什么是加工生产线系统仿真?

引自：《生产系统建模与仿真》（作者：朱海平）

 

「 1. 生产流程描述 」

某全自动化加工生产线系统生产一种工件，该工件的生产流程如图1所示。首先，根据定时配送指令，通过AGV系统将存放在立体仓库中的工件毛坯件运输到生产线入口缓冲区，并由线头机器人上载到生产线。毛坯件随即在生产线上流转，经过三道工序加工后变为成品件。其中，工序1在设备M001、M002和M003中任一台上完成，加工时长45s，工序2在设备M004、M005和M006中任一台上完成，加工时长55s，工序3在设备M007、M008、M009和M010中任一台上完成，加工时长1min15s。如果3道工序全部完成，该成品工件由线尾机器人下载到生产线出口缓冲区，并由AGV系统运回立体仓库，如果工件未加工完成，则再次上载到生产线上并进行新一轮流转，直到所有工序加工完毕。

 

图1 工件生产流程

 

「 2. 仿真建模 」

基于FactorySimulation建立仿真模型，如图2所示。该生产线采用U型布局，总长54m，运转速度0.5m/s。在生产线上布置了10个工位点，每个工位对应一个顶升装置（B001-B010）和一台加工设备（M001-M010），如果顶升装置中有工件，该工位就不能再接纳工件。一旦某设备空闲，并且顶升装置中有工件在等待，则呼叫对应的RGV，如果RGV空闲，则移动机器人将顶升装置中的工件移至设备上加工。系统配备了3台RGV，其中RGV1为M001、M002、M009、M010这4台相邻设备服务，RGV2为M003、M004、M007、M008这4台相邻设备服务，RGV3为M005和M006这2台相邻设备服务，3台RGV轨道长度分别为7m、5.8m和3.2m，机器人移动速度为1m/s，上下料的时间均为2s。

 

图2 仿真模型

图2中，模型区左边是立体仓库和AGV系统，AGV系统用于毛坯件和成品件运输。其中，毛坯件从P01站点（立体仓库的出入库位置）运送到P02站点（生产线入口缓存处），成品件从P03站点（成品待配送缓存处）运送到P01站点，AGV路径一周总长40.45m，AGV承载量是10，即每台AGV一次运输10个毛坯或成品件，AGV运输速度0.5m/s，AGV数量为2台，AGV上下料时间均为15s。

仿真建模时，需要定义两个重要的脚本方法：

 

（1）仿真运行中，工件在生产线上流转，到达每一个工位点时要进行判断，决定是否将工件移至该工位顶升装置内，该判断逻辑通过stationSensor脚本方法来实现，如下：

 

boolean flag = false;if(MUType.equals("毛坯")) {//毛坯件if(station.no.equals("1") && %{B001}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B001");flag = true;} else if(station.no.equals("2") && %{B002}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B002");flag = true;} else if(station.no.equals("3") && %{B003}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B003");flag = true;}//工件已送至到B001或B002或B003，则开始工序1if(flag) {@.MUType = "工序1";@.MUColor = Color.yellow;return;}} else if(MUType.equals("工序1")) {//工序1if(station.no.equals("4") && %{B004}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B004");flag = true;} else if(station.no.equals("5") && %{B005}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B005");flag = true;} else if(station.no.equals("6") && %{B006}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B006");flag = true;}//工件已送至到B004或B005或B006，则开始工序2if(flag) {@.MUType = "工序2";@.MUColor = Color.blue;return;}} else if(MUType.equals("工序2")) {//工序2if(station.no.equals("7") && %{B007}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B007");flag = true;} else if(station.no.equals("8") && %{B008}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B008");flag = true;} else if(station.no.equals("9") && %{B009}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B009");flag = true;} else if(station.no.equals("10") && %{B010}%.allowEntrance(@)) {  @.move("B010");flag = true;}//工件已送至到B007或B008或B009或B010，则加工成成品if(flag) {@.MUType = "成品";@.MUColor = Color.green;return;}}//已到达线尾，如果是成品，则运送到生产线出口，否则送到生产线入口，继续加工if(station.getNo().equals("999")) {if(@.MUType.equals("成品"))%{线尾机器人}%.call("生产线", "生产线出口", @);else%{线尾机器人}%.call("生产线", "生产线入口", @);}

