多工藝階段柔性生產系統規劃建模仿真研究*

楊小佳，林若波

（揭陽職業技術學院機電工程系，廣東 揭陽 522000）

0 引言

計算機建模仿真（Modeling and Simulation，M＆S）技術已是人類探索與改造客觀世界的重要方式之一［1-3］。復雜的制造系統存在著大量線性與非線性的特征，傳統的理論研究難以有效探索其運作機理，而模仿建模技術往往是探索制造系統運行機理有效且唯一的選擇［4-7］。

建模仿真技術是制造業數字化的重要手段之一［8-9］。在生產系統的規劃階段，仿真技術所建立的數字空間能夠提前檢驗、統計所規劃系統的性能，進而識別瓶頸，改善規劃方案，提高系統的的可行性，縮短系統的建設周期［10-11］。生產系統的規劃問題總體上分為設計問題與調度問題兩大類［12］。其中，設計問題是確定各類加工資源的數量，包括車間布局、各類機床數量、物料運輸能力、緩存區容量與相關工裝夾具等，如文獻［13-15］研究了車間布局及資源配置問題。而調度問題是確實各產品零部件的加工的先后順序，如文獻［16-20］不同車間類型與環境下的排產問題。

定制化裝備制造車間為了滿足各種加工需求，會配置多種加工設備，并采用工藝導向布局，形成多個工藝階段的柔性生產系統。多工藝階段柔性生產系統在規劃上存在以下難點：（1）制造系統構成元素復雜性高。車間包含多工藝階段，各工藝階段間存在加工差異。單個工藝階段內也包含著多項加工資源可選；（2）零件加工過程的工藝需求與可選設備柔性度大；（3）定制化產品的出現的返工帶來的設備需求負荷波動性大。

本文的研究重點，一是構建參數自動化建模的可重用仿真模型，以解決多階段柔性制造系統構成元素復雜的問題；二是集成了多種調度規則、多維度的性能指標與統計分析圖表，以探索多階段柔性制造系統的運行機理，幫助決策者和工程師進行全面深入的分析，預測不同調度策略對系統性能的影響。

1 生產過程描述與假設

如圖1 所示，生產車間總體上包括4 個工序階段，分別是粗加工、熱處理、精加工和裝配工序。每個工序階段都配置有多種加工設備以滿足不同的工藝要求。為了研究的通用性，對車間與生產過程進行一定的簡化與抽象，詳細說明及假設如下。

圖1 多工藝階段柔性生產系統生產過程

（1）產品p生產將經過4 個加工階段，每個階段都配置有著多個加工單元。每個加工單元由加工設備、待加工區與待轉運區組成。不考慮人力資源的約束，即相當于人力資源無限大。

（2）生產訂單i 隨機到達，每個訂單為生產1 套產品，1 套產品由多個零件Ji裝配而成，裝配之前各零件j獨立加工生產。

（3）產品p所需零件集合Ji的每一個零件j都需要按順序經過粗加工、熱處理、精加工與裝配工序4 個階段，可視為流水車間Flow Shop。而在每個階段內（工序子車間），零件j將隨機且不重入經過多個加工單元，可視為不重入作業車間Job Shop。其中，零件在熱處理階段是批量上機加工的形式。而在裝配工序階段，同一套產品i下的所有零件齊套后才開始裝配。

（4）不考慮物料緩存區的約束，不考慮物料搬運的時間。因為這兩者的對于零件的加工成本且影響較小，因此忽略不考慮。

2 仿真模型構建

采用西門子的工廠、生產線及生產物流過程仿真軟件Tecnomatix Plant Simulation 11.3 作為開發工具，其具有面向對象建模與可視化程度高的優勢。如圖2 所示，為了實現上述的多工藝階段柔性生產車間的仿真，構建的仿真平臺總體下可以劃分為以下6 大功能模塊。

圖2 多工藝階段柔性生產系統仿真平臺

（1）仿真控制模塊。使用Dialog 組件實現交互界面，其功能包括兩方面：①參數自動化建模。通過界面輸入參數的形式，設置各工序子車間的加工單元數量、加工能力與訂單參數信息等內容；②仿真運行控制。用于設置啟動仿真前各工序子車間使用的調度策略、仿真時間長度、啟動仿真與結果查看等操作。模塊中的具體界面與實現邏輯在3.1 節中詳細介紹。

在堅實的證據面前，人們承認，達爾文是正確的，多種多樣的生物的確是進化產生的，上帝沒有賦予人特殊的高等地位。不過，人類還是認為的各種生物是沿著一個無形的梯子在逐步進化，越進化越高級。在進化梯子的頂端，是最高級的人類。這種理論完美的契合了人們“人是萬物之靈”的心理需求。從表面上看，也有了進化論的瓶子。但，裝的仍然是“人是萬物之靈”的舊酒。

