高壓開關(guān)柜生產(chǎn)物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究

王 佩， 馮 波

（1． 西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710071；2． 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710065）

0 引 言

當(dāng)前，產(chǎn)品生產(chǎn)過程的三維虛擬仿真，在企業(yè)及科研院所已經(jīng)開始全面推廣，亟須高校培養(yǎng)學(xué)生的虛擬仿真能力，以適應(yīng)企業(yè)、科研院所的需求。2017 年6月，教育部辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，推出新工科建設(shè)的戰(zhàn)略舉措［1］。同年為了促進(jìn)新工科建設(shè)，教育部發(fā)布了《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，緊接著2018 年發(fā)布了教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》［2］，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中具有重要應(yīng)用，是教育信息化的重要組成部分［3］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)行課堂教學(xué)與虛擬空間教學(xué)協(xié)同運(yùn)行，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的時空制約，成為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［4-12］。

由于企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，學(xué)生對企業(yè)生產(chǎn)過程技術(shù)和知識獲取的渠道不多，缺乏直觀、可視化的學(xué)習(xí)資料，把生產(chǎn)過程實(shí)踐操作訓(xùn)練納入日常課程進(jìn)行學(xué)習(xí)更遙不可及，使得學(xué)生在工藝、生產(chǎn)方面的實(shí)踐訓(xùn)練不足［13-16］。機(jī)械制造課程組緊扣新工科建設(shè)，在先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)課程的建設(shè)過程中，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，針對高壓開關(guān)柜產(chǎn)品，依據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備等資源，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和內(nèi)容，搭建一個完整的高壓開關(guān)柜生產(chǎn)環(huán)境，包括車間布局、生產(chǎn)線、物流過程以及主要的工藝流程，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中感受和理解企業(yè)的生產(chǎn)過程，通過反復(fù)多次的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)和掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)制造技術(shù)，為培養(yǎng)合格的新工科人才提供支撐。

1 物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

在該實(shí)驗(yàn)過程中利用三維設(shè)計(jì)工具對設(shè)備組成的生產(chǎn)線和生產(chǎn)單元進(jìn)行三維建模和模型輕量化處理，并依據(jù)特定的工藝、物流配送等要求在虛擬仿真環(huán)境設(shè)計(jì)車間布局，建立車間三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)工藝與運(yùn)營流程，建立車間物流過程仿真模型，對產(chǎn)品生產(chǎn)及物流配送等過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)過程、物料配送等進(jìn)行虛擬仿真與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：

（1）根據(jù)要求在虛擬仿真環(huán)境中建立生產(chǎn)計(jì)劃、資源、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、制造資源布局等模型，并存儲到Excel數(shù)據(jù)表中。利用Excel工具建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)與工藝、生產(chǎn)計(jì)劃以及物料等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）格式接口，通過編程的方式將相關(guān)數(shù)據(jù)自動載入Quest 參數(shù)化配置界面中，快速自動生成三維仿真模型。

（2）通過三維物流仿真模型，模擬加工設(shè)備、物料緩存區(qū)、物流設(shè)備等的運(yùn)作狀態(tài)，分析和發(fā)現(xiàn)物料阻塞、設(shè)備等待等問題，進(jìn)行生產(chǎn)過程異常及改善措施分析。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程

2.1 物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)化設(shè)計(jì)

在物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建過程中，采用Excel 工具建立工藝參數(shù)表單，將物流仿真過程中需要的產(chǎn)品工藝信息、物料生產(chǎn)信息及物流信息建立成表格，通過Excel的宏進(jìn)行VBA 編程。將Excel 中的各種輸入數(shù)據(jù)形成批處理控制語言（Batch Control Language，BCL）文件，載入到Quest仿真模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下參數(shù)化的三維物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建，具體流程如圖1所示。

