基于Plant Simulation的儲能裝置裝配數(shù)字化車間仿真分析

馬茂源,酒小濤，王志立，沈小威，李勝軍

(1.國機工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院(河南)有限公司，創(chuàng)新推廣中心，河南 鄭州 450001；2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，第一工業(yè)工程院，河南 鄭州 450007)

飛輪儲能裝置的電機與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有一定的特殊性，相應的裝配技術要求高且工藝復雜，屬于典型的離散事件動態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)。飛輪儲能裝置的裝配生產(chǎn)車間設計中難免會出現(xiàn)設施布局不合理、工序安排繁瑣、設備利用率低、制造信息量大等一系列問題。優(yōu)化仿真是驗證離散生產(chǎn)系統(tǒng)最有效的技術手段，因此，生產(chǎn)車間制造和裝配過程的優(yōu)化仿真技術受到了國內(nèi)外學者的青睞。此前，曾有學者在生產(chǎn)車間設施布局、制造系統(tǒng)物流仿真分析、產(chǎn)品生產(chǎn)流程優(yōu)化等方面進行研究，針對不同問題提出了相應的解決方案。由于生產(chǎn)車間的設施布局直接影響著產(chǎn)品的產(chǎn)量和生產(chǎn)周期，姜明采用系統(tǒng)布置設計方法和Plant Simulation仿真平臺，對某車間的布置方案進行規(guī)劃和優(yōu)化，建立了能讓車間達到庫存均衡的動態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)[1]；許晨、李廣振等基于Plant Simulation仿真平臺，對處在規(guī)劃階段的某自動化裝配線進行仿真研究，先后提出了最佳節(jié)能布局和設備利用率的解決方案[2-3]。Yang等基于Plant Simulation仿真平臺，對某裝配車間內(nèi)的工人和AGV數(shù)量進行配置優(yōu)化，使產(chǎn)能提高約42%，物流量減少約63.5%[4]。劉進等基于eM-Plant軟件，對液壓支架混合裝配線的產(chǎn)品種類、型號規(guī)格、需求數(shù)量、交貨期及物流配送要求進行仿真分析，確定了最佳的小車運行速度、運載量和使用數(shù)量[5]。針對數(shù)字化車間的產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)化問題，張如杰等基于eM-Plant仿真平臺，對機車預組裝生產(chǎn)線進行了建模和仿真，通過壓縮節(jié)拍來促使生產(chǎn)線的均衡，取得了一定的效果[6]。李慧等基于Plant Simulation仿真平臺，對某航空葉片加工生產(chǎn)線的產(chǎn)能、設備利用率和緩存區(qū)設置情況進行分析，提出了優(yōu)化設計的方案[7]。這些研究表明，生產(chǎn)車間制造和裝配過程的優(yōu)化仿真，有助于構建智能工廠、提高自動化車間生產(chǎn)效率，并可實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中多種信息的有效集成。

本文擬采用生產(chǎn)線工藝建模和仿真技術，利用Plant Simulation軟件，建立與實際生產(chǎn)系統(tǒng)具有相同生產(chǎn)資源、工藝數(shù)據(jù)的仿真模型，對國內(nèi)某飛輪儲能裝置生產(chǎn)企業(yè)智能工廠建設項目的智能產(chǎn)線方案、智能物流方案、生產(chǎn)系統(tǒng)運行方案進行仿真分析，從產(chǎn)能、物流、工藝布局、人工等角度，對物料裝運、部件裝配、產(chǎn)品裝配、本體測試等過程進行分析和優(yōu)化設計，結合仿真測試結果對車間布局進行改進，最終達到飛輪儲能裝置裝配數(shù)字化車間規(guī)劃設計方案最優(yōu)的目標。

1 裝配工藝流程的設計

工藝流程即工廠生產(chǎn)過程布局。工藝流程設計是指：根據(jù)企業(yè)的經(jīng)營目標和生產(chǎn)綱領，在已確定的空間內(nèi)，按照從材料的接收，零件和產(chǎn)品的制造、裝配，到成品的包裝、發(fā)運的全過程，對人員、設備、物料等形成的經(jīng)濟活動單元所需要的空間進行適當分配和有效組合，以便獲得最大的經(jīng)濟效益[8-10]。

