劉艷嬌，陸劍峰，夏 曉，李文赫

（1.同濟大學(xué)CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽機床（集團）設(shè)計研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

基于仿真的數(shù)字化車間天車系統(tǒng)設(shè)計與驗證

劉艷嬌1，陸劍峰1，夏 曉2，李文赫1

（1.同濟大學(xué)CIMS研究中心，上海 201804；2.沈陽機床（集團）設(shè)計研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

天車是生產(chǎn)車間物料運輸?shù)闹匾O(shè)備，目前在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的時候，往往忽略了天車調(diào)度方案對生產(chǎn)線運行的影響。針對天車調(diào)度問題，介紹了一種利用仿真模型對生產(chǎn)系統(tǒng)中天車調(diào)度方案設(shè)計的方法。論文分析了天車調(diào)度的幾種典型方案，構(gòu)建了包括天車模型的數(shù)字化車間生產(chǎn)系統(tǒng)模型，利用Plant Simulation軟件對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行過程進行仿真，分析不同天車調(diào)度控制方案下生產(chǎn)系統(tǒng)的運行指標(biāo)，從而得到優(yōu)化的結(jié)果。論文把天車系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合起來進行優(yōu)化仿真，為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供了一種新的方法。

數(shù)字化車間；天車調(diào)度；Plant Simulation；仿真

0　引言

數(shù)字化車間的設(shè)計，其重要的一點是合理利用資源、降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。車間里的天車是工序間物料匹配、銜接、調(diào)控的“樞紐”。合理、有效地進行天車調(diào)度，有助于提高生產(chǎn)效率，為上層生產(chǎn)調(diào)度的實施奠定基礎(chǔ)，并對提高系統(tǒng)整體效益起著至關(guān)重要的作用。

目前在生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計過程中往往忽略天車運行對生產(chǎn)運行的影響，認(rèn)為天車運行在調(diào)度過程中是非限制性環(huán)節(jié)，并不具體考慮天車調(diào)度的問題。本文旨在用仿真的方法解決數(shù)字化車間天車調(diào)度問題，分析比較不同天車調(diào)度方案下的生產(chǎn)運行指標(biāo)，以得到較優(yōu)的天車調(diào)度方案。

1　天車系統(tǒng)

天車（又稱橋式起重機）是搬運大型物資不可缺少的設(shè)備，在冶金、建筑、化工、汽車和港口物流等行業(yè)應(yīng)用廣泛，主要用于物料的起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和節(jié)省工作空間的優(yōu)點[1]。天車作業(yè)機械化程度高，負(fù)荷作業(yè)率高，勞動強度低，工作級別高，而且可以在惡劣的條件下工作，研究天車對數(shù)字化車間的生產(chǎn)調(diào)度的發(fā)展具有重大意義。

2　Plant Simulation仿真軟件與PortalCrane對象

2.1Plant Simulation仿真軟件

Plant Simulation（原名SIMPLE++）是Tecnomatix公司開發(fā)的主要用于離散事件系統(tǒng)仿真的商務(wù)軟件，它采用面向?qū)ο蠼＃∣bject-oriented Modeling）的編程方法，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活，使用方便。Plant Simulation有模塊化和多層次的建模單元，對于需要精細(xì)控制的部分，可以通過內(nèi)嵌的Simtalk程序語言實現(xiàn)，一些應(yīng)用模板可以直接用在自己的模型中，這體現(xiàn)了它的靈活性，可靈活地用于規(guī)劃、仿真和優(yōu)化制造企業(yè)、生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程[2]。Plant Simulation內(nèi)部具有豐富的物流和交通系統(tǒng)建模組件，具有建模效率高、可視化建模能力、二次開發(fā)能力強、操作簡單等優(yōu)點，被廣泛用于生產(chǎn)和物流系統(tǒng)的建模、仿真和優(yōu)化過程中[3,4]。因此本文擬采用Plant Simulation仿真平臺進行天車系統(tǒng)調(diào)度的仿真。

2.2利用PortalCrane仿真進行天車設(shè)計的方法

PortalCrane是Plant Simulation仿真軟件中不需要額外許可就可以使用的應(yīng)用建模對象。作為一個立體自動化倉庫對象，PortalCrane提供三維立體的矩形存儲區(qū)并可以堆垛的存儲空間。貨物的搬運通過天車來進行，天車有兩條立柱，可以在x方向（軸）水平移動，兩條立柱之間有一條橫梁，裝載設(shè)備可以在橫梁上進行y方向（軸）水平移動及垂直z方向的吊鉤升降，從而實現(xiàn)貨物在存儲空間的任意位置進行存儲作業(yè)。

