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最新消息| 應用于離散系統的智能起重設備物流仿真技術* | 2021-06-23 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://baijiahao.baidu.com/s?id=1671190116272299293&wfr=spider&for=pc" 起重運輸機械發布時間：07-0318:11作者：吳慶祺 李文杰 蔡昌偉 孫秀軍0 引言近年來，隨著工業化和信息化的不斷深度融合，制造業的網絡化、智能化蓬勃發展，自動化物流系統在工業中得到廣泛應用。倉儲管理系統、智能物流輸送系統、智能分揀系統等大大提升了制造業的運行效益。自動化物流系統在提高效率的同時也給企業規劃者帶來新的挑戰，如更龐大的物流系統、更復雜的物流規劃、多系統集成等問題。傳統的規劃方式，在項目前期若需檢驗一個系統是否符合設計既定要求，只能依靠理論的設計計算，通過工程師計算出來的數值來衡量并基于過往的經驗進行推斷，但在龐大物流系統中往往涉及多目標優化等復雜規劃問題，計算很復雜甚至可能無法計算，項目的驗收需在系統實際運作一段時間來檢驗，這樣的工作方式在實際項目中往往需要消耗大量的時間，風險成本高，這種企業一直以來應用的傳統規劃方式更加無法適應新時代的智能物流的要求。本文借助計算機物流仿真技術來模擬復雜的現實物流系統，搭建虛實的映射數字化雙胞胎模型，在項目前期利用虛擬樣機模型來模擬現實系統運行，提前發現規劃問題、物流瓶頸等，提前給予方案優化，在自動化物流系統中物流仿真技術可以解決多設備協同調度、多目標優化等復雜系統規劃問題，驗證智能設備調度策略的可靠性和工藝布局設計的合理性，輔助企業規劃者更合理地完成物流系統的設計和規劃。1 起重機設備模型建立根據實際項目需求，對物流系統中涉及的物流輸送設備進行仿真模型搭建，用于模擬實際設備運行。1.1 設備三維建模根據設備機械設計參數，運用SolidWorks、ProE等計算機三維設計軟件，對設備的零部件結構進行三維建模，通過虛擬裝配完成設備整機的三維模型搭建。將三維模型轉換成3ds、wrl、stl 等主流三維外觀格式，用作設備的數字化樣機的三維外觀，圖1 為搭建的電磁掛梁起重機模型三維外觀。圖1 電磁掛梁起重機模型三維外觀1.2 設備動作運動學模擬根據所仿真的對象設備的功能，分析設備的動作特性，將設備所包含的驅動機構進行動作分解，按照設備一個正常工作循環為周期進行運動學分析，例如，一臺常規的橋式起重機有3 臺驅動機構，分別負責：1）大車整車沿廠房軌道方向行走，運動學中將其定義為x 軸方向運動；2）小車在橋架軌道方向行走，運動學中將其定義為y 軸方向運動；3）驅動卷筒通過鋼絲繩帶動吊具完成升降，運動學中將其定義為z 軸方向運動。3個方向的運動各有其加速度、減速度和最大速度等運動學屬性。在計算機中利用Flexsim 仿真平臺搭建設備數字化樣機，并運用C＃計算機編程語言完成每個驅動機構的運動模擬。但往往設備正常工作時設備內的機構并不是獨立運行的，設備PLC 中會編制各種控制邏輯和條件完成一些機構的動作聯鎖、動作協同和動作觸發條件等，在所搭建的數字化樣機中運用可編程語言控制機構運行邏輯，模擬實際PLC 中的設備機構控制邏輯，例如起重機整車x 軸行走和小車y 軸方向行走的動作同步、吊具動作的聯鎖等，圖2 為起重機的運動分析：動作1 ～ 3為吊具上升運動曲線，動作4 ～ 8 為橋架小車同步運動曲線，動作9 ～ 10 為吊具下降運動曲線。