離散制造生產系統模塊化仿真建模方法研究

裴雨霞， 楊春光， 郝青華， 高 瑞， 喬道云， 朱志軍

（內蒙古第一機械集團股份有限公司， 內蒙古包頭 014030）

0 引言

針對離散制造生產系統， 傳統的仿真建模方法是構建關系相對固定的實體模型，即剛性模型，也就是將邏輯程序和語言代碼嵌套在實體模型中。 當實際生產系統發生變化時，仿真模型的修改難度會很大。在實際生產制造系統中，生產運行機制是相對穩定的，生產任務、設備類型及數量、工裝類型及數量等因素是變化的，而在仿真模型中，邏輯控制程序是相對穩定的，實體模型組成是變化的[1]。 因此，建立實體模型與邏輯控制程序之間相對獨立的仿真模型并對其獨立操作， 是對離散制造生產系統進行仿真建模的基本方法。

通過調研生產系統，根據實際生產系統的組成創建仿真模型，并設置邏輯控制程序，因此，仿真建模的基本方法和思路可分為兩個方面，首先，根據生產系統實物一一建立對應的實體模型，并對其進行合理組織，然后，對生產系統進行調研分析，根據其生產特點設置編寫邏輯控制程序。

仿真技術在工程應用越來越普遍， 仿真建模需要對創建的仿真模型進行反復修整和試驗，因此，需要一種柔性的、 可維護性的、 可擴展性的建模方法來創建仿真模型，便于實時修改模型和參數，其中，模塊化建模方法就是重要的研究方向[2]。

1 模塊化建模關鍵技術

1.1 模塊化建模方法

本文提出了一種離散制造生產系統模塊化建模方法，以懸掛式熱處理生產系統為例，基于AutoMod 仿真平臺，構建仿真模型，包括典型模型庫、邏輯控制程序庫、仿真基礎數據庫和模型生成器，降低建模的復雜度，實現快速仿真分析[3]。 離散制造生產系統模塊化建模的基本框架如圖1 所示。

圖1 離散制造生產系統模塊化建模的基本框架

（1）典型模型庫。典型模型庫是指實際生產系統中的物理設備，包括工件、工裝、人員、加工設備、物流運輸設備等， 根據生產系統選取不同模型，組合成仿真模型。

（2）邏輯控制程序庫。 邏輯控制程序通常是生產系統的運行機制，主要包括生產類型、生產組織模式、生產計劃與調度、生產班次等，根據生產系統編寫實際運行邏輯。

（3）仿真基礎數據庫。仿真數據庫中存儲了仿真建模所需的所有數據，包括生產任務信息、工藝信息、設備信息、工裝信息、庫存信息等。

（4）模型生成器。 模型生成器通過訪問典型模型庫、仿真基礎數據庫自動地將生產系統對應的所有模型實體放置在仿真運行環境中。它將傳統煩瑣的、手動創建仿真模型的過程進行了封裝，提高了建模的效率。

1.2 仿真環境

AutoMod 仿真軟件是一套具備3D 動畫的模擬軟件，可以幫助用戶構建手工或自動化的生產與物流仿真系統。 它主要通過以下幾個系統對生產和物流的過程事件進行仿真：ProcessSystem 為模型的邏輯和核心；運動系統若干，有ConveyorSystem 傳送帶系統，VehicleSystem 搬運系統，包括PathMover 路徑導引系統、Power＆ Free 推掛系統、AS/RS 自動存取系統、BridgeCrane 橋式起重機、Kinematics 動態系統；Static 靜態系統，如地面、廠房等。 Auto-Mod 仿真軟件使用交互式的數學算法， 通過一系列Process（進程）和Function（函數）描述整個系統，使得模型的運行邏輯與實際生產系統的運轉保持一致。 應用該仿真軟件可完成對制造系統、倉儲系統、物料處理、企業內部物流、港口、車站、空港、配送中心，以及控制系統等的仿真分析、評價和優化設計等[4]。

2 仿真目標

以降低制造成本、優化資源配置和提高制造效率為出發點，依據生產系統布局、制造過程和物流過程，建立生產系統效能評估仿真模型，錄制生產系統仿真運行動畫。 在項目實施的同時，運用數字化仿真手段分析、驗證項目預期技術指標的合理性，為項目驗收提供技術支撐。

以懸掛式熱處理生產系統為例， 簡易生產系統布局見圖2。 懸掛式熱處理生產線主要用于鐵道貨車各型號搖枕、側架連續正火熱處理，采用積放式懸鏈輸送系統，該輸送系統可實現生產系統的柔性可調。 系統由積放小車、 輸送鏈條、驅動裝置、吊具等組成。 采用雙車型載貨小車，搖枕、側架懸掛在載貨小車的承載部位上，每個小車組設兩個吊具。