PortalCrane對象可以實現(xiàn)四種方式的貨物進出倉作業(yè)[5]，如下：

1）貨物自動入倉（由PortalCrane對象決定貨物的存儲）和出倉。

2）貨物自動入倉和按需出倉（由相應(yīng)的Method控制什么時間、什么貨物出倉）。

3）貨物按需入倉和自動出倉。

4）貨物按需入倉和按需出倉。

2.3Plant Simulation中PortalCrane對象的屬性及控制

方法

Plant Simulation軟件中，PortalCrane對象的屬性定義對話框如圖1所示。

圖1　PortalCrane對象屬性定義對話框

1）Crane Runway標(biāo)簽頁：定義天車軌道的長寬高等信息。

2）Portal標(biāo)簽頁：定義橫梁寬度、立柱高度和天車x方向移動速度等信息。

3）Trolly標(biāo)簽頁：定義橫梁上天車y方向移動速度等信息。

4）Hook標(biāo)簽頁：定義橫梁上吊鉤的高度和z方向垂直升降速度等信息。

5）Failures標(biāo)簽頁：定義天車故障，如利用率、平均故障修復(fù)時間等信息。

6）統(tǒng)計信息標(biāo)簽頁：天車作業(yè)及倉儲作業(yè)統(tǒng)計信息。

仿真模型內(nèi)對天車的控制大多由Method來控制，控制方法中，設(shè)置初始化參數(shù)step為integer型，每次增量為1，模型依次檢查當(dāng)前step值，執(zhí)行相應(yīng)操作；同時設(shè)置初始化參數(shù)finished為Boolean型，用于標(biāo)記當(dāng)前任務(wù)的命令序列是否執(zhí)行完畢，在模型內(nèi)，如果當(dāng)前命令序列沒有結(jié)束，會繼續(xù)執(zhí)行下去，不會轉(zhuǎn)去執(zhí)行別的命令。單個搬運任務(wù)的命令序列的控制方法流程圖如圖2所示。

圖2　天車搬運控制流程圖

3　案例驗證

3.1案例背景

以某公司“高檔數(shù)控車床制造數(shù)字化車間的研制與應(yīng)用示范”項目中主軸生產(chǎn)線的簡化模型為例，介紹在Plant Simulation軟件中使用PortalCrane對象進行車間內(nèi)天車調(diào)度仿真的方法。

3.2策略選擇

利用仿真進行天車系統(tǒng)的設(shè)計，常用的作業(yè)調(diào)度算法有：先來先服務(wù)調(diào)度算法、輪轉(zhuǎn)法、優(yōu)先級法、最短作業(yè)優(yōu)先法、最高響應(yīng)比優(yōu)先法、按工序順序響應(yīng)的算法等，其中先來先服務(wù)和按工序順序響應(yīng)的算法比較簡單實用，因此本案例采取這兩種策略分別對天車進行調(diào)度，以相同生產(chǎn)計劃下的完工時間作為評價指標(biāo)，進行對比分析，以此說明不同的天車調(diào)度策略對生產(chǎn)線運行的影響。

3.3天車調(diào)度策略在仿真平臺內(nèi)的實現(xiàn)

圖3所示為Plant Simulation仿真平臺中建立的多個工件、9臺設(shè)備的車間加工制造模型。

該輸送系統(tǒng)中，加工零件需經(jīng)過首次加工、定性、二次加工等流程，如圖3中綠色標(biāo)記區(qū)域所示；相關(guān)的信息對象和控制方法如圖中黃色標(biāo)記區(qū)域所示，該區(qū)域分為五個部分，其中初始化、工藝數(shù)據(jù)（除PortalCraneActionList外）、分析工具三個部分為兩種策略的通用部分，“按工序順序響應(yīng)”策略部分用于按工序順序響應(yīng)策略調(diào)度，“先來先服務(wù)”策略部分用于先來先服務(wù)策略調(diào)度。模型實現(xiàn)的步驟如下：

圖3　Plant Simulation仿真平臺中建立的多個工件、9 臺設(shè)備的車間加工制造模型

步驟1：構(gòu)建基本模型。

步驟2：初始化天車。在系統(tǒng)初始化Init方法里，調(diào)用moveToBasePosition方法，模型開始運行時即產(chǎn)生天車，并移動到初始位置。

