物流輸送系統(tǒng)的仿真及故障分析

張一玨，劉 曄

（上海中船重工船舶推進設(shè)備有限公司，上海 200031)

0 引言

近年來，全球各主要經(jīng)濟體都在大力推進制造業(yè)的復(fù)興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠、智能倉儲系統(tǒng)的建設(shè)實踐。而作為物流系統(tǒng)的頂層設(shè)計——物流系統(tǒng)仿真[1，2]，仍然是全球物流領(lǐng)域不可忽視的研究發(fā)展方向。

FlexSim[2～4]是美國的一款三維物流仿真軟件，2005年引入國內(nèi)，用于系統(tǒng)建模、仿真以及實現(xiàn)工作流程可視化，目前廣泛應(yīng)用于設(shè)施規(guī)劃、產(chǎn)線生產(chǎn)、物流配送路徑優(yōu)化、AGV調(diào)度、自動化倉庫仿真等。

本文研究了某在建造紙廠項目中成品紙自動化立體倉庫[5]系統(tǒng)的“入庫物流系統(tǒng)”[6]。首先根據(jù)系統(tǒng)方案及實際設(shè)備參數(shù)進行建模、仿真，再以搭建好的FlexSim模型為虛擬平臺，模擬系統(tǒng)中當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)故障時，會對所在線路及整個輸送系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響，并根據(jù)實際條件提出處理策略。此研究可以為廠方對該物流系統(tǒng)的使用、設(shè)備維護及故障解決提供參考。

1 系統(tǒng)概況

該“入庫物流系統(tǒng)”是某造紙廠的一個在建成品紙自動化立體倉庫的配套入庫系統(tǒng)。紙廠加工完成的成品紙垛都需要經(jīng)過本物流系統(tǒng)輸送至自動化立體倉庫指定的入庫口。該物流系統(tǒng)的運行情況直接關(guān)系到倉庫的入庫效率。

根據(jù)場地情況及倉庫入庫需求，該物流系統(tǒng)的方案布置如圖1所示。

圖1 “入庫物流系統(tǒng)”方案布置圖

1.1 設(shè)備概況

“入庫物流系統(tǒng)”中共設(shè)置99臺輸送設(shè)備，6臺專用設(shè)備，共分為6大類。

1）垂直輸送機：紙廠的造紙加工設(shè)備位于廠房的一樓，而入庫物流系統(tǒng)位于二樓，故配置了2臺垂直輸送機，用于將加工完成的紙垛由一樓輸送至二樓進行入庫；

2）輸送線：輸送線是組成該物流系統(tǒng)的主要設(shè)備，用來單向運輸紙垛及托盤；

3）旋轉(zhuǎn)輸送機：通過設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)，來改變紙垛的輸送方向；

4）頂升平移機構(gòu)：用來在不改變紙垛相位的前提下，改變輸送方向；

5）托盤置入裝置[7]：將符合入庫條件的托盤置入紙垛下方，以滿足入庫巷道車的要求；

6）托盤拆解裝置：托盤在倉庫中是8個為一件，故需要拆解為單個的托盤用于托盤置入操作。

1.2 系統(tǒng)主要工藝流程

1.2.1 紙垛輸送

兩臺垂直輸送機從一樓將紙垛垂直輸送到二樓，進入“入庫物流系統(tǒng)”，之后紙垛由輸送線進行輸送，通過頂升平移機構(gòu)將2臺升降機后的2條線路擴展為3條，并在這3條線路上并列布置3臺托盤置入裝置，處理完成的成品紙垛再通過線路4上的頂升平移機改向，統(tǒng)一匯入線路4，線路4為單向循環(huán)輸送，在該線路上設(shè)置規(guī)格測量、條碼識別裝置，用于識別所運送貨物的信息，根據(jù)產(chǎn)品信息給該紙垛一個對應(yīng)的庫位作為去向，該紙垛就通過后續(xù)的輸送設(shè)備運至對應(yīng)庫位的巷道，本系統(tǒng)輸送結(jié)束。

