虛擬仿真在總裝車間AGV產線中的應用研究

摘要：為滿足總裝車間對自動導引車（AGV）作為輸送載體的需求，對AGV設計方案進行優化，以增強AGV輸送系統的功能。依據某乘用車總裝車間的運營情況，設計AGV輸送線路，結合車間輸送設計方案、AGV自身特征、線體的運行邏輯及線體業務流程，利用西門子Plant Simulation軟件構建AGV輸送系統仿真模型，對不同節拍下AGV的數量進行分析。為滿足生產節拍，通過設計試驗管理器開展試驗設計（DOE），優化AGV的線體間緩存AGV的電池容量自動化工作站的充電時間和行走速度。優化后的AGV線路線體輸送效率提升了24%，AGV利用率提升了26%。

關鍵詞：總裝車間 AGV Plant Simulation 虛擬仿真

中圖分類號：TH186 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240023

Application Research of Virtual Simulation in AGV Production Line of Assembly Workshop

Zhu Bendong， Jiang Liang， Zou Ke

（Chang’an Automobile Company Limited， Chongqing 400000）

Abstract： In order to meet the demand of automated guided vehicle （AGV） as transport carrier in final assembly workshop， the AGV design scheme is optimized to enhance the function of AGV transport system. Based on the operation of a passenger car assembly workshop， the AGV conveying line is designed， and combined with the workshop conveying design scheme， AGV characteristics， the operational logic of the line and the line business process， the AGV conveying system simulation model is constructed by using Siemens Plant Simulation software soas to analyze the number of AGVs at different beats. In order to meet the production cycle time， the design of experiment （DOE） method is carried out through the design of test manager， and the charging time walking speed of the automatic workstation is optimized to cache the battery capacity of the AGV between the lines. After optimization， the conveying efficiency of AGV line is increased by 24%， and the utilization rate of AGV is increased by 26%。

Key words： Assembly workshop， AGV， Plant simulation， Virtual simulation

1 前言

當前，消費者對汽車產品的個性化、定制化需求更加突出，傳統流水線方式的批量化、單（少）品種的生產策略已經不能滿足市場需求，因此，按訂單生產（Make-to-Order）模式逐漸成為各主機廠的生產模式。以自動導引車（Automated Guided Vehiele，AGV）作為載體的柔性裝配線的機運系統采用5G網絡在線調度，取消了傳統的“固定式”裝配線，與自動揀貨、備貨拉料系統和成套零部件供應（Set Parts Supply）系統配合，大幅提高了作業靈活性。AGV生產線不固定裝配工位，根據實際裝配需求，調整AGV之間的安全間隙，實現工位節距、工位數量靈活可調，滿足不同工時車型的均衡化共線生產需求；通過系統調度，為不同配置車型規劃地圖，可實現不同的裝配路徑；因此，可以根據不同的產品、訂單量調節裝配任務，滿足個性化、定制化的需求。

總裝車間裝配零部件種類多、工藝設備和工具需求各不相同、工藝流程復雜、質量控制嚴格、各個控制系統互相關聯，對AGV的工藝線路、AGV數量、充電樁數量、充電時間及單車的電池容量提出了很高的要求，因此，在進行AGV線體規劃時，要綜合考慮裝配工藝、項目工時、生產節拍、安全需求、零件存儲區等。為確定生產線中AGV數量和配置，通過仿真對規劃的生產線（工藝線路、AGV數量、AGV的電池參數、充點樁的數量）進行仿真，發現潛在的風險，得出符合實際生產需求的AGV配置方案。

2 總裝車間AGV系統分析

2.1 總裝車間AGV概述

AGV最常見的應用有AGV搬運機器人、AGV小車，主要功用集中在自動物流轉運，隨著AGV技術的不斷發展，AGV在汽車領域越來越廣泛地應用在輸送主線及分裝線（內飾線、完成線、電池pack線、前后橋分裝線、儀表線、前端模塊線等），以及料倉機器人（Container Transfering Unit，CTU）倉儲和自動分揀、物流的無人配送。