國內(nèi)某飛輪儲能裝置生產(chǎn)企業(yè)擬實現(xiàn)飛輪儲能裝置(產(chǎn)品規(guī)格以200 kW為基準)的部裝、總裝和試驗。按照裝配數(shù)字化車間的設計要求，飛輪儲能裝置裝配的整個工藝流程從原材料庫區(qū)開始，由信息化系統(tǒng)進行采購訂單的下發(fā)；在來料待檢區(qū)完成物料到貨處理；在原材料庫區(qū)，人工進行檢驗和打碼、物料掃碼入庫；在上料區(qū)，人工進行物料掃碼出庫、裝配備料(分揀碼放)，完成備料出庫；在裝配線區(qū)進行裝配上線(物料掃碼確認，信息綁定并上傳系統(tǒng))，完成飛輪儲能裝置本體的裝配，并在測試線上測試飛輪儲能裝置本體。測試后的飛輪儲能裝置本體與電控柜合裝，并進入整機測試線進行測試。整機測試合格后進入成品庫區(qū)。在發(fā)貨區(qū)發(fā)貨時需掃碼確認并將相應的信息上傳系統(tǒng)。飛輪儲能裝置的裝配工藝流程如圖1所示。

圖1 飛輪儲能裝置的裝配工藝流程

2 裝配數(shù)字化車間仿真模型的建立

將Plant Simulation用于物流規(guī)劃和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真，能夠進行模型分區(qū)、分層、分場景的可視化展示和查詢，可直觀展示車間各種設備及生產(chǎn)工藝的組織關系[11]。本文將采用Plant Simulation仿真平臺，對車間布局、設備選型、生產(chǎn)物流系統(tǒng)設計方案進行仿真，驗證并優(yōu)化相應的設計規(guī)劃，使飛輪儲能裝置裝配車間的生產(chǎn)過程更優(yōu)、生產(chǎn)效率更高、物料轉(zhuǎn)運更流暢、緩沖區(qū)設置更合理，為建設智能化車間提供依據(jù)。仿真之前必須建立合適的仿真模型。物流仿真模型應涵蓋實體車間生產(chǎn)設備、物流設備、存儲設備、運輸通道及其他生產(chǎn)輔助設施的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；同時，模型中這些設備設施的位置、形狀等要與車間實際情況一致，并能在車間布局規(guī)劃時根據(jù)需求進行移動和布局模擬。仿真時需要對裝配車間生產(chǎn)物流活動進行記錄，使物料運輸全過程動態(tài)可見，以模擬相關的物料運輸過程，檢查運輸過程中是否存在瓶頸點及擁堵情況等；同時，要對物流路線的仿真結果進行圖形、圖表化分析和展示。

2.1 搭建模型類庫

在Plant Simulation仿真平臺中，可利用其對象具有繼承屬性的功能進行模型類庫搭建。在建模過程中，將具有相似性的對象歸為一類，同時要開發(fā)能適配模型的新屬性，以節(jié)約建模時間，提高模型搭建的準確性。本文在建模時，針對飛輪儲能裝置的裝配數(shù)字化車間，利用Plant Simulation軟件搭建了Class Libery庫(它包括車間模型類庫、轉(zhuǎn)運載具類庫等)，為下一步仿真建模提供了條件。

2.2 建立層次化仿真模型

建模時，應根據(jù)飛輪儲能裝置裝配生產(chǎn)的特點和工藝要求，劃分不同的功能模塊，按照自下而上的方式，在仿真模型中建立多層次的子系統(tǒng)模型框架，并充分考慮各模塊適配于層次化模型的通用性和可擴展性，以確保后續(xù)建模中能實現(xiàn)各子系統(tǒng)模型框架的有效鏈接，使各子系統(tǒng)模型框架能從最小的工位單元到特定功能模塊被逐漸展開。

