基于Plant Simulaton的沖壓車間數(shù)字化仿真平臺研究

滕繼東，樸永燦，黃大巍，謝魁英，宿 彪

（1.機械工業(yè)第九設計研究院有限公司，長春 130011；2.北京迪基透科技有限公司，南京 211101）

0 引言

近年來，隨著我國自主汽車品牌的崛起和用戶需求多樣性的變化，傳統(tǒng)小品種大批量生產模式無法滿足市場需求，產品更新?lián)Q代快、交貨周期短迫使主機廠需要對現(xiàn)有的生產線進行升級改造或引進先進的生產線，以經驗為主的傳統(tǒng)車間生產線規(guī)劃方式已不符合現(xiàn)代制造的要求，因此，運用虛擬仿真技術對沖壓車間進行研究，在車間的設計規(guī)劃階段，對整個車間的運行進行分析和預判，把可能出現(xiàn)的缺陷在設計階段解決，對提高沖壓車間的運行效率、降低生產成本具有重要的研究意義[1]。

隨著計算機技術的發(fā)展，國內外學者從不同角度對虛擬仿真和沖壓車間仿真等進行了研究，如朱肖宇等[2]對汽車沖壓車間生產批量和生產調度等問題進行分析和優(yōu)化；Roychowdhury等[3]研究了以共用沖壓件料架容量為約束，對生產計劃最小交貨期進行研究，并設計求解算法；黃豐等[4]建立沖壓車間仿真模型，并驗證車間不同生產計劃的優(yōu)劣。付百川等[5]研究了數(shù)字化工廠實施的步驟，探討了實施過程需要注意的要點等。姜根成等[6]研究了沖壓車間仿真平臺，用遺傳算法對叉車路徑進行優(yōu)化，降低叉車無效行駛的浪費。

基于以上研究，本文結合沖壓車間的生產特點，開發(fā)高效的柔性沖壓車間仿真平臺，實現(xiàn)技術人員根據(jù)方案不同快速生成仿真模型，為規(guī)劃方案決策提供支撐，同時基于“工業(yè)4.0”的思想，搭建虛實互聯(lián)車間，實現(xiàn)生產過程的透明化、可視化。

1 沖壓車間仿真平臺分析

1.1 沖壓車間工藝物流分析

沖壓車間是將板材沖壓形成汽車車身、車廂、車底板等部件的過程，沖壓是汽車生產四大加工工藝的首個工序，直接影響著汽車焊裝、涂裝、總裝車間的生產[7]。沖壓車間生產具有以下特點：

1）換模時間長：每種沖壓件均有一套專用沖壓模具，模具從模具庫通過天車送到沖壓線，并進行換模，換模時間時間需幾分鐘到十幾分鐘，遠大于單個產品的沖壓時間，因此換模時間不可忽略。

2）大批量生產：因不同產品換模時間較長，且準備過程需要消耗大量的能源和人力，生產過程應盡量減少換模次數(shù)，因此采用批量生產的方式。

3）需求拉動：為了滿足下游車間正產生產，沖壓車間需根據(jù)下游車間的需求計劃進行批量生產，在保證安全庫存的前提下，盡可能減少在制品數(shù)量。

圖1 沖壓車間工藝邏輯

某企業(yè)沖壓車間由毛坯補料區(qū)、毛坯存放區(qū)、模具存放區(qū)、沖壓生產線、沖壓件存放區(qū)、叉車?？繀^(qū)等幾個區(qū)域組成，沖壓車間內部的物流配送通過叉車和天車完成，如圖1所示為沖壓車間的工藝運行邏輯：

1.2 模型邊界和仿真目標

仿真平臺以沖壓車間為分析研究對象，研究的范圍從毛坯進入沖壓車間開始到沖壓件離開沖壓車間進入焊裝車間為止，不包括沖壓車間以外的生產操作?；跊_壓車間具體實例的分析，仿真優(yōu)化模型的目標有：

1）基于沖壓車間的生產工藝流程，構建沖壓生產線的線體仿真模型，對沖壓生產車間進行動態(tài)分析。

2）采用參數(shù)化建模的技術，開發(fā)通用的沖壓車間仿真平臺，能對不同的規(guī)劃方案進行分析比較，提高仿真平臺的柔性。

3）分析沖壓車間叉車數(shù)量對沖壓車間產能的影響，確定最優(yōu)的叉車數(shù)量,確定車間毛坯和沖壓件庫緩存區(qū)的大小等。

4）建立車間的三維動態(tài)展示模型，實時了解車間和模型的運行狀態(tài)。

5）建立先進的智能數(shù)字化仿真平臺，實現(xiàn)與車間Mes系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)及Excel軟件互聯(lián)互通的數(shù)字化應用平臺。

