物流系统仿真案例赵宁 第2章离散制造系统仿真案例课件

第2章离散制造系统仿真案例第2章离散制造系统仿真案例离散制造系统仿真特点分析2.1办公桌组装线仿真案例2.2柔性生产线仿真案例2.3小结2.4离散制造业的生产特点是产品品种多、制造流程复杂，每一道工序都需在物料、加工工具、人员、生产任务、技术条件等齐备的前提下才可进行，而且在加工过程中存在不确定性，并可能会出现次品和返修，而这种不确定性又会进一步影响生产流程和生产效率。

因此，除一些特定的环境，如新建车间，离散制造系统会有三维仿真可视化的需求外，其他更多的是采用流程仿真技术模拟制造流程，并通过仿真来掌握制造系统的特点和规律。

2.1离散制造系统仿真特点分析2.2办公桌组装线仿真案例2.2.1案例分析2.2.2办公桌建模过程2.2.3仿真分析2.2.1案例分析本案例重点研究典型的办公桌制造组装线，即一张桌面和四条桌腿的办公桌的案例。下面的流程图描绘了桌面制造组装线系统建模仿真的整体思路。图2-1办公桌生产线仿真流程

1．确定办公桌组装生产线工艺流程（1）绘制实际系统的简化工艺流程图。图2-2办公桌组装生产线简化的工艺流程1．确定办公桌组装生产线工艺流程（2）绘制体现实际系统车间模块功能的详细工艺流程图。图2-3办公桌组装生产线详细的工艺流程2．车间模块功能及相关设备参数根据以上两个工艺流程图，重点描述主要车间模块的功能，并分析车间模块中详细的设备配置及相关数据资料。

此处重点描述上漆检验车间模块和组装车间模块。详细设备参数设置(见P15-16)。

（1）上漆检验车间模块：其功能是桌面按序上漆、人工检验桌面和不合格桌面返工处理。

上漆处理工序功能，即每10个桌面一批，自动涂装设备按照蓝、红、棕、黄、绿5种颜色给桌面上漆；

检验工序功能，即一个工人负责此道工序的检验，检验时间为1分钟，且上漆不合格桌面的返工再进行上漆处理

。

（2）组装车间模块：其功能是托盘装载桌面、办公桌组装和托盘回收。

3．主要设计技术（1）层式设计技术类似于模块化设计技术。主要思想是将某些要素组合在一起，构成一个实现特定功能的子系统，并将这个子系统作为通用性的模块与子系统或其他要素按照一定的流程进行组合，以构成新系统，从而实现主系统综合的功能。Em-plant特色之一是提供了层式结构设计技术，即主Frame对象包含多级的Frame对象的设计技术。图2-4层式结构示意图3．主要设计技术（2）二维动画设计技术基本思想是在模块化设计的基础上，针对每个子模型实现二维界面下的动画展示和动态演示。实现步骤：①图标置换；②图标动画点设置；③仿真动画演示2.2.2办公桌建模过程1.模型假设①面板板材、桌腿板材、托盘库连续供应；②不考虑加工设备出故障的情况；③人工操作设备均配置一名员工。2.2.2办公桌建模过程2．系统实体与仿真元素关联表2-1基础物流对象与系统实体的对应关系2.2.2办公桌建模过程

建模过程中用到的其他物流对象：1）BrokerWorkerPool

Worker

WorkerPlace

FootPath这组资源类对象配合使用实现工人操作设备的功能；2）Method和Variable这组信息类对象灵活控制仿真过程；3）TableFile和TimeSequence这组信息流对象记录仿真运行过程中的各类数据信息表；4）Gauge(多以文本、条形图或饼形图的形式显示缓存区存量数据)和Plotter(以线型图形式显示)这组用户接口对象动态显示仿真结果。

2.2.2办公桌建模过程3．建立系统概要模型图2-5办公桌系统概要仿真模型建模步骤：1）创建模型并重命名；2）对象布局、连线、参数设置；3）启动并运行仿真。

2.2.2办公桌建模过程4．建立系统详细模型图2-10办公桌组装生产线系统详细仿真模型2.2.2办公桌建模过程（1）Milling磨削车间模块化建模层式结构设计

当勾选Blocking复选框时，FlowControl会按照设置的比例执行，即后端节点按照27/73固定比例配送；当没有勾选Blocking复选框时，FlowControl会在两个机台上同时为空的情况下，才依此比例进行配送。2.2.2办公桌建模过程图2-13层式结构分流与普通分流方式对比图2-14milling磨削车间模块动画设计实现Milling磨削车间模块动画设计2.2.2办公桌建模过程实现步骤：1）图标置换具体操作（见P21）2）动画演示图2-15实现milling磨削车间动画演示2.2.2办公桌建模过程（2)

lacquertext上漆检验车间模块化建模重点介绍层式结构建模过程，动画设计部分（见P25）

图2-17lacquertext车间模型该模块实现的三个功能颜色指派人工检验不合格桌面的返工处理2.2.2办公桌建模过程颜色指派1）绘制五种颜色的桌面图标应用Em-plant提供的动画设计中的图标

