新能源動(dòng)力電池產(chǎn)線(xiàn)3D數(shù)字化仿真及虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)探究

摘要：結(jié)合新建新能源動(dòng)力電池產(chǎn)線(xiàn)工藝平面布局、AGV及物料輸送路線(xiàn)、產(chǎn)線(xiàn)工藝BOM清單、線(xiàn)邊物料存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，運(yùn)用plant simulation軟件對(duì)產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)字化建模，通過(guò)遺傳算法對(duì)產(chǎn)線(xiàn)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬仿真驗(yàn)證，分析了AGV投入數(shù)量對(duì)產(chǎn)能的影響，考慮故障率、合格率等多因子變化對(duì)產(chǎn)能的綜合影響，結(jié)合緩存的影響分析了產(chǎn)線(xiàn)動(dòng)態(tài)生產(chǎn)條件下各工位JPH及瓶頸工位，進(jìn)一步優(yōu)化了產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)方案并提出改進(jìn)方向。運(yùn)用虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)，將數(shù)字化虛擬仿真模型同MES系統(tǒng)實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效融合，搭建了物理車(chē)間的三維孿生工廠，實(shí)現(xiàn)虛擬工廠對(duì)物理工廠的實(shí)時(shí)展示和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化仿真；虛實(shí)互聯(lián)；孿生工廠

隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的核心部件，其生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率對(duì)新能源汽車(chē)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，因此，規(guī)劃設(shè)計(jì)高效、智能、穩(wěn)定的動(dòng)力電池生產(chǎn)線(xiàn)成為了當(dāng)前的關(guān)鍵課題。與此同時(shí)，動(dòng)力電池技術(shù)為了滿(mǎn)足市場(chǎng)及用戶(hù)的需求而呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的趨勢(shì)，產(chǎn)品技術(shù)方向更新迭代頻繁，傳統(tǒng)的產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法快速響應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)的快速變化，因此急需引入有效的數(shù)字化技術(shù)手段提升工藝規(guī)劃水平。

虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)是一項(xiàng)近些年數(shù)字孿生領(lǐng)域的前沿技術(shù)，通過(guò)3D可視化、動(dòng)態(tài)模擬等手段，在虛擬環(huán)境中提前仿真整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、物流流轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)虛擬工廠與物理工廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和狀態(tài)同步，動(dòng)態(tài)更新虛擬工廠，確保虛擬環(huán)境與物理環(huán)境高度一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理工廠的實(shí)時(shí)展示、監(jiān)控和漫游。虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)通過(guò)整合工廠MES、WMS、ERP等系統(tǒng)，將獲取實(shí)時(shí)的生產(chǎn)、物流、設(shè)備等數(shù)據(jù)集成到虛擬工廠系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和可視化展示，可以及時(shí)掌握生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，生成動(dòng)態(tài)報(bào)表，及時(shí)、形象地反饋生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行情況，為生產(chǎn)管理提供決策支持。虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路徑等在虛擬環(huán)境中的模擬驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，可以在虛擬環(huán)境中評(píng)估不同生產(chǎn)方案的效果，為實(shí)際生產(chǎn)提供決策依據(jù)，提高生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確性和可行性。

Plant Simulation是一款高效的離散事件仿真工具，廣泛用于物流與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字建模。通過(guò)構(gòu)建數(shù)字模型，用戶(hù)可以深入理解系統(tǒng)的特性并優(yōu)化其性能。其優(yōu)勢(shì)在于，用戶(hù)能夠在不干擾現(xiàn)有生產(chǎn)流程或在實(shí)際系統(tǒng)安裝之前（特別是在早期規(guī)劃階段）進(jìn)行各種試驗(yàn)和假設(shè)檢驗(yàn)。利用多種分析工具，如瓶頸分析、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表，用戶(hù)能夠有效評(píng)估不同的制造策略，為生產(chǎn)規(guī)劃的初步?jīng)Q策提供重要的信息支持。此外，Interface Package接口包的整合，使得Plant Simulation能夠與MES、ODBC等數(shù)據(jù)庫(kù)，以及OPC等PLC信號(hào)進(jìn)行無(wú)縫連接，促進(jìn)虛擬工廠與實(shí)際工廠的互聯(lián)互通。這種互聯(lián)互通不僅提升了模擬的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，還為生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了更加全面的視角。通過(guò)Plant Simulation實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)仿真及虛實(shí)互聯(lián)的路徑如圖1所示。

系統(tǒng)建模

1.初始條件輸入

1）根據(jù)生產(chǎn)工藝排布在AutoCAD環(huán)境下建立整個(gè)車(chē)間的平面布局圖，如圖2所示。

2）生產(chǎn)線(xiàn)MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）數(shù)據(jù)整理成結(jié)構(gòu)化表格（見(jiàn)表1），供虛實(shí)互聯(lián)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用。

3）工位物料BOM清單參數(shù)設(shè)置，錄入工位節(jié)拍、開(kāi)動(dòng)率、MTTR（平均修復(fù)時(shí)間）及產(chǎn)品合格率等信息，具體見(jiàn)表2，仿真系統(tǒng)中通過(guò)算法策略關(guān)聯(lián)工位物料表單，實(shí)現(xiàn)通過(guò)修改表單即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)重置。

