基于Plant Simulation的涂裝線傳送帶容量的優化配置研究

徐責，宋小欣，付建林*,，李冉，林藍

基于Plant Simulation的涂裝線傳送帶容量的優化配置研究

徐責1，宋小欣1，付建林*,1，李冉1，林藍2

（1.西南交通大學 先進設計與制造技術研究所，四川 成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

為解決某企業轉向架檢修車間輪對涂裝線部分工位阻塞的問題，通過收集輪對涂裝線的現場布局、工藝與物流過程、加工工時等數據，利用Plant Simulation三維仿真軟件建立基于實際生產工藝的仿真模型。分析模型仿真運行后的數據，確定涂裝線在生產過程中存在瓶頸問題。針對輪對涂裝線存在的瓶頸問題，采用傳送帶容量優化配置的方法對輪對涂裝線進行優化。對優化前后的仿真數據進行對比分析，結果顯示優化方案降低了生產線工位的阻塞率，消除了瓶頸問題，提高了生產線的產能。

輪對涂裝線；Plant Simulation；轉向架檢修車間

由于高速動車組復雜的運行環境、復雜的運行線路以及較大的載客量，使得安全可靠、檢修快捷、運營流暢成為高速動車組需要達到的重要要求[1]。為了保證高速動車的運行狀態，我國將高速動車的檢修分為五個等級，我國對三級以上的檢修經驗不足，而三級以上的檢修，檢修范圍廣、工藝復雜，如何提高轉向架檢修效率成為亟需解決的問題[2]。

轉向架檢修車間具有大量制造生產要素，使用傳統方法無法全面了解生產狀況，也難以對生產實際提出優化方法并進行驗證。計算機仿真是驗證離散生產系統效率的重要技術手段，面向對象、圖形式集成的建模仿真軟件Plant Simulation，極大簡化了模型構建過程，并具有能實現人機交互的SimTalk語言[3]。

李慧等[4]基于Plant Simulation建立航空發動機葉片機械加工生產線仿真模型，通過優化加工工藝與優化緩存區并進行方針對比，達到了平衡生產線與優化阻塞率的優化效果；崔晶等[5]基于Plant Simulation建立復合材料生產線數字化仿真模型，對兩種生產線工藝布局進行量化分析與論證，選取更優方案指導實際規劃與運營；任運通等[6]基于Plant Simulation建立G汽車總裝車間動力合成線的三維仿真模型，在仿真模型中導入SPS（Set Parts Supply，零部件成套供應）物流供線模式后對模型進行分析與評估，并以此作為實際改造的決策依據；韓曉東等[7]利用Plant Simulation建立發動機檢測生產線仿真模型，借助仿真分析生產線設備負荷與瓶頸問題，通過增加緩存區來進行優化，實現生產線生產能力的提高。

本文依托Plant Simulation，對轉向架檢修車間中輪對涂裝線進行建模仿真分析，根據仿真得出的相關數據，找出涂裝線生產過程中影響產能的瓶頸，并對此提出生產線優化方案，從而提高生產線產能，對生產線實際優化改造提出理論指導建議。

1 輪對涂裝生產線流程

輪對涂裝線是某轉向架檢修車間的其中一條生產線，根據現場的實際加工情況，發現輪對壓裝生產線中的輪對涂裝線的傳送帶容量配置存在不合理的情況，導致底漆與面漆噴涂工位存在較嚴重的阻塞現象，使整條涂裝線生產量受到影響，所以本文主要對涂裝線中傳送帶的容量配置進行仿真優化研究以提高整條涂裝線的產量。該轉向架檢修車間主要檢修車型為CRH380A行動車組，在8輛編組中1號、8號車使用拖車轉向架，2號～7號車使用動車轉向架，即輪對涂裝線中主要為動車輪對，故本文采用動車轉向架輪對模型進行仿真研究。

表1 涂裝線工藝流程及各工序節拍、工位詳細信息表

圖1 涂裝線布局圖

2 仿真分析優化

2.1 涂裝線仿真模型建立

涂裝生產線中不同的工位進行不同的加工，Plant Simulation能夠根據對象不同的功能模擬不同的生產資源。

本文的仿真模型運用到的軟件工具與模擬的生產資源如表2所示。

為了提高Plant Simulation仿真模型的視覺效果從而更加真實地模擬涂裝線的生產過程，需要對Plant Simulation進行相應拓展，具體操作方法如圖2所示。.jt格式的模型占用的內存約為.wrl格式的十七分之一，能更好地提高模型仿真的流暢與可視化效果，因此最后使用.jt格式的模型來體現實際生產線的生產過程。

輪對涂裝線的CAD布局圖直接拖入到Plant Simulation中，按默認比例進行放置，從建立的用戶庫中拖出相應的實體模型并按照布局圖進行放置。根據涂裝線的生產工藝物流過程對各實體進行相應的連接，從而使模型真實反映實際生產過程，如圖3所示。