1.3 模型假設

沖壓車間物流多且過程復雜，若對所有的生產動作要素進行分析，不僅會消耗大量的人力物力，也會影響對仿真目標的分析研究，因此在實際建模的過程中要根據(jù)沖壓生產線的特點和仿真目標的不同，對分析目標影響較小的因素進行簡化，保證仿真模型的有效性。結合沖壓車間優(yōu)化改善的目標，對沖壓生產系統(tǒng)模型做如下假設：

1）沖壓生產設備發(fā)生故障導致停線的概率按照設定的分布函數(shù)隨機發(fā)生。

2）沖壓工位的機器人、夾具、端拾器等不做具體動作建模，以每個設備作為最小的建模對象。

3）除沖壓線尾人工裝沖壓件到料框外，其他區(qū)域認為人員充足供應，模型中省略對工人的建模。

2 沖壓車間仿真平臺

2.1 建模的流程

Plant simulation建立仿真模型的步驟如圖2所示。

圖2 仿真建模流程圖

2.2 沖壓車間仿真平臺建立

2.1.1 模型建立的原則

為了建立面向普通用戶的通用化仿真平臺，仿真平臺的柔性、靈活性和通用性是仿真平臺的基本要求，沖壓車間仿真平臺采用模塊化、層次化的建模方式，各系統(tǒng)子模塊封裝成友好的人機界面，同時建立良好的三維交互式系統(tǒng)，用戶能根據(jù)實際沖壓車間方案的調整，對生產線仿真平臺的節(jié)拍、生產過程、車間布局等進行快速調整。沖壓車間仿真平臺遵循以下幾個原則：

1）類對象的使用

Plant Simulation是面向對象的仿真分析軟件，在建模的過程中把一些相似的對象歸為一類，可以通過繼承的方式使用軟件中的基本屬性，也可以開發(fā)模型所需要的新屬性，并以繼承的方式重復使用，這種特性可以為建模節(jié)省大量的時間，提高建模的準確性，同時使模型的層次更加清晰。

2）模塊化建模

根據(jù)沖壓車間的特點和工藝流程把沖壓車間劃分為不同的功能模塊，仿真平臺采用自下而上的層級化建模方式，從最小的作業(yè)單元到某一特定功能的功能模塊逐步建模，單個子模塊實現(xiàn)該模塊特定的功能，同時充分考慮各功能模塊的通用性、可擴展性、可復制性和相互通信的簡易性，能滿足客戶對仿真平臺的擴展修改，沖壓仿真平臺的模塊劃分如表1所示。

表1 仿真平臺模塊劃分

表1 （續(xù)）

3）層次化

模型中各單線體采用層次化建模的思想來構建模型，每個單線體建立在一個單獨的框架中，先建立底層的子系統(tǒng)模型，再按照工藝流程將各子模型的接口連接起來，建立一個整體模型。

4）參數(shù)化建模

仿真平臺各功能模塊、模型輸入和輸出模塊封裝成集成的模塊，設計UI用戶界面，在UI界面修改參數(shù)和輸出優(yōu)化分析圖表等。如圖3所示為“模具庫模塊”，在該UI界面輸入模具存放區(qū)的參數(shù)，即可生成模具存放區(qū)，單擊“打開庫位表”如下圖4在表格中輸入不同模具的存放位置，即可按該表格生成模具存放區(qū)。

圖3 模具庫管理界面

圖4 模具存放位置圖

2.2.2 Plant Simulation仿真模型中對象要素

Plant Simulation是一個面向對象的離散型建模和仿真軟件，根據(jù)沖壓車間各對象元素的特點，主要的建模單元有：

1）毛坯件：采用移動對象Entity表達，主要屬性有名稱、長度等。根據(jù)這些屬性確定沖壓毛坯數(shù)量、托盤容量、訂單數(shù)量等。

2）沖壓工位：采用物流對象SingleProc表達，主要參數(shù)有沖壓時間、故障率和平均修復時間等。

3）托盤：采用移動對象Container表達，主要參數(shù)有長度和容量等。

4）安全區(qū)：采用資源對象LockoutZone表達，主要參數(shù)為安全區(qū)工位列表，控制安全區(qū)所有工位的故障。

5）模具庫、沖壓件庫:采用物流對象Buffer表達，主要參數(shù)為容量。

2.3 數(shù)字化虛實互聯(lián)車間

2.3.1 虛實互聯(lián)車間

基于“虛實互聯(lián)”的理念，和物理工廠建立同步虛擬數(shù)字化仿真平臺，通過虛擬物理工廠并獲取物理工廠數(shù)據(jù)提前仿真、模擬、展示物理工廠運作，通過虛實結合，實現(xiàn)虛擬工廠對物理工廠的實時展示和監(jiān)控。

