多工藝階段柔性生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃建模仿真研究*

楊小佳，林若波

（揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 揭陽 522000）

0 引言

計(jì)算機(jī)建模仿真（Modeling and Simulation，M＆S）技術(shù)已是人類探索與改造客觀世界的重要方式之一［1-3］。復(fù)雜的制造系統(tǒng)存在著大量線性與非線性的特征，傳統(tǒng)的理論研究難以有效探索其運(yùn)作機(jī)理，而模仿建模技術(shù)往往是探索制造系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理有效且唯一的選擇［4-7］。

建模仿真技術(shù)是制造業(yè)數(shù)字化的重要手段之一［8-9］。在生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃階段，仿真技術(shù)所建立的數(shù)字空間能夠提前檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)所規(guī)劃系統(tǒng)的性能，進(jìn)而識別瓶頸，改善規(guī)劃方案，提高系統(tǒng)的的可行性，縮短系統(tǒng)的建設(shè)周期［10-11］。生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃問題總體上分為設(shè)計(jì)問題與調(diào)度問題兩大類［12］。其中，設(shè)計(jì)問題是確定各類加工資源的數(shù)量，包括車間布局、各類機(jī)床數(shù)量、物料運(yùn)輸能力、緩存區(qū)容量與相關(guān)工裝夾具等，如文獻(xiàn)［13-15］研究了車間布局及資源配置問題。而調(diào)度問題是確實(shí)各產(chǎn)品零部件的加工的先后順序，如文獻(xiàn)［16-20］不同車間類型與環(huán)境下的排產(chǎn)問題。

定制化裝備制造車間為了滿足各種加工需求，會配置多種加工設(shè)備，并采用工藝導(dǎo)向布局，形成多個工藝階段的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。多工藝階段柔性生產(chǎn)系統(tǒng)在規(guī)劃上存在以下難點(diǎn)：（1）制造系統(tǒng)構(gòu)成元素復(fù)雜性高。車間包含多工藝階段，各工藝階段間存在加工差異。單個工藝階段內(nèi)也包含著多項(xiàng)加工資源可選；（2）零件加工過程的工藝需求與可選設(shè)備柔性度大；（3）定制化產(chǎn)品的出現(xiàn)的返工帶來的設(shè)備需求負(fù)荷波動性大。

本文的研究重點(diǎn)，一是構(gòu)建參數(shù)自動化建模的可重用仿真模型，以解決多階段柔性制造系統(tǒng)構(gòu)成元素復(fù)雜的問題；二是集成了多種調(diào)度規(guī)則、多維度的性能指標(biāo)與統(tǒng)計(jì)分析圖表，以探索多階段柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，幫助決策者和工程師進(jìn)行全面深入的分析，預(yù)測不同調(diào)度策略對系統(tǒng)性能的影響。

1 生產(chǎn)過程描述與假設(shè)

如圖1 所示，生產(chǎn)車間總體上包括4 個工序階段，分別是粗加工、熱處理、精加工和裝配工序。每個工序階段都配置有多種加工設(shè)備以滿足不同的工藝要求。為了研究的通用性，對車間與生產(chǎn)過程進(jìn)行一定的簡化與抽象，詳細(xì)說明及假設(shè)如下。

圖1 多工藝階段柔性生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程

（1）產(chǎn)品p生產(chǎn)將經(jīng)過4 個加工階段，每個階段都配置有著多個加工單元。每個加工單元由加工設(shè)備、待加工區(qū)與待轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)組成。不考慮人力資源的約束，即相當(dāng)于人力資源無限大。

（2）生產(chǎn)訂單i 隨機(jī)到達(dá)，每個訂單為生產(chǎn)1 套產(chǎn)品，1 套產(chǎn)品由多個零件Ji裝配而成，裝配之前各零件j獨(dú)立加工生產(chǎn)。

（3）產(chǎn)品p所需零件集合Ji的每一個零件j都需要按順序經(jīng)過粗加工、熱處理、精加工與裝配工序4 個階段，可視為流水車間Flow Shop。而在每個階段內(nèi)（工序子車間），零件j將隨機(jī)且不重入經(jīng)過多個加工單元，可視為不重入作業(yè)車間Job Shop。其中，零件在熱處理階段是批量上機(jī)加工的形式。而在裝配工序階段，同一套產(chǎn)品i下的所有零件齊套后才開始裝配。

