基于FlexSim軟件對電能表生產線設計的仿真

張敬偉，張保增

（1.許昌許繼軟件技術有限公司，河南 許昌 461000；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

1 引言

近年來，隨著電能表市場逐漸穩定和數字化、自動化技術的發展，大多數電能表生產企業和供電公司，都逐步使用了自動化生產線以提升電能表的生產和檢定效率[1-2]，并為提升電能表的質量，打下電能表生產和檢定的信息化基礎。由于電能表生產線設計參數較多，設計調試過程復雜，需要耗費較長的時間和人力成本。然而市場和生產現狀要求生產線研發調試時間越短越好，所以采用軟件仿真方法對生產線進行研究變得越來越重要。

文獻[3-5]對電能表自動化生產線進行了設計研究，并使用DELMIA軟件實現了對電能生產線的仿真，但其設計的模型不能直接被DELMIA軟件識別，具有一定的局限性，并且也僅對機器人的操作和生產線節拍進行了仿真。

FlexSim軟件是一款離散事件仿真軟件，可以在三維環境中仿真生產過程。本文針對某企業的智能電能表生產線設計案例，使用FlexSim實現電能表生產線的仿真，能夠方便完整地進行電能表生產線試驗，通過直觀的方法找到早期生產線的問題，并為實現生產線各種參數的優化提供便利，具有很強的實用價值。

2 研究與方法

2.1 電能表生產線

在生產企業中智能電能表的生產過程主要包括電能表組裝、端子焊接、功能檢測、校表和包裝幾個過程。電力公司也會對到貨的電能表進行檢定，其過程和原理與校表過程相類似。

電能表生產過程中的組裝、端子焊接及產品包裝多是串入串出的工序，流程相對簡單。相比之下在校表和檢定過程中，需要對多個計量點進行檢測[6]，耗費時間最長，且生產線上各個表位要不間斷的動態檢定，工作流程復雜，受干擾因素較多[7]。為了平衡各工序節拍，設計校表和檢表工序時采用多個校表工序串聯后再并聯的方式，調度相對復雜。 而功能檢測工序為多工位并行工作，自動化程度高，需要設計和調試工作量較大，所以本文仿真主要針對校表和功能檢測工序進行。

2.2 FlexSim仿真軟件

本文使用Flexsim軟件對電能表生產線進行動態仿真，通過仿真可以直觀看到電能表在生產線上流動，驗證運行代碼是否正確執行，并得到生產線運行數據及其分析結果。

FlexSim仿真軟件是一款功能強大的分析工具，能夠幫助工程設計人員優化系統的設計和運行。通過FlexSim軟件，可以建立三維模型進行仿真，以縮短調試時間并減少調試成本。通過FlexSim建立三維模型時，只需要將相應的部件從部件庫拖放到模型視圖（View）中。FlexSim采用經過高度開發的部件（Object）來建模。 定義模型邏輯時，可直接使用C++[8]。

建立模型時，首先通過部件庫建立電能表生產線的三維模型，并且使用連接把設備關聯起來。使用軟件中的固定資源中的Processor和Station來仿真工藝設備，使用傳輸設備來仿真傳輸設備。

電能表生產線三維仿真模型如圖1所示，生產線中各段與實際生產線布局一一對應。其中電能表在圖中左下端通過人工把電能表安裝固定在工裝載具上。完成固定后工裝載具沿著流水線依次經過電壓檢測、預檢測、指示燈檢測和CCD顯示檢測后，進行校表流程。校表完成后進入通信模塊檢測和參數設置工序，完成后從工裝載具上取下，進入封扣和包裝環節。

圖1 電能表生產線三維仿真模型

2.3 電能表工裝載具仿真

在電能表的檢測和校表等過程中，需要給電能表進行加電，所以需要對電能表進行精確定位。為了精確定位的需要，電能表在檢測和校表時放置在工裝載具上進行，如圖2所示。

圖2 電能表固定在工裝載具上

在實際生產線上，一定數量的工裝載具放置在流水線上，自動實現循環使用。在仿真模型中，工裝載具由固定資源Source_Vehicle生成。當載具生成數量足夠時停止生成。

為了實現電能表與工裝載具的結合和分離，應用了Combiner和Separator資源。Combiner和Separator都是Processor的子類。Combiner類用于把多個物料組合在一起，Separator用于把一個物料拆分成多個物料。工裝載具與電能表之間的組合建模如圖3所示。

圖3 為工裝載具加載電能表模型

在Combiner中，設置每個工裝載具中需要組合的電能表數目和載具數目，在Properties選項的Combiner頁面中設置需要組合的電能表數量。通過連接工具實現電能表傳輸線出口與操作者的連接。 同時選中傳輸線向Combiner上傳輸電能表時使用搬運工具，實現通過人工把電能表加載到工裝載具上。

工裝載具由生成器Source2生成。生成數量由緩沖器Queue2控制。當輸入Queue2物料數量達到一定數量時，關閉輸入口。如圖4所示。

圖4 從載具上取下電能表

當電能表檢測完成后，需要從載具上取下電能表。通過Separator實現電能表與工裝載具的分離。把取下電能表放置在電能表包裝流水線上，進入包裝環節。工裝載具自動流向電能表加載工位，在流水線上循環使用。