虛實互聯(lián)工廠的主要內容如下：

1）Plant仿真模型自動獲取工廠Mes數(shù)據(jù)，包括生產工藝、生產工時、BOM表、生產工位信息、生產計劃、托盤容量等，并以此為模型的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)從實到虛的數(shù)據(jù)傳遞。

2）Plant仿真模型根據(jù)輸入的參數(shù)進行仿真優(yōu)化，并把排產計劃等優(yōu)化結果反饋到車間Mes生產系統(tǒng)，指導車間的生產，實現(xiàn)從虛到實的數(shù)據(jù)傳遞。

通過Plant Simulation與車間Mes建立互聯(lián)互通的的環(huán)境，具有以下意義：

1）Plant仿真模型自動獲取工廠Mes數(shù)據(jù)，如生產工藝、生產工時、BOM表、生產計劃、生產工位信息等，并以此為模型的數(shù)據(jù)輸入，保證輸入數(shù)據(jù)的正確性。

2）Plant仿真模型根據(jù)輸入的參數(shù)進行仿真優(yōu)化，并把仿真優(yōu)化結果反饋到車間Mes生產系統(tǒng)，指導車間的生產。

3）能夠獲取車間某一時刻的生產狀態(tài)，并以此狀態(tài)為仿真模型的初始狀態(tài)，基于此狀態(tài)和車間的生產計劃驗證計劃能否完成等，使仿真結果更貼近實際。

4）能夠在Plant三維模型中動態(tài)展示和查看車間每個設備的運作狀態(tài)。

2.3.2 虛實互聯(lián)車間實施

數(shù)字化虛擬車間以沖壓車間仿真平臺為支撐，借助3D模型，動態(tài)展示沖壓車間的運行過程，并將仿真結果反饋到沖壓車間，形成仿真平臺、沖壓車間和Mes系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)。虛實互聯(lián)車間的信息傳遞如圖5所示。

2.3.3 虛實互聯(lián)車間接口設計

虛實互聯(lián)車間數(shù)據(jù)傳遞包括內部數(shù)據(jù)傳遞和外部數(shù)據(jù)傳遞，內部數(shù)據(jù)傳遞即是沖壓車間不同功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，內部數(shù)據(jù)傳遞在沖壓仿真平臺內部使用控制函數(shù)進行數(shù)據(jù)傳遞；外部數(shù)據(jù)是仿真平臺和Mes系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫或Excel辦公軟件間的數(shù)據(jù)傳遞，在設計階段，需要規(guī)定不同數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間的傳遞方式、數(shù)據(jù)傳遞格式、輸入和輸出格式等。

圖5 虛實互聯(lián)車間信息傳遞示意圖

虛實互聯(lián)車間中使用ODBC接口與車間MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)動態(tài)交互，從Mes系統(tǒng)讀取基礎信息數(shù)據(jù)、工藝信息、過程生產信息等，使用ODBC接口把仿真結果寫入到Mes系統(tǒng)。如下所示為虛實互聯(lián)車間從Mes系統(tǒng)讀取生產計劃表的實現(xiàn)方式：其中”***”為數(shù)據(jù)庫名稱，"###"為用戶名，"&&&"為密碼，SH,CYX，CX，ZL，SL，YMDJ，YLSL為數(shù)據(jù)庫表字段名，t_ProductionPlan為仿真模型中生產計劃表名稱，PRODUCT_P LAN為數(shù)據(jù)庫中生產計劃表名稱。

var returnValue:=

.Models.Model.ODBC.login（“***”，”###”，”&&&”）

if returnValue

messageBox(“連接成功!")

t_ProductionPlan.delete

.Models.Model.ODBC.sql(t_ProductionPlan,"select SH,CYX,CX,ZL,SL,YMDJ,YLSL,From PRODUCT_P LAN")

else

var sSQLError,sErrorMessage :string

var nErrorCode :integer

.Models.Model.ODBC.sqlError(sSQLError,nErrorCode,sErrorMessage)

MessageBox(sprint("連接失敗",to_str(sErrorMessage,chr(10))))

end

虛實互聯(lián)車間中使用DDE連接技術與Excel進行數(shù)據(jù)動態(tài)輸出，把仿真平臺統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)實時輸出到Excel表格中，如下為DDE輸出到Excel中的方式：

='eM-Plant'|data!'.Models.Model.Door1.v_WaitTimes'

