基于Plant Simulation 的柔性作業車間仿真研究

楊振泰，黎向鋒，張立果，唐浩，李堃

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

柔性車間調度問題(flexible job-shop scheduling problem，FJSP)是對于傳統車間調度問題(job-shop scheduling problem，JSP)的拓展。JSP已經被證明是NP-hard問題，柔性車間調度問題增加了加工機器的不確定性，因而更加符合生產加工的實際情況，問題也更加復雜。

目前傳統的基于數學抽象對實際研究對象進行簡化，進而建立數學模型的方式還不能將實際生產情況考慮完整甚至與實際研究對象差別很大[1]。計算機仿真技術在制造系統方面的應用能解決數學模型建立不夠完善、不確定生產因素無法設置等問題。通過建立與實際生產系統具有相同生產資源、工藝數據的仿真模型，能以更加直觀的方式動態地展示實際生產情況[2]。

生產系統仿真軟件Plant Simulation(原eM-Plant軟件)作為西門子Tecnomix 數字化系列軟件之一，是一款面向對象的仿真軟件。該軟件能夠對復雜的生產制造系統進行仿真，并利用其自帶的Simtalk 編程語言實現生產資源之間復雜的控制邏輯。更重要的是，該軟件還具有豐富的工具庫，利用這些工具，使用者能夠方便地展現仿真模型運行效果并分析生產過程所產生的數據，從而可以為決策者提供豐富的決策依據。另外，該軟件還提供了強大的3D 可視化以及動畫功能。

1 仿真模型建立

1.1 調度方案

本文以KACEM[3]的8×8和10×10實例為研究對象，以最大完工時間Cmax最小為優化目標。其函數表達式為：

Cmax=min(maxCk)

(1)

選用經優化的理想調度方案，其甘特圖如圖1和圖2所示(因本刊為黑白印刷，如有疑問請與作者聯系)。由此，可以獲得調度方案的加工路徑信息和各機器的加工順序信息，對機器進行排產操作[4]，從而研究生產的不確定因素對于調度方案的影響。其加工信息如表1-表4所示，

圖1 8×8實例最大完工時間最小調度方案

其中表2、表4符號說明：J6∶1表示工件6的第1道工序。

圖2 10×10實例最大完工時間最小調度方案

表1 8×8實例工件的加工路徑信息

表2 8×8實例各機器上的加工順序信息

表3 10×10實例工件的加工路徑信息

表4 10×10實例各機器上的加工順序信息

1.2 仿真模型

圖3為8×8實例仿真模型，與10×10實例模型結構類似，由函數區域、表格區域、統計功能區域、模型實體區域4部分組成。其中函數區域主要包括劃分模型區域的函數MyRect，模型的初始化函數Reset，控制初始緩存區分發規則的函數Ready，根據加工工藝表POM控制設備加工順序的函數putM，零件某工序加工完成離開至下一個機器的控制函數Leave，將所有機器的加工信息寫入作業進度表Result_Table的函數WriteResult。統計功能區域主要包含甘特圖模塊、圖表分析模塊、HTML報告模塊和瓶頸分析器。模型實體區就是所建立的實體模型部分。

圖3 8×8實例仿真模型

2 實驗設置

實驗1： 將MTTR設置為2min。由于機器出現故障概率與機器使用時長大小成正比關系，所以將故障的產生關聯到機器的操作時間[5]。

實驗2： 通過設置緩沖區的處理時間來等效于設置物料在不同機器之間的轉運時間[6]。考慮到兩實例的最大完工時間長度，設置緩沖區的處理時間即物料在不同機器之間的物流轉運時間為2min，同時考慮機器故障和物料在不同機器之間的物流轉運時間兩種情況。

3 結果分析

實驗1：如圖4和圖5所示，由于機器故障的出現，一方面如果設備沒有處于加工工件的過程中會影響零件加工的開始時間；另一方面如果設備正在加工零件，則零件相應工序的加工時長會增加。如圖6和圖7所示，在設置機器故障信息情況下，兩工單的加工時長也分別從14min增加到21min和從7min增加到8min。說明故障對工單生產也有一定的影響。

圖4 8×8實例考慮機器故障工作情況

圖5 10×10實例考慮機器故障工作情況

圖6 8×8實例考慮機器故障的甘特圖

圖7 10×10實例考慮機器故障的甘特圖

實驗2：如圖8和圖9所示，綜合考慮物料的物流轉運時間和機器故障因素，緩存區有工作時長且設備出現故障情況。此實驗描述的車間場景更接近實際生產情況，調度方案的執行過程中也遇到多種可能出現的情況。如圖10和圖11所示，綜合兩種因素的實際加工情況更加復雜。工單的完工時間也進一步加大，兩個調度方案的最大完工時間分別從14min增加到了28min和從7min增加到17.5min。由此可見，在實際生產情況中，影響工單加工的因素有很多，制造系統的生產過程描述是一個非常復雜的問題。

圖8 8×8實例綜合各因素的工作情況

圖9 10×10實例綜合各因素的工作情況

圖10 8×8實例綜合各因素的甘特圖

4 結語

通過使用Plant Simulation軟件構建更加接近實際情況的柔性作業車間制造系統的仿真模型。將考慮不確定因素的調度方案放在仿真模型中執行，以研究故障和物流轉運對調度方案的影響。結果表明：物料的物流轉運時間和機器故障對于工單執行情況的影響較大，這些因素都會增加工單的完工時間。

圖11 10×10實例綜合各因素的甘特圖