根據起重機一個工作循環中所有機構的運動情況及運行參數在計算機中搭建仿真虛擬樣機，使仿真模型與現實設備運行節拍一致，并替換上所搭建的設備三維外觀，使虛擬樣機可以對設備在現場的運行情況進行三維模擬，讓虛擬樣機最大程度接近現實設備運行狀態。圖2 起重機一個工作循環機構動作分析2 虛擬樣機進行智能調度驗證利用所搭建的設備虛擬樣機模型代替現實設備對智能設備的調度策略進行虛擬驗證，虛擬樣機模擬現實設備完成驗證具有以下優勢：1）快速性，在智能設備系統的調度算法開發階段利用虛擬樣機給予迅速算法驗證；2）可靠性，利用仿真虛擬驗證提高智能系統運行的可靠性；3）安全性，代替現實設備進行智能調度驗證，避免系統調度算法錯誤導致設備損壞，保護設備安全；4）降本增效，在項目前期完成智能系統功能性驗證，及時發現系統問題并進行完善，從而可大大縮短項目現場調試周期。圖3 為虛擬樣機進行同跨多臺起重機無人協同運行的調度驗證，智能系統調度完成設備協同工作，實現任務層級的防碰撞策略。圖4 為虛擬樣機進行起重機路徑規劃的控制驗證，智能系統調度完成起重機運行過程中進行危險區域避讓的路徑規劃策略以及起重機行走路徑最優策略。3 自動化物流系統模型建立在設備虛擬樣機模型開發完成后，可進行項目實際物流系統的模型搭建，完成項目物流系統仿真，一般系統仿真模型的建立的步驟如圖5 所示。圖3 同跨多臺起重機智能防碰撞策略驗證圖4 起重機最優路徑規劃及避讓策略驗證圖5 仿真建模步驟根據項目情況進行系統工藝分析，設計完成可能滿足用戶需求的合理物流流程、工藝布局，這樣的系統物流可能有多種可行方案，需要對每一種方案進行系統模型搭建，根據項目現場布局圖紙對現場進行三維建模，運用C＃計算機編程語言完成多種生產線物流流程邏輯及物流設備調度邏輯，圖6 為某棒材自動下線項目建模。圖6 棒材自動下線項目仿真建模進行多種方案虛擬仿真運行，讓項目在策劃階段提供直觀的方案三維展示，通過對仿真模型的運行來分析現實系統。因所搭建的設備仿真模型和實際設備運行節拍、運行參數一致，通過仿真得到的數據可以直觀放映現場真實情況，輸出仿真數據將項目物流系統關鍵性指標進行多方案對比，決策出最優的物流方案，在項目策劃階段完成方案優選，并提供有力的數據支撐和驗證。4 項目仿真分析實例所述項目中運用仿真技術完成整體物流系統的搭建，通過仿真結果驗證生產線預計產能并優化生產線切割機設備生產調度模式。物流仿真技術在本項目策劃階段中起到重要的驗證和決策作用。圖7 廠房布局圖4.1 項目規劃概述圖7 為某工廠的板材智能切割線，廠房上下兩側為等離子切割機工作區域，有4 個切割平臺，每個平臺有2 個切割機，廠房中間區域為待加工的鋼板緩存區域，智能起重機自動將鋼板放置在切割平臺上，等切割完成后，智能起重機進入切割平臺將切割完成的鋼板自動下線，輸送至出口傳送帶，物料傳遞到下游工藝進行分揀，整個無人區由智能倉儲管理系統（iWMS 系統）完成整體物流管控調度和設備系統集成。該生產線計劃生產目標常規工作為一個月完成3 654 張鋼板切割，巔峰工作一個月完成4 275 張鋼板切割，生產線常規加工鋼板規格如表1 所示，切割機月產能數據如表2 所示。4.2 物流描述根據工藝功能要求，整個切割線廠房切區劃分為無人區和有人區兩大區域。1） 無人區 包含切割區和鋼板緩存區，通過安全圍欄、安全光幕等封閉，正常工作時智能起重機在無人區內運行，該區域內無人員通行。①切割區：8 臺等離子切割機（按等離子電源計算）分布于4 個切割平臺上位于無人區兩側，每個切割平臺具有3 個鋼板存放位；②鋼板緩存區：16 個緩存垛位，分規格存放待切割鋼板。