基于AutoMod的滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

暢攀人，王 勇，汪靈瑤，楊 鵬，張文琦

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略前提下，作為國內(nèi)化纖生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化、智能化的引領(lǐng)者，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司與多個(gè)化纖生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)合作，加快了智能制造推進(jìn)的步伐，為降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)綜合市場競爭力，以“智慧物流”的理念徹底改變了化纖產(chǎn)品包裝的生產(chǎn)方式。目前北自所自動(dòng)包裝設(shè)備的水平、可靠性同國外產(chǎn)品接近，保持對國內(nèi)產(chǎn)品的絕對優(yōu)勢，但系統(tǒng)包裝效率仍有待提高。通過現(xiàn)場產(chǎn)能測試發(fā)現(xiàn)，北自所的DTY（滌綸低彈絲）自動(dòng)包裝系統(tǒng)單線生產(chǎn)能力穩(wěn)定在27000錠/天，國外DTY自動(dòng)包裝系統(tǒng)單線生產(chǎn)能力穩(wěn)定在30000錠/天，與國外進(jìn)口設(shè)備包裝效率仍有一定差距。由于滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)由實(shí)現(xiàn)不同功能的各子系統(tǒng)組合而成，各工藝段子系統(tǒng)間節(jié)拍協(xié)調(diào)性不足，負(fù)荷分布不均衡，導(dǎo)致目前自動(dòng)包裝系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)能未達(dá)到其理論產(chǎn)能，包裝線物流系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率仍有很大提升空間。

針對上述自動(dòng)包裝線系統(tǒng)物流規(guī)劃設(shè)計(jì)存在的問題與不足，提出有效解決方案的前提，必須通過系統(tǒng)仿真軟件模擬自動(dòng)包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)包裝運(yùn)行實(shí)況，從仿真運(yùn)行過程與仿真數(shù)據(jù)分析中得出滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的瓶頸根源所在。系統(tǒng)仿真AutoMod軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析對比功能，其仿真報(bào)告中含有各子系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有利于尋找系統(tǒng)短板，分析瓶頸產(chǎn)生原因，并對系統(tǒng)短板進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的AutoMod仿真優(yōu)化工作亟待開展。

1 滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)簡介

滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)組合而成，各子系統(tǒng)間相對獨(dú)立卻又彼此緊密銜接。其主要子系統(tǒng)包括絲車輸送子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺上線子系統(tǒng)、絲餅輸送子系統(tǒng)、裝箱龍門子系統(tǒng)、紙箱輸送子系統(tǒng)、碼垛子系統(tǒng)、分配車子系統(tǒng)、自動(dòng)倉儲(chǔ)子系統(tǒng)等。并通過PROFINET網(wǎng)的通訊連接實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè)，保證了自動(dòng)包裝系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)包裝系統(tǒng)通過PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)信息管理系統(tǒng)、光電傳感器，RFID讀碼器等實(shí)際硬件設(shè)備三者的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)包裝系統(tǒng)以下功能：絲車輸送轉(zhuǎn)運(yùn)上線、機(jī)器人自動(dòng)抓取放置、絲餅稱重，外檢，直徑檢測及套袋工序、龍門自動(dòng)裝箱、滿箱絲餅的激光貼標(biāo)，封箱及打帶、自動(dòng)碼垛及入庫。最終實(shí)現(xiàn)化纖滌綸長絲的全自動(dòng)包裝功能。

2 AutoMod仿真模型建立

結(jié)合自動(dòng)包裝系統(tǒng)現(xiàn)有物流規(guī)劃設(shè)計(jì)，以某化纖企業(yè)DTY自動(dòng)包裝系統(tǒng)為仿真建模對象，將根據(jù)以下的AutoMod建模步驟總綱展開滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的仿真建模工作：

1）創(chuàng)建新模型并定義模型名稱為hxdty（化纖DTY）。

2）匯總Conveyor系統(tǒng)中的關(guān)鍵停留站點(diǎn)，停留站點(diǎn)詳細(xì)信息如表1所示。繪制Conveyor物流輸送系統(tǒng)，Conveyor物流輸送系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

