基于仿真的數(shù)字化車間天車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉艷嬌，陸劍峰，夏 曉，李文赫

（1.同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

基于仿真的數(shù)字化車間天車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉艷嬌1，陸劍峰1，夏 曉2，李文赫1

（1.同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

天車是生產(chǎn)車間物料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，目前在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往忽略了天車調(diào)度方案對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行的影響。針對(duì)天車調(diào)度問(wèn)題，介紹了一種利用仿真模型對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中天車調(diào)度方案設(shè)計(jì)的方法。論文分析了天車調(diào)度的幾種典型方案，構(gòu)建了包括天車模型的數(shù)字化車間生產(chǎn)系統(tǒng)模型，利用Plant Simulation軟件對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，分析不同天車調(diào)度控制方案下生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，從而得到優(yōu)化的結(jié)果。論文把天車系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化仿真，為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種新的方法。

數(shù)字化車間；天車調(diào)度；Plant Simulation；仿真

0　引言

數(shù)字化車間的設(shè)計(jì)，其重要的一點(diǎn)是合理利用資源、降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。車間里的天車是工序間物料匹配、銜接、調(diào)控的“樞紐”。合理、有效地進(jìn)行天車調(diào)度，有助于提高生產(chǎn)效率，為上層生產(chǎn)調(diào)度的實(shí)施奠定基礎(chǔ)，并對(duì)提高系統(tǒng)整體效益起著至關(guān)重要的作用。

目前在生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中往往忽略天車運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響，認(rèn)為天車運(yùn)行在調(diào)度過(guò)程中是非限制性環(huán)節(jié)，并不具體考慮天車調(diào)度的問(wèn)題。本文旨在用仿真的方法解決數(shù)字化車間天車調(diào)度問(wèn)題，分析比較不同天車調(diào)度方案下的生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)，以得到較優(yōu)的天車調(diào)度方案。

1　天車系統(tǒng)

天車（又稱橋式起重機(jī)）是搬運(yùn)大型物資不可缺少的設(shè)備，在冶金、建筑、化工、汽車和港口物流等行業(yè)應(yīng)用廣泛，主要用于物料的起重、運(yùn)輸、裝卸和安裝等作業(yè)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和節(jié)省工作空間的優(yōu)點(diǎn)[1]。天車作業(yè)機(jī)械化程度高，負(fù)荷作業(yè)率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作級(jí)別高，而且可以在惡劣的條件下工作，研究天車對(duì)數(shù)字化車間的生產(chǎn)調(diào)度的發(fā)展具有重大意義。

2　Plant Simulation仿真軟件與PortalCrane對(duì)象

2.1Plant Simulation仿真軟件

Plant Simulation（原名SIMPLE++）是Tecnomatix公司開(kāi)發(fā)的主要用于離散事件系統(tǒng)仿真的商務(wù)軟件，它采用面向?qū)ο蠼＃∣bject-oriented Modeling）的編程方法，打破以往仿真軟件面向過(guò)程的方式，因而建模靈活，使用方便。Plant Simulation有模塊化和多層次的建模單元，對(duì)于需要精細(xì)控制的部分，可以通過(guò)內(nèi)嵌的Simtalk程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，一些應(yīng)用模板可以直接用在自己的模型中，這體現(xiàn)了它的靈活性，可靈活地用于規(guī)劃、仿真和優(yōu)化制造企業(yè)、生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過(guò)程[2]。Plant Simulation內(nèi)部具有豐富的物流和交通系統(tǒng)建模組件，具有建模效率高、可視化建模能力、二次開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生產(chǎn)和物流系統(tǒng)的建模、仿真和優(yōu)化過(guò)程中[3,4]。因此本文擬采用Plant Simulation仿真平臺(tái)進(jìn)行天車系統(tǒng)調(diào)度的仿真。

2.2利用PortalCrane仿真進(jìn)行天車設(shè)計(jì)的方法

PortalCrane是Plant Simulation仿真軟件中不需要額外許可就可以使用的應(yīng)用建模對(duì)象。作為一個(gè)立體自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)對(duì)象，PortalCrane提供三維立體的矩形存儲(chǔ)區(qū)并可以堆垛的存儲(chǔ)空間。貨物的搬運(yùn)通過(guò)天車來(lái)進(jìn)行，天車有兩條立柱，可以在x方向（軸）水平移動(dòng)，兩條立柱之間有一條橫梁，裝載設(shè)備可以在橫梁上進(jìn)行y方向（軸）水平移動(dòng)及垂直z方向的吊鉤升降，從而實(shí)現(xiàn)貨物在存儲(chǔ)空間的任意位置進(jìn)行存儲(chǔ)作業(yè)。

PortalCrane對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)四種方式的貨物進(jìn)出倉(cāng)作業(yè)[5]，如下：