（2）訂單生成模塊。由Source、DismantleStation 與Buffer組件構成，用于動態隨機產生訂單，并將訂單拆分為多個零部件工單。訂單的屬性有：訂單ID、零部件集合、各零部件工藝、訂單到達時間、交貨期、完工時間、提前期、拖期量等。

（3）生產過程模塊。該模塊實現了按照訂單及零件的工藝要求完成加工。采用Frame控件設置工序子車間，各子車間將在2.2 節中詳細說明。

（4）數據存儲模塊。該模塊使用大量二維數據存儲組件TableFile，存儲訂單生成模塊中的訂單及其所含零件的信息。此外，還包括了各工序階段中的在制品、待加工隊列及完工零件信息等。

（5）邏輯控制模塊。該模塊使用大量Method組件實現邏輯方法，貫穿整仿真過程，涵蓋了仿真平臺中所有的邏輯控制，包括：自動化資源配置、仿真的初始化、訂單數據讀寫、生產過程物流控制、零件及訂單完工統計與結果統計展示等。

（6）統計展示模塊。使用Chart 控件對仿真過程中的變量與最終結果進行展示。平臺統計的變量包括：在制品數量WIP、各階段提前期、訂單量完工情況與設備稼動情況等。

上述6 大功能模塊中，模塊1（仿真控制模塊）主要為用戶設置仿真前數據和仿真控制；模塊2 ～5 為實現產品的生產過程，即仿真運行過程；模塊6 為仿真結果數據統計與可視化展示。

2.1 參數化布局建模設計與實現

參數化布局建模的目標是通過輸入參數的形式自動生成對應的系統的狀態、加工資源數量及屬性，在模型里直接表現為增加或刪減模型中的控件。如圖3 所示，采用Dialog控件設計出參數化布局界面，其兩個作用是車間布局設置和訂單參數設置。同時，設置其Callback屬性，設置界面的回調函數，實現打開與按鈕點擊事件的響應邏輯，具體邏輯如表1 所示。

表1 參數自動化建?；卣{函數偽代碼

圖3 設施布局參數自動化建模交互界面

2.2 生產過程仿真設計與實現

生產過程可分解為生產信息與物流控制，仿真模塊2 ～模塊5實現了生產過程仿真的需求。數據存儲模塊，設計了如圖4所示的信息存儲表。其中，訂單詳情表、零件信息表與工藝路徑信息表是平臺全局范圍的信息。而工序子車間加工記錄表、加工單元待加工隊列表與加工單元加工記錄表的信息范圍是各個工序子車間與加工單元。

圖4 仿真平臺中數據存儲的概念模型

平臺中的信息流總體分為3 個部分：（1）訂單生成模塊中Source控件每間隔一段時間生成訂單并記錄相關信息到訂單詳情表中，拆分訂單DismantleStation 控件分解訂單，并隨機生成零件信息記錄到零件信息表與路徑信息表中；（2）當零件進入到工序子車間或加工單元時，則通過訂單ID與零件ID 查詢信息并記錄到相應的工序車間的加工記錄表、加工單元待加工隊列表；（3）當訂單或零件完工時，則記錄其完工時間并記錄拖期量、提前期等相關信息。

物料的流轉控制將在上述信息流的基礎上，基于事件觸發控制。當零件進入到工序子車間時，則觸發零件進入子車間事件。根據零件的訂單ID、零件ID 獲取到在該零件的工藝路徑，并流轉到首個工序加工單元的待加工隊列上。零件加工完成，則根據工藝路徑流轉到下一個加工單元，直至完成所有加工，再進入到下一個工序子車間。

2.3 工序子車間及調度規則設計

工序子車間由數據存儲表格、物流控制邏輯與加工單元等組成。加工單元由待加工區、待加工零件信息、加工設備、待轉運區與完工記錄表組成，如圖5 所示。加工單元的信息流與物流控制見2.2小節，這里重點提及的是加工中心的調度規則。調度規則的作用在于設備加工完當前工件后，根據車間與加工零件等信息，如當任務交貨期、當前加工所需時間、剩余加工時間等情況，綜合為每個待加工的零件計算一明確的優先度，從中選出優先度最高的零件上機加工。表2 所示為工序子車間采用的調度規則。

表2 工序子車間采用的調度規則

圖5 工序子車間加工單元基本結構

2.4 車間性能評價指標設計

如表3 所示，本文采用了提前期、交貨表現、在制品庫存與設備加工情況4 類指標。

表3 性能評價指標

3 仿真實驗與分析

將通過實驗探索仿真平臺總體的應用過程。首先，通過參數自動化建模界面設置模型參數，再通過仿真運行控制界面運行與查看仿真結果。實驗將包括以下兩個方面：（1）分析各工序子車間產能的相互關系，結合多種統計指標闡述各工序子車間產能的相互影響；（2）各工序子車間調度規則的性能分析，包括各規則對子車間與整體車間的性能影響。