1.2.2 托盤輸送

托盤置入裝置所需的托盤，是由3條專門的托盤輸送線路輸送至操作工位的，分別對應(yīng)第一、二、三條輸送線路，并設(shè)置托盤拆解裝置，將一件托盤拆分為8個，一次托盤置入操作使用一個托盤。

成件的托盤是從立體倉庫通過2個托盤入口，進入輸送系統(tǒng)的線路四，再經(jīng)過線路四上的轉(zhuǎn)盤輸送至3條托盤輸送線上。

2 FlexSim建模

2.1 FlexSim實體表示

FlexSim固定實體是用來模擬仿真不同類型的資源。本次建模選擇適當(dāng)?shù)墓潭▽嶓w來表示系統(tǒng)中的設(shè)備，并根據(jù)一定的排序規(guī)則為每臺設(shè)備進行編號。FlexSim臨時實體為穿過模型系統(tǒng)的實體，在本次建模中，紙垛和托盤將被設(shè)置成不同類型的臨時實體來表示。

1）垂直輸送機——在該系統(tǒng)中，我們只關(guān)心垂直輸送機將紙垛送達二樓后的輸送情況，故選擇用固定實體“發(fā)生器”來表示垂直輸送機，用“發(fā)生器”發(fā)出臨時實體表示紙垛的到達。其屬性中的臨時實體的“到達時間間隔”參數(shù)將按照實際垂直輸送機的輸送節(jié)拍來設(shè)置，如圖2所示。

圖2 垂直輸送機模型——發(fā)生器屬性設(shè)置

2）輸送線——用“傳送帶”表示，根據(jù)實際設(shè)備參數(shù)，來設(shè)置“傳送帶”的屬性，如長度、速度、位置坐標(biāo)等，設(shè)置如圖3所示。

圖3 輸送線模型——傳送帶屬性設(shè)置

3）旋轉(zhuǎn)輸送機——該設(shè)備包含旋轉(zhuǎn)、輸送兩個功能，選擇“傳送帶”表示，通過設(shè)置屬性中“等待時間”來表示旋轉(zhuǎn)所需要的時間。

4）頂升平移機構(gòu)——該設(shè)備包含頂升、輸送兩個功能，選擇“傳送帶”表示，通過設(shè)置屬性中“等待時間”來表示頂升所需要的時間。

5）托盤置入裝置——選擇固定實體“合成器”表示，選擇“打包”功能，可將托盤與紙垛打包為一件成品紙垛輸送出去，另外根據(jù)實際設(shè)置“屬性”中的“加工時間”表示該工位需要的時間，如圖4所示。

圖4 托盤置入——合成器屬性設(shè)置

6）托盤拆解裝置——選擇固定實體“分解器”表示，選擇“分解”功能，設(shè)置“指定數(shù)量”，將一件托盤分解為8個托盤，如圖5所示。

圖5 拆盤機模型——分解器屬性設(shè)置

7）自動化立體倉庫——因本系統(tǒng)是模擬實際入庫，故用12個“暫存區(qū)”表示立體庫的12個貨位，方便直觀觀察入庫貨物的數(shù)量和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 自動化立體倉庫模型——暫存區(qū)屬性設(shè)置

2.2 FlexSim模型建立

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，本次建模在FlexSim模型界面中布置了128個固定實體，按照實際系統(tǒng)方案及設(shè)備規(guī)劃搭建了該物流系統(tǒng)的FlexSim模型，各固定實體編號及模型布局如圖7所示。

圖7 模型實體布局

2.3 FlexSim模型連線及系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.3.1 模型連線

根據(jù)系統(tǒng)工藝流程對所有實體進行連線，以實現(xiàn)臨時實體（紙垛、托盤、成品紙垛）的輸送去向。

2.3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

1）由于紙垛是按照立體庫給出的指令進行入庫，即一種規(guī)格的紙垛是對應(yīng)一個貨架，故對“發(fā)生器”屬性中的“創(chuàng)建觸發(fā)”進行設(shè)置，設(shè)置1～12個臨時實體種類，如圖8所示。