圖2 生產系統布局

3 基于AutoMod 模塊化建模實現

3.1 建立仿真方案

調研并確定整個系統（Model）和整個系統的子系統劃分，界定系統和系統邊界[5]。 通過認真了解懸掛式熱處理生產系統的設計方案，并與技術人員溝通交流，整個系統的邊界從上料工位開始，到熱處理完成進入成品存放區結束。

3.2 構建典型實體庫

（1）定義零件模型。 零件模型是系統實體，由一個Load表示，驅動仿真系統的進程。零件從原材料變成成品的過程，經歷等待加工、正在加工、等待運轉以及前后工序之間屬性的變化等，還需要定義零件的狀態和屬性，即Load attributes，如圖3 所示。

圖3 定義Load

（2）定義設備模型。設備模型是生產系統的基本要素，根據功能不同，在仿真模型中定義不同的模型。如果是加工設備，定義Resources；如果是緩沖區或加工區，定義Queues。 所以，熱處理生產系統定義2 個Queues 和18 個Resources，如圖4 所示。

圖4 定義Queues 和Resources

（3）定義物流運輸模型。懸掛式熱處理生產系統的物流運輸模型是推掛系統，所以定義Power＆ Free ，并畫出路線和控制點，設置懸掛Carrier 參數，定義適當的任務list 完成正確的任務邏輯，如圖5 所示。

圖5 定義Power＆ Free

3.3 構建邏輯控制庫

邏輯控制庫，即編制仿真程序，是對現實生產系統生產運行機制的描述，在仿真模型中充當仿真運行的控制器。 邏輯編程通過仿真語言實現系統實現動態化，它是整個仿真過程的和核心，系統的生產策略和設計者的設計意圖必須通過邏輯編程來實現[6]。 針對各類機制預先編寫其邏輯控制程序， 然后建模時根據實際進行匹配和選取。結合運動系統中的邏輯單元， 在邏輯系統的Source File中，將整個系統的各個子系統之間的物流關系、參數傳遞關系、邏輯操作關系等等定義出來。 懸掛式熱處理生產系統的邏輯控制程序見圖6，邏輯控制程序代碼見圖7。

圖6 生產系統邏輯控制程序

圖7 控制程序代碼

3.4 構建仿真基礎數據庫

仿真數據庫中存儲了仿真建模所需的所有數據，如果數據復雜，可以建立不同數據表格，然后通過邏輯代碼來讀取數據表，如果數據簡單，可以直接編輯邏輯代碼執行。懸掛式熱處理生產系統的物流參數如表1 所示，暫時定義每個工位的加工時間為31min。

表1 物流參數表

3.5 構建模型生成器

建立模型生成器，就是將數據庫、典型模型庫、邏輯控制程序庫和仿真模型建立成一個動態的環境， 仿真建模者只要更改數據庫中的關鍵性信息[7]，就可以建立起一套新的離散式生產系統的仿真模型， 進而大大縮減了仿真模型的時間， 也可以多次修改參數進而對仿真結果進行比較，得到最優方案。

3.6 仿真模型

仿真的目的是對仿真結果進行分析，所以要有針對性地建立與生產過程相關的模型，而對于與生產過程無關或對生產過程影響不大的設備、過程等應進行簡化，使得仿真模型確切地反映實際情況[8]。 懸掛式熱處理生產系統的仿真目標主要針對產品進入工位一至工位十二的總時長，故可以簡化仿真流程。 并確定各個模塊的參數，編寫模型程序的邏輯代碼， 建立系統的各三維模型并導入，以增加視覺效果，仿真模型如圖8 所示。

圖8 仿真模型

4 仿真結果分析

編譯模型并運行仿真模型， 主要生產系統工位一到工位十二的節拍進行仿真與優化，輸出仿真結果如圖9 所示。

圖9 仿真結果

在仿真運行中，可以實時觀察仿真模型的運行情況。仿真時間為250d，8h 工作制。 R_time 是產品從工位一到工位十二的平均時間約為6.7h；wait time 是每個產品從工位一到工位十二的時間，從第21 個產品開始基本一致，最多或最少的時間約為6.7h。若把每個工位的節拍設置為30min，R_time 約為6.5h，wait time 也約為6.5h。 得到的仿真結果可作為懸掛式熱處理生產系統改造的決策依據。

5 結論

本文應用基于AutoMod 的離散生產系統模塊化仿真建模技術， 以懸掛式熱處理生產系統為例進行驗證并優化。該技術將模型實體與邏輯控制程序分開，通過模型生成器識別基礎數據庫，實現快速構建仿真模型。該技術可以為生產管理者在決策過程提供依據， 對類似的生產系統或物流系統仿真分析具有參考價值。