1）貨物自動(dòng)入倉(cāng)（由PortalCrane對(duì)象決定貨物的存儲(chǔ)）和出倉(cāng)。

2）貨物自動(dòng)入倉(cāng)和按需出倉(cāng)（由相應(yīng)的Method控制什么時(shí)間、什么貨物出倉(cāng)）。

3）貨物按需入倉(cāng)和自動(dòng)出倉(cāng)。

4）貨物按需入倉(cāng)和按需出倉(cāng)。

2.3Plant Simulation中PortalCrane對(duì)象的屬性及控制

方法

Plant Simulation軟件中，PortalCrane對(duì)象的屬性定義對(duì)話框如圖1所示。

圖1　PortalCrane對(duì)象屬性定義對(duì)話框

1）Crane Runway標(biāo)簽頁(yè)：定義天車軌道的長(zhǎng)寬高等信息。

2）Portal標(biāo)簽頁(yè)：定義橫梁寬度、立柱高度和天車x方向移動(dòng)速度等信息。

3）Trolly標(biāo)簽頁(yè)：定義橫梁上天車y方向移動(dòng)速度等信息。

4）Hook標(biāo)簽頁(yè)：定義橫梁上吊鉤的高度和z方向垂直升降速度等信息。

5）Failures標(biāo)簽頁(yè)：定義天車故障，如利用率、平均故障修復(fù)時(shí)間等信息。

6）統(tǒng)計(jì)信息標(biāo)簽頁(yè)：天車作業(yè)及倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)統(tǒng)計(jì)信息。

仿真模型內(nèi)對(duì)天車的控制大多由Method來(lái)控制，控制方法中，設(shè)置初始化參數(shù)step為integer型，每次增量為1，模型依次檢查當(dāng)前step值，執(zhí)行相應(yīng)操作；同時(shí)設(shè)置初始化參數(shù)finished為Boolean型，用于標(biāo)記當(dāng)前任務(wù)的命令序列是否執(zhí)行完畢，在模型內(nèi)，如果當(dāng)前命令序列沒(méi)有結(jié)束，會(huì)繼續(xù)執(zhí)行下去，不會(huì)轉(zhuǎn)去執(zhí)行別的命令。單個(gè)搬運(yùn)任務(wù)的命令序列的控制方法流程圖如圖2所示。

圖2　天車搬運(yùn)控制流程圖

3　案例驗(yàn)證

3.1案例背景

以某公司“高檔數(shù)控車床制造數(shù)字化車間的研制與應(yīng)用示范”項(xiàng)目中主軸生產(chǎn)線的簡(jiǎn)化模型為例，介紹在Plant Simulation軟件中使用PortalCrane對(duì)象進(jìn)行車間內(nèi)天車調(diào)度仿真的方法。

3.2策略選擇

利用仿真進(jìn)行天車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，常用的作業(yè)調(diào)度算法有：先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法、輪轉(zhuǎn)法、優(yōu)先級(jí)法、最短作業(yè)優(yōu)先法、最高響應(yīng)比優(yōu)先法、按工序順序響應(yīng)的算法等，其中先來(lái)先服務(wù)和按工序順序響應(yīng)的算法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，因此本案例采取這兩種策略分別對(duì)天車進(jìn)行調(diào)度，以相同生產(chǎn)計(jì)劃下的完工時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比分析，以此說(shuō)明不同的天車調(diào)度策略對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行的影響。

3.3天車調(diào)度策略在仿真平臺(tái)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)

圖3所示為Plant Simulation仿真平臺(tái)中建立的多個(gè)工件、9臺(tái)設(shè)備的車間加工制造模型。

該輸送系統(tǒng)中，加工零件需經(jīng)過(guò)首次加工、定性、二次加工等流程，如圖3中綠色標(biāo)記區(qū)域所示；相關(guān)的信息對(duì)象和控制方法如圖中黃色標(biāo)記區(qū)域所示，該區(qū)域分為五個(gè)部分，其中初始化、工藝數(shù)據(jù)（除PortalCraneActionList外）、分析工具三個(gè)部分為兩種策略的通用部分，“按工序順序響應(yīng)”策略部分用于按工序順序響應(yīng)策略調(diào)度，“先來(lái)先服務(wù)”策略部分用于先來(lái)先服務(wù)策略調(diào)度。模型實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

圖3　Plant Simulation仿真平臺(tái)中建立的多個(gè)工件、9 臺(tái)設(shè)備的車間加工制造模型

步驟1：構(gòu)建基本模型。

步驟2：初始化天車。在系統(tǒng)初始化Init方法里，調(diào)用moveToBasePosition方法，模型開(kāi)始運(yùn)行時(shí)即產(chǎn)生天車，并移動(dòng)到初始位置。

