張敬偉，張保增

（1.許昌許繼軟件技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

1 引言

近年來，隨著電能表市場(chǎng)逐漸穩(wěn)定和數(shù)字化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)電能表生產(chǎn)企業(yè)和供電公司，都逐步使用了自動(dòng)化生產(chǎn)線以提升電能表的生產(chǎn)和檢定效率[1-2]，并為提升電能表的質(zhì)量，打下電能表生產(chǎn)和檢定的信息化基礎(chǔ)。由于電能表生產(chǎn)線設(shè)計(jì)參數(shù)較多，設(shè)計(jì)調(diào)試過程復(fù)雜，需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和人力成本。然而市場(chǎng)和生產(chǎn)現(xiàn)狀要求生產(chǎn)線研發(fā)調(diào)試時(shí)間越短越好，所以采用軟件仿真方法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行研究變得越來越重要。

文獻(xiàn)[3-5]對(duì)電能表自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并使用DELMIA軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能生產(chǎn)線的仿真，但其設(shè)計(jì)的模型不能直接被DELMIA軟件識(shí)別，具有一定的局限性，并且也僅對(duì)機(jī)器人的操作和生產(chǎn)線節(jié)拍進(jìn)行了仿真。

FlexSim軟件是一款離散事件仿真軟件，可以在三維環(huán)境中仿真生產(chǎn)過程。本文針對(duì)某企業(yè)的智能電能表生產(chǎn)線設(shè)計(jì)案例，使用FlexSim實(shí)現(xiàn)電能表生產(chǎn)線的仿真，能夠方便完整地進(jìn)行電能表生產(chǎn)線試驗(yàn)，通過直觀的方法找到早期生產(chǎn)線的問題，并為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各種參數(shù)的優(yōu)化提供便利，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2 研究與方法

2.1 電能表生產(chǎn)線

在生產(chǎn)企業(yè)中智能電能表的生產(chǎn)過程主要包括電能表組裝、端子焊接、功能檢測(cè)、校表和包裝幾個(gè)過程。電力公司也會(huì)對(duì)到貨的電能表進(jìn)行檢定，其過程和原理與校表過程相類似。

電能表生產(chǎn)過程中的組裝、端子焊接及產(chǎn)品包裝多是串入串出的工序，流程相對(duì)簡(jiǎn)單。相比之下在校表和檢定過程中，需要對(duì)多個(gè)計(jì)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)[6]，耗費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)，且生產(chǎn)線上各個(gè)表位要不間斷的動(dòng)態(tài)檢定，工作流程復(fù)雜，受干擾因素較多[7]。為了平衡各工序節(jié)拍，設(shè)計(jì)校表和檢表工序時(shí)采用多個(gè)校表工序串聯(lián)后再并聯(lián)的方式，調(diào)度相對(duì)復(fù)雜。 而功能檢測(cè)工序?yàn)槎喙の徊⑿泄ぷ?，自?dòng)化程度高，需要設(shè)計(jì)和調(diào)試工作量較大，所以本文仿真主要針對(duì)校表和功能檢測(cè)工序進(jìn)行。

2.2 FlexSim仿真軟件

本文使用Flexsim軟件對(duì)電能表生產(chǎn)線進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過仿真可以直觀看到電能表在生產(chǎn)線上流動(dòng)，驗(yàn)證運(yùn)行代碼是否正確執(zhí)行，并得到生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果。

FlexSim仿真軟件是一款功能強(qiáng)大的分析工具，能夠幫助工程設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。通過FlexSim軟件，可以建立三維模型進(jìn)行仿真，以縮短調(diào)試時(shí)間并減少調(diào)試成本。通過FlexSim建立三維模型時(shí)，只需要將相應(yīng)的部件從部件庫拖放到模型視圖（View）中。FlexSim采用經(jīng)過高度開發(fā)的部件（Object）來建模。 定義模型邏輯時(shí)，可直接使用C++[8]。

建立模型時(shí)，首先通過部件庫建立電能表生產(chǎn)線的三維模型，并且使用連接把設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。使用軟件中的固定資源中的Processor和Station來仿真工藝設(shè)備，使用傳輸設(shè)備來仿真?zhèn)鬏斣O(shè)備。

電能表生產(chǎn)線三維仿真模型如圖1所示，生產(chǎn)線中各段與實(shí)際生產(chǎn)線布局一一對(duì)應(yīng)。其中電能表在圖中左下端通過人工把電能表安裝固定在工裝載具上。完成固定后工裝載具沿著流水線依次經(jīng)過電壓檢測(cè)、預(yù)檢測(cè)、指示燈檢測(cè)和CCD顯示檢測(cè)后，進(jìn)行校表流程。校表完成后進(jìn)入通信模塊檢測(cè)和參數(shù)設(shè)置工序，完成后從工裝載具上取下，進(jìn)入封扣和包裝環(huán)節(jié)。

圖1 電能表生產(chǎn)線三維仿真模型

2.3 電能表工裝載具仿真

在電能表的檢測(cè)和校表等過程中，需要給電能表進(jìn)行加電，所以需要對(duì)電能表進(jìn)行精確定位。為了精確定位的需要，電能表在檢測(cè)和校表時(shí)放置在工裝載具上進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 電能表固定在工裝載具上