2.2 AGV產線工藝布局

某汽車總裝車間生產線具有生產節奏快、多車型共線生產、裝配件數量多的特點，為提高工位平衡率和線體的輸送效率，降低人工裝配成本，采用AGV替代傳統輸送設備。其中采用AGV輸送的線體有內飾線、完成線、所有的分裝輔線及物流配送上線，本文研究的重點是內飾線和完成線，如圖1所示。

2.3 AGV網絡架構

AGV通過工廠5G網絡和局域網與充電樁、車間的制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）、線邊工藝設備、擰緊工具構成網絡架構，如圖2所示。

2.4 AGV運作流程

AGV系統主要由機器人中心管理調度系統（Central Mangement Server， CMS）、機器人控制服調度務系統（Robot Control System， RCS）、警告管理系統（Warning Mangentment System， WMS）、倉儲設備控制系統（Warehouse Control System， WCS）、監控客戶端組成。運作流程可劃分為訂單任務獲取、進入作業單元、離開作業單元、自動充電，完成流程需要MES、工藝設備、工具的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統等協同運行，具體如下：

a. CMS根據設定的訂單，給向AGV下發下一工位的指令，同時接收車身車輛識別代號（Vehicle Identification Number，VIN），AGV按照設定路徑、速度運行，準備進入作業點。

b. AGV進入自動化工作站，WCS與設備PLC進行信息交互，得到允許后，進入作業點。在交互過程中，如果工藝設備出現故障， AGV自動停止運行。

c. 作業完成后向CMS和MES反饋完成信號，進行信息比對，MES檢驗作業是否完成，若完成則下發完成信號，AGV按照設定路徑、速度移動離開作業點，并反饋離開信號。若未完成，則AGV在工位末設定點等待。

d. 在運行過程中，若遇到車體的跳入、跳出或清線，工藝設備控制系統根據實際需求，下發特定字符用于標識空車。

MES、工藝設備PLC、AGV控制系統及本體之間的控制關系如圖3所示，其中MES與AMS控制系統之間的交互采用rest協議，工藝設備PLC與AMS控制系統采用傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP），自動定位導航（Autonmous Mobile Robot，AMR）控制系統實時控制AGV，可在AGV控制系統中查詢AMR實時點位、電量、AGV編號、速度等信息。

3 AGV產線仿真設計

3.1 仿真方案制定

3.1.1 仿真目標

仿真范圍從白車身由涂裝車間進入總裝前的緩存區（Painted Boby Store，PBS）開始到成品車下線為止，研究的主要目的是對總裝車間AGV線體的運行進行全面評估和優化，為總裝車間規劃方案提供數據支持和決策依據。整個AGV輸送線路已經基本規劃完成，但對各區域的AGV具體數量、充電樁和AGV選型（電池、充放電速度等）僅有初始方案，需要通過系統仿真進一步優化。為提高分析效率，以AGV內飾裝配線為例進行說明，仿真模型的目標有：

a. 基于車間的生產工藝流程，搭建整個生產線的（含分裝線、物流輸送）仿真模型，按照任務清單對線體進行動態分析，確認影響節拍提升的瓶頸工位，分析制定措施。

b. 確認不同節拍下AGV的最優數量，分析AGV數量對產能的影響，根據AGV設計方案及單體配置，仿真得出線體達到的最大每小時產量（Jobs Per Hour，JPH）。

c. 采用參數化建模技術，開發通用的AGV仿真平臺，根據AGV的目的地、行走路徑，利用仿驗證AGV個體的電池性能（容量、基本耗電量、充電電流等）在不同節拍、不同工位的行走速度、加速度、線體的充電樁數量條件下的可行性。

d. 根據設定的工藝流程，驗證不同節拍下單個電源點的充電時間，涂膠、自動擰緊等靜止裝配的自動化工作站的停止時間等。

3.1.2 仿真平臺選擇

本文選用西門子Plant Simulation 16.0版本仿真軟件，該款軟件為建模、仿真運行和顯示提供了圖形化與集成化的工作環境，可對工廠生產線生產瓶頸、AGV選型對生產效率的影響等進行分析，得出最優的解決方案。軟件可提供各種類型的模塊庫，針對不同規劃方案的實際特點進行分析。