表1 Conveyor系統(tǒng)關(guān)鍵停留站點(diǎn)匯總表

圖1 自動(dòng)包裝系統(tǒng)Conveyor物流輸送系統(tǒng)圖

3）在進(jìn)程系統(tǒng)中分別創(chuàng)建絲餅載具實(shí)體Load（空盤Lpallet、滿盤Lhuo）、套袋機(jī)資源Resource（R_wrap）和套袋機(jī)隊(duì)列Queue（Q_wrap）。

4）定義并編寫模型子進(jìn)程process，新建子進(jìn)程如表2所示。

表2 自動(dòng)包裝系統(tǒng)仿真模型子進(jìn)程表

5）新建Source File，按進(jìn)程編寫系統(tǒng)仿真程序。

Source File程序編寫工作結(jié)合AutoMod軟件特點(diǎn)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、集成化的方式展開。將滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)化繁為簡，按工藝流程將其進(jìn)行模塊或結(jié)構(gòu)劃分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的模塊化、結(jié)構(gòu)化。然后分別編寫各工藝流程Source File程序，最后進(jìn)行系統(tǒng)資源整合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的整體系統(tǒng)仿真。

6）運(yùn)行仿真模型Run Model，仿真模型運(yùn)行實(shí)況如圖2所示。

3 AutoMod仿真模型瓶頸問題分析

圖2 自動(dòng)包裝系統(tǒng)3D仿真模型運(yùn)行圖

在經(jīng)過搭建仿真模型，定義模型變量，繪制輸送輥道conveyor系統(tǒng)，編寫各進(jìn)程Source File程序等建模步驟后，完成了自動(dòng)包裝線系統(tǒng)AutoMod建模工作。通過運(yùn)行仿真模型，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為2小時(shí)，得出原始仿真數(shù)據(jù)。各進(jìn)程原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖3所示，套袋機(jī)原始仿真統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。套袋機(jī)隊(duì)列平均統(tǒng)計(jì)及利用率具體計(jì)算如式(1)、式(2)所示。

式中：Average為隊(duì)列平均統(tǒng)計(jì)，Util為隊(duì)列利用率，Total為Queue中的占用總量，Av_time為Queue中每項(xiàng)占用的平均時(shí)間，Capacity為隊(duì)列容量，Total simulate time為模型總體仿真時(shí)間。

圖3 原始進(jìn)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 套袋機(jī)隊(duì)列原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Queue Statistics

對仿真原始統(tǒng)計(jì)圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由圖3原始進(jìn)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，Pma平均時(shí)間為38.13s，裝箱效率較低，影響自動(dòng)包裝系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，從而得出裝箱區(qū)成為自動(dòng)包裝系統(tǒng)的瓶頸之一。另結(jié)合仿真運(yùn)行實(shí)際過程，由于裝箱進(jìn)程的延緩，導(dǎo)致空盤回流遲滯，P_reverse進(jìn)程平均時(shí)間拖延至48.58s，影響空盤上線速率，使得上線區(qū)成為自動(dòng)包裝系統(tǒng)的另一瓶頸。再從套袋機(jī)原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表3中得出：套袋機(jī)1利用率63.1%，平均套袋時(shí)間6.19s，平均套袋等待時(shí)間4.65s；套袋機(jī)2利用率94.3%，平均套袋時(shí)間8.80s，平均套袋等待時(shí)間7.91s。兩臺套袋機(jī)使用失衡，利用率有待提高，平均套袋時(shí)間及套袋等待時(shí)間也亟待縮短。因此對套袋區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也有待開發(fā)。最終得出滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)現(xiàn)存的三大瓶頸：裝箱區(qū)子系統(tǒng)、上線區(qū)子系統(tǒng)、套帶區(qū)子系統(tǒng)。

