韓曉東，劉　冬，叢　明，袁付貴，何　峰

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連　116023；2.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司,遼寧 大連　116036)

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基于Plant Simulation的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線仿真分析*

韓曉東1，劉冬1，叢明1，袁付貴2，何峰2

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116023；2.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司,遼寧 大連116036)

根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況等基本信息，運(yùn)用Plant Simulation軟件提供的模塊建立仿真模型，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線在理想工作情況以及實(shí)際隨機(jī)因素存在的情況下進(jìn)行仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，形象直觀的對(duì)比分析了生產(chǎn)線的產(chǎn)量、設(shè)備負(fù)荷率及瓶頸等問(wèn)題。并以此為依據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行了初步優(yōu)化，再次仿真結(jié)果顯示此生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力得到了提高。仿真實(shí)驗(yàn)展示了仿真技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中的良好應(yīng)用前景。

Plant Simulation；發(fā)動(dòng)機(jī)；檢測(cè)生產(chǎn)線；仿真分析

0　引言

仿真技術(shù)與運(yùn)籌學(xué)、概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)一起，日益成為各行各業(yè)解決和分析問(wèn)題的主要支持工具，在工程的前期規(guī)劃、投資平衡分析、生產(chǎn)物流運(yùn)行控制、供應(yīng)鏈管理與庫(kù)存控制、作業(yè)排序、資源分配、流程分析與改進(jìn)等眾多方面發(fā)揮著巨大的作用[1-2]。

而隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車對(duì)可靠性、安全性的要求不斷提高，生產(chǎn)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速全面診斷越來(lái)越受到人們的重視，目前越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)廠家，開始采用具有較快節(jié)拍、較高質(zhì)量檢測(cè)水平、較低生產(chǎn)成本的發(fā)動(dòng)機(jī)冷測(cè)試來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)下線的高精度檢測(cè)，以更好的確保產(chǎn)品質(zhì)量。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線等的分析過(guò)程中，計(jì)算機(jī)仿真軟件正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。運(yùn)用Siemens(西門子)公司的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件Plant Simulation可以對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)分析以達(dá)到找出系統(tǒng)瓶頸、優(yōu)化組織生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期的目的[3]。

1　生產(chǎn)線仿真分析流程

對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，擬定流程如圖1所示，具體描述如下[4-5]：

(1)描述系統(tǒng)和列出假設(shè)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真建模，最主要的建模對(duì)象是加工設(shè)備以及工作人員。

加工設(shè)備的建模：主要參數(shù)有準(zhǔn)備時(shí)間、加工處理時(shí)間、維修時(shí)間，對(duì)于手動(dòng)工位還應(yīng)設(shè)置加工工人的數(shù)量等。

工作人員的建模：主要參數(shù)有行走路徑、行走速度、工作位置、工作效率、工作日程以及具備的服務(wù)類型等。

此外，在整個(gè)生產(chǎn)線仿真的建模過(guò)程中，還應(yīng)該考慮到生產(chǎn)過(guò)程中的一些隨機(jī)因素，如設(shè)備故障因素等。

圖1　檢測(cè)生產(chǎn)線仿真分析流程圖

(2)數(shù)據(jù)收集與確認(rèn)

在使用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線建模過(guò)程中，仿真數(shù)據(jù)的輸入尤為重要，數(shù)據(jù)的正確與否對(duì)于仿真結(jié)果合理性有著至關(guān)重要的影響。因此在前期的準(zhǔn)備工作中要做到正確收集和整理數(shù)據(jù)資料。

(3)構(gòu)造計(jì)算機(jī)模型

對(duì)生產(chǎn)線的建模過(guò)程是階段性的，先驗(yàn)證本階段的模型運(yùn)行正常后再繼續(xù)下一階段的建模。此外在建模過(guò)程中還需要不斷的調(diào)試、校正和確認(rèn)，保證所建立的模型盡可能和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)保持一致。