3.1.3 仿真輸入數據

仿真模型基于輸入的規劃數據運行，因此，輸入數據的準確性直接決定仿真模型的準確性和可靠度，在開展仿真建模前需根據仿真的目的梳理需要輸入數據的清單，按照數據清單收集數據并復核數據準確性，根據仿真目標，需要的仿真基礎數據如表1所示。

3.2 AGV系統模型搭建

3.2.1 模型結構設計

總裝車間包含多個線體和功能模塊，為保證模型的清晰性和高效性，建模時首先需要設計模型結構，遵循清晰、高效和靈活的原則，即結構設計應反映總裝車間功能模塊之間的關系，保證不同模塊間的協調配合，同時滿足模型變化和擴展的需求[2]。

因此，模型結構按照“車間主模型-單線體模型-模型對象”的方式進行設計，建模時應按照模塊化分層式建模，類庫中的文件夾通常分為3個層級，如圖4所示：

a. 第1層（紅色框標注）為總文件夾，以車間名稱命名，本次項目分為工藝和物流2個文件夾。

b. 第2層（綠色框標注）分為模型（Models）文件夾和對象（ModelObject）文件夾，模型文件夾內創建工廠/車間主體框架及建模者定義的下一層級框架，對象文件夾內創建建模所需的基礎對象。

c. 第3層（藍色框標注）包含次級框架和基礎對象，根據實際情況進行分類存放。

3.2.2 模型類庫搭建

模型結構創建完成后，根據生產車間的特性，對建模所用的對象進行分類，創建對應的類庫。

Plant Simulation對象有繼承類屬性的特性，建模時提取相同邏輯的模塊建立一個類，模塊的工藝邏輯、物流消耗等功能在類中完成，在對模型進行完善時，只需要對類進行操作，對應的實例對象繼承的屬性值均會隨之改變，這種特性可以提高建模的效率，減少建模工作量。

創建模型類庫時先將具有相同邏輯的功能模塊劃分為一個類，可分為如下類型：

a. 根據區域屬性，在類庫中將工藝線分為多個子模塊，將工藝模型分為內飾線（TA）、底盤線（CA）、完成線（FA）、車門線（DA）、前端模塊線（FM）、儀表線（IP）、發動線（PT）等模塊，如圖5所示。

3.2.3 導入基礎數據

根據車間規劃方案，計算得出表1中的數據，詳細得出各個轉接位置、自動化工作站、充電樁處、軸距切換工位、同步化物流小車（Set Patrs System，SPS）上線點等位置的AGV運行速度及停止時間。將各線體的速度導入主模型表格，并設置AGV的基礎參數，如圖8、圖9所示。

3.3 搭建模型

3.3.1 導入AGV線體布局圖

利用仿真軟件Plant Simulation進行建模，將車間CAD圖按照1∶1的比例導入軟件中，根據平面布局圖搭建AGV運行路徑，標注出線體轉接點、充電樁、SPS小車的上下點、自動化工作站等對應關鍵位置點。

3.3.2 物理模型搭建

從類庫中拖放合適的類到模型中，按生產線實際情況對模型進行布局設置，按照工藝流程對模型中的各個實體建立關系連線并進行相關的參數設置。

3.3.3 邏輯模型搭建

仿真模型邏輯是整個模型的核心，邏輯可以分為規則和數據，并遵循規劃的實際方案：

a. 規則是物流規劃方案中車間實體的運行方案，決定車間各實體的行為和交互方式，如車體的傳送方向、工位對車體的處理方式等。

b.數據是模型運行中存儲和處理信息的方式，包含靜態數據、動態數據和事件數據等。

數據和規則的相互作用決定模型的運行方式和結果。數據和規則通過Sim-Talk語言編寫程序對模型進行控制，圖10所示為AGV充電和運行速度控制函數。

3.3.4 UI交互界面

Plant Simulation軟件的Dialog支持二次開發，根據用戶的需求，開發用戶界面（User Interface，UI）操作界面，開發遵循易用性和完整性的原則，通過UI實現對仿真模型的參數修改、仿真結果的優化和輸出等[3]。本平臺的UI支持直接導入本地Excel數據和從車間MES數據庫導入物料清單（Bill Of Material，BOM）、工藝數據。