2）有人區 包含手動卸車起重機、入庫的卡車卸車停放位、3 個卸車鋼板臨時緩存區和RGV入庫裝車區域。作業流程包括卸車作業、入庫作業、上料作業和下料作業。卸車作業 車輛運輸鋼板進入切割車間后，由車間內的工作人員利用手動起重機和吊具卸載鋼板至卸貨區域旁的臨時緩存區，卡車在卸貨完成后駛離。入庫作業 車間工作人員利用手動起重機和吊具把鋼板吊運至具有自動功能的電動平車，此時工作人員通過地面操作臺（客戶端）把吊運鋼板的信息（尺寸、數量、材質等）輸入到iWMS 的人機界面內，以確保整個系統確認來料，便于統一管理。電動平車待鋼板放置完成并確定手動起重機駛離后自動滾動，把鋼板移送至自動化車間的上料區，電動平車配置定位功能和至少三張鋼板對中功能，以確保鋼板以高位置精度狀態進入后道工序中。鋼板到達自動上料區后反饋給iWMS 系統，iWMS系統命令起重機吊運鋼板至堆垛區，堆垛策略和起重機行駛路徑等由iWMS 統籌管理。上料作業 切割機的上料是由iWMS 統籌管理，當iWMS 接到切割機的上料請求后，iWMS 使起重機從堆垛位置吊運鋼板至切割機，鋼板定位功能，行駛路線等也在iWMS 的統一管理范圍內，當系統確定鋼板上料完成且起重機已經駛離時，切割機工作，開始切割。下料作業 切割機的下料功能由iWMS 統籌管理，當iWMS 接到切割機切割完成信號后，呼叫起重機下料，當系統確認分揀機構的連鎖要求滿足后（iWMS 設置與分揀機構的通訊接口），起重機自行駛離。4.3 物流仿真基本設定根據實際工廠尺寸、布局、生產流程等信息，采用物流仿真技術建立數字化雙胞胎仿真模型，按設備運行實際速度、加速度、對位、尋邊等所設定的設備運行節拍，根據實際生產節奏設定生產計劃，并按照實際生產過程設定庫位、設備等元素的調度模式，實現生產過程、生產節拍等與實際生產完全一致的動態物流仿真，獲得庫容利用率、設備利用率、生產節拍等信息進行物流驗證。4.3.1 物流輸送設備運行節拍根據生產作業需求，初步設定智能起重機、RGV等設備運行速度，如表3 所示。4.3.2 入庫工單模擬根據每月計劃產量、每日入庫車輛按24 h 均布到達，根據車輛載荷隨機生成入庫工單。4.3.3 切割機加工節拍根據加工鋼板規格，調整切割速度，考慮空行程、自動找正等時間因素，模擬不同規格鋼板加工時間。模擬切割機加工狀態，設置檢修維護時間表：每天工作20 h、每月工作26 天；8 臺切割切割機輪流檢修。4.4 仿真模擬系統調度策略4.4.1 兩級調度管理宏觀iWMS 管理級：根據庫存實時監控數據控制漲庫、虧庫，從而控制電動平車送料節拍；微觀算法級：庫內作業任務調度。多任務時，通過路徑最短、時間最短等多目標優化調度模式，實現調度最優。4.4.2 入庫策略入庫卸平板車，平板車上只入庫同種規格鋼板，最大載重10 t，智能起重機卸車一次起吊1 張鋼板; 入庫按照鋼板規格選擇入庫庫位，庫位鋼板堆放高度上限1.5m，鋼板入庫時若目標庫位已經堆放至高度上限，系統自主選擇空閑庫位暫時擺放; 入庫卸車時，已經被系統占用的入庫庫位不可進行鋼板加工上切割機任務; 切割機任務和入庫卸車任務并行，采用切割機任務優先原則;每個垛位只能擺放一種規格的鋼板。4.4.3 切割上料卸料策略8 臺切割機工位空閑時對庫位鋼板資源搶占，被鎖定庫位的鋼板只可上一臺切割機；庫內鋼板按先入先出順序加工，先入庫先加工；切割機不可選擇正在進行入庫的庫位進行生產任務。4.4.4 切割機雙機三工位（ABC）調度方案針對雙機三工位，策劃兩個調度方案。1）獨立作業調度 一個割炬負責A 工位，另一個割炬負責B、C 兩個工位。