(4)仿真運(yùn)行及分析

在運(yùn)行模型的過(guò)程中觀察模型在不同的數(shù)據(jù)輸入及仿真機(jī)制下的響應(yīng)情況，研究系統(tǒng)輸出結(jié)果與可控制參數(shù)之間相互影響的規(guī)律。根據(jù)仿真分析，來(lái)發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中影響系統(tǒng)效能的瓶頸部分以及形成瓶頸的原因。

(5)檢測(cè)生產(chǎn)線優(yōu)化

針對(duì)仿真分析中發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線出現(xiàn)的不合理部分，通過(guò)采用增加緩沖區(qū)等其他措施對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)。然后運(yùn)用仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)運(yùn)行，最終達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、提高設(shè)備利用率、提高產(chǎn)量等目的。

2　發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線建模

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線建模分析

以某乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線為研究對(duì)象，建立其計(jì)算機(jī)仿真模型。該生產(chǎn)線是典型的流程型加工，主要針對(duì)兩款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有：自動(dòng)工位節(jié)拍≤51s，手動(dòng)工位節(jié)拍≤56s，輸送線的速度是12m/min，要求產(chǎn)能是年產(chǎn)40萬(wàn)臺(tái)。

該線總共包含22個(gè)工位，其中自動(dòng)工位7個(gè)，手動(dòng)工位12個(gè)，返修工位3個(gè)，工位名稱詳細(xì)信息見表1，其中A代表自動(dòng)工位，R代表返修工位，M代表手動(dòng)工位。另外在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線的設(shè)備開動(dòng)率為90%。

表1　仿真數(shù)據(jù)輸入時(shí)間表

2.2檢測(cè)生產(chǎn)線仿真模型建立

根據(jù)以上發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線的基本信息，充分利用Plant Simulation中提供的各種資源，建立的仿真模型如圖2所示[6-9]。建立模型過(guò)程中在三個(gè)方面進(jìn)行了約定：①備料區(qū)零件充足；②投料節(jié)拍與所在工序時(shí)間同步，不考慮部件在工序間的運(yùn)輸時(shí)間；③檢測(cè)生產(chǎn)線開始工作前，各工序狀態(tài)為空。

圖2　檢測(cè)生產(chǎn)線仿真模型圖

3　發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線仿真分析

3.1仿真結(jié)果分析

在建立好的模型中通過(guò)仿真控制器EventController控制模型開始仿真，圖3顯示的是仿真某時(shí)刻模型的狀態(tài)。

圖3　仿真運(yùn)行某時(shí)刻模型圖

使用Plant Simulation自帶的分析工具可以直觀地解釋仿真結(jié)果。如表對(duì)象能在仿真中存儲(chǔ)模型的信息，圖對(duì)象能夠形象地反映數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。此外還有統(tǒng)計(jì)分析工具等都可以幫助用戶更好的觀察和分析生產(chǎn)線工作負(fù)荷、設(shè)備工作、故障、堵塞、空閑時(shí)間等，并可以將生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行情況與理想狀況進(jìn)行對(duì)比，從而找出瓶頸以進(jìn)行優(yōu)化。

首先在設(shè)定設(shè)備開動(dòng)率為100%的理想情況下進(jìn)行仿真并觀察仿真結(jié)果。模型運(yùn)行一年后，總共下線產(chǎn)品為575982臺(tái)，可以看出此發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到了生產(chǎn)中的隨機(jī)因素因此留有一定的富裕量。表2中列出了生產(chǎn)線運(yùn)行一年中的實(shí)際產(chǎn)量、設(shè)備的平均利用率及產(chǎn)品的平均在線時(shí)間等信息。另外從Plant Simulation特有的chart圖中也可以看出此生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，如圖4所示。

表2　設(shè)備開動(dòng)率100%數(shù)據(jù)結(jié)果表

圖4　設(shè)備開動(dòng)率100%時(shí)工作情況

然后設(shè)定設(shè)備開動(dòng)率為90%時(shí)即實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，模型運(yùn)行一年后，總共下線產(chǎn)品為304526臺(tái)，與設(shè)計(jì)產(chǎn)量有較大差別，表3列出了各項(xiàng)數(shù)據(jù)。使用Chart圖中可以看到各個(gè)工位的設(shè)備負(fù)荷率與上次仿真中的差別很大，如圖5所示。這是由于設(shè)備發(fā)生故障等待維修，造成工位處于停止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致前面工位加工好的零件無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行加工，產(chǎn)生了堵塞現(xiàn)象進(jìn)而影響了生產(chǎn)量。