按照上述步驟和原則搭建裝配車間模型，如圖11所示。

3.4 仿真試驗設計

模型創建完成后，需要進行仿真試驗來分析并優化最初制定的仿真目標。在研究過程中，采用試驗設計（Design Of Experiment，DOE）工具，找出影響試驗結果的可能因子，通過改變輸入因子變量，研究對輸出結果的影響，從而找出最佳的投資方案。本文以內飾線為例，利用Plant Simulation提供的試驗管理器，分析線體的瓶頸工位、AGV數量及電池選型對節拍的影響，并比較不同方案下的仿真運行結果。

線體AGV投入數量和電池電量直接影響生產線的生產能力、運行效率和投入成本。因此，為模型設置AGV數量、電池電量后進行分析。修改生產節拍、AGV參數（速度、加速度、充電電流）等后運行模型得到結果，同時查看自動參數被更改后對模型產生的影響。

3.4.1 AGV數量與生產節拍試驗設計

模型中初始AGV數量為36臺，運行模型可知車間產能不滿足規劃的要求。為該模型設計一個試驗管理器，仿真時間為24 h，以分析模型的最大承載車輛（假設電池滿足使用要求），使系統運輸效率達到最高。試驗管理器的輸出值（每小時吞吐量、貨物平均壽命、產量）、輸入值（發車數量）和試驗設計增量如圖12所示。

3.4.2 AGV電池選型與節拍試驗設計

參照AGV數量仿真，建立AGV電池仿真模型，通過多個仿真試驗確定最佳的充電電流。根據輸出產能與AGV電流的關系確定最佳的充電電流。

首先定義一個輸入值、輸出值，如圖13所示。

設定連續仿真時間為24 h，試驗次數為26次，每個試驗的觀察次數改為3次，單次試驗取3次觀察值的平均值作為目標觀察值的輸出結果。

4 仿真數據分析

模型設計完成后將車間信息管理系統中的生產節拍、裝配明細加載到模型中，仿真結果能直觀展示影響節拍提升的瓶頸工位、不同生產節拍最優AGV的數量、AGV的電池使用情況。通過分析仿真結果，確認影響節拍提升的瓶頸工位，制定優化措施并通過仿真計算得出科學且貼近現實情況的AGV產線配置方案。

4.1 分析影響節拍提升的瓶頸工位

如圖14所示，隨著AGV數量的增加，產能逐步提升，當AGV數量為38臺時，系統產能最高，為33.6 JPH，AGV數量繼續增加產能反而降低。

該生產線設計節拍為40 JPH，數據落差較大，原因是此系統的自動化工作站、線體轉接工位和SPS小車上下點等位置通行時間長，車輛易堆積，產生瓶頸工位。

利用瓶頸分析器，得出自動化工作站、線體轉接工位和SPS小車上下點等位置的統計信息，輸出不同工位的利用率，發現自動化工作站、物料小車上線點的利用率最高，且該工位前的工位存在堵塞，后工位存在等待，所以確定該工位為內飾線的瓶頸工位，如圖15中紅色框圖所示[4]。