4 AutoMod仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 裝箱區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

裝箱區(qū)系統(tǒng)介紹：裝箱區(qū)負(fù)責(zé)將2×3裝箱絲餅從絲餅載具輸送系統(tǒng)抓取后，放置于紙箱線絲餅放置點(diǎn)的紙箱中，完成裝箱工作。裝箱前輸送系統(tǒng)執(zhí)行分流動(dòng)作，裝箱后輸送系統(tǒng)進(jìn)行合流?？紤]裝箱模式為2×3絲餅放置，因此裝箱區(qū)原始系統(tǒng)模型設(shè)置為2×3裝箱區(qū)。

裝箱區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)：由于裝箱前的分流變向動(dòng)作拖延2×3裝箱托盤就位，導(dǎo)致2×3裝箱托盤就位遲滯。針對裝箱托盤就位遲滯原因，可在2×3裝箱區(qū)工藝布局前增加裝箱等待區(qū)，可將2×3托盤提前就位以減小因分流動(dòng)作帶來的裝箱遲滯影響。另裝箱完畢后空盤回流區(qū)合二為一的機(jī)械工藝布局使得排出動(dòng)作遲緩，導(dǎo)致空盤排出效率低。因此可在2×3裝箱區(qū)工藝布局后增加裝箱回流區(qū)，用于裝箱完畢后空盤的緩存，加快空盤排出效率。因此需要通過改善裝箱區(qū)輸送系統(tǒng)的機(jī)械工藝布局來解決裝箱區(qū)瓶頸問題。現(xiàn)結(jié)合裝箱瓶頸原因分析提出3種仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：在裝箱區(qū)分別搭建3種裝箱區(qū)模型：裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)組合、2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)組合、裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)組合。圖4是裝箱區(qū)3種仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)Conveyor運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對比圖。

修改裝箱區(qū)仿真模型Conveyor運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)后，再分別編寫相應(yīng)的仿真優(yōu)化Source File程序。運(yùn)行3種優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真模型，得出包裝效率參數(shù)對比詳見圖5所示。通過對三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)分析與對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)3方案包裝效率最高，可達(dá)到1300錠/小時(shí)，裝箱時(shí)間參數(shù)對比如圖6所示。其裝箱平均時(shí)間16.45s，耗時(shí)也最短。因此得出裝箱區(qū)=裝箱等待區(qū)+2×3裝箱區(qū)+裝箱回流區(qū)的機(jī)械工藝布局為裝箱區(qū)最佳工藝布局。

圖4 仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)Conveyor運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對比圖

圖5 裝箱區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)包裝效率對比示意圖

圖6 裝箱區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)裝箱平均時(shí)間對比示意圖

4.2 上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

上線區(qū)系統(tǒng)介紹：上線區(qū)通過絲車輸送系統(tǒng)及上線機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)絲餅從上線轉(zhuǎn)臺到輸送系統(tǒng)絲餅放置點(diǎn)的上線功能。上線絲車經(jīng)絲車輸送系統(tǒng)運(yùn)送至上線轉(zhuǎn)臺處，通過上線抓紗機(jī)器人的抓取、放置動(dòng)作實(shí)現(xiàn)絲餅從上線絲車到包裝線絲餅載具的轉(zhuǎn)移上線。

上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過分析上線區(qū)空盤上線流程發(fā)現(xiàn)，回流空盤從空盤等待區(qū)進(jìn)入上線區(qū)時(shí)，需滿足上一組的滿盤全部排出后，下一組空盤才能進(jìn)入上線區(qū)。上線區(qū)輸送輥道長達(dá)2.5m左右，從滿盤排出結(jié)束至空盤全部就位輸送時(shí)間長達(dá)6s。這種傳統(tǒng)的先出后進(jìn)上線模式保證了托盤信息的準(zhǔn)確性，卻影響了系統(tǒng)整體空盤上線效率。因此需改進(jìn)空盤上線模式，在滿盤全部排出的同時(shí)，后續(xù)空盤已全部就位，由此可縮短空盤上線時(shí)間6s左右，從而提高上線區(qū)整體空盤上線效率。上線區(qū)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)通過改進(jìn)P_newstart空盤循環(huán)再利用進(jìn)程的Source File程序?qū)崿F(xiàn)。優(yōu)化后的上線區(qū)部分仿真程序如下。

