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(shí)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(huì)配置多種加工設(shè)備，并采用工藝導(dǎo)向布局，形成多個(gè)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(gè)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(dòng)性大。

本文的研究重點(diǎn)，一是構(gòu)建參數(shù)自動(dòng)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(gè)工序階段，分別是粗加工、熱處理、精加工和裝配工序。每個(gè)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(gè)加工階段，每個(gè)階段都配置有著多個(gè)加工單元。每個(gè)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(gè)訂單為生產(chǎn)1 套產(chǎn)品，1 套產(chǎn)品由多個(gè)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(gè)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(gè)階段，可視為流水車間Flow Shop。而在每個(gè)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(gè)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(shí)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(tái)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(tái)

（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(dòng)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(dòng)仿真前各工序子車間使用的調(diào)度策略、仿真時(shí)間長度、啟動(dòng)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(gè)無形的梯子在逐步進(jìn)化，越進(jìn)化越高級(jí)。在進(jìn)化梯子的頂端，是最高級(jí)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(dòng)態(tài)隨機(jī)產(chǎn)生訂單，并將訂單拆分為多個(gè)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(shí)間、交貨期、完工時(shí)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(chǔ)模塊。該模塊使用大量二維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件TableFile，存儲(chǔ)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(tái)中所有的邏輯控制，包括：自動(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(gè)作用是車間布局設(shè)置和訂單參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，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(dòng)化建模回調(diào)函數(shù)偽代碼

圖3 設(shè)施布局參數(shù)自動(dòng)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(chǔ)模塊，設(shè)計(jì)了如圖4所示的信息存儲(chǔ)表。其中，訂單詳情表、零件信息表與工藝路徑信息表是平臺(tái)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(gè)工序子車間與加工單元。

圖4 仿真平臺(tái)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的概念模型

平臺(tái)中的信息流總體分為3 個(gè)部分：（1）訂單生成模塊中Source控件每間隔一段時(shí)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(shí)，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(shí)，則記錄其完工時(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)加工單元，直至完成所有加工，再進(jìn)入到下一個(gè)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(chǔ)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(shí)間、剩余加工時(shí)間等情況，綜合為每個(gè)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(jià)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(jià)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(tái)總體的應(yīng)用過程。首先，通過參數(shù)自動(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)間長度為300 d、預(yù)熱時(shí)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(dòng)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(dòng)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(tái)的有效性。

圖7 車間各階段提前期

圖8 加工設(shè)備稼動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)間間隔與各工序加工時(shí)間的均值，最終達(dá)到車間總體平均稼動(dòng)率為80%且各工序子車間設(shè)備稼動(dòng)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(shí)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(dòng)率，這因?yàn)檫@兩者規(guī)則并不會(huì)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(dòng)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(huì)開機(jī)處理，不等待的加工也即增加了設(shè)備的稼動(dòng)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(gè)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(gè)指標(biāo)中都優(yōu)于MBS-0.6 規(guī)則，但其也存在設(shè)備稼動(dòng)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(tái)。模型包括了仿真控制、訂單生成、生產(chǎn)過程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(tái)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。