表3　設(shè)備開動(dòng)率90%數(shù)據(jù)結(jié)果表

圖5　設(shè)備開動(dòng)率90%時(shí)工作情況

同時(shí)運(yùn)用Plant Simulation中的瓶頸分析器可以查看各個(gè)工位的具體數(shù)據(jù)，可以明顯地看出生產(chǎn)線的堵塞情況較為嚴(yán)重，堵塞最為嚴(yán)重的工位M010、M020、M030分別達(dá)到了42.98%，38.13%，36.86%。其余的大部分工位堵塞率也在20%上下，因此應(yīng)采取措施來(lái)對(duì)此檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。

3.2檢測(cè)生產(chǎn)線初步優(yōu)化

本文采用在堵塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重的工位增加緩沖區(qū)域的方法對(duì)檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，緩沖區(qū)的容量通過(guò)仿真確定[10-12]。經(jīng)過(guò)多次分析和比較，得到改進(jìn)后的模型如圖6所示。改進(jìn)后，同樣仿真一年，總產(chǎn)量為398684臺(tái)，從表4中可以看出各項(xiàng)數(shù)據(jù)有了相應(yīng)的提高。從chart圖中也可以看出生產(chǎn)線的堵塞現(xiàn)象得到了改善，見圖7。

圖6　添加緩沖區(qū)后檢測(cè)生產(chǎn)線模型圖

圖7　添加緩沖區(qū)后工作情況

名 稱仿真結(jié)果實(shí)際產(chǎn)量1107臺(tái)/天機(jī)器的平均利用率58.10%發(fā)動(dòng)機(jī)平均在線時(shí)間1min18s

注意到此仿真產(chǎn)量還沒(méi)有達(dá)到年產(chǎn)40萬(wàn)臺(tái)，因此在以后的工作中還需要對(duì)此生產(chǎn)線進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化如設(shè)置平行工序，提高設(shè)備開動(dòng)率等以使生產(chǎn)線的年產(chǎn)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4　結(jié)論

本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件Plant Simulation的物流對(duì)象、信息流對(duì)象以及統(tǒng)計(jì)分析工具等對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，指出生產(chǎn)線中的不合理部分并進(jìn)行了初步優(yōu)化。結(jié)果表明合理[參考文獻(xiàn)]

使用仿真軟件，對(duì)全面分析生產(chǎn)線有顯著的幫助。計(jì)算機(jī)仿真軟件能夠?qū)?fù)雜生產(chǎn)線找到評(píng)估優(yōu)化的解決方案，將在現(xiàn)代生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。

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(編輯李秀敏)

Simulation and Analysis of Engine Testing Line Based on Plant Simulation

HAN Xiao-dong1，LIU Dong1，CONG Ming1，YUAN Fu-gui2，HE Feng2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China;2.Dalian Haosenread Equipment Manufacturing Co., Ltd., Dalian Liaoning 116036, China)

According to the production and other information of the engine testing line, make full use of the module provided by Plant Simulation software to build the simulation model; run the model of engine testing line in the case of both ideal working condition and the condition that actual random factors exist, then analyses the production, burden rate of the equipment and the bottleneck issue, etc. of the line. Based on this, optimize the engine testing line, and the result of the simulation shows that the production has increased. This simulation experiment shows a good prospect of application of simulation technology in the production system.

Plant Simulation; engine; testing line; simulation and analysis

1001-2265(2015)11-0058-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.017

2015-01-08；

2015-03-09

遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201408001)；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013A11GX012)

韓曉東(1990—)，男，河北邯鄲人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槲锪飨到y(tǒng)工程，機(jī)器人智能控制，(E-mail)hanxiaodong@mail.dlut.edu.cn。

TH166;TG506

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