圖1 物料仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)化設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行三維物流仿真模型設(shè)計(jì)時，首先構(gòu)建工藝布局與三維模型，將布局與三維模型建好導(dǎo)入Quest中進(jìn)行三維物流環(huán)境的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行工藝邏輯連接，建立各種模型、行車、自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（VGA）等的決策點(diǎn)，然后連接它們，形成在生產(chǎn)過程中的路徑，通過行車、AGV調(diào)動料物進(jìn)行運(yùn)送，形成物料配送傳送邏輯、傳送路徑。建立好連接關(guān)系之后再進(jìn)行外部Excel數(shù)據(jù)輸入。在Excel表中，準(zhǔn)備好各種數(shù)據(jù)，填寫生產(chǎn)計(jì)劃的起始及結(jié)束時間，根據(jù)起始和結(jié)束時間算出仿真的時間，設(shè)置模型的路徑以便找到項(xiàng)目和模型，依次設(shè)置好生產(chǎn)計(jì)劃表、鈑金加工、裝配、物料參數(shù)表、緩存區(qū)的表格、故障和班次，通過前面的數(shù)據(jù)總結(jié)出鈑金零件、斷路器半成品以及開關(guān)柜成品的總覽，鈑金工藝和裝配工藝的總覽，這些表格可以方便建立模型的輸入?yún)?shù)，最后構(gòu)建一個仿真結(jié)果的存儲表格。這些信息設(shè)置完成之后，設(shè)計(jì)運(yùn)行仿真過程，通過VBA來進(jìn)行BCL參數(shù)讀入，啟動加載Quest。運(yùn)行仿真是通過Excel指定宏實(shí)現(xiàn)的，通過Excel中選項(xiàng)—自定義功能—開發(fā)工具，啟動VBA 開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行仿真功能的設(shè)計(jì)，具體如圖2 所示。

圖2 Excel中的指定宏

VBA程序主要分成幾個關(guān)鍵功能，獲取模型所在位置，寫入BCL 文件，通過BCL 命令文件加載Quest，建立自動化接口使此宏可以啟動BCL 命令文件加載的Quest模型。這樣可以把Excel中的設(shè)置的零件、工藝、設(shè)備等數(shù)據(jù)信息寫入BCL，并把BCL 文件加載到Quest中，實(shí)現(xiàn)對Quest里面的邏輯設(shè)置。在BCL讀入的過程中先創(chuàng)建零件，再創(chuàng)建工藝和設(shè)備參數(shù)，設(shè)置物料搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，然后加載Quest。同時把Quest的仿真結(jié)果輸出至Excel 中，在Quest 的邏輯（LOGICS）文件夾下面通過． txt 文件編寫輸出邏輯，這個是自定義輸出仿真結(jié)果定義的，通過這個邏輯加載到Quest之中，當(dāng)模型運(yùn)行完成之后生成所需要的結(jié)果數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果保存在輸出（OUTPUT）文件夾，再由Excel的VBA程序進(jìn)行讀取，可以由在Excel中仿真結(jié)果工作表下讀入自定義的仿真結(jié)果。輸入數(shù)據(jù)是Quest非常重要的參數(shù)配置來源，主要包括工藝及生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、物流參數(shù)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)示例見表1、2，RGV為有軌制導(dǎo)車輛（Rail Guided Vehicle，RGV）。

表1 工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

表2 物流參數(shù)設(shè)置

2.2 三維物流仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

建立的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要包括行車軌道（Crane_Track），地面平板車軌道（AGV_Track），生產(chǎn)線設(shè)備（machine）建模，車間線邊庫（Buffer）包括原料庫、鈑金半成品庫、二次配線半成品、斷路器半成品庫、開關(guān)柜成品庫等。仿真模型中常包含不同類型的工藝，如循環(huán)、裝載、卸料、維修和準(zhǔn)備過程等。生產(chǎn)仿真物流過程中可以通過工藝過程的設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)對零件（Part）物料、運(yùn)輸設(shè)備AGV、工人（Labor）等定義需求的資源，以及對工藝時間和產(chǎn)品的設(shè)置。通過建模過程（Model Process）用戶頁面可以打開Process 操作欄以及對應(yīng)的按鈕操作區(qū)。通過這些按鈕操作，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求或者自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)建、修改各種類型的加工過程，如圖3 所示。

（1）循環(huán)過程（Cycle Process）設(shè)置。循環(huán)過程是機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵。例如，對一臺需要完成一個裝配過程的機(jī)器設(shè)備，則循環(huán)過程將定義需要的零件種類與數(shù)量、生產(chǎn)的產(chǎn)品以及整個裝配過程的循環(huán)時間。應(yīng)當(dāng)注意的是，循環(huán)過程（Cycle Process）只對Machine元素類適用。通常，機(jī)器設(shè)備元素在仿真中用于表示一個工作單元，或者用于表示其他任何邏輯處理元件（Component）。在這些邏輯處理元件上，可對零件進(jìn)行一般意義上的組合、拆分操作，或產(chǎn)生相同或不同的產(chǎn)品。