結合生產實際情況分析，制定以下措施以提高產線的節拍：

a. 優化自動化工作站點位間移動時間，各個關鍵點位間的移動時間可降低約20 s。其中，對接點減速距離由1 m調整為0.5 m，離開充電點開始加速距離由1 m調整為0.2 m；優化AGV與產線、工藝設備的信息交互方式，由靜止狀態交互調整為移動交互，減少數據交互等待時間。

b. 自動化工作站前增加一個緩存，減少10 s等待時間，同時擠膠工位等待車輛不進入，避免玻璃提前擠膠，規避質量風險。

c. 優化SPS小車上下線速度，在SPS小車上下線工位增加工藝速度（速度為100 mm/s），彌補靜止對接的時間，實現AGV舉升臺移動中升降，減少相互等待。

將改進后的參數更新至仿真模型中，通過對比改善前、后的輸出數據可知，內飾線的瓶頸工位已消除，內飾線的運行節拍平順。

4.2 AGV投入臺數分析

首先對新的模型進行AGV數量分析，得到圖16，由圖16可知，當AGV數量為40臺時，系統產能最高，為39.918 JPH，綜合考慮生產的實際情況和成本，在現有36臺AGV的基礎上新增6臺（40臺線體運行，2臺備用）。

4.3 AGV電池充電電流分析

在進行AGV設計時，需要選擇合適的電池容量和充電電流，通過運行試驗管理器得到AGV數量與生產節拍的關系，如圖17所示。

由圖17可知，當電池電流為46 A時，節拍為39.6 JPH，滿足設計目標?？紤]到現場的使用效率和極端天氣，充電電流需達到69 A（48/0.7=69 A，充電效率為0.7），為滿足規劃要求，需要更換AGV電池（現方案電池電流為50 A）。

根據仿真結果，更換AGV電池增大AGV的電池容量（由50 A·h變為100 A·h），同時更換充電樁提升充電電流（由50 A提升至100 A），單個充電樁的充電時間可降低20 s，滿足現場的使用要求。

5 結束語

以某工廠的總裝車間生產系統的AGV輸送線為研究對象，建立AGV輸送系統仿真模型和AGV輸送系統的評價指標，并通過優化措施使得AGV生產線滿足設計節拍，主要成果如下：

a. 搭建生產線2D仿真模型，按照任務清單對不同節拍下的AGV運行速度、電池選型、充電時間進行分析，確認影響節拍提升的瓶頸工位，制定優化措施滿足規劃要求。

b. 對消除瓶頸工位后的AGV輸送線路進行建模分析，根據任務清單及AGV單體配置，得出內飾線線體的最大產能和最優的AGV投放數量。

c. 利用Plant Simulation軟件構建AGV輸送系統仿真模型功能模塊，按需調整生產節拍、運行速度、停留時間等參數，通過試驗管理器對AGV的基礎數據（BatCapacity、BatDriveCons、BatBasicCons、BatChargeCurrent）的運營性能進行評估，驗證可行性。

d. 根據設定的工藝流程，采用DOE優化產線的AGV數量和電池選型，驗證不同節拍下自動化工站、充電點等重點工序的可行性。

參考文獻：

[1] 于佳喬， 張孜毅， 李巖. 基于Plant Simulation的車間調度優化仿真[J]. 長春工業大學學報， 2021， 42（3）： 53-58.

[2] 郭家興， 袁逸萍， 王波， 等. 基于Plant Simulation的裝配車間仿真優化研究與應用[J]. 工業控制計算機， 2023， 36（1）： 129-130.

[3] 宋文， 索鳴陽， 楊杏梅， 等. 基于Plant Simulation的航空用柔性制造系統仿真優化[J]. 機電工程技術， 2023， 52（2）： 273-277.

[4] 李世榮. 數字化工廠實踐指南Plant Simulation系統仿真與建模手冊[M]. 北京： 北械工業出版社， 2021.

作者簡介：朱本東（1981—），男，工程師，學士學位，研究方向為自動化控制。

參考文獻引用格式：

朱本東， 江亮， 鄒可. 虛擬仿真在總裝車間AGV產線中的應用研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 55-62.

ZHU B D， JIANG L， ZOU K. Application Research of Virtual Simulation in AGV Production Line of Assembly Workshop[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 55-62.