2.3 建立參數(shù)化仿真模型

基于Plant Simulation仿真平臺，能面向?qū)ο筮M行參數(shù)的自定義，也可通過算法控制仿真運行參數(shù)，使各參數(shù)更貼近設計規(guī)劃。針對設計對象的形狀，在操作界面修改參數(shù)并輸出優(yōu)化結果和分析圖表，以改善模型的視覺效果。

在立體倉庫層次化仿真模型框架中，可修改“分揀線”的長度和寬度，也可通過算法對“分揀線”的各種屬性進行參數(shù)賦值。圖2所示為模型的對象自定義參數(shù)界面。

圖2 模型的對象自定義參數(shù)界面

3 裝配數(shù)字化車間的仿真分析

3.1 裝配數(shù)字化車間的整體運行情況

裝配數(shù)字化車間的整體仿真模型包含二維邏輯模型、三維聯(lián)動模型、仿真分析圖表三大部分。建模時已考慮到每個單元的動作流程、節(jié)拍時間等工藝要求。仿真分析時運行仿真模型，并分別選取第25 d、100 d、254 d的飛輪儲能裝置本體裝配線產(chǎn)量，即可繪制圖3所示飛輪儲能裝置本體裝配線運行254 d的產(chǎn)量步進曲線。

圖3 飛輪儲能裝置本體裝配線運行254 d的產(chǎn)量步進曲線

從圖3可以看出：從第3天開始的生產(chǎn)節(jié)拍為8套/d，顯然，規(guī)劃產(chǎn)能能夠滿足生產(chǎn)節(jié)拍(8套/d)要求；飛輪儲能裝置本體裝配線的產(chǎn)量在第254 d達到了2 000套，顯然，規(guī)劃產(chǎn)能能夠滿足生產(chǎn)綱領(2 000套/年)的要求。

3.2 裝配數(shù)字化車間的AGV配置

在滿足飛輪儲能裝置本體裝配生產(chǎn)綱領的條件下，通過調(diào)整自動導引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)的速度和數(shù)量，可仿真分析物料轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中各種類型AGV的最佳配置。仿真時，需將各裝配線、測試線的產(chǎn)能均設為2 000套/年，按照各工位實際生產(chǎn)時間設定組織生產(chǎn)的方式，并將AGV的服務范圍按圖4進行布置。

圖4 AGV的服務范圍

仿真在拉式生產(chǎn)情況下分為3組進行，每組做5次實驗。仿真實驗時將1 t AGV(背馱式)、2 t AGV(叉車式)、3 t AGV(叉車式)的運行速度分別設定為30 m/min、25 m/min、20 m/min；通過調(diào)整1 t AGV、2 t AGV的數(shù)量來觀察AGV的綜合利用率和產(chǎn)能匹配情況。改變AGV的運行速度、利用率并對產(chǎn)能匹配的結果進行比對，可確定最佳的AGV選型和配置方案。

仿真實驗發(fā)現(xiàn)，當1 t AGV、2 t AGV、3 t AGV的運行速度分別為 25 m/min、20 m/min、20 m/min，數(shù)量分別為3臺、2臺、1臺時，AGV的綜合利用率最高，且能夠較好地匹配產(chǎn)能。

AGV選型原有方案與優(yōu)化方案的比較如表1所示。

表1 AGV選型原有方案與優(yōu)化方案的比較

結合各種AGV購置成本，對運行費用進行比較，可發(fā)現(xiàn)，AGV選型的優(yōu)化方案比原有方案能節(jié)約300萬元/年。對AGV繁忙路徑的分析可知，3種AGV的最繁忙路段沒有發(fā)生重疊。這驗證了所規(guī)劃物流路徑的合理性。