3.1 各工序子車間的產能影響分析

表4所示為通過參數自動化建模界面設定的模型參數。

表4 仿真模型參數設定

通過仿真運行控制界面，如圖6 所示。

圖6 仿真運行控制界面

其中熱處理規則最小開機批量MBS 為熱處理機限載的60%，即240 kg。仿真時間長度為300 d、預熱時間為20 d與仿真次數為30 次。取多次仿真結果均值，仿真結果為圖7～9。從仿真結果可以得出：（1）熱處理子車間的生產提前期最長，設備稼動率最高，在制品的數量WIP也最多。因此，熱處理子車間是生產車間的瓶頸工序；（2）精加工子車間與粗加工子車間兩者的加工單元數量、加工需求與加工能力等都相等，但是精加工子車間的提前期、設備平均稼動率與在制品數量均小于粗加工子車間。這是由于零件加工是先經過粗加工與熱處理，再到精加工工序。而又因為熱處理工序是瓶頸工序，節流了部分零件，這也就抑制了精加工工序部分加工的需求；（3）結合多項仿真結果也從側面驗證了仿真平臺的有效性。

圖7 車間各階段提前期

圖8 加工設備稼動情況

圖9 車間在制品WIP情況

3.2 各工序子車間調度規則的性能分析

本節將分析各工序子車間采用不同的調度規則對子車間以及整體車間性能的影響。表2中粗、精加工與配裝工序調度規則按照構成屬性，選取面向工時的SPT與面向交貨期EDD為代表。而批調度規則選用最小開機批量為限載的60% （MBS-0.6）與最大等待時間為0（MWT-0）兩種。

在實驗開始前，為了更好地分析各工序子車間中采用的調度規則對車間性能的影響，在3.1 小節的基礎上調整各工序子車間的產能，使得各工序階段產能大體平衡。此處，通過多次預仿真實驗，調節訂單隨機到達的時間間隔與各工序加工時間的均值，最終達到車間總體平均稼動率為80%且各工序子車間設備稼動率大體相等的情況。

各工序子車間性能仿真結果為表5，數據均為各工序子車間的性能表現。規則1 為其余工序子車間所采用的調度規則，而規則2 為所評估的工序子車間所采用的調度規則。結果表明：（1）粗、精加工與裝配工序中，調度規則主要影響工序的提前期。因為SPT 規則優先加工工時較短的零件，有利于加速零件離開工序子車間的速度。再者，規則不影響加工單元的稼動率，這因為這兩者規則并不會改變設備的加工需求；（2）熱處理的工序的調度規則對工序提前期與加工單元的稼動率都有影響。這是因為相比較MBS-0.6 規則，MWT-0 規則是只要有待加工零件會開機處理，不等待的加工也即增加了設備的稼動率，也提升了零件通過熱處理工序的速度。

表5 各工序子車間性能仿真結果

組合規則對車間整體性能的影響仿真結果為表6，數據為整體車間的性能表現。規則1 為熱處理子車間采用的規則，而規則2 為粗、精加工與裝配子工序統一采用的規則。對比上一個仿真實驗，可以看出：（1）EDD規則在各指標上都優于SPT規則。這是由于SPT規則雖然在各工序子車間上能加速零件的完工，但由于是裝配型產品，裝配工序需要同訂單下的所有零件完工后才能開工。而EDD規則在調度上，同一套產品下的零件的交貨期相同，即各關聯零件擁有相同的加工優先度，有利于提高裝配的齊套性；（2）MWT-0 規則在提前期、拖期率與拖期量3 個指標中都優于MBS-0.6 規則，但其也存在設備稼動率提升的缺點。

表6 車間整體結果

4 結束語

本文以定制化多工藝階段柔性生產車間為研究對象，基于工廠仿真軟件Plant Simulation，構建一類包括粗加工、熱處理、精加工與裝配工序的多工藝階段柔性車間生產系統規劃仿真平臺。模型包括了仿真控制、訂單生成、生產過程、數據存儲、邏輯控制與統計展示6 大模塊。在詳細描述了各模塊的實現過程后，通過仿真實驗分析了析各工序子車間產能關系與車間多種調度規則的性能，驗證了模型有效性與探索了各調度規則對車間性能影響。實驗結果表明該仿真平臺能夠有效分析各工序階段產能均衡性與車間整體性能，幫助企業有效開展建設規劃決策。