圖3 Cycle Process 定義

學(xué)生在選中一個加工過程進(jìn)行修改或創(chuàng)建新的加工過程中，會得到如下所示的Cycle Process Definition對話框，在此對話框中可以設(shè)置物料循環(huán)生產(chǎn)過程的不同屬性值，如圖4 所示。

圖4 Cycle Process定義對話框

（2）命令（Order）設(shè)置。學(xué)生可設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程工人（Labor）、Parts和AGV的需求順序，如圖5 所示。可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)操作：

模式（Mode） 確定單個資源如Part，Labor，或AGV被Process需求的順序方式。如果選擇As Avail，則資源可即時被使用。如果選擇All 時，只有當(dāng)所有要求的資源都可用時，加工過程才會使用這些資源。

順序（Sequence） 確定Process 對不同資源的需求順序。默認(rèn)方式為先需求Part，其次Labor，最后是AGV。

圖5 Process處理順序設(shè)置

（3） 零件（Parts）。在零件需求（Part Requirement）對話框中設(shè)置加工過程對Part 的要求。具體的Part要求可以設(shè)置為Any Part，或是模型內(nèi)指定Part類型的組合。有效值為從0 到任意正整數(shù)。

學(xué)生設(shè)定加工過程對Part 的需求為1 個Part1，1個Part2 類型，直到存在至少1 個Part1 和1 個Part2 類型可用，加工過程才會開始。如圖6 所示，當(dāng)Part1 和Part2 的數(shù)量都被設(shè)置為1 時，加工過程才會按照設(shè)置的參數(shù)去執(zhí)行。

圖6 Part輸入輸出設(shè)置對話框

（4）工人（Labor）設(shè)置。學(xué)生通過選擇此按鈕可以定義加工過程對Labor的要求?？梢詮腖abor Class中設(shè)定任意可用的Labor 單元，或者指定一個具體Labor 類的Labor 元素。圖7 所示為Labor Requirements對話框，表明加工過程對不同Labor的要求，其中必須包含1 個Labor1。

圖7 Process所需工人設(shè)置

（5）自動引導(dǎo)運(yùn)輸車（AGV）運(yùn)輸設(shè)置。學(xué)生可以定義一個或多個AGV 作為加工過程的運(yùn)輸要求?？梢栽O(shè)置Any AGV，或具體的AGV類，來滿足加工過程對運(yùn)輸設(shè)備的要求。AGV Required 區(qū)域設(shè)置為Yes／ No選項(xiàng)，因?yàn)锳GV 每次只能夠移動到一個決策點(diǎn)。如果在Required區(qū)域允許設(shè)置多個AGV，加工過程在等待滿足條件AGV時經(jīng)常會發(fā)生被鎖住的現(xiàn)象。

如果決策點(diǎn)索引（Dec Point Index）值設(shè)置為2 個或以上，則必須至少有2 個或以上數(shù)量的輸入連接到AGV路徑上的決策點(diǎn)，如圖8 所示。

圖8 AGV需求設(shè)置

（6）循環(huán)時間（Cycle Time）。定義循環(huán)過程的工作時間。循環(huán)時間可以是常數(shù)值或是各種隨機(jī)分布類型。時間分布對話框如圖9 所示。

圖9 循環(huán)工作時間設(shè)置

（7）產(chǎn)品（Products）設(shè)置。產(chǎn)品本質(zhì)上是零件類，作為加工過程產(chǎn)生的結(jié)果。如果用戶想要銷毀一個零件類，此處可以操作實(shí)現(xiàn)。同樣，還可以創(chuàng)建一個之前沒有存在的產(chǎn)品，如圖10 所示。

圖10 裝配／拆卸工藝設(shè)置

（8）仿真時間設(shè)置及運(yùn)行仿真。在Excel中進(jìn)行仿真時間、運(yùn)行仿真設(shè)置，如圖11 所示。同時將在Excel中輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行Quest 啟動與參數(shù)加載，如圖12 所示。