步驟3：添加策略。首先明確所選兩種策略的基本實(shí)現(xiàn)思想：

1）“按工序順序響應(yīng)”策略。首先，將模型內(nèi)所有工藝流程存儲(chǔ)在表里（如圖3中的PortalCraneActionList），表中每一行為一條記錄i（i為整數(shù)，n為搬運(yùn)流程總數(shù)），包含三項(xiàng)信息：起始工站Si、目的工站Di、搬運(yùn)標(biāo)簽Fi。Fi用于表征第i個(gè)流程是否需要天車搬運(yùn)；其次，為每個(gè)可能需要天車搬運(yùn)的工站設(shè)置入口事件（如圖3中的PCEntrance）和出口事件（如圖3中的PCExit），用于上述標(biāo)簽值Fi的修改。天車每執(zhí)行完一組命令序列就去上述表中從上至下檢查標(biāo)簽值，滿足條件即執(zhí)行相應(yīng)的搬運(yùn)動(dòng)作。

2）“先來(lái)先服務(wù)”策略。給需要天車搬運(yùn)的工站指派相應(yīng)的出口事件（如圖3中的“先來(lái)先服務(wù)”策略部分所示），每個(gè)工站的工件加工完畢之后即觸發(fā)對(duì)應(yīng)的出口事件：天車如果在空閑狀態(tài)，且目的工站/緩存區(qū)滿足接受工件的條件，進(jìn)行搬運(yùn)任務(wù)，否則繼續(xù)等待，直到其他工站觸發(fā)出口事件。

上述策略在模型內(nèi)的實(shí)現(xiàn)和切換方法如圖4所示。

圖4　天車調(diào)度策略在仿真平臺(tái)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)控制流程圖

3.4結(jié)果分析

1）在模型內(nèi)的schedule內(nèi)更改生產(chǎn)計(jì)劃，分別運(yùn)行兩種策略，得到結(jié)果如表1所示。

從表中可以看出，針對(duì)該輸送系統(tǒng)中的天車調(diào)度，“先來(lái)先服務(wù)”的策略明顯優(yōu)于“按工序順序響應(yīng)”策略，且加工工件越多，完工時(shí)間的優(yōu)勢(shì)越明顯。

2）圖5和圖6分別是“先來(lái)先服務(wù)”策略、“按工序順序響應(yīng)”策略時(shí)，系統(tǒng)模型生產(chǎn)600件產(chǎn)品的資源利用情況，對(duì)比可知，“先來(lái)先服務(wù)”調(diào)度策略下，各工站的工作時(shí)間比都有所增加，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。

圖5　資源利用情況(先來(lái)先服務(wù))

圖6　資源利用情況(按工序順序響應(yīng))

3）利用Plant Simulation的瓶頸分析工具得到兩種策略下按照加工時(shí)間排序的瓶頸工位均為m17工站，但是“先來(lái)先服務(wù)”策略的排序值84.34明顯高于“按工序順序響應(yīng)”策略的排序值79.05。

由以上模型驗(yàn)證分析可得，該運(yùn)輸系統(tǒng)中的天車調(diào)度宜采用“先來(lái)先服務(wù)”策略。

4　結(jié)束語(yǔ)

天車運(yùn)行使車間柔度增加，并直接影響生產(chǎn)的連續(xù)性和生產(chǎn)效率。將仿真方法應(yīng)用于數(shù)字化車間天車調(diào)度能有效刻畫(huà)天車調(diào)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)，可以對(duì)各調(diào)度方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而制訂出一個(gè)優(yōu)化的天車調(diào)度方案，進(jìn)而輔助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的計(jì)劃、調(diào)度和控制等基本功能，提高管理水平。

本文以通用仿真工具Plant Simulation為平臺(tái)，采用“先來(lái)先服務(wù)”、“按工序順序響應(yīng)”兩種策略設(shè)計(jì)了數(shù)字化車間天車調(diào)度問(wèn)題的仿真方法，并結(jié)合示例說(shuō)明了其可行性和可信性。本文為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種新的方法。

[1] 高敏.天車工培訓(xùn)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2004,3.

[2] 鮑婷潔,樓佩煌.基于eM-Plant的汽車車身焊裝線系統(tǒng)仿真技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,12：7-8.

[3] 徐翔斌,王琦,涂歡.基于eM-Plant配送中心的流程仿真和優(yōu)化[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,01：29-33.

[4] 宋林,張則強(qiáng).基于em-plant的汽車變速箱總裝線的仿真與優(yōu)化[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2010,01：32-33.

[5] 周金平.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真——Plant Simulation應(yīng)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

Design and verifi cation of digital workshop crane system based on simulation

LIU Yan-jiao1, LU Jian-feng1, XIA Xiao2, LI Wen-he1

TP391.9

A

1009-0134(2016)07-0096-04

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2013智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)：高檔數(shù)控車床制造數(shù)字化車間的研制與應(yīng)用示范

劉艷嬌（1989 -），女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化車間相關(guān)技術(shù)。