4）繪制車(chē)間AGV點(diǎn)位地圖如圖3所示，坐標(biāo)錨點(diǎn)在虛擬仿真系統(tǒng)同現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位信號(hào)關(guān)聯(lián)，同時(shí)初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)連接信息。

2.系統(tǒng)建模

在Plant Simulation環(huán)境下建立產(chǎn)線(xiàn)二維模型，如圖4所示。在二維仿真模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入工裝設(shè)備輕量化JT格式三維模型如圖5所示，根據(jù)關(guān)鍵KPI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)虛擬展示大屏，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示各工位產(chǎn)能狀態(tài)、工位節(jié)拍等信息。

3.虛實(shí)互聯(lián)建模

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行（手動(dòng)或者自動(dòng)）模型監(jiān)視控件如圖6所示，調(diào)用虛實(shí)互聯(lián)控制邏輯代碼，則整個(gè)模型會(huì)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后重構(gòu)整個(gè)模型。虛實(shí)互聯(lián)部分代碼與接口代碼如圖7所示。

系統(tǒng)仿真輸出

系統(tǒng)仿真說(shuō)明：AGV的投入數(shù)量分別在起動(dòng)開(kāi)動(dòng)率和合格率的情況下與產(chǎn)能的關(guān)系，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，試驗(yàn)設(shè)置（見(jiàn)圖8）輸入值為AGV投入數(shù)量，輸出值為JPH。多級(jí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為從1到45，遞增1。

當(dāng)故障率仿真和合格率仿真都開(kāi)啟后，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，運(yùn)行仿真模型，仿真模型結(jié)果如圖9所示。

結(jié)論：當(dāng)AGV數(shù)量投入達(dá)到42時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到最大15.50JPH，但依然低于16JPH的設(shè)計(jì)值。原因?yàn)榉敌拊O(shè)計(jì)比例有問(wèn)題、返修時(shí)間不確定。

當(dāng)故障率仿真開(kāi)啟和合格率仿真關(guān)閉后，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，運(yùn)行仿真模型，仿真模型結(jié)果如圖10所示。

結(jié)論：當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到24時(shí)，產(chǎn)能達(dá)16JPH，但當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到29時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到最大值，為16.41JPH。

當(dāng)故障率仿真關(guān)閉和合格率仿真開(kāi)啟后，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，運(yùn)行仿真模型，仿真模型結(jié)果如圖11所示。

結(jié)論：當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到23時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到16JPH，但當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到32時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到最大值，為16.37JPH。但因?yàn)楹细衤实牟淮_定因素，當(dāng)繼續(xù)增加AGV時(shí)，產(chǎn)能出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，但均高于16JPH。

當(dāng)故障率仿真關(guān)閉和合格率仿真開(kāi)啟后—預(yù)測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)極限產(chǎn)能，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，運(yùn)行仿真模型，仿真模型結(jié)果如圖12所示。

結(jié)論：當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到21時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到16JPH，但當(dāng)AGV投入數(shù)量達(dá)到25時(shí)，產(chǎn)能達(dá)到最大值，為17.33JPH，為整條生產(chǎn)線(xiàn)的最大產(chǎn)能。

瓶頸分析—分析單一模塊產(chǎn)能，起動(dòng)試驗(yàn)管理器，運(yùn)行仿真模型。

結(jié)論：瓶頸在AP130工位，產(chǎn)能為17.61JPH。AP120、AP140工位產(chǎn)能也低于18JPH。生產(chǎn)線(xiàn)改造可優(yōu)先考慮這部分工位。

結(jié)語(yǔ)

此本次項(xiàng)目作為數(shù)字化雙胞胎試點(diǎn)項(xiàng)目，旨在完成虛實(shí)互聯(lián)的大方向情況下對(duì)產(chǎn)線(xiàn)的仿真分析與預(yù)警工作?？偣餐瓿煞治龉ぷ魑屙?xiàng)，在開(kāi)動(dòng)率和合格率仿真的不同情況下對(duì)AGV投入數(shù)量進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)工作。完成了動(dòng)力電池產(chǎn)線(xiàn)線(xiàn)的輸入數(shù)據(jù)、二維與三維仿真庫(kù)文件的搭建，為以后生產(chǎn)線(xiàn)改造、方案驗(yàn)證、排產(chǎn)預(yù)警等仿真工作打下基礎(chǔ)。

項(xiàng)目通過(guò)運(yùn)用虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以下經(jīng)濟(jì)效益：

1）節(jié)省時(shí)間。快速完成對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的評(píng)估，不再是傳統(tǒng)的對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃和方案進(jìn)行繁瑣的評(píng)估驗(yàn)證。

2）降低成本。在產(chǎn)品開(kāi)始生產(chǎn)之前就完成了對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃和方案的驗(yàn)證確認(rèn)，防止在生產(chǎn)中修改造成不必要的成本浪費(fèi)。

3）效率提高。工廠管理者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控工廠生產(chǎn)情況，不需要經(jīng)常到實(shí)地考察或留守，提高工作效率。

4）降低風(fēng)險(xiǎn)。提前預(yù)估生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)情況，防止因?yàn)槲锪?、設(shè)備等原因造成的停線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

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