基于Plant Simulation的壓氣機葉片型線加工產線分析與優化

李春興,徐健,易泰勛,王琨,吳海峰,胡誠誠

(中國東方電氣集團 東方汽輪機有限公司工藝部,四川 德陽,618030)

0 引言

生產線仿真技術是實現數字化工廠的關鍵技術。通過計算機軟件的仿真,可以在制造生產前期,對制造過程進行評估,對制造工藝進行檢驗,同時也可以找出并解決出現的各類問題。相對于試運行,生產線仿真可以有效地降低成本,減少各類制造工藝不合理的問題,驗證規劃設計可行性,縮短產線設計周期。

隨著系統仿真技術的快速發展,生產線仿真技術在我國制造業中的研究與應用也越來越多。秦德金等[1]以多機器人分揀系統為研究對象,基于Plant Simulation對路徑規劃算法系統性能以及系統最大日分揀任務量進行了分析,確定了最佳移動機器人的數量。李慧等[2]針對某航空發動機葉片機械加工生產線,從產能、設備利用率、緩存區設置等多方面進行了仿真分析與優化。

對于離散制造企業,離散事件系統狀態遷移發生在離散事件點上,解決離散事件問題的有效手段就是離散事件仿真技術[3]。此次以規劃設計階段壓氣機(F型)葉片型線生產線為對象展開研究,基于Plant Simulation[4]平臺建立生產線的仿真模型,從產能、設備利用率、線邊緩存等方面進行產線性能評估,以此為依據對葉片型線機械加工生產線進行優化。

1 生產線初步規劃

某廠葉片車間[5]有多條生產線且加工產品雜,生產葉片種類包括用于燃汽輪機、核電汽輪機與火電汽輪機,企業抓住改革契機,聚焦葉片關鍵生產工序,率先規劃壓氣機型線加工生產線。

葉片是壓氣機的關鍵零件,又是最精細、最重要的零件之一,是高速旋轉給空氣做功提高空氣壓力的部件。型線加工是葉片加工的重要環節,直接影響壓氣機增壓的總效率。圖1為某廠型線加工產線示意圖,具有以下特點:

圖1 壓氣機葉片型線加工黑燈產線示意圖

1)小批量,每個機組用的葉片不一樣,每一級葉片幾十件到上百件;

2)種類多,機型多,可以根據客戶需求定制機型,新機型設計種類多,通流優化周期短。

某廠產線數字化轉型初步規劃中,物流運行邏輯圖見圖2。

圖2 物料轉運邏輯圖

2 壓氣機葉片型線加工產線建模

2.1 邊界條件與仿真目標

將覆蓋全部法拉利機群的加工產品種類作為輸入,構建產線機床模型和物料調度邏輯模型,關于輸入數據、考察數據及規劃方案指標見表1及表2。

表1 初步規劃方案指標

表2 仿真輸入數據定量與考察數據變量

2.2 仿真假設

依據初步規劃進行初始假設:

1)設置為無限產能的輸出(廠內訂單連續);

2)1臺機床對應一類葉片產品,壓氣機沖動式與反動式葉片分開仿真;

3)考慮機床換模時間,每天的工作時間為21 h,全年按照300 d計算;

4)初始狀態:創建AGV,1號線上料位空,1號線下料位空托盤1個,線邊料庫存放5類共計60只葉片;

5)AGV每次上料只上一種產品,AGV托盤容量為12件/個;

6)生產開始之前1號線、2號線、3號線下料接駁點,檢測工位下料接駁點、不合格品線邊庫都已放置好空托盤;

7)無新產品種類的加入。

2.3 壓氣機葉片型線加工產線模型建立

1)葉片型線加工產線描述

某廠規劃一條葉片型線無人值守機加工生產線,該線承接多種壓氣機小型葉片的型線機械加工任務,擬實行全天無人值守運行,采用機器人進行工序間周轉及上下料,年產合格葉片數量達到6萬件。該生產線主要承擔葉片的粗銑、精銑以及三坐標檢測等工序,加工工藝流程圖見圖3。該生產線仿真主要關注4個方面:

圖3 加工工藝流程圖

a)規劃產能是否合理,能否達到;

b)主要設備平均利用率85%是否合理;

c)空托盤轉運站空托盤容量;

d)產線穩定運行的最小庫存量。

2)設計邏輯策略

基于圖2物料運轉策略制定仿真策略如下。

a)初始化操作

初始化表格、變量,設置機床加工時間,在1號線、2號線、3號線的AGV下料接駁點放置空托盤,產生AGV、機器人1、機器人2、機器人3,并設置機器人1、機器人2、機器人3及AGV的初始狀態,設置AGV的任務列表并每隔1s刷新。

b)投料策略

設置立體庫模型:循環產生15種葉片。規劃產線的年產量為6萬件,仿真輸入為15種壓氣機葉片,按照表格命令循環上料。

c)生產過程

壓氣機葉片(F級)黑燈產線主要完成加工、檢測工藝流程,15臺小法拉利機床均可實現任意一種葉片的加工,2臺檢測設備均可實現任意一種葉片的檢測。按照1臺機床對應一類葉片產品進行加工。

d)物流邏輯

生產開始,AGV從立體庫下料接駁點處取滿載的托盤運至1號線、2號線、3號線的上料接駁點處。編程設定后續AGV可能被調用的情況,即可能接受指令的情況:

Ⅰ)1號線、2號線、3號線上料接駁點托盤為空,需轉運空托盤至托盤庫KTP;

