仿真及故障分析

張一玨，劉 曄

（上海中船重工船舶推進設備有限公司，上海 200031)

0 引言

近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業的復興。在工業4.0、工業互聯網和云計算等熱潮下，全球眾多優秀制造企業都開展了智能工廠、智能倉儲系統的建設實踐。而作為物流系統的頂層設計——物流系統仿真[1，2]，仍然是全球物流領域不可忽視的研究發展方向。

FlexSim[2～4]是美國的一款三維物流仿真軟件，2005年引入國內，用于系統建模、仿真以及實現工作流程可視化，目前廣泛應用于設施規劃、產線生產、物流配送路徑優化、AGV調度、自動化倉庫仿真等。

本文研究了某在建造紙廠項目中成品紙自動化立體倉庫[5]系統的“入庫物流系統”[6]。首先根據系統方案及實際設備參數進行建模、仿真，再以搭建好的FlexSim模型為虛擬平臺，模擬系統中當某一設備出現故障時，會對所在線路及整個輸送系統產生什么影響，并根據實際條件提出處理策略。此研究可以為廠方對該物流系統的使用、設備維護及故障解決提供參考。

1 系統概況

該“入庫物流系統”是某造紙廠的一個在建成品紙自動化立體倉庫的配套入庫系統。紙廠加工完成的成品紙垛都需要經過本物流系統輸送至自動化立體倉庫指定的入庫口。該物流系統的運行情況直接關系到倉庫的入庫效率。

根據場地情況及倉庫入庫需求，該物流系統的方案布置如圖1所示。

圖1 “入庫物流系統”方案布置圖

1.1 設備概況

“入庫物流系統”中共設置99臺輸送設備，6臺專用設備，共分為6大類。

1）垂直輸送機：紙廠的造紙加工設備位于廠房的一樓，而入庫物流系統位于二樓，故配置了2臺垂直輸送機，用于將加工完成的紙垛由一樓輸送至二樓進行入庫；

2）輸送線：輸送線是組成該物流系統的主要設備，用來單向運輸紙垛及托盤；

3）旋轉輸送機：通過設備自身的旋轉，來改變紙垛的輸送方向；

4）頂升平移機構：用來在不改變紙垛相位的前提下，改變輸送方向；

5）托盤置入裝置[7]：將符合入庫條件的托盤置入紙垛下方，以滿足入庫巷道車的要求；

6）托盤拆解裝置：托盤在倉庫中是8個為一件，故需要拆解為單個的托盤用于托盤置入操作。

1.2 系統主要工藝流程

1.2.1 紙垛輸送

兩臺垂直輸送機從一樓將紙垛垂直輸送到二樓，進入“入庫物流系統”，之后紙垛由輸送線進行輸送，通過頂升平移機構將2臺升降機后的2條線路擴展為3條，并在這3條線路上并列布置3臺托盤置入裝置，處理完成的成品紙垛再通過線路4上的頂升平移機改向，統一匯入線路4，線路4為單向循環輸送，在該線路上設置規格測量、條碼識別裝置，用于識別所運送貨物的信息，根據產品信息給該紙垛一個對應的庫位作為去向，該紙垛就通過后續的輸送設備運至對應庫位的巷道，本系統輸送結束。

1.2.2 托盤輸送

托盤置入裝置所需的托盤，是由3條專門的托盤輸送線路輸送至操作工位的，分別對應第一、二、三條輸送線路，并設置托盤拆解裝置，將一件托盤拆分為8個，一次托盤置入操作使用一個托盤。

成件的托盤是從立體倉庫通過2個托盤入口，進入輸送系統的線路四，再經過線路四上的轉盤輸送至3條托盤輸送線上。

2 FlexSim建模

2.1 FlexSim實體表示

FlexSim固定實體是用來模擬仿真不同類型的資源。本次建模選擇適當的固定實體來表示系統中的設備，并根據一定的排序規則為每臺設備進行編號。FlexSim臨時實體為穿過模型系統的實體，在本次建模中，紙垛和托盤將被設置成不同類型的臨時實體來表示。

1）垂直輸送機——在該系統中，我們只關心垂直輸送機將紙垛送達二樓后的輸送情況，故選擇用固定實體“發生器”來表示垂直輸送機，用“發生器”發出臨時實體表示紙垛的到達。其屬性中的臨時實體的“到達時間間隔”參數將按照實際垂直輸送機的輸送節拍來設置，如圖2所示。

圖2 垂直輸送機模型——發生器屬性設置

2）輸送線——用“傳送帶”表示，根據實際設備參數，來設置“傳送帶”的屬性，如長度、速度、位置坐標等，設置如圖3所示。

圖3 輸送線模型——傳送帶屬性設置

3）旋轉輸送機——該設備包含旋轉、輸送兩個功能，選擇“傳送帶”表示，通過設置屬性中“等待時間”來表示旋轉所需要的時間。

4）頂升平移機構——該設備包含頂升、輸送兩個功能，選擇“傳送帶”表示，通過設置屬性中“等待時間”來表示頂升所需要的時間。

5）托盤置入裝置——選擇固定實體“合成器”表示，選擇“打包”功能，可將托盤與紙垛打包為一件成品紙垛輸送出去，另外根據實際設置“屬性”中的“加工時間”表示該工位需要的時間，如圖4所示。