（2）为了实现定时将毛坯件从立体仓库出库并通过AGV配送到生产线入口，定义触发器及定时触发方法。触发器如图3所示。从0时刻开始，每隔4min触发一次，共触发100次，每次自动执行pickAndDelivery方法。

 

图4 用于毛坯投入的定时触发器

pickAndDelivery方法内容如下：

//从立体仓库分拣出10个毛坯件ListmuList = %{立体仓库}%.pick("毛坯|10", 0);//呼叫AGV，将毛坯件从立库运输到生产线入口，一次运输10个，上载时间和卸载时间均为15秒%{AGV系统}%.call("P01", "P02", "立体仓库", "生产线入口", muList, null, 15*1000, 15*1000);

「 

3. 仿真分析 

」

首先分析生产线的产能和瓶颈。假定每4min从立体仓库向生产线配送一个批次毛坯件（10个），共配送100次，合计生产1000个工件，通过仿真来观察生产线的单位时间产量变化。

图5显示了产量随时间变化的曲线，可以看出，总产量随时间线性递增，每小时产量则逐渐趋于稳定，稳定在155~160个/h。设备利用率如图6所示，可以看出线头和线尾机器人的工作时长占比均为81.42%，比较高，而3道加工工序各有一台加工设备（M003、M006和M010）利用率不高，说明加工设备的能力富裕，机器人则可能是瓶颈。

 

图5 产量变化图

 

 

图6 设备利用率

根据定性分析，一方面，缩短配送周期，同时提升线头和线尾机器人的处理速度，应该有助于提升产能；另一方面，如果配送周期过短，由于生产线处理速度有限，可能造成毛坯件在生产线入口处积压，或者在生产线上反复流转，导致工件通过时长变长、在制品增多，因此，可能存在最佳的配送周期，为了验证这一点，设计如下仿真试验：

 

（1）毛坯配送的时间间隔共7个水平值：1:30、2:00、2:30、3:00、3:30、4:00、4:30。

 

（2）线头/线尾机器人处理时长共2个水平值：15s和20s。

 

（3）试验的输出参数：1000个工件加工的完成时间、每个工件的平均通过时间。

 

采用全因子试验，共试验14次，试验结果如表1所示。可以看出，配送间隔时间加长，加工完成时间基本呈增长趋势，但平均通过时间呈下降趋势。试验5和试验12的综合效果是不错的，因此，设定配送时间为3:30比较合适，机器人处理时长从15s变化到20s，对两个输出参数的影响不大。

 

表1 仿真结果

试验 次数	毛坯配送的 时间间隔	线头和线尾机器人处理时长/s	1000个工件加工的完成时间	每个工件的平均通过时间
1	1:30	15	6:3:29	1:52:53
2	2:00	15	6:8:56	1:32:2
3	2:30	15	6:10:33	1:7:46
4	3:00	15	6:8:19	42:25
5	3:30	15	6:17:55	23:37
6	4:00	15	6:50:43	14:16
7	4:30	15	7:38:26	12:48
8	1:30	20	6:28:8	2:4:56
9	2:00	20	6:27:25	1:41:10
10	2:30	20	6:31:25	1:17:19
11	3:00	20	6:31:7	51:10
12	3:30	20	6:24:8	25:53
13	4:00	20	6:51:1	14:54
14	4:30	20	7:40:24	14:46

 

 

「 4. 三维仿真动画 」

 

FacotrySimulation内置了三维动画引擎，可以浏览仿真过程的三维车间场景，如图7所示。

 

 

图7 仿真过程的三维动画