圖8 垂直輸送機模型——發(fā)生器觸發(fā)屬性設(shè)置

2）有3臺托盤拆解裝置，故將托盤出庫“發(fā)生器”的屬性中“創(chuàng)建觸發(fā)”設(shè)置為13～15的3個臨時實體種類，代表去往3個方向的托盤；

3）通過將12個庫位入庫端的輸送線（模型實體編號為：A514、A517、A533、A538、A542、A547、A550、A553）屬性中“臨時實體流——發(fā)送至端口”設(shè)置為“根據(jù)返回值選擇輸出端口”，其中返回值對應(yīng)之前“臨時實體類型”的設(shè)置規(guī)則即可將貨物一一對應(yīng)的送至庫位中。如圖9所示。

圖9 輸送線模型——發(fā)送至端口設(shè)置

4）3條托盤輸送線路中的輸送線（模型實體編號：A401、A412、A423）為托盤緩存線，該線上始終保持有1件托盤，以滿足托盤拆解裝置的持續(xù)運行，當(dāng)該線上的托盤離開時，就會給倉庫發(fā)送指令，倉庫會發(fā)出新的托盤補充至該線路。

模型通過“發(fā)送消息”來實現(xiàn)該功能，具體消息邏輯如圖10所示，其中，“托盤離開消息1”和“托盤離開消息2”不會同時發(fā)送。為實現(xiàn)該邏輯，固定實體屬性設(shè)置如圖11所示。

圖10 消息邏輯

圖11 輸送線模型——消息處理設(shè)置

2.4 模型仿真運行

“重置——運行”模型，運行情況如圖12所示。

圖12 模型運行情況

1）2臺發(fā)生器（升降機）每30秒發(fā)出一個臨時實體，每個臨時實體具備不同的顏色，表示其不同的類型；

2）托盤從托盤發(fā)生器進入輸送系統(tǒng)，根據(jù)指令輸送至對應(yīng)的托盤輸送線路，在分解器處分解為8個托盤，準(zhǔn)備進入合成器工位；

3）臨時實體到達合成器，托盤同時進入，合成器輸出1件與原臨時實體顏色一樣的臨時實體；

4）臨時實體根據(jù)類型分別被輸送至對應(yīng)的入庫位。

3 系統(tǒng)故障分析及解決策略

為了解實際生產(chǎn)過程中，某設(shè)備出現(xiàn)故障后對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，我們在模型中假設(shè)如下故障。

1）線路一：任一臺設(shè)備故障，則線路一阻塞，但根據(jù)實際情況，紙垛會自動轉(zhuǎn)至線路二、三進行處理、輸送，故此故障不作為擁堵點，僅會影響系統(tǒng)輸送速度，線路二和線路三同線路一。

2）線路四：如表1所示。

表1 線路四設(shè)備故障及處理策略

3）入庫通道：任意入庫通道故障，則該入庫通道對應(yīng)的貨物在通道的入口阻塞，從而阻塞整個系統(tǒng)。

處理策略：（1）向前端設(shè)備發(fā)送指令，停止發(fā)送該類型貨物；（2）手動將阻塞的該類型貨物送出阻塞線體，然后在適當(dāng)位置人工搬離。

處理結(jié)果：除阻塞入庫通道對應(yīng)的貨物外，其余貨物正常入庫。

缺點：需要人工干預(yù)。

4 結(jié)語

針對一實際工程項目中的自動化立體倉庫“入庫物流系統(tǒng)”進行了FlexSim建模，本文著重考慮了如何實現(xiàn)貨物與貨位一一對應(yīng)及如何實現(xiàn)托盤緩存線的及時補充的問題，為該類型模型的建立提供參考方案。

另外在模型中模擬了設(shè)備故障的情況，通過觀察系統(tǒng)運行，直觀的得出某一設(shè)備故障時對系統(tǒng)會造成何種影響；然后給出在該故障出現(xiàn)后可以臨時緩解其對系統(tǒng)造成的壓力的臨時策略，可以為設(shè)備維修爭取時間，這對實際工廠中設(shè)備維護具有重要的參考價值。