表2 軟件工具與模擬的生產資源對照表

圖2 Plant Simulation應用拓展操作流程

圖3 涂裝線仿真模型

根據現場實際情況對實體進行參數設置：

（1）在發生器參數設置界面中，根據現場實際加工情況設置產生輪對的時間間隔，并在MU選項中選取用戶庫中設置好的輪對模型；

（2）根據表1中的數據，設置輪對防護、底漆噴涂、面漆噴涂與防護拆除設備中同時加工零件數量、加工時間、準備時間等參數以及Conveyor中時間、容量等參數；

同時，費思立滿懷信心地說，有機肥、生物肥將迎來前所未有的發展時期，這主要得益于國家減肥增效、實施有機肥替代行動，以及提升耕地質量等政策的引導，企業也越來越意識到提升耕地質量，修復、改良土壤勢在必行。這也是許多肥料企業，尤其一些化肥生產企業將生物有機肥作為產品結構調整戰略性選擇的關鍵。

（3）流平、烘干、冷卻工序的Conveyor的長度根據CAD布局圖中的實際長度來設置，從而根據長度與工序的時間來確定Conveyor的傳送速度；

（4）本文主要研究各工序傳送帶容量的配置以提高整條生產線的產量，因此利用dialog模塊開發一個交互界面，能夠通過代碼將交互界面中設置的傳送帶容量設置到生產資源中，以更方便地設置各傳送帶的容量，如圖4所示。

2.2 模型仿真與分析

2.2.1 模型仿真

設置涂裝線仿真時間為30個工作日，該涂裝線所在轉向架檢修車間為8 h工作制，則模型仿真總時長為10天，在Plant Simulation的Home工具欄下選擇Open Event Controller設置仿真時間。點擊運行，模型運行到設定的仿真時間時，仿真自動停止。在模型進行仿真時觀察發現，底漆噴涂與面漆噴涂工位經常出現加工完等待的情況，導致這兩個工位存在較嚴重的阻塞現象，與現場生產線實際加工情況一致。

由于涂裝線仿真模型中，輪對防護、底漆噴涂、面漆噴涂與防護拆除均為同一工序存在多工位的情況，且互不影響彼此的加工，因此本文選用Parallel Station來模擬這幾個工序，并且在參數設置時，將Start processing when full選項取消選擇，來反應現場實際加工的情況。模型仿真運行結束之后，仿真報告如表3所示。

圖4 傳送帶容量設置交互界面

表3 涂裝線模型仿真報告

2.2.2 仿真結果分析

從表3的數據可以得出以下結論：

（1）輪對防護、底漆噴涂與面漆噴涂工序的平均阻塞率均高于20%。在一般的車間加工情況中，阻塞較為嚴重的工位的后續工位即為瓶頸工位，但由于底漆與面漆噴涂的后續工位的加工過程均在傳送帶輸送時完成，因此后續的流平、烘干與冷卻工序的傳送帶容量配置的不合理可能是造成之前工位阻塞的原因；

（2）底漆噴涂與面漆噴涂后的烘干工序工作率分別達到了99.58%與98.64%，且烘干之前的流平工序輸出阻塞率均高于50%，因此流平、烘干與冷卻工序的傳送帶容量配置的不合理可能是造成這三個工序利用率不平衡的原因。

基于上述由仿真結果得出的結論，底漆與面漆噴涂之后的流平、烘干與冷卻工序的傳送帶容量的配置不合理可能是影響整條涂裝線產量的主要原因，因此本文對涂裝線中六個傳送帶的容量進行優化配置，以提高整條涂裝線的產量。

2.2.3 傳送帶容量優化配置

針對上述涂裝線中傳送帶容量配置的不合理問題，在底漆與面漆噴涂后的流平、烘干與冷卻工序傳送帶總容量不變的前提下，通過開發的交互界面對傳送帶容量進行設置，如表4所示，優先分析每一個工序傳送帶容量增減對涂裝線產量的影響：

（1）保持底漆噴涂后的三個工序傳送帶總容量為18，不變動面漆噴涂后的三個工序的傳送帶容量配置。

（2）保持面漆噴涂后的三個工序傳送帶總容量為16，不變動底漆噴涂后的三個工序的傳送帶容量配置。

實驗中發現，在涂裝線產量沒有發生變化的幾種調整方案中，每個工序的阻塞與等待情況發生了變化。

基于上述不同工序傳送帶容量改變對涂裝線產量的影響，本文優先優化配置面漆噴涂后的三個工序的傳送帶容量，得到在傳送帶總容量不變的情況下，涂裝線產量最高的傳送帶容量配置方法。在得到產量最高的后三個工序的傳送帶容量優化配置后，對底漆噴涂后的三個工序的傳送帶容量進行優化配置，使涂裝線工序的阻塞與等待情況得到一定的改善。