圖11 Excel中仿真時間與運(yùn)行仿真設(shè)置

圖12 通過VBA進(jìn)行Excel輸入?yún)?shù)讀取、BCL寫入及Quest啟動

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真結(jié)果分析，主要包括：設(shè)置的線邊緩存區(qū)的空間是否滿足要求，物流轉(zhuǎn)運(yùn)工具的利用率分析，缺料對生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析。Quest仿真之后生成的仿真分析報告如圖13 所示。

對車間生產(chǎn)系統(tǒng)的主要物流設(shè)備利用率進(jìn)行分析，分析物流設(shè)備的繁忙時間和阻塞時間，為物流設(shè)備優(yōu)化調(diào)度提供決策數(shù)據(jù)。對重點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備利用率進(jìn)行分析，包括各生產(chǎn)設(shè)備的利用率、繁忙時間、阻塞時間等。物料緩存區(qū)利用率如圖14 所示，可以得到生產(chǎn)線工位的緩沖區(qū)都占用比較大，特別是二次配線工位，說明其是一個非常明顯的瓶頸工位，可以通過增加操作工位解決瓶頸。同時鈑金半成品多是由于一個鈑金加工設(shè)備有故障，物流積壓。

圖13 系統(tǒng)仿真測試報告

圖14 物料緩存區(qū)利用率分析

同時可以分析出物料配送工具的利用情況，如圖15 所示，由于配送工具造成的阻塞時間為零，而且物流設(shè)備利用率值都偏中下，因此物流工具設(shè)計(jì)較合理。

圖15 物流、生產(chǎn)設(shè)備利用率分析結(jié)果

通過工位的產(chǎn)品堆積情況，進(jìn)行生產(chǎn)瓶頸分析，分出主要及次要瓶頸，指導(dǎo)物料配送。如圖16 所示可以很直觀地觀察到物流堆積和產(chǎn)品堆積兩種生產(chǎn)瓶頸，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)物料堆積因是因?yàn)槲锪喜积R套引起，產(chǎn)品堆積是因?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)線下一個工位出現(xiàn)故障造成的。根據(jù)分析的原因調(diào)整物料配送的時間和數(shù)量，消除物料堆積的現(xiàn)象。

4 提高虛擬仿真教學(xué)效果的措施

為保證開關(guān)柜制造過程虛擬仿真教學(xué)效果，采用了以下一些措施：

圖16 生產(chǎn)瓶頸分析

（1）各工位的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時間是生產(chǎn)計(jì)劃及物流仿真的重要基礎(chǔ)參數(shù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的真實(shí)性。

（2）通過設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（故障，忙，閑等）和生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬車間模擬運(yùn)行，對物料流轉(zhuǎn)和生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分析，評估車間計(jì)劃、物料分配和生產(chǎn)節(jié)拍的合理性。

（3）理解工位之間的物料緩存區(qū)的概念，由于設(shè)備故障率，物料齊套的影響，需要的緩存區(qū)的大小不一樣，要考慮偶然因素。

（4）對于物料搬運(yùn)設(shè)備，分析各條生產(chǎn)線的物料轉(zhuǎn)運(yùn)水平，是否造成設(shè)備物料的等待與阻塞。

（5）進(jìn)行生產(chǎn)線停機(jī)／設(shè)備故障等對生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析。

（6）進(jìn)行物料齊套對生產(chǎn)計(jì)劃的影響分析

5 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)在高壓開關(guān)柜制造過程教學(xué)中意義在于：

（1）在高壓開關(guān)柜復(fù)雜機(jī)電裝備制造相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬迅邏洪_關(guān)柜（特別是大型高壓開關(guān)柜）制造過程生動形象地式呈現(xiàn)出來，使學(xué)生加深對典型高壓開關(guān)柜的理解，是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)的有效補(bǔ)充和拓展。

（2）通過典型高壓開關(guān)柜虛擬制造仿真，學(xué)生可以深刻理解裝配物料、裝配工藝、設(shè)備、物料緩沖區(qū)、生產(chǎn)計(jì)劃、物料配送路徑和設(shè)備故障對產(chǎn)品產(chǎn)能和影響，可以豐富理論教學(xué)，使學(xué)生接觸和使用更多的生產(chǎn)信息，并通過仿真手段分析產(chǎn)品生產(chǎn)過程，開拓學(xué)生的分析問題的思路，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

（3）改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)流程信息不足等問題。