2.4 校表臺仿真

由于電能表制造過程的分流器和分壓電阻等元器件的個體差異，為了保證電能表的計量精度，需要對電能表進行校準。校表需要在校表臺上進行。對電能表加一定的電壓和電流，通過電能表的計量值（電流、電壓和功率等）和標準電能表的計量值進行比對，計算并設置被校電能表的修正系數，以實現被校電能表對電量的精確計量。一個校表臺上的多個電能表需要同時校表。每個校表臺具有48個表位，能夠同時對48塊電能表進行校表。在仿真模型中，使用一個Station和一個Processor模擬一臺校表臺。如圖5所示。

圖5 電能表校表臺模型

為了模擬8個托盤上的電能表同時進行校表，使用了事件驅動機制，保證8處校表工位同時完成。針對Station節點和Processor節點，控制機制如下：

1）通過在Station上設置物料的lables值，對一批（8個工裝載具）被校電能表托盤編不同的號碼，配合Processor對物料lables的判斷，實現8個工裝載具的電能表的同時校表。在Station上的On Arrival觸發事件中程序流程如圖6所示。

圖6 Arrival觸發程序流程圖

2）在Station的On Process Condition觸發事件中，當前一批物料接收完成時，返回1（需要處理）；否則返回0（不需要處理）。在Processor的On Entry觸發事件中，當檢測到物料lables為一批物料的起始時，關閉輸出，否則直接放行，啟動校表完成的電能表流向下一個工位。

3）在Station的On Process Finish觸發事件中，向Processor發送消息，通知已經完成了校表事件。當Processor接收到消息后，啟動繼續輸出。

2.5 校表通道調度仿真

由于單個電能表需要校表時間較長，為了實現電能表生產線的節拍平衡，生產線上需要設計多路電能表校表臺并聯。電能表進入校表工序前，需要判斷進入哪一個校表臺，以實現校表流程的調度。

為了實現校表流程的調度，仿真中使用了軟件中Conveyors中的Decision Point功能。使用Decision Point功能可以實現物料在傳輸帶上的流向邏輯控制。在進行校表工序前設置DP0，其余各路校表臺入口分別設置一個Decision Point，為DP1至DP6。使用連接功能將DP0與DP1至DP6連接起來，實現電能表在各校表臺之間選擇的控制。校表流程通道選擇如圖7所示。

圖7 校表流程通道選擇

當電能表經過決策點DP0時，依次判斷各校表臺是否空閑，當檢測到某校表臺空閑時，設置電能表流向其端口。當檢測到所有校表臺都忙時，關閉Queue3的輸出，阻止電能表向下流。程序流程如圖8所示。

圖8 電能表校表流程調度方法

在Queue3的On Message觸發事件中，打開Queue3的輸出端口。當有其中一路校表臺完成校表時，向Queue3發送消息。當Queue3接收到消息時，打開輸出端口，啟動向下游發送。

3 結果與討論

3.1 電能表工裝載具的設置

在電能表生產線上需要設置足夠多的工裝載具，以保證生產過程中需要足夠的待加工的電能表。通過更改電能表生產線上工裝載具的數量進入仿真，得出生產線生產率與工裝載具數量之間的關系。為了保證校表臺前足夠的緩沖區，試驗時設置校表臺前緩沖區數量為7個。通過更改生產線上電能表工裝載具進行試驗，得出30 000s之內下線的電能表的數量，如圖9所示。

圖9 工裝載具數量對生產線生產率的影響

從圖9中可以看出，隨著工裝載具數量的增加，生產線生產率逐漸增加。當工裝載具數量增加到70個時，生產率不再增加。

3.2 緩沖工位的設置

為了保證生產線生產的連續進行，需要在生產線上布置合適的緩沖區[9]。在電能表生產線上，當某一校表臺完成校表后，需要同時多塊電能表進入。如果校表臺前沒有足夠緩沖區，則需要較長的等待時間，從而降低校表設備的利用率。在校表工序前，為了保證加工設備較高的使用率，需要設置較多的緩沖區。通過改變校表工序前的緩沖區數量來研究緩沖區數量對生產線效率的影響。由于校表工序之后有較多的緩沖區，所以這里僅對校表工序之前的緩沖區進行研究。通過統計30 000s內下線電能表數量，判斷緩沖區個數與生產線生產率的關系。通過試驗，得到如圖10的數據。

圖10 緩沖區數量對生產線效率的影響

從圖10中可以看出，隨著緩沖區數量的增加，生產線生產率逐漸提升。當緩沖區數量增加到4個以后，再增加緩沖區生產線生產率不變。

4 結束語

文中通過使用FlexSim軟件對目前的電能表生產過程進行了仿真，重點對電能表的工裝載具的設計數量、校表臺的設計數量、校表流程和校表通道調度算法進行了仿真。仿真結果表明當采用70個工裝載具，在電能表校表臺前采用4個緩沖工位時，可以保證電能表生產線具有較高的生產率。再提升工裝載具數量和緩沖工位數量則不能提升生產線生產率。這就能為生產線的設計提供了具體的設計參數和指標，也驗證了FlexSim用于電能表生產線設計和仿真的便利和有效。

目前的對電能表生產線的仿真主要有3個需要改進的地方，一方面是目前仿真主要集中在邏輯上，其中的流水線和工藝設備3D視圖都采用了軟件庫中的3D模型，沒有進行較多的關于3D方面的仿真，致使生產工藝過程的運行不夠逼真；另一方面是針對電能表生產過程中出現的不合格品等問題沒有進行處理；最后一個是沒有對工作制度、人員午休等異常情況進行考慮。下一步需要根據相應的具體情況進行仿真分析。