在實(shí)際生產(chǎn)線上，一定數(shù)量的工裝載具放置在流水線上，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。在仿真模型中，工裝載具由固定資源Source_Vehicle生成。當(dāng)載具生成數(shù)量足夠時(shí)停止生成。

為了實(shí)現(xiàn)電能表與工裝載具的結(jié)合和分離，應(yīng)用了Combiner和Separator資源。Combiner和Separator都是Processor的子類。Combiner類用于把多個(gè)物料組合在一起，Separator用于把一個(gè)物料拆分成多個(gè)物料。工裝載具與電能表之間的組合建模如圖3所示。

圖3 為工裝載具加載電能表模型

在Combiner中，設(shè)置每個(gè)工裝載具中需要組合的電能表數(shù)目和載具數(shù)目，在Properties選項(xiàng)的Combiner頁面中設(shè)置需要組合的電能表數(shù)量。通過連接工具實(shí)現(xiàn)電能表傳輸線出口與操作者的連接。 同時(shí)選中傳輸線向Combiner上傳輸電能表時(shí)使用搬運(yùn)工具，實(shí)現(xiàn)通過人工把電能表加載到工裝載具上。

工裝載具由生成器Source2生成。生成數(shù)量由緩沖器Queue2控制。當(dāng)輸入Queue2物料數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，關(guān)閉輸入口。如圖4所示。

圖4 從載具上取下電能表

當(dāng)電能表檢測(cè)完成后，需要從載具上取下電能表。通過Separator實(shí)現(xiàn)電能表與工裝載具的分離。把取下電能表放置在電能表包裝流水線上，進(jìn)入包裝環(huán)節(jié)。工裝載具自動(dòng)流向電能表加載工位，在流水線上循環(huán)使用。

2.4 校表臺(tái)仿真

由于電能表制造過程的分流器和分壓電阻等元器件的個(gè)體差異，為了保證電能表的計(jì)量精度，需要對(duì)電能表進(jìn)行校準(zhǔn)。校表需要在校表臺(tái)上進(jìn)行。對(duì)電能表加一定的電壓和電流，通過電能表的計(jì)量值（電流、電壓和功率等）和標(biāo)準(zhǔn)電能表的計(jì)量值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算并設(shè)置被校電能表的修正系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)被校電能表對(duì)電量的精確計(jì)量。一個(gè)校表臺(tái)上的多個(gè)電能表需要同時(shí)校表。每個(gè)校表臺(tái)具有48個(gè)表位，能夠同時(shí)對(duì)48塊電能表進(jìn)行校表。在仿真模型中，使用一個(gè)Station和一個(gè)Processor模擬一臺(tái)校表臺(tái)。如圖5所示。

圖5 電能表校表臺(tái)模型

為了模擬8個(gè)托盤上的電能表同時(shí)進(jìn)行校表，使用了事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，保證8處校表工位同時(shí)完成。針對(duì)Station節(jié)點(diǎn)和Processor節(jié)點(diǎn)，控制機(jī)制如下：

1）通過在Station上設(shè)置物料的lables值，對(duì)一批（8個(gè)工裝載具）被校電能表托盤編不同的號(hào)碼，配合Processor對(duì)物料lables的判斷，實(shí)現(xiàn)8個(gè)工裝載具的電能表的同時(shí)校表。在Station上的On Arrival觸發(fā)事件中程序流程如圖6所示。

圖6 Arrival觸發(fā)程序流程圖

2）在Station的On Process Condition觸發(fā)事件中，當(dāng)前一批物料接收完成時(shí)，返回1（需要處理）；否則返回0（不需要處理）。在Processor的On Entry觸發(fā)事件中，當(dāng)檢測(cè)到物料lables為一批物料的起始時(shí)，關(guān)閉輸出，否則直接放行，啟動(dòng)校表完成的電能表流向下一個(gè)工位。

3）在Station的On Process Finish觸發(fā)事件中，向Processor發(fā)送消息，通知已經(jīng)完成了校表事件。當(dāng)Processor接收到消息后，啟動(dòng)繼續(xù)輸出。

2.5 校表通道調(diào)度仿真

由于單個(gè)電能表需要校表時(shí)間較長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)電能表生產(chǎn)線的節(jié)拍平衡，生產(chǎn)線上需要設(shè)計(jì)多路電能表校表臺(tái)并聯(lián)。電能表進(jìn)入校表工序前，需要判斷進(jìn)入哪一個(gè)校表臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)校表流程的調(diào)度。

為了實(shí)現(xiàn)校表流程的調(diào)度，仿真中使用了軟件中Conveyors中的Decision Point功能。使用Decision Point功能可以實(shí)現(xiàn)物料在傳輸帶上的流向邏輯控制。在進(jìn)行校表工序前設(shè)置DP0，其余各路校表臺(tái)入口分別設(shè)置一個(gè)Decision Point，為DP1至DP6。使用連接功能將DP0與DP1至DP6連接起來，實(shí)現(xiàn)電能表在各校表臺(tái)之間選擇的控制。校表流程通道選擇如圖7所示。