最后本文提出如下的傳送帶優化配置方案：底漆與面漆噴涂后的流平、烘干與冷卻工序的六個傳送帶容量分別為4、10、4、4、9、3。由于不改變底漆與面漆噴涂后的三個工序傳送帶總容量，對涂裝線加工房間改動較小，所以上述優化方法具有現實可行性。

將仿真時間依舊設置為10天，再次運行仿真模型，得到優化后的仿真結果如表5所示。

表4 底漆噴涂后續工位傳送帶容量調整后涂裝線產量變化情況

表5 優化后涂裝線模型仿真報告

通過對優化前后的仿真數據的對比，輪對防護、底漆噴涂與面漆噴涂的阻塞率都由優化前的超過22%降低到了不足14%，同時每一個工序的阻塞情況都得到了一定的改善，如圖5所示。從優化前的1382提高到了1554，提高了12.4%，實現了本文對傳送帶容量進行優化配置的目標。

3 小結

針對某轉向架檢修車間中輪對壓裝線涂裝線的實際生產狀況，根據現場收集的涂裝線生產工藝、物流過程以及CAD布局圖，在Plant Simulation軟件中建立能夠反映生產實際的仿真模型，并對模型進行仿真分析，發現存在輪對防護與底、面漆噴涂阻塞率較高，并且烘干工序利用率過高。根據仿真分析結果并結合現場實際，對流平、烘干與冷卻工序的傳送帶容量進行優化配置，降低了工位的阻塞率，解決瓶頸問題，從而實現了產能的提高。

圖5 優化前后涂裝線月產量

[1]劉曉豐. 試分析高速動車組檢修運用安全質量研究[J]. 科技風，2019（19）：146.

[2]楊輝. 高速動車組轉向架檢修工藝設計原則探討[J]. 交通科技，2012（3）：71-74.

[3]方忠民. 基于Plant Simulation的離散生產系統仿真文獻綜述[J].物流工程與管理，2018，40（11）：70-73.

[4]李慧，孫元亮，張超. 基于Plant Simulation的航空發動機葉片機加生產線仿真分析與優化[J]. 組合機床與自動化加工技術，2019（7）：116-118.

[5]崔晶，李慧. 基于Plant Simulation的航空復合材料生產線工藝布局仿真建模及評估[J]. 航空制造技術，2019，62（4）：56-62.

[6]任運通，陸志強. 基于Plant Simulation的SPS物流模式可行性分析[J]. 物流技術，2016，35（11）：94-97.

[7]韓曉東，劉冬，叢明，等. 基于Plant Simulation的發動機檢測生產線仿真分析[J]. 組合機床與自動化加工技術，2015（11）：58-60，64.

[8]張智，李雨繁，徐雙霞. 基于Plant Simulation的產品生產線布局仿真研究[J]. 計算機與網絡，2019，45（7）：68-70.

[9]張倩，徐子奇. 基于eM-Plant的電力電纜生產線優化仿真[J].制造業自動化，2014，36（14）：43-45，50.

[10]周爾民，羅珊珊，張艷榮. 變速器生產車間布局設計與仿真優化技術研究[J]. 現代制造工程，2014（10）：109-113.

[11]吳文濤，朱華炳. 基于UML的橋殼生產系統仿真建模研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010（2）：95-97，101.

Research on Optimal Configuration of Capacity of Conveyor Belt in Coating Line Based on Plant Simulation

XU Ze1，SONG Xiaoxin1，FU Jianlin1，LI Ran1，LIN Lan2

( 1.Institute of Advanced Design & Manufacturing, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 26600, China )

In order to solve the problem of blocking part of the wheelset coating line of a company’s bogie maintenance workshop, through the data collection of the field layout, process and logistics process, processing time and other data of the wheelset painting line, the simulation model based on the actual production process was established with plant-simulation 3d Simulation software. By analyzing the data of simulation operation, it is determined that the bottleneck problem exists in the production process of coating line. In order to solve the bottleneck problem of wheelset painting line, the capacity optimization method of conveyor belt was adopted to optimize the wheelset painting line. The simulation data before and after optimization were compared and analyzed, and the results showed that the optimization scheme reduced blocking rate of production line positions, eliminated bottlenecks and improved production line productivity.

wheelset coating line；Plant Simulation；bogie maintenance workshop

TH181

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.004

1006－0316 (2020) 07－0022－06

2019－11－18

山東省重大科技創新工程項目（2017CXGC0608）智能工廠人機協同與虛擬現實增強現實技術

徐責（1995－），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要研究方向為物流仿真。

付建林（1978－），男，四川成都人，工學博士，講師，主要研究方向為制造系統仿真與優化，E-mail：jlfuhappy@swjtu.deu.cn。