2.3.4 虛實互聯(lián)車間顯示與分析

虛實互聯(lián)車間除了提供沖壓車間的分析功能外，還可以通過逼真的三維模型動態(tài)展示沖壓車間的運行過程，直觀的看到毛坯配送、沖壓過程、沖壓件裝框等整個車間的運行情況。仿真過程中每個沖壓件產品從進入沖壓車間到離開沖壓車間，過程運行信息都以表格或自定義屬性的形式存儲，如毛坯進入沖壓車間、進入和離開沖壓線時間、設備的利用率、工人的利用率等均可追蹤查看。如圖6所示為虛實互聯(lián)車間沖壓生產線展示界面，單擊工位三維數(shù)模展示該工位的工位過程信息。

圖6 虛實互聯(lián)車間工位信息展示圖

3 沖壓車間仿真平臺應用

3.1 沖壓車間分析

隨著精益生產理念的應用，JIT生產方式成為企業(yè)提高競爭力的有效手段之一，以最合理的資源投入，獲取最大的經濟效益，保證車間生產過程的流暢性，是企業(yè)追求的目標。

以某企業(yè)沖壓車間為研究對象，利用沖壓車間數(shù)字化仿真平臺，建立仿真模型和虛實互聯(lián)車間。該企業(yè)有一條6序沖壓線、兩個模具庫存放區(qū)、一個毛坯存放區(qū)和沖壓件庫。沖壓線生產節(jié)拍5s，沖壓線尾8名工人負責從線尾取沖壓件裝入料框，料框裝滿后由線尾叉車運送到沖壓件存放區(qū)，線尾叉車數(shù)量過少時，滿料框配送不及時，會導致沖壓線尾沖壓件堆積，使沖壓線停線，影響生產的流暢性，叉車數(shù)量過多則會增加車間成本。利用搭建的沖壓仿真平臺進行分析，分析參數(shù)為線尾叉車數(shù)量，分析目標為沖壓線停線次數(shù)，進而確定最佳的叉車數(shù)量。

為了保證仿真數(shù)據(jù)的有效性，設置仿真時間為20天，從第二天開始統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中每周的排班計劃如圖7所示。

圖7 沖壓車間排班計劃

如圖7所示，每周的周一到周五為工作時間，每天2個班次輪換上班，Pauses為中間休息時間，休息時間內，整個系統(tǒng)會暫停工作。

3.2 DOE實驗設計確定叉車數(shù)量

DOE（Design of Experiment）是一種基于概率論的正交試驗數(shù)理統(tǒng)計方法，通過合理安排實驗，以較小的實驗次數(shù)和較低的實驗成本，獲得理想的實驗結果。

設置實驗目標為沖壓車間停線次數(shù)StopTimes值最小，設置線尾叉車為單因子，叉車數(shù)量為多水平，選取1、2、3、4、5、6共6個水平影響產能因素。得到叉車數(shù)量和沖壓車間停線次數(shù)StopTimes值之間的關系圖如圖8所示。

圖8 沖壓線停線次數(shù)隨叉車數(shù)量變化趨勢圖

如圖8所示，隨著叉車數(shù)量的增多，沖壓生產線停線次數(shù)逐漸減少，叉車數(shù)量為1～3時，停線次數(shù)提升較為明顯，當叉車數(shù)量為3～5時，停線次數(shù)提升不大，叉車數(shù)量為5及以上時，沖壓線停線次數(shù)為0，考慮到沖壓車間的時間成本，叉車數(shù)量選擇5。

4 結語

本文結合沖壓車間生產背景，對沖壓車間生產線進行仿真研究，搭建沖壓車間仿真平臺，該平臺對沖壓車間的計劃調度、資源規(guī)劃、物流分析、布局分析等方面，在進行車間規(guī)劃和車間改造進行分析和論證。同時結合虛擬現(xiàn)實技術，構建互聯(lián)互通的虛實互聯(lián)仿真環(huán)境，建立互聯(lián)的生產系統(tǒng)數(shù)字化模型。該平臺具有以下功能和優(yōu)點：

1）采用Plant Simulation軟件建立沖壓車間通用仿真平臺，實現(xiàn)對沖壓車間緩存區(qū)大小、轉運批量、生產計劃、瓶頸環(huán)節(jié)分析等。平臺采用模塊化、參數(shù)化建模方式，滿足技術人員對功能模塊進行快速的調整、規(guī)劃，能有效提高車間規(guī)劃的效率、為車間生產提供決策支持。

2）建立互聯(lián)互通的虛實互聯(lián)車間，打破傳統(tǒng)仿真模型孤立運行的模式，實現(xiàn)仿真平臺、Mes系統(tǒng)、生產車間的閉環(huán)連接，克服傳統(tǒng)仿真與實際生產的脫節(jié)，使仿真與車間狀態(tài)緊密結合。

3）虛實互聯(lián)車間能動態(tài)展示沖壓車間運行過程，在仿真平臺實時可以查看實際車間的運作狀態(tài)和相關的參數(shù)，實現(xiàn)對生產車間的監(jiān)控和管理。