圖7 校表流程通道選擇

當(dāng)電能表經(jīng)過決策點(diǎn)DP0時(shí)，依次判斷各校表臺(tái)是否空閑，當(dāng)檢測(cè)到某校表臺(tái)空閑時(shí)，設(shè)置電能表流向其端口。當(dāng)檢測(cè)到所有校表臺(tái)都忙時(shí)，關(guān)閉Queue3的輸出，阻止電能表向下流。程序流程如圖8所示。

圖8 電能表校表流程調(diào)度方法

在Queue3的On Message觸發(fā)事件中，打開Queue3的輸出端口。當(dāng)有其中一路校表臺(tái)完成校表時(shí)，向Queue3發(fā)送消息。當(dāng)Queue3接收到消息時(shí)，打開輸出端口，啟動(dòng)向下游發(fā)送。

3 結(jié)果與討論

3.1 電能表工裝載具的設(shè)置

在電能表生產(chǎn)線上需要設(shè)置足夠多的工裝載具，以保證生產(chǎn)過程中需要足夠的待加工的電能表。通過更改電能表生產(chǎn)線上工裝載具的數(shù)量進(jìn)入仿真，得出生產(chǎn)線生產(chǎn)率與工裝載具數(shù)量之間的關(guān)系。為了保證校表臺(tái)前足夠的緩沖區(qū)，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置校表臺(tái)前緩沖區(qū)數(shù)量為7個(gè)。通過更改生產(chǎn)線上電能表工裝載具進(jìn)行試驗(yàn)，得出30 000s之內(nèi)下線的電能表的數(shù)量，如圖9所示。

圖9 工裝載具數(shù)量對(duì)生產(chǎn)線生產(chǎn)率的影響

從圖9中可以看出，隨著工裝載具數(shù)量的增加，生產(chǎn)線生產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)工裝載具數(shù)量增加到70個(gè)時(shí)，生產(chǎn)率不再增加。

3.2 緩沖工位的設(shè)置

為了保證生產(chǎn)線生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，需要在生產(chǎn)線上布置合適的緩沖區(qū)[9]。在電能表生產(chǎn)線上，當(dāng)某一校表臺(tái)完成校表后，需要同時(shí)多塊電能表進(jìn)入。如果校表臺(tái)前沒有足夠緩沖區(qū)，則需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間，從而降低校表設(shè)備的利用率。在校表工序前，為了保證加工設(shè)備較高的使用率，需要設(shè)置較多的緩沖區(qū)。通過改變校表工序前的緩沖區(qū)數(shù)量來研究緩沖區(qū)數(shù)量對(duì)生產(chǎn)線效率的影響。由于校表工序之后有較多的緩沖區(qū)，所以這里僅對(duì)校表工序之前的緩沖區(qū)進(jìn)行研究。通過統(tǒng)計(jì)30 000s內(nèi)下線電能表數(shù)量，判斷緩沖區(qū)個(gè)數(shù)與生產(chǎn)線生產(chǎn)率的關(guān)系。通過試驗(yàn)，得到如圖10的數(shù)據(jù)。

圖10 緩沖區(qū)數(shù)量對(duì)生產(chǎn)線效率的影響

從圖10中可以看出，隨著緩沖區(qū)數(shù)量的增加，生產(chǎn)線生產(chǎn)率逐漸提升。當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)量增加到4個(gè)以后，再增加緩沖區(qū)生產(chǎn)線生產(chǎn)率不變。

4 結(jié)束語

文中通過使用FlexSim軟件對(duì)目前的電能表生產(chǎn)過程進(jìn)行了仿真，重點(diǎn)對(duì)電能表的工裝載具的設(shè)計(jì)數(shù)量、校表臺(tái)的設(shè)計(jì)數(shù)量、校表流程和校表通道調(diào)度算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明當(dāng)采用70個(gè)工裝載具，在電能表校表臺(tái)前采用4個(gè)緩沖工位時(shí)，可以保證電能表生產(chǎn)線具有較高的生產(chǎn)率。再提升工裝載具數(shù)量和緩沖工位數(shù)量則不能提升生產(chǎn)線生產(chǎn)率。這就能為生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)，也驗(yàn)證了FlexSim用于電能表生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和仿真的便利和有效。

目前的對(duì)電能表生產(chǎn)線的仿真主要有3個(gè)需要改進(jìn)的地方，一方面是目前仿真主要集中在邏輯上，其中的流水線和工藝設(shè)備3D視圖都采用了軟件庫中的3D模型，沒有進(jìn)行較多的關(guān)于3D方面的仿真，致使生產(chǎn)工藝過程的運(yùn)行不夠逼真；另一方面是針對(duì)電能表生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不合格品等問題沒有進(jìn)行處理；最后一個(gè)是沒有對(duì)工作制度、人員午休等異常情況進(jìn)行考慮。下一步需要根據(jù)相應(yīng)的具體情況進(jìn)行仿真分析。