Ⅱ)XBK1、XBK2、XBK3、… 、XBK15(XBK為線邊庫)任意一個為空,需補充上料對應的葉片;

Ⅲ)1號線、2號線、3號線下料接駁點托盤滿載,需轉運滿載托盤至檢測上料接駁點,并從空托盤庫轉運新的空托盤至相應下料接駁點;

Ⅳ)檢測工位上料接駁點托盤為空時,需轉運空托盤至空托盤庫KTP;

Ⅴ)檢測工位下料接駁點托盤滿載時,需轉運滿載托盤至成品庫,并空托盤庫轉運新的空托盤至相應下料接駁點;

Ⅵ)檢測工位不合格品線邊庫滿容時,需轉運托盤至不合格品庫,并空托盤庫轉運新的空托盤至相應下料接駁點。

其中,Ⅰ)的優先級高于Ⅱ),Ⅳ)的優先級高于Ⅲ),其他的以實時任務排序為準。

e)AGV調度

在上述需要調用AGV的時候,將物料轉運的出發地和目的地寫入agv_table,通過agv_table記錄AGV的調度任務。

f)Track傳感器控件

Track上共設置13個傳感器控件,都用Sensor Method進行控制,AGV在傳感器所在位置的動作:停止、運動、上料、下料。

3)壓氣機葉片型線加工黑燈產線仿真模型的建立

仿真運行過程嚴格按照規劃設計方案的物料加工工序運行流程,移動機器人行走速度設為1m/s均速,壓氣機葉片裝夾與卸載分別設置30s與5s,下料設置5s。生產線中設置有線邊庫與檢測單元上下料緩存區,加工完成后通過對AGV編程設置判斷準則,即檢測單元上料接駁臺有空位置才運送否則持料等待。擬設三班倒制。仿真模型見圖4。具體設置如下:

圖4 壓氣機葉片型線加工黑燈產線仿真模型

a)仿真實行三班倒制,仿真運行一年時間;

b)打造黑燈產線,要求成品每個都檢測;

c)產品合格率按97%設置隨機數;

d)保證物料源充足;

e)加工時間嚴格按照采集對應每種葉片的加工時間設置。

3 壓氣機(F型)葉片型線加工產線仿真分析與優化

3.1 產能情況

如圖5所示(本刊黑白印刷,相關疑問請咨詢作者),整線日均產能為242件。1號線日均產能為102件,2號線日均產能為95件,3號線日均產能為85件。則整線年產能為242×300=72 600件,高于目標產能6萬件/年。

圖5 各條線日均產能

3.2 設備利用率

由圖6可知1號線、2號線、3號線設備均超過了目標設備利用率85%的要求。

圖6 3條線機床利用率

3.3 最小庫存情況

通過仿真得出3條線日均上料數量情況(圖7),可以推測出生產線每日最小庫存數量,即保證產線正常運行,庫存不得小于285件葉片。

圖7 3條線日均上料數量

3.4 空料箱循環站容量分析

設置空料箱循環站,仿真穩定運行后,空料箱循環站數量隨時間變化趨勢見圖8。由圖可知設置循環站空托盤的數量一直小于20個。

圖8 空托盤數量曲線

3.5 產線瓶頸分析

一般來說,瓶頸設備的設備利用率較高,待加工的在制品堆積數量較大。1號線、2號線、3號線在制品量隨時間變化見圖9。圖中黑色為3條自動產線在制品量之和,藍色代表1號線,綠色代表2號線,紫色代表3號線。

圖9 3條線在制品數量

現提取的是部分日期的葉片數量,從全局來看整線及各條線在一年穩定加工中出現的頻率見圖10。

圖10 各條產線整年在制品數量出現頻率圖

仿真發現檢測工位待加工在制品量隨時間增加的趨勢,一段時間后出現嚴重的物料堆積,即為瓶頸工位(圖11)。

圖11 穩定后期檢測工位待檢品數量

3.6 規劃方案優化

由上一節可知,檢測單元為瓶頸工位,在模型中增加1個檢測工位,產能見圖12。由圖可知整線日均產能為252件,1號線日均產能為102件,2號線日均產能為95件,3號線日均產能為85件。年產量為:252×300=75 600件;1號、2號、3號的單線日產能較之前沒有變化,但是整線日均產能提高了10件,年產量提高了3 000件。

圖12 優化后的產線產能

圖13為優化后檢測工位在產線運行穩定后的待檢品數量變化曲線,可知,增加了一個檢測工位后,待檢品數量不再持續增加,而是比較平穩地處在區間0～36件變化,極大縮短了葉片的成品檢測等待時間,使產線更加平穩運行。

圖13 優化后檢測工位在制品數量

4 結語

本文利用Plant Simulation構建了仿真模型,通過分析對規劃階段的生產線進行了初步優化,提高了加工生產線性能。從仿真結果來看有以下建議:

1)立體庫葉片數量單日最少儲存量為285件;

2)空托盤循環站的空托盤數量不小于20個。

基于Plant Simulation專業軟件1號線、2號線、3號線設備利用率均為90%以上,高于目標85%;按照每年300 d,21 h/d進行仿真,年產能為7.2萬件,高于目標產能5.25萬/年。

從改善后的結果可以看出,產能增加了,年產能可達7.56萬件,生產線性能得到了一定程度的提高。研究結果表明,企業在生產線規劃設計階段,通過生產線系統仿真能夠有效地分析出設計方案可能存在的問題,對提高生產線設計質量和設計效率有重要意義。