（4）不考慮物料緩存區(qū)的約束，不考慮物料搬運(yùn)的時間。因?yàn)檫@兩者的對于零件的加工成本且影響較小，因此忽略不考慮。

2 仿真模型構(gòu)建

采用西門子的工廠、生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流過程仿真軟件Tecnomatix Plant Simulation 11.3 作為開發(fā)工具，其具有面向?qū)ο蠼Ｅc可視化程度高的優(yōu)勢。如圖2 所示，為了實(shí)現(xiàn)上述的多工藝階段柔性生產(chǎn)車間的仿真，構(gòu)建的仿真平臺總體下可以劃分為以下6 大功能模塊。

圖2 多工藝階段柔性生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺

（1）仿真控制模塊。使用Dialog 組件實(shí)現(xiàn)交互界面，其功能包括兩方面：①參數(shù)自動化建模。通過界面輸入?yún)?shù)的形式，設(shè)置各工序子車間的加工單元數(shù)量、加工能力與訂單參數(shù)信息等內(nèi)容；②仿真運(yùn)行控制。用于設(shè)置啟動仿真前各工序子車間使用的調(diào)度策略、仿真時間長度、啟動仿真與結(jié)果查看等操作。模塊中的具體界面與實(shí)現(xiàn)邏輯在3.1 節(jié)中詳細(xì)介紹。

在堅(jiān)實(shí)的證據(jù)面前，人們承認(rèn)，達(dá)爾文是正確的，多種多樣的生物的確是進(jìn)化產(chǎn)生的，上帝沒有賦予人特殊的高等地位。不過，人類還是認(rèn)為的各種生物是沿著一個無形的梯子在逐步進(jìn)化，越進(jìn)化越高級。在進(jìn)化梯子的頂端，是最高級的人類。這種理論完美的契合了人們“人是萬物之靈”的心理需求。從表面上看，也有了進(jìn)化論的瓶子。但，裝的仍然是“人是萬物之靈”的舊酒。

（2）訂單生成模塊。由Source、DismantleStation 與Buffer組件構(gòu)成，用于動態(tài)隨機(jī)產(chǎn)生訂單，并將訂單拆分為多個零部件工單。訂單的屬性有：訂單ID、零部件集合、各零部件工藝、訂單到達(dá)時間、交貨期、完工時間、提前期、拖期量等。

（3）生產(chǎn)過程模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)了按照訂單及零件的工藝要求完成加工。采用Frame控件設(shè)置工序子車間，各子車間將在2.2 節(jié)中詳細(xì)說明。

（4）數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊使用大量二維數(shù)據(jù)存儲組件TableFile，存儲訂單生成模塊中的訂單及其所含零件的信息。此外，還包括了各工序階段中的在制品、待加工隊(duì)列及完工零件信息等。

（5）邏輯控制模塊。該模塊使用大量Method組件實(shí)現(xiàn)邏輯方法，貫穿整仿真過程，涵蓋了仿真平臺中所有的邏輯控制，包括：自動化資源配置、仿真的初始化、訂單數(shù)據(jù)讀寫、生產(chǎn)過程物流控制、零件及訂單完工統(tǒng)計(jì)與結(jié)果統(tǒng)計(jì)展示等。

（6）統(tǒng)計(jì)展示模塊。使用Chart 控件對仿真過程中的變量與最終結(jié)果進(jìn)行展示。平臺統(tǒng)計(jì)的變量包括：在制品數(shù)量WIP、各階段提前期、訂單量完工情況與設(shè)備稼動情況等。

上述6 大功能模塊中，模塊1（仿真控制模塊）主要為用戶設(shè)置仿真前數(shù)據(jù)和仿真控制；模塊2 ～5 為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，即仿真運(yùn)行過程；模塊6 為仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可視化展示。

2.1 參數(shù)化布局建模設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

參數(shù)化布局建模的目標(biāo)是通過輸入?yún)?shù)的形式自動生成對應(yīng)的系統(tǒng)的狀態(tài)、加工資源數(shù)量及屬性，在模型里直接表現(xiàn)為增加或刪減模型中的控件。如圖3 所示，采用Dialog控件設(shè)計(jì)出參數(shù)化布局界面，其兩個作用是車間布局設(shè)置和訂單參數(shù)設(shè)置。同時，設(shè)置其Callback屬性，設(shè)置界面的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)打開與按鈕點(diǎn)擊事件的響應(yīng)邏輯，具體邏輯如表1 所示。

表1 參數(shù)自動化建?；卣{(diào)函數(shù)偽代碼

圖3 設(shè)施布局參數(shù)自動化建模交互界面

2.2 生產(chǎn)過程仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)過程可分解為生產(chǎn)信息與物流控制，仿真模塊2 ～模塊5實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程仿真的需求。數(shù)據(jù)存儲模塊，設(shè)計(jì)了如圖4所示的信息存儲表。其中，訂單詳情表、零件信息表與工藝路徑信息表是平臺全局范圍的信息。而工序子車間加工記錄表、加工單元待加工隊(duì)列表與加工單元加工記錄表的信息范圍是各個工序子車間與加工單元。