步驟3：添加策略。首先明確所選兩種策略的基本實現(xiàn)思想：

1）“按工序順序響應(yīng)”策略。首先，將模型內(nèi)所有工藝流程存儲在表里（如圖3中的PortalCraneActionList），表中每一行為一條記錄i（i為整數(shù)，n為搬運流程總數(shù)），包含三項信息：起始工站Si、目的工站Di、搬運標(biāo)簽Fi。Fi用于表征第i個流程是否需要天車搬運；其次，為每個可能需要天車搬運的工站設(shè)置入口事件（如圖3中的PCEntrance）和出口事件（如圖3中的PCExit），用于上述標(biāo)簽值Fi的修改。天車每執(zhí)行完一組命令序列就去上述表中從上至下檢查標(biāo)簽值，滿足條件即執(zhí)行相應(yīng)的搬運動作。

2）“先來先服務(wù)”策略。給需要天車搬運的工站指派相應(yīng)的出口事件（如圖3中的“先來先服務(wù)”策略部分所示），每個工站的工件加工完畢之后即觸發(fā)對應(yīng)的出口事件：天車如果在空閑狀態(tài)，且目的工站/緩存區(qū)滿足接受工件的條件，進行搬運任務(wù)，否則繼續(xù)等待，直到其他工站觸發(fā)出口事件。

上述策略在模型內(nèi)的實現(xiàn)和切換方法如圖4所示。

圖4　天車調(diào)度策略在仿真平臺內(nèi)的實現(xiàn)控制流程圖

3.4結(jié)果分析

1）在模型內(nèi)的schedule內(nèi)更改生產(chǎn)計劃，分別運行兩種策略，得到結(jié)果如表1所示。

從表中可以看出，針對該輸送系統(tǒng)中的天車調(diào)度，“先來先服務(wù)”的策略明顯優(yōu)于“按工序順序響應(yīng)”策略，且加工工件越多，完工時間的優(yōu)勢越明顯。

2）圖5和圖6分別是“先來先服務(wù)”策略、“按工序順序響應(yīng)”策略時，系統(tǒng)模型生產(chǎn)600件產(chǎn)品的資源利用情況，對比可知，“先來先服務(wù)”調(diào)度策略下，各工站的工作時間比都有所增加，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。

圖5　資源利用情況(先來先服務(wù))

圖6　資源利用情況(按工序順序響應(yīng))

3）利用Plant Simulation的瓶頸分析工具得到兩種策略下按照加工時間排序的瓶頸工位均為m17工站，但是“先來先服務(wù)”策略的排序值84.34明顯高于“按工序順序響應(yīng)”策略的排序值79.05。

由以上模型驗證分析可得，該運輸系統(tǒng)中的天車調(diào)度宜采用“先來先服務(wù)”策略。

4　結(jié)束語

天車運行使車間柔度增加，并直接影響生產(chǎn)的連續(xù)性和生產(chǎn)效率。將仿真方法應(yīng)用于數(shù)字化車間天車調(diào)度能有效刻畫天車調(diào)度問題實質(zhì)，可以對各調(diào)度方案進行仿真實驗并對結(jié)果進行比較分析，從而制訂出一個優(yōu)化的天車調(diào)度方案，進而輔助實現(xiàn)生產(chǎn)管理的計劃、調(diào)度和控制等基本功能，提高管理水平。

本文以通用仿真工具Plant Simulation為平臺，采用“先來先服務(wù)”、“按工序順序響應(yīng)”兩種策略設(shè)計了數(shù)字化車間天車調(diào)度問題的仿真方法，并結(jié)合示例說明了其可行性和可信性。本文為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供了一種新的方法。

[1] 高敏.天車工培訓(xùn)教程[M].機械工業(yè)出版社.2004,3.

[2] 鮑婷潔,樓佩煌.基于eM-Plant的汽車車身焊裝線系統(tǒng)仿真技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計算機,2010,12：7-8.

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[5] 周金平.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真——Plant Simulation應(yīng)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

Design and verifi cation of digital workshop crane system based on simulation

LIU Yan-jiao1, LU Jian-feng1, XIA Xiao2, LI Wen-he1

TP391.9

A

1009-0134(2016)07-0096-04

2016-04-14

2013智能制造裝備發(fā)展專項：高檔數(shù)控車床制造數(shù)字化車間的研制與應(yīng)用示范

劉艷嬌（1989 -），女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化車間相關(guān)技術(shù)。