基于Plant Simulation的發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線AGVS系統(tǒng)仿真研究

盧進(jìn)星，陶建華

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

近年來，隨著《關(guān)于加快推動(dòng)我國綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見》、《綠色建筑行動(dòng)方案》、新版《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)政策、規(guī)范的實(shí)施，以及建筑節(jié)能工作的深入推進(jìn)，民用建筑對外墻外保溫材料的要求日益提高，發(fā)泡陶瓷保溫板憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸受到關(guān)注[1]。

自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，是一種用于移載的機(jī)器人，AGV具有自動(dòng)化程度高、安全及靈活等特點(diǎn)，可有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低危險(xiǎn)性，提高生產(chǎn)效率，因此，由多輛AGV組成的自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）廣泛運(yùn)用于許多行業(yè)的物流自動(dòng)化中[2-3]。

本文以發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用為背景，借助Plant Simulation仿真工具，通過改變AGV數(shù)量、AGV進(jìn)行充電上下限、AGV運(yùn)行速度等參數(shù)的隨機(jī)試驗(yàn)，仿真模擬出AGV系統(tǒng)的較優(yōu)化結(jié)果。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 應(yīng)用背景

發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線布局圖如圖1所示，生產(chǎn)線所在車間長為400 m，寬度為50 m。AGV的主要工作是運(yùn)輸生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷保溫板所需的窯具，將窯具從窯尾裝貨處運(yùn)輸?shù)礁G頭卸貨處。

圖1 發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線車間布局示意圖

本文重點(diǎn)在于研究AGVS的線路邏輯和相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，故發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線部分做簡化處理。相關(guān)時(shí)間參數(shù)如下，該生產(chǎn)線是1天24 h持續(xù)工作，1天的運(yùn)輸量約為480板，發(fā)泡陶瓷的雙線生產(chǎn)速度為每板3 min，窯具裝卸貨時(shí)間為45 s。

1.2 仿真模型的建立

根據(jù)AGVS的路線圖，建立如圖2所示的生產(chǎn)線模型。模型包含窯具從窯尾輥臺(tái)到AGV輥臺(tái)、窯具從AGV輥臺(tái)到窯頭輥臺(tái)、AGV充電等生產(chǎn)過程。因該線路為單循環(huán)線路，任務(wù)可分為充電任務(wù)、取貨任務(wù)、放貨任務(wù)3類任務(wù)。

1.3 沖突類型

任務(wù)的執(zhí)行過程中，AGV間相互競爭系統(tǒng)資源，可能會(huì)發(fā)生碰撞沖突[4]。圖3所示為多AGV間的兩種沖突類型：同向沖突和對向沖突[5]。

（1）同向沖突，如圖3（a）所示。因AGVS線路為單循環(huán)線路，多會(huì)發(fā)生同向沖突，同向AGV中前車因?yàn)槟承┰蛩俣嚷诤筌囁俣?，后車?yīng)與前車保持安全距離以免發(fā)生碰撞。

圖2 發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線AGV系統(tǒng)仿真模型

（2）對向沖突，如圖3（b）所示。這種沖突在AGV進(jìn)行取貨后、卸貨后或者充電完成后可能會(huì)發(fā)生對向沖突，因這幾種情況都有AGV后退的過程。

圖3 兩種碰撞沖突類型

2 路線邏輯

2.1 單循環(huán)邏輯

圖4 路線流程邏輯

路線流程邏輯如圖4所示，當(dāng)AGV進(jìn)入到某交管區(qū)域時(shí)，應(yīng)先判斷該區(qū)域內(nèi)是否鎖定，如鎖定時(shí)應(yīng)在其交管點(diǎn)等待，等待至該交管區(qū)域解鎖，這樣能避免在該區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生對向沖突。在AGV前往裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)的途中會(huì)經(jīng)過充電交管點(diǎn)，在此交管點(diǎn)處會(huì)通過充電邏輯判斷是否能進(jìn)入該充電區(qū)域。在Plant Simulation中，交管點(diǎn)對應(yīng)Track對象中的Sensor對象，當(dāng)AGV經(jīng)過此對象時(shí)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的傳感器事件（Method對象）[6]。

2.2 充電邏輯

充電邏輯如圖5所示，該充電邏輯加入了優(yōu)先充電值和充電值，如AGV到達(dá)充電交管點(diǎn)會(huì)先判斷該車電量是否低于充電值，如果是進(jìn)入下一步判斷，如果不是直接跳出充電邏輯判斷。同時(shí)加入了優(yōu)先充電值，主要的作用是讓電量低于優(yōu)先充電值的AGV優(yōu)先充電。