圖4 仿真平臺中數(shù)據(jù)存儲的概念模型

平臺中的信息流總體分為3 個部分：（1）訂單生成模塊中Source控件每間隔一段時間生成訂單并記錄相關(guān)信息到訂單詳情表中，拆分訂單DismantleStation 控件分解訂單，并隨機(jī)生成零件信息記錄到零件信息表與路徑信息表中；（2）當(dāng)零件進(jìn)入到工序子車間或加工單元時，則通過訂單ID與零件ID 查詢信息并記錄到相應(yīng)的工序車間的加工記錄表、加工單元待加工隊(duì)列表；（3）當(dāng)訂單或零件完工時，則記錄其完工時間并記錄拖期量、提前期等相關(guān)信息。

物料的流轉(zhuǎn)控制將在上述信息流的基礎(chǔ)上，基于事件觸發(fā)控制。當(dāng)零件進(jìn)入到工序子車間時，則觸發(fā)零件進(jìn)入子車間事件。根據(jù)零件的訂單ID、零件ID 獲取到在該零件的工藝路徑，并流轉(zhuǎn)到首個工序加工單元的待加工隊(duì)列上。零件加工完成，則根據(jù)工藝路徑流轉(zhuǎn)到下一個加工單元，直至完成所有加工，再進(jìn)入到下一個工序子車間。

2.3 工序子車間及調(diào)度規(guī)則設(shè)計(jì)

工序子車間由數(shù)據(jù)存儲表格、物流控制邏輯與加工單元等組成。加工單元由待加工區(qū)、待加工零件信息、加工設(shè)備、待轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)與完工記錄表組成，如圖5 所示。加工單元的信息流與物流控制見2.2小節(jié)，這里重點(diǎn)提及的是加工中心的調(diào)度規(guī)則。調(diào)度規(guī)則的作用在于設(shè)備加工完當(dāng)前工件后，根據(jù)車間與加工零件等信息，如當(dāng)任務(wù)交貨期、當(dāng)前加工所需時間、剩余加工時間等情況，綜合為每個待加工的零件計(jì)算一明確的優(yōu)先度，從中選出優(yōu)先度最高的零件上機(jī)加工。表2 所示為工序子車間采用的調(diào)度規(guī)則。

表2 工序子車間采用的調(diào)度規(guī)則

圖5 工序子車間加工單元基本結(jié)構(gòu)

2.4 車間性能評價指標(biāo)設(shè)計(jì)

如表3 所示，本文采用了提前期、交貨表現(xiàn)、在制品庫存與設(shè)備加工情況4 類指標(biāo)。

表3 性能評價指標(biāo)

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

將通過實(shí)驗(yàn)探索仿真平臺總體的應(yīng)用過程。首先，通過參數(shù)自動化建模界面設(shè)置模型參數(shù)，再通過仿真運(yùn)行控制界面運(yùn)行與查看仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)將包括以下兩個方面：（1）分析各工序子車間產(chǎn)能的相互關(guān)系，結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)闡述各工序子車間產(chǎn)能的相互影響；（2）各工序子車間調(diào)度規(guī)則的性能分析，包括各規(guī)則對子車間與整體車間的性能影響。

3.1 各工序子車間的產(chǎn)能影響分析

表4所示為通過參數(shù)自動化建模界面設(shè)定的模型參數(shù)。

表4 仿真模型參數(shù)設(shè)定

通過仿真運(yùn)行控制界面，如圖6 所示。

圖6 仿真運(yùn)行控制界面

其中熱處理規(guī)則最小開機(jī)批量MBS 為熱處理機(jī)限載的60%，即240 kg。仿真時間長度為300 d、預(yù)熱時間為20 d與仿真次數(shù)為30 次。取多次仿真結(jié)果均值，仿真結(jié)果為圖7～9。從仿真結(jié)果可以得出：（1）熱處理子車間的生產(chǎn)提前期最長，設(shè)備稼動率最高，在制品的數(shù)量WIP也最多。因此，熱處理子車間是生產(chǎn)車間的瓶頸工序；（2）精加工子車間與粗加工子車間兩者的加工單元數(shù)量、加工需求與加工能力等都相等，但是精加工子車間的提前期、設(shè)備平均稼動率與在制品數(shù)量均小于粗加工子車間。這是由于零件加工是先經(jīng)過粗加工與熱處理，再到精加工工序。而又因?yàn)闊崽幚砉ば蚴瞧款i工序，節(jié)流了部分零件，這也就抑制了精加工工序部分加工的需求；（3）結(jié)合多項(xiàng)仿真結(jié)果也從側(cè)面驗(yàn)證了仿真平臺的有效性。

