eM-Plant在機車預組裝生產線建模與物流仿真中的應用

張如杰 ，楊自建 ，王 偉 ，何 純

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.寧波賽維思機械有限公司，浙江 寧波 315135）

在機車企業(yè)的裝配生產線中，難免存在著工序安排不合理、生產周期長、人員待工時間多、設備利用率低等一系列的問題。針對機車裝配線的特點，采用人工歸納等數(shù)學方法來解決問題，非常復雜，對人的邏輯思維能力要求較高，且需要占用大量資源和時間，因機車裝配線可看成離散事件。故可采用計算機仿真的方法，利用系統(tǒng)仿真軟件，來尋求解決方案。

基于離散事件的生產線仿真，是指運用計算機技術和虛擬現(xiàn)實技術，在計算機中對生產線的元素和生產過程進行統(tǒng)一建模，模擬出整個生產線的運行過程[1]。通過分析生產線的設備利用率、平均節(jié)拍、生產線平衡率等參數(shù)，并進行合理的優(yōu)化和調整，從而更有效地組織生產計劃[2]。

現(xiàn)針對某機車廠裝配生產線的生產現(xiàn)狀，本文選用eM-Plant軟件，對機車預組裝生產線進行建模和仿真，并在保證設備利用率的基礎上，通過壓縮節(jié)拍，達到了生產線均衡的效果，從而提高了機車預組裝生產線的生產水平。

1 eM-Plant軟件簡介

eM-Plant是Tecnomatix公司開發(fā)的一款面向對象的離散事件動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是工廠、生產線及生產物流過程中仿真與優(yōu)化的解決方案之一。

eM-Plant能夠分析和優(yōu)化生產線的多種性能指標，幫助用戶評價規(guī)劃方案，如生產線平衡率、設備利用率、在制品生產節(jié)拍、工人負荷情況、物流密度、物流順暢程度等[3]，并以多種形式輸出結果，以便用戶設計出性能更好的生產系統(tǒng)。

軟件內置的SimTalk語言，為用戶提供了控制仿真環(huán)節(jié)、定義自定義功能的方法，用戶通過編程，可以對仿真模型進行詳細控制，提高了仿真模型的準確性。eM-Plant為系統(tǒng)建模與仿真提供了一種完全面向對象的、圖形化的、集成的工作環(huán)境[4]。

2 生產線建模與仿真

生產線建模是指運用仿真軟件，對生產線的各個元素，生產制造過程進行建模，在計算機內構建出整個生產線的模型[5]。離散事件系統(tǒng)的模型，一般可以用流程圖或網絡圖的方法來描述[6]。

下面對使用普遍的實體業(yè)務流程圖做簡單介紹。實體業(yè)務流程圖法，采用與計算機程序業(yè)務流程圖相類似的圖示符號和原理，建立表示臨時實體產生、在系統(tǒng)中流動、接受永久實體“服務”以及消失等過程的業(yè)務流程圖。借助實體業(yè)務流程圖，可以表示事件、狀態(tài)變化及實體間相互作用的邏輯關系。由于計算機程序框圖的思想和編制方法，已廣為人們所接受，加上實體業(yè)務流程圖的編制方法簡單，且對離散事件系統(tǒng)的描述比較全面等優(yōu)點，實體業(yè)務流程圖法的應用較普遍。

仿真，就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實際系統(tǒng)進行試驗研究的過程。系統(tǒng)仿真的一般步驟，如圖1所示。

圖1 仿真步驟

首先，根據(jù)系統(tǒng)的特點和仿真要求，選擇合適的算法，建立起系統(tǒng)的模型；然后進行程序設計，即將仿真模型用計算機能執(zhí)行的程序描述，程序中應包括仿真試驗的要求，如仿真運行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求等；下一步對仿真模型進行校驗，一方面是程序的調試，另一方面是檢驗所選仿真算法的合理性；接下來根據(jù)仿真的目的，對模型進行試驗，得到相應的輸出；最后對仿真輸出進行分析[7]。

3 仿真目標的設定

面對裝配生產線這類離散事件系統(tǒng)，具有以下一些重要的系統(tǒng)評價指標[8]。

（1）設備利用率。是指設備實際工作時間與總工作時間之比。設備利用率是很多仿真都關注的一個指標。利用率越高，說明設備的工作時間越長，但是可能會造成生產瓶頸；利用率越低，說明設備閑置時間越長，可能會浪費資源。

因此，當利用率過高時，需要增加設備來降低利用率，消除生產瓶頸；當利用率過低時，可增加作業(yè)量，減少資源的浪費。通常調整各種設備的利用率，使其保持在一個比較接近的范圍內，使得各種設備均能得到合理使用，充分利用資源[9]。

（2）生產節(jié)拍。是指連續(xù)完成相同的兩個產品之間的間隔時間。換句話說，即指完成一個產品所需的平均時間。生產節(jié)拍的計算公式如下:

式中，

CT代表生產節(jié)拍；

TW代表總工作時間；

Q代表總產量。

（3）生產線平衡。是指對生產的全部工序進行平均化，調整作業(yè)負荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近的技術方法。其目的是消除作業(yè)間不平衡的效率損失以及生產過剩。生產線平衡的計算方法公式如下:

式中，

P代表生產線平衡率；

S代表各工序時間總和；

D代表工位數(shù)；

CT代表生產節(jié)拍。

4 應用實例研究

4.1 仿真結果及分析

根據(jù)調研數(shù)據(jù)建立預組裝生產線的仿真模型，生產線布置圖如圖2所示。其中北面兩條生產線生產A型車，其余5條生產線生產B型車。圖中代表車體入口,代表牽車軌道，代表車體。

圖2 生產線布置圖

利用eM-Plant強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，實現(xiàn)了對A型車和B型車生產線產量的統(tǒng)計，為機車的生產決策提供了重要依據(jù)。

（1）A型車生產線。1條A型車生產線運行一年300 d，生產的車體數(shù)目為95節(jié)。A型車生產線評價指標如下：

P=S×100/（D×CT）=6×72/（6×75.8）=95%。

（2）B型車生產線。1條B型車生產線運行一年300 d，生產的車體數(shù)目為145節(jié)。B型車生產線評價指標如下：

（3）仿真結果分析。按照現(xiàn)階段年生產情況，A型車年產量190節(jié)，B型車年產量725節(jié)。由于該機車的A型車與B型車的數(shù)目比為1:3，所以能夠組裝95列機車，余下155節(jié)B型車。

綜上所述，B型車的產量過大，A型車產量過小。由兩種車體生產線的仿真結果可知，B型車的生產節(jié)拍要比A型車的快；兩種車體生產線的平衡率，臺位的利用率均達到90%以上，且保持在一個比較接近的范圍內，無需作出調整，只需平衡好二者之間的產量關系。

4.2 方案調整及驗證

（1）方案調整。該機車預組裝生產線的現(xiàn)狀是，B型車的產量過大，A型車產量過小，需要調整A型車的生產周期，從而達到兩型車的產量平衡，改進方案如下：

改變A型車的生產周期，是指調整A型車在每個臺位的預組裝工藝流程，縮短其臺位流水節(jié)拍時間，從而縮短整個生產周期。對A型車每個臺位的工藝流程作出調整，將臺位流水節(jié)拍縮短，與B型車的臺位流水節(jié)拍一致。

對仿真模型進行調整后，1條A型車生產線運行一年300 d，生產的A型車數(shù)目為145節(jié)。經計算得出，調整后的生產線可組裝出120列機車，余下50節(jié)A型車5節(jié)B型車。相比現(xiàn)狀95列有明顯提高，但A型車的產量還是過大。

分析上述結果，由于改進后A型車和B型車的生產節(jié)拍相同CT=49.7 h/節(jié)，但兩者生產線之比為2:5。由于車體數(shù)目之比為1:3，所以必然會造成A型車產量過大。需要對一條A型車的生產線進行調整，使其混合生產，即部分時間生產A型車，部分時間生產B型車。假定這條生產線年產X節(jié)A型車，Y節(jié)B型車，可列出方程組

經求解得出，X=108，Y=36。即一年 300 d，當該生產線生產108節(jié)A型車，36節(jié)B型車時，兩種車體的總產量之比為1:3，正好能組裝出126列機車。

（2）仿真驗證。為確保計算所得結論正確，需要對計算得出的數(shù)據(jù)進行仿真驗證。修改仿真模型，在混合生產的A型車生產線的入口Source處增加Method對象，用于記錄A型車生產線調整轉而生產B型車時的仿真時間，SimTalk程序如下：

if source.statNumOut>107 then

.Models.DEMO.EventController.stop;

print EventController.simtime;

end;

表示當入口Source處的退出車體數(shù)大于107時，仿真模型停止，在控制臺打印出仿真時間；否則仿真繼續(xù)進行。

調用上述程序，運行仿真模型得出：當A型車生產線生產108節(jié)車體時，仿真模型停止，仿真時間為216:00:07:17.7000。即在第216天，該條A型車生產線轉而生產B型車。剔除該程序，繼續(xù)運行仿真，當仿真時間為300:00:00:00.0000時，車體總數(shù)為144節(jié)，增加了36節(jié)B型車體。經過仿真驗證得出，調整方案成立。

（3）改進前后對比。機車預組裝生產線改進前后相關數(shù)據(jù)比較如表1所示。

表1 改進前后數(shù)據(jù)對比

從表中得知，縮短A型車的生產周期后，機車產量提高26列，為120列；縮短A型車的生產周期，一條A型車生產線混合生產時，機車的產量達到最大化，為126列。

5 結束語

本文研究表明，面對機車生產線生產節(jié)拍規(guī)劃及生產線平衡問題，運用eM-Plant仿真軟件，可以對基于生產線建模的生產情況進行全局物流仿真。通過物流仿真模型的運行，發(fā)現(xiàn)生產線中存在的瓶頸，并經推理驗證進行方案調整，從而，在一定程度上達到了優(yōu)化工藝，節(jié)約成本，提高效率的目的，進一步提高了機車生產水平。

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[4]Siemens Co.eM-Plant Version 6.0 User Manual[K].Munich:Tecnomatix Group，2006.

[5]齊繼陽，竺長安.基于DELMIA_QUEST制造系統(tǒng)仿真模型的研究[J].機械設計與制造，2010，(4)：113-115.

[6]劉明周，胡 震，郭 嘉，王 雁.虛擬制造環(huán)境下模特法的應用[J].機械工程師，2005，（4）：56-58

[7]劉興堂，吳曉燕.現(xiàn)代系統(tǒng)建模與仿真技術[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2011.

[8]Xu Zhiwei，Liu Yongxian.Mechanical Production Line Simulation and Optimization Analysis[J].Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics，2008，（9）:2925-2930.

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