通過對上線區(qū)Source File程序的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)上線區(qū)空盤上線模式后再次運(yùn)行仿真模型，分析仿真數(shù)據(jù)報(bào)告。分析P_kongwait進(jìn)程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，上線區(qū)平均空盤等待時(shí)間由優(yōu)化前的17.08s縮短至9.45s，驗(yàn)證了上線區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效性。圖7為優(yōu)化后各進(jìn)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4.3 套袋區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

套袋區(qū)系統(tǒng)介紹：套袋區(qū)主要利用裹膜機(jī)對絲餅進(jìn)行套袋工藝，套袋工藝通過絲餅裹膜、上吸袋、下吸袋等動(dòng)作使得膠膜吸附于絲餅表面，以保證絲餅外表面的整潔度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，單臺裹膜機(jī)套袋節(jié)拍為4s/錠，難以滿足自動(dòng)包裝系統(tǒng)套袋工藝節(jié)拍需求，因此采用兩臺裹膜機(jī)同時(shí)作業(yè)。

圖7 上線區(qū)優(yōu)化后進(jìn)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

套袋區(qū)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)：在兩臺裹膜機(jī)同時(shí)作業(yè)的情況下，套袋工藝前的輸送系統(tǒng)需進(jìn)行分流處理，通過分流器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸送方向，分別向兩臺裹膜機(jī)輸送套袋絲餅。而套袋工藝前一分為二，套袋工藝后合二為一的分、合流輸送系統(tǒng)，因分流變向動(dòng)作影響后續(xù)托盤輸送，使得套袋工藝前的平均等待時(shí)間延長，降低了套袋機(jī)使用率。因此需協(xié)調(diào)分流動(dòng)作時(shí)間與分流個(gè)數(shù)間的關(guān)系，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)對比尋找合理分流比（向兩臺套袋機(jī)輸送的絲餅個(gè)數(shù)關(guān)系比）。以達(dá)到提高套袋機(jī)使用率的研究目的。通過調(diào)節(jié)Vtd分流參數(shù)，尋找套袋區(qū)的合理分流比，使得包裝效率達(dá)到最優(yōu)的前提下，平衡兩臺套袋機(jī)利用率。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選出特定的幾組分流比（3:5；4:5；4:4；5:4；5:3）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最終得出套袋區(qū)分流比與包裝效率、利用率的關(guān)系圖表。套袋區(qū)分流比與套袋機(jī)包裝效率關(guān)系如圖8所示，套袋區(qū)分流比與套袋機(jī)利用率關(guān)系如圖9所示。

圖8 套袋區(qū)分流比與包裝效率關(guān)系圖

通過分析對比套袋區(qū)分流比與包裝效率關(guān)系、套袋區(qū)分流比與利用率關(guān)系，由此得出分流比4:4時(shí)包裝效率最高，且其兩臺套袋機(jī)利用率同時(shí)達(dá)到99%，均為最高。從而確定套袋區(qū)的合理分流比為4:4。

圖9 套袋區(qū)分流比與利用率關(guān)系圖

解決了自動(dòng)包裝系統(tǒng)仿真模型裝箱區(qū)、上線區(qū)、套袋區(qū)三大瓶頸難點(diǎn)后，最終得出自動(dòng)包裝線系統(tǒng)的最優(yōu)仿真模型。由仿真報(bào)告計(jì)算得出：包裝效率可上升至1543錠/小時(shí)。日產(chǎn)量=1543錠/小時(shí)×21小時(shí)=32403錠。

5 結(jié)語

本文以化纖滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)為研究對象，利用AutoMod系統(tǒng)仿真軟件對包裝線物流系統(tǒng)現(xiàn)存問題展開深入研究與分析，通過完善裝箱區(qū)輸送輥道工藝布局，改進(jìn)上線區(qū)空盤上線模式，尋找套袋區(qū)合理分流比等方法分別對三大瓶頸進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得包裝線物流系統(tǒng)仿真模型運(yùn)行效率得到很大提升。為滌綸長絲自動(dòng)包裝物流系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)提供了可借鑒的仿真成果和理論依據(jù)。