離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化仿真建模方法研究

裴雨霞， 楊春光， 郝青華， 高 瑞， 喬道云， 朱志軍

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司， 內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

針對離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)， 傳統(tǒng)的仿真建模方法是構(gòu)建關(guān)系相對固定的實體模型，即剛性模型，也就是將邏輯程序和語言代碼嵌套在實體模型中。 當(dāng)實際生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生變化時，仿真模型的修改難度會很大。在實際生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，生產(chǎn)運行機(jī)制是相對穩(wěn)定的，生產(chǎn)任務(wù)、設(shè)備類型及數(shù)量、工裝類型及數(shù)量等因素是變化的，而在仿真模型中，邏輯控制程序是相對穩(wěn)定的，實體模型組成是變化的[1]。 因此，建立實體模型與邏輯控制程序之間相對獨立的仿真模型并對其獨立操作， 是對離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模的基本方法。

通過調(diào)研生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)實際生產(chǎn)系統(tǒng)的組成創(chuàng)建仿真模型，并設(shè)置邏輯控制程序，因此，仿真建模的基本方法和思路可分為兩個方面，首先，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)實物一一建立對應(yīng)的實體模型，并對其進(jìn)行合理組織，然后，對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析，根據(jù)其生產(chǎn)特點設(shè)置編寫邏輯控制程序。

仿真技術(shù)在工程應(yīng)用越來越普遍， 仿真建模需要對創(chuàng)建的仿真模型進(jìn)行反復(fù)修整和試驗，因此，需要一種柔性的、 可維護(hù)性的、 可擴(kuò)展性的建模方法來創(chuàng)建仿真模型，便于實時修改模型和參數(shù)，其中，模塊化建模方法就是重要的研究方向[2]。

1 模塊化建模關(guān)鍵技術(shù)

1.1 模塊化建模方法

本文提出了一種離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化建模方法，以懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)為例，基于AutoMod 仿真平臺，構(gòu)建仿真模型，包括典型模型庫、邏輯控制程序庫、仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和模型生成器，降低建模的復(fù)雜度，實現(xiàn)快速仿真分析[3]。 離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化建模的基本框架如圖1 所示。

圖1 離散制造生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化建模的基本框架

（1）典型模型庫。典型模型庫是指實際生產(chǎn)系統(tǒng)中的物理設(shè)備，包括工件、工裝、人員、加工設(shè)備、物流運輸設(shè)備等， 根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)選取不同模型，組合成仿真模型。

（2）邏輯控制程序庫。 邏輯控制程序通常是生產(chǎn)系統(tǒng)的運行機(jī)制，主要包括生產(chǎn)類型、生產(chǎn)組織模式、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、生產(chǎn)班次等，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)編寫實際運行邏輯。

（3）仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。仿真數(shù)據(jù)庫中存儲了仿真建模所需的所有數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)任務(wù)信息、工藝信息、設(shè)備信息、工裝信息、庫存信息等。

（4）模型生成器。 模型生成器通過訪問典型模型庫、仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫自動地將生產(chǎn)系統(tǒng)對應(yīng)的所有模型實體放置在仿真運行環(huán)境中。它將傳統(tǒng)煩瑣的、手動創(chuàng)建仿真模型的過程進(jìn)行了封裝，提高了建模的效率。

1.2 仿真環(huán)境

AutoMod 仿真軟件是一套具備3D 動畫的模擬軟件，可以幫助用戶構(gòu)建手工或自動化的生產(chǎn)與物流仿真系統(tǒng)。 它主要通過以下幾個系統(tǒng)對生產(chǎn)和物流的過程事件進(jìn)行仿真：ProcessSystem 為模型的邏輯和核心；運動系統(tǒng)若干，有ConveyorSystem 傳送帶系統(tǒng)，VehicleSystem 搬運系統(tǒng)，包括PathMover 路徑導(dǎo)引系統(tǒng)、Power＆ Free 推掛系統(tǒng)、AS/RS 自動存取系統(tǒng)、BridgeCrane 橋式起重機(jī)、Kinematics 動態(tài)系統(tǒng)；Static 靜態(tài)系統(tǒng)，如地面、廠房等。 Auto-Mod 仿真軟件使用交互式的數(shù)學(xué)算法， 通過一系列Process（進(jìn)程）和Function（函數(shù)）描述整個系統(tǒng)，使得模型的運行邏輯與實際生產(chǎn)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)保持一致。 應(yīng)用該仿真軟件可完成對制造系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、物料處理、企業(yè)內(nèi)部物流、港口、車站、空港、配送中心，以及控制系統(tǒng)等的仿真分析、評價和優(yōu)化設(shè)計等[4]。

2 仿真目標(biāo)

以降低制造成本、優(yōu)化資源配置和提高制造效率為出發(fā)點，依據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)布局、制造過程和物流過程，建立生產(chǎn)系統(tǒng)效能評估仿真模型，錄制生產(chǎn)系統(tǒng)仿真運行動畫。 在項目實施的同時，運用數(shù)字化仿真手段分析、驗證項目預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的合理性，為項目驗收提供技術(shù)支撐。

以懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)為例， 簡易生產(chǎn)系統(tǒng)布局見圖2。 懸掛式熱處理生產(chǎn)線主要用于鐵道貨車各型號搖枕、側(cè)架連續(xù)正火熱處理，采用積放式懸鏈輸送系統(tǒng)，該輸送系統(tǒng)可實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性可調(diào)。 系統(tǒng)由積放小車、 輸送鏈條、驅(qū)動裝置、吊具等組成。 采用雙車型載貨小車，搖枕、側(cè)架懸掛在載貨小車的承載部位上，每個小車組設(shè)兩個吊具。