根據(jù)仿真結果，可適當加大3 t AGV的運輸覆蓋面，增加1臺3 t AGV，作為應急運輸工具。

3.3 裝配數(shù)字化車間的緩存工位設置情況

在拉式生產(chǎn)情況下，已清洗部件采用叫料方式被輸送至各裝配工位的上料處；轉(zhuǎn)子裝配成品和定子裝配成品則采用總裝工位叫料方式實現(xiàn)送料。生產(chǎn)中一些工位容易出現(xiàn)物料堆積，故需設置物料緩存工位。仿真實驗可知，采用拉式生產(chǎn)時應在下列區(qū)域設置緩存工位：清洗工位出料區(qū)、轉(zhuǎn)子裝配工位出料區(qū)、定子工位出料區(qū)。

通過分析飛輪儲能裝置本體裝配線緩存工位的空托盤數(shù)量，可確定正常生產(chǎn)情況下最佳的轉(zhuǎn)運托盤數(shù)量。仿真時將模型運行時間先后設置為25 d、100 d、175 d、254 d，觀察各時段的生產(chǎn)運行堵塞情況。仿真實驗發(fā)現(xiàn)，各時段均未出現(xiàn)堵塞情況。飛輪儲能裝置本體裝配線運行254 d的空托盤數(shù)量如圖5所示。

圖5 飛輪儲能裝置本體裝配線運行254 d的空托盤數(shù)量

仿真所得飛輪儲能裝置本體裝配線緩存工位的最佳轉(zhuǎn)運托盤數(shù)量如表2所示。

表2 裝配線緩存工位的最佳轉(zhuǎn)運托盤數(shù)量

3.4 裝配數(shù)字化車間的人員負荷

鑒于Plant Simulation軟件中人員分析模塊的功能齊全，能夠滿足對裝配數(shù)字化車間人員負荷的分析需要，本文針對各工位的人員操作情況，按照2 000套/年的生產(chǎn)裝配方案，以及各工位工人的工作內(nèi)容、工作時間，在建立仿真模型后進行了仿真。裝配數(shù)字化車間人員負荷的仿真結果如圖6所示。

圖6 裝配數(shù)字化車間人員負荷的仿真結果

根據(jù)仿真結果，統(tǒng)計各工位的人員負荷率，分析并優(yōu)化用工人數(shù)，調(diào)整人員配置，平衡人員負荷后，飛輪儲能裝置本體測試接線調(diào)平衡工位的人員負荷率從82.2%下降至69.0%；飛輪儲能裝置本體裝配工位的人員負荷率從73.4%下降至65.5%；電控柜部裝工位和電控柜小線纜制作工位的人員負荷率均從71.5%下降至59.3%；其余工位的人員負荷率也較好。

4 裝配數(shù)字化車間的優(yōu)化配置建議

本文基于對飛輪儲能裝置裝配數(shù)字化車間的工藝物流仿真，從裝配工藝流程、物流配置和人員負荷三方面提出了相應的優(yōu)化建議。

(1) 裝配產(chǎn)能優(yōu)化。根據(jù)生產(chǎn)綱領，飛輪儲能裝置本體裝配線、電控柜裝配線、飛輪儲能裝置本體測試工位、整機測試工位的產(chǎn)能均按2 000套/年設置。在每日生產(chǎn)班次為8:00-18:00(其中，午休時間為12:00-14:00)的情況下，采取拉式生產(chǎn)能夠滿足產(chǎn)能要求。

(2) 物流配置優(yōu)化。考慮AGV的數(shù)量、運行速度、利用率和產(chǎn)能匹配情況等因素，確定了下列AGV配置：1 t AGV 3臺、2 t AGV 2臺、3 t AGV 1臺。采用拉式生產(chǎn)時需要設置清洗工位出料區(qū)、轉(zhuǎn)子裝配工位出料區(qū)和定子工位出料區(qū)的緩存工位。

(3) 人員負荷優(yōu)化?？紤]飛輪儲能裝置裝配數(shù)字化車間的實際情況，以及飛輪儲能裝置本體測試線、電控柜裝配線、整機測試線的年產(chǎn)能，可相應減少生產(chǎn)線的人員配置。調(diào)整后，某飛輪儲能裝置生產(chǎn)企業(yè)裝配數(shù)字化車間的生產(chǎn)線和物流線共需要56人。