圖7 車間各階段提前期

圖8 加工設(shè)備稼動情況

圖9 車間在制品WIP情況

3.2 各工序子車間調(diào)度規(guī)則的性能分析

本節(jié)將分析各工序子車間采用不同的調(diào)度規(guī)則對子車間以及整體車間性能的影響。表2中粗、精加工與配裝工序調(diào)度規(guī)則按照構(gòu)成屬性，選取面向工時的SPT與面向交貨期EDD為代表。而批調(diào)度規(guī)則選用最小開機(jī)批量為限載的60% （MBS-0.6）與最大等待時間為0（MWT-0）兩種。

在實(shí)驗(yàn)開始前，為了更好地分析各工序子車間中采用的調(diào)度規(guī)則對車間性能的影響，在3.1 小節(jié)的基礎(chǔ)上調(diào)整各工序子車間的產(chǎn)能，使得各工序階段產(chǎn)能大體平衡。此處，通過多次預(yù)仿真實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)訂單隨機(jī)到達(dá)的時間間隔與各工序加工時間的均值，最終達(dá)到車間總體平均稼動率為80%且各工序子車間設(shè)備稼動率大體相等的情況。

各工序子車間性能仿真結(jié)果為表5，數(shù)據(jù)均為各工序子車間的性能表現(xiàn)。規(guī)則1 為其余工序子車間所采用的調(diào)度規(guī)則，而規(guī)則2 為所評估的工序子車間所采用的調(diào)度規(guī)則。結(jié)果表明：（1）粗、精加工與裝配工序中，調(diào)度規(guī)則主要影響工序的提前期。因?yàn)镾PT 規(guī)則優(yōu)先加工工時較短的零件，有利于加速零件離開工序子車間的速度。再者，規(guī)則不影響加工單元的稼動率，這因?yàn)檫@兩者規(guī)則并不會改變設(shè)備的加工需求；（2）熱處理的工序的調(diào)度規(guī)則對工序提前期與加工單元的稼動率都有影響。這是因?yàn)橄啾容^MBS-0.6 規(guī)則，MWT-0 規(guī)則是只要有待加工零件會開機(jī)處理，不等待的加工也即增加了設(shè)備的稼動率，也提升了零件通過熱處理工序的速度。

表5 各工序子車間性能仿真結(jié)果

組合規(guī)則對車間整體性能的影響仿真結(jié)果為表6，數(shù)據(jù)為整體車間的性能表現(xiàn)。規(guī)則1 為熱處理子車間采用的規(guī)則，而規(guī)則2 為粗、精加工與裝配子工序統(tǒng)一采用的規(guī)則。對比上一個仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出：（1）EDD規(guī)則在各指標(biāo)上都優(yōu)于SPT規(guī)則。這是由于SPT規(guī)則雖然在各工序子車間上能加速零件的完工，但由于是裝配型產(chǎn)品，裝配工序需要同訂單下的所有零件完工后才能開工。而EDD規(guī)則在調(diào)度上，同一套產(chǎn)品下的零件的交貨期相同，即各關(guān)聯(lián)零件擁有相同的加工優(yōu)先度，有利于提高裝配的齊套性；（2）MWT-0 規(guī)則在提前期、拖期率與拖期量3 個指標(biāo)中都優(yōu)于MBS-0.6 規(guī)則，但其也存在設(shè)備稼動率提升的缺點(diǎn)。

表6 車間整體結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以定制化多工藝階段柔性生產(chǎn)車間為研究對象，基于工廠仿真軟件Plant Simulation，構(gòu)建一類包括粗加工、熱處理、精加工與裝配工序的多工藝階段柔性車間生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃仿真平臺。模型包括了仿真控制、訂單生成、生產(chǎn)過程、數(shù)據(jù)存儲、邏輯控制與統(tǒng)計(jì)展示6 大模塊。在詳細(xì)描述了各模塊的實(shí)現(xiàn)過程后，通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了析各工序子車間產(chǎn)能關(guān)系與車間多種調(diào)度規(guī)則的性能，驗(yàn)證了模型有效性與探索了各調(diào)度規(guī)則對車間性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該仿真平臺能夠有效分析各工序階段產(chǎn)能均衡性與車間整體性能，幫助企業(yè)有效開展建設(shè)規(guī)劃決策。