圖5 充電邏輯

3 仿真結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

AGVS系統(tǒng)的研究并沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)研究者在研究AGV數(shù)量配置時(shí)會(huì)引入AGV的利用率進(jìn)行評價(jià)[4]，對于本文所涉及發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線AGVS系統(tǒng)而言，提出以平均運(yùn)輸時(shí)間和AGV的數(shù)量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，平均運(yùn)輸時(shí)間充分說明了AGV運(yùn)輸?shù)男?，因AGV造價(jià)昂貴，AGV的數(shù)量也作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文將通過車的數(shù)量、車的速度、充電值等3個(gè)主要參數(shù)來仿真模擬。

表1 因素設(shè)定

圖6 因子分析圖

圖7 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)排序圖

（1）AGV的數(shù)量

由于AGV價(jià)格昂貴，AGV數(shù)量配置過多，會(huì)造成資源浪費(fèi)，容易造成交通阻塞，增加系統(tǒng)控制的難度；反之，若AGV配置數(shù)量不足，又無法滿足系統(tǒng)的產(chǎn)能要求。因此，如何根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃配置相應(yīng)數(shù)量的AGV一直是企業(yè)關(guān)注的問題[7-9]。

（2）充電點(diǎn)界限

充電點(diǎn)界限的設(shè)定會(huì)影響AGV在主運(yùn)行路線的運(yùn)行時(shí)間，如充電界限過低時(shí)，AGV在主運(yùn)行道路的運(yùn)行時(shí)間會(huì)變長，但會(huì)使充電時(shí)間過長，當(dāng)多臺(tái)AGV需要充電時(shí)，可能會(huì)引起AGV運(yùn)行至沒電癱瘓?jiān)谥鬟\(yùn)行道路。

（3）AGV運(yùn)行速度

由于該生產(chǎn)線長350 m，AGV運(yùn)行速度和AGV數(shù)量一樣直接影響AGV裝卸貨的間隔。當(dāng)接近裝卸貨輥臺(tái)時(shí)應(yīng)降低AGV的運(yùn)行速度，可避免AGV失控撞輥臺(tái)的情況發(fā)生。

3.2 仿真分析

需要獲得多個(gè)自變量是如何共同對響應(yīng)變量產(chǎn)生了影響，需要實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（Design of Experiments， DOE），Plant Simulation提供了很好的DOE工具，Experiment Manager工具是其中一個(gè)，因自變量有多個(gè)，所以采用隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，表1所示為進(jìn)行相關(guān)因素的設(shè)定，隨機(jī)實(shí)驗(yàn)是指各因素在上下級范圍內(nèi)隨機(jī)取值進(jìn)行組合，然后把這個(gè)組合的數(shù)值代入模型中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可通過設(shè)置重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)來提高仿真準(zhǔn)確度。

進(jìn)行3萬次隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次，進(jìn)行因子分析（方差分析），因子分析如圖6所示。因子分析表中，H表示因子主效應(yīng)，W表示交互效應(yīng)。經(jīng)分析可得到以下結(jié)論。

（1） H1至 H9，由大到小排列分別是 H2、H4、H6、H8、H5、H8、H3、H9、H1，代表著在各因素對平均運(yùn)輸時(shí)間的影響由大到小的排列，可以知道離開窯頭提速和離開窯尾提速對平均運(yùn)輸時(shí)間影響最大，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在保證安全生產(chǎn)時(shí)可適當(dāng)提高離開窯頭提速和離開窯尾提速的速度，車的數(shù)量是在9個(gè)因素對平均運(yùn)輸時(shí)間影響最少的，這也說明縮短平均運(yùn)輸時(shí)間不一定依靠增加車的數(shù)量，這可以為企業(yè)生產(chǎn)減少大量的成本。觀察各Wi，j可知，各因素之間的相互影響都比較大。

（2）對各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)平均運(yùn)輸時(shí)間由小到大進(jìn)行排序，圖7所示為部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)排序圖，平均運(yùn)輸時(shí)間為622 s，有8組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這8組數(shù)據(jù)都分別代表著一個(gè)組合，可以將實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的相關(guān)因素按照表格的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，來提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用Plant Simulation仿真軟件對發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線布局方案進(jìn)行了仿真研究和分析，通過隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以平均運(yùn)輸時(shí)間和AGV的數(shù)量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)組合不同的參數(shù)，通過仿真模擬得出模型中較優(yōu)的方案。將相關(guān)參數(shù)組合代入真實(shí)生產(chǎn)中，在平均運(yùn)輸時(shí)間最短情況下，將AGV數(shù)量減小，提高了AGV的工作效率，減少公司的生產(chǎn)成本。仿真結(jié)果表明了將仿真軟件合理應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，對全面分析生產(chǎn)線參數(shù)優(yōu)化及后續(xù)建設(shè)有顯著的指導(dǎo)作用。