圖2 生產(chǎn)系統(tǒng)布局

3 基于AutoMod 模塊化建模實現(xiàn)

3.1 建立仿真方案

調(diào)研并確定整個系統(tǒng)（Model）和整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)劃分，界定系統(tǒng)和系統(tǒng)邊界[5]。 通過認(rèn)真了解懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，并與技術(shù)人員溝通交流，整個系統(tǒng)的邊界從上料工位開始，到熱處理完成進(jìn)入成品存放區(qū)結(jié)束。

3.2 構(gòu)建典型實體庫

（1）定義零件模型。 零件模型是系統(tǒng)實體，由一個Load表示，驅(qū)動仿真系統(tǒng)的進(jìn)程。零件從原材料變成成品的過程，經(jīng)歷等待加工、正在加工、等待運轉(zhuǎn)以及前后工序之間屬性的變化等，還需要定義零件的狀態(tài)和屬性，即Load attributes，如圖3 所示。

圖3 定義Load

（2）定義設(shè)備模型。設(shè)備模型是生產(chǎn)系統(tǒng)的基本要素，根據(jù)功能不同，在仿真模型中定義不同的模型。如果是加工設(shè)備，定義Resources；如果是緩沖區(qū)或加工區(qū)，定義Queues。 所以，熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)定義2 個Queues 和18 個Resources，如圖4 所示。

圖4 定義Queues 和Resources

（3）定義物流運輸模型。懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)的物流運輸模型是推掛系統(tǒng)，所以定義Power＆ Free ，并畫出路線和控制點，設(shè)置懸掛Carrier 參數(shù)，定義適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)list 完成正確的任務(wù)邏輯，如圖5 所示。

圖5 定義Power＆ Free

3.3 構(gòu)建邏輯控制庫

邏輯控制庫，即編制仿真程序，是對現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)運行機(jī)制的描述，在仿真模型中充當(dāng)仿真運行的控制器。 邏輯編程通過仿真語言實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)化，它是整個仿真過程的和核心，系統(tǒng)的生產(chǎn)策略和設(shè)計者的設(shè)計意圖必須通過邏輯編程來實現(xiàn)[6]。 針對各類機(jī)制預(yù)先編寫其邏輯控制程序， 然后建模時根據(jù)實際進(jìn)行匹配和選取。結(jié)合運動系統(tǒng)中的邏輯單元， 在邏輯系統(tǒng)的Source File中，將整個系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間的物流關(guān)系、參數(shù)傳遞關(guān)系、邏輯操作關(guān)系等等定義出來。 懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯控制程序見圖6，邏輯控制程序代碼見圖7。

圖6 生產(chǎn)系統(tǒng)邏輯控制程序

圖7 控制程序代碼

3.4 構(gòu)建仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

仿真數(shù)據(jù)庫中存儲了仿真建模所需的所有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)復(fù)雜，可以建立不同數(shù)據(jù)表格，然后通過邏輯代碼來讀取數(shù)據(jù)表，如果數(shù)據(jù)簡單，可以直接編輯邏輯代碼執(zhí)行。懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)的物流參數(shù)如表1 所示，暫時定義每個工位的加工時間為31min。

表1 物流參數(shù)表

3.5 構(gòu)建模型生成器

建立模型生成器，就是將數(shù)據(jù)庫、典型模型庫、邏輯控制程序庫和仿真模型建立成一個動態(tài)的環(huán)境， 仿真建模者只要更改數(shù)據(jù)庫中的關(guān)鍵性信息[7]，就可以建立起一套新的離散式生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型， 進(jìn)而大大縮減了仿真模型的時間， 也可以多次修改參數(shù)進(jìn)而對仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得到最優(yōu)方案。

3.6 仿真模型

仿真的目的是對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，所以要有針對性地建立與生產(chǎn)過程相關(guān)的模型，而對于與生產(chǎn)過程無關(guān)或?qū)ιa(chǎn)過程影響不大的設(shè)備、過程等應(yīng)進(jìn)行簡化，使得仿真模型確切地反映實際情況[8]。 懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真目標(biāo)主要針對產(chǎn)品進(jìn)入工位一至工位十二的總時長，故可以簡化仿真流程。 并確定各個模塊的參數(shù)，編寫模型程序的邏輯代碼， 建立系統(tǒng)的各三維模型并導(dǎo)入，以增加視覺效果，仿真模型如圖8 所示。

圖8 仿真模型

4 仿真結(jié)果分析

編譯模型并運行仿真模型， 主要生產(chǎn)系統(tǒng)工位一到工位十二的節(jié)拍進(jìn)行仿真與優(yōu)化，輸出仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 仿真結(jié)果

在仿真運行中，可以實時觀察仿真模型的運行情況。仿真時間為250d，8h 工作制。 R_time 是產(chǎn)品從工位一到工位十二的平均時間約為6.7h；wait time 是每個產(chǎn)品從工位一到工位十二的時間，從第21 個產(chǎn)品開始基本一致，最多或最少的時間約為6.7h。若把每個工位的節(jié)拍設(shè)置為30min，R_time 約為6.5h，wait time 也約為6.5h。 得到的仿真結(jié)果可作為懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)改造的決策依據(jù)。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用基于AutoMod 的離散生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化仿真建模技術(shù)， 以懸掛式熱處理生產(chǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行驗證并優(yōu)化。該技術(shù)將模型實體與邏輯控制程序分開，通過模型生成器識別基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)快速構(gòu)建仿真模型。該技術(shù)可以為生產(chǎn)管理者在決策過程提供依據(jù)， 對類似的生產(chǎn)系統(tǒng)或物流系統(tǒng)仿真分析具有參考價值。