圖4 托盤置入——合成器屬性設置

6）托盤拆解裝置——選擇固定實體“分解器”表示，選擇“分解”功能，設置“指定數量”，將一件托盤分解為8個托盤，如圖5所示。

圖5 拆盤機模型——分解器屬性設置

7）自動化立體倉庫——因本系統是模擬實際入庫，故用12個“暫存區”表示立體庫的12個貨位，方便直觀觀察入庫貨物的數量和統計數據，如圖6所示。

圖6 自動化立體倉庫模型——暫存區屬性設置

2.2 FlexSim模型建立

為了實現系統功能，本次建模在FlexSim模型界面中布置了128個固定實體，按照實際系統方案及設備規劃搭建了該物流系統的FlexSim模型，各固定實體編號及模型布局如圖7所示。

圖7 模型實體布局

2.3 FlexSim模型連線及系統功能實現

2.3.1 模型連線

根據系統工藝流程對所有實體進行連線，以實現臨時實體（紙垛、托盤、成品紙垛）的輸送去向。

2.3.2 系統功能實現

1）由于紙垛是按照立體庫給出的指令進行入庫，即一種規格的紙垛是對應一個貨架，故對“發生器”屬性中的“創建觸發”進行設置，設置1～12個臨時實體種類，如圖8所示。

圖8 垂直輸送機模型——發生器觸發屬性設置

2）有3臺托盤拆解裝置，故將托盤出庫“發生器”的屬性中“創建觸發”設置為13～15的3個臨時實體種類，代表去往3個方向的托盤；

3）通過將12個庫位入庫端的輸送線（模型實體編號為：A514、A517、A533、A538、A542、A547、A550、A553）屬性中“臨時實體流——發送至端口”設置為“根據返回值選擇輸出端口”，其中返回值對應之前“臨時實體類型”的設置規則即可將貨物一一對應的送至庫位中。如圖9所示。

圖9 輸送線模型——發送至端口設置

4）3條托盤輸送線路中的輸送線（模型實體編號：A401、A412、A423）為托盤緩存線，該線上始終保持有1件托盤，以滿足托盤拆解裝置的持續運行，當該線上的托盤離開時，就會給倉庫發送指令，倉庫會發出新的托盤補充至該線路。

模型通過“發送消息”來實現該功能，具體消息邏輯如圖10所示，其中，“托盤離開消息1”和“托盤離開消息2”不會同時發送。為實現該邏輯，固定實體屬性設置如圖11所示。

圖10 消息邏輯

圖11 輸送線模型——消息處理設置

2.4 模型仿真運行

“重置——運行”模型，運行情況如圖12所示。

圖12 模型運行情況

1）2臺發生器（升降機）每30秒發出一個臨時實體，每個臨時實體具備不同的顏色，表示其不同的類型；

2）托盤從托盤發生器進入輸送系統，根據指令輸送至對應的托盤輸送線路，在分解器處分解為8個托盤，準備進入合成器工位；

3）臨時實體到達合成器，托盤同時進入，合成器輸出1件與原臨時實體顏色一樣的臨時實體；

4）臨時實體根據類型分別被輸送至對應的入庫位。

3 系統故障分析及解決策略

為了解實際生產過程中，某設備出現故障后對系統產生的影響，我們在模型中假設如下故障。

1）線路一：任一臺設備故障，則線路一阻塞，但根據實際情況，紙垛會自動轉至線路二、三進行處理、輸送，故此故障不作為擁堵點，僅會影響系統輸送速度，線路二和線路三同線路一。

2）線路四：如表1所示。

表1 線路四設備故障及處理策略

3）入庫通道：任意入庫通道故障，則該入庫通道對應的貨物在通道的入口阻塞，從而阻塞整個系統。

處理策略：（1）向前端設備發送指令，停止發送該類型貨物；（2）手動將阻塞的該類型貨物送出阻塞線體，然后在適當位置人工搬離。

處理結果：除阻塞入庫通道對應的貨物外，其余貨物正常入庫。

缺點：需要人工干預。

4 結語

針對一實際工程項目中的自動化立體倉庫“入庫物流系統”進行了FlexSim建模，本文著重考慮了如何實現貨物與貨位一一對應及如何實現托盤緩存線的及時補充的問題，為該類型模型的建立提供參考方案。

另外在模型中模擬了設備故障的情況，通過觀察系統運行，直觀的得出某一設備故障時對系統會造成何種影響；然后給出在該故障出現后可以臨時緩解其對系統造成的壓力的臨時策略，可以為設備維修爭取時間，這對實際工廠中設備維護具有重要的參考價值。