2）協同作業調度 兩個切割機各自獨立負責外側A、C 工位（稱為本位），中間工位B 由切割機協同作業，先占先得。B 工位被占后，若另一臺切割機完成作業，則移動到待機位等待本位卸料→上料后在本位上繼續作業。兩臺切割機均作業時，空閑工位在相臨切割機完成作業前上料，以盡可能保證切割機連續作業，如此循環。4.4.5 起重機智能路徑規劃基于設備安全原則，起重機不可在切割機上方運行。在起重機進入切割機區域前，按照智能路徑規劃模塊指定的路徑進行區域避讓。4.5 創建仿真模型按照廠房布局創建仿真模型，見圖8，按所設定的相關設備參數，并根據設備實際運行狀態設定行程、加減速、對位時長等，并按照相應的編制調度算法、智能路徑規劃等，完成仿真模型的創建與設定。4.6 仿真數據通過計算機時間加速分別完成方案一、方案二約4 000 h 等效時長物流仿真，結果見圖9 和表4。圖8 FlexSim 生產節拍仿真模型圖9 常規作業生產節拍仿真過程示意圖1) 鋼板入庫策略上述仿真中，卡車送料集中在白天8 h、電動平車入庫24 h 作業。若電動平車集中在白天8~10 h 入庫，則影響到智能起重機為切割機上料、卸料，最終影響切割任務：峰值產能降低到3 466 張，降低21%。2）切割機利用率按產能數據設定并考慮維護保養工況，切割機能夠達到的最高設備利用率分別為常規作業72.2%、峰值86.6%。按現有的調度算法進行仿真，可得到切割機最大利用率常規作業70.6%、峰值作業81.8% 的結果。考慮只設置一臺起重機，多任務并行時存在切割機完成任務后等待起重機卸料、等待分揀輸出傳送帶等現象，當前的調度算法已較好地利用了切割機的產能。3）切割機雙機三工位（ABC）調度方案的比較協同作業調度比獨立作業調度切割機平均利用率提高2.5%，且設備利用更均衡。切割機協同作業調度模式優于獨立作業調度模式。峰值作業情況：獨立作業調度，兩臺切割機利用率分別為78.5% 和80.9%；協同作業調度，兩臺切割機利用率分別為82.1% 和82.3%。5 結束語仿真是通過建立實際系統模型并利用所建模型對實際系統進行實驗研究的過程，本文通過項目案例展示仿真在實際應用中的價值，不僅可以帶來項目前期更直觀的方案展示，更可以對方案優化，提前發現物流瓶頸問題給予優化，驗證智能物流系統的管控策略，為客戶提供最優物流方案的同時也保證了智能管控系統的可靠性。離散型物流系統涉及工業工程、物流工程、自動化、交通運輸、冶金采礦、汽車制造、航空管理、港口等諸多領域，隨著社會智能化的推進系統物流仿真技術在各領域中具有相當廣闊的應用前景，可以說物流仿真技術是現代自動化物流系統設計的先進手段，是實現“中國制造2025”提升工業物流系統自動化和智能化水平的有力武器。參考文獻[1] 隋姍姍. 單元生產方式生產線布局設計與仿真研究[D].哈爾濱：東北林業大學, 2009.[2] 王秋華，楊劍鋒. 系統仿真在自動化物流系統總體設計中的作用[J]. 現代制造，2002.[3] 于紹政，陳靖.Flexsim 仿真建模與分析[M]. 沈陽：東北大學出版社,2018.END 關鍵字標籤：油壓拖板車使用 Service UnavailableThe server is temporarily unable to service your request due to maintenance downtime or capacity problems. 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