创建和图标编辑功能。具体的操作步骤

（见P22）2）用表存储桌面颜色信息

3）提取表中的颜色信息指派给当前进入检验区的桌面图标，

且用colorindex全局变量实时传出表中值，并配合color方法将颜色指派给进入检验区的桌面。

实现此功能的程序（见P23）图2-18棕色桌面图标设计

图2-20colortable对象表格设置及效果图2.2.2办公桌建模过程人工检验examine检验区请求人工服务，Broker开始调度，Exporter提供人工操作。图2-21examine对象请求“检验”服务图2-22Exporter对象提供“检验”服务2.2.2办公桌建模过程不合格桌面返工处理1）不合格桌面需要事先进行客制化属性设置；2）

当桌面进入lacquer时rework方法触发按照一定的规则使桌面客制化属性生效，规则是10个以内的桌面属性为GOOD，否则属性为BAD。桌面数动态统计使用counter全局变量实现。具体的程序（见P24）；3）

将rework对象指派给lacquer对象Controls选项卡中的Exit事件，使控制生效。具体操作（见P25）；4）

模型初始化设置。2.2.2办公桌建模过程（3）assembling组装车间模块化建模此车间层式结构模型物流对象的布局和实现的功能如图，对于动画设计可参见课本（P29）。图2-24assembling车间模型2.2.2办公桌建模过程图2-25assembling1车间模型Assembling1车间的详细物流对象的布局及实现的功能描述如图：2.2.2办公桌建模过程建模过程：

1）托盘和桌腿的图标置换的方法类似桌面图标置换的方法，另外需进行图标编辑，以托盘为例，设置operational和waiting两种状态图标。

VS图2-26pallet图标效果2.2.2办公桌建模过程

2）实现托盘承载桌面、托盘与办公桌组装、托盘回收等功能，主要使用method对象对仿真过程进行灵活控制。程序部分（见P27-28）

托盘承载桌面功能：在缓存区托盘与桌面都准备齐全后，再进入托盘承载桌面的工序。此功能的实现需要loading方法协助装载功能。办公桌组装设计功能：此部分需要assembling方法协助实现办公桌组装。托盘回收功能：根据案例分析，托盘回收，办公桌进入下道工序。

2.2.2办公桌建模过程3）实现人工操作。loadingstation(装载站)和unloadingstaion(卸载站)请求人工操作，方法类似桌面人工检验工序；Broker命令WorkerPool(工人池)进行工人调度，工人沿FootPath(路径)到达WorkerPlace(工作站)提供装载和拆卸操作。装载站处WorkerPlace属性设置：将loadingstation拖入相应工作站的属性station中，取消SupportedService继承，单击并填入loading服务。WorkerPool和Work属性设置如图。图2-29WorkerPool设置图2-29Worker设置注意：装载站需求服务与工作站、工人提供的服务必须一致，而卸载站需求服务与工作站、工人提供的服务也必须一致，只有这样仿真才能正常运行。

4）将assembling子模型拖入主模型，实现层式结构。2.2.2办公桌建模过程（4）

packing打包车间模块化建模

packing自动捆扎设备在24小时中只有6时～22时的时段工作，其余时段设备pause状态,需使用Trigger对象控制packing设备不同时段的状态。Trigger对象设计：对于周期参数设置，相对时间下生效周期为一天，即1:00:00:00，一天为一周期，循环按时间表作业。其次安排自动打包设备工作时间表，自动打包设备作业时间控制如图2-31所示。图2-31自动打包设备作业时间控制2.2.2办公桌建模过程使打包设备按照Trigger安排的时间表工作生效，可以使用属性控制，亦可使用方法控制。Trigger两种控制设置如图2-32所示。

VS图2-32Trigger两种控制设置2.2.2办公桌建模过程（5）shipping发运车间模块化建模此模块将打包好的办公桌发运，即用Drain对象吸收办公桌，以实现发运功能.具体一方面需要统计每张办公桌总加工时间并在表中显示，另一方面需要对发运的蓝、红、棕色办公桌分别进行统计。

图2-33发运车间子模型2.2.2办公桌建模过程统计每张办公桌总加工时间并在表中显示的建模过程：1）实时统计Drain吸收的办公桌数量和相应的进入Drain的时间。用TimeSequence表进行统计。2）统计办公桌组装加工的总加工时间，需要方法和表配合使用。主要思想是调用方法，即离开Drain的办公桌触发evaluate方法，evaluate方法调用tpt_method方法，将统计的办公桌加工时间值在表tpt_protocol中记录。3）办公桌数量信息在console窗口中显示。具体的程序（见P31）

图2-34TimeSequence表设置2.2.2办公桌建模过程发运的蓝、红、棕色办公桌分别进行统计的建模过程：1）partstatistics表记录需要统计的颜色信息。2）evaluate实现对partstatistic方法的调用，partstatistic对象的程序实现实现对color栏中颜色的查找，并对进入Drain对象的相应颜色的桌面进行记录。程序(见P32-33)。最后，通过程序对模型进行重置，实现对表中数据的删除。

图2-36partstatistics表2.2.3仿真分析仿真运行一天后，统计相关需要的资料。在EvenController的Settings中设置结束时间为1:00:00:00，勾选DeleteMUsonreset，能实现每次仿真实验后，模型中移动的桌面、桌腿、托盘对象等自动删除，从而实现重置。统计packing车间模块PlaceBuffer中的办公桌数使用Gauge对象，以String方式和Pie方式动态显示统计信息；应用plotter对象，以线型图形式动态显示统计信息。图2-37Gauge统计结果

2.3柔性生产线仿真案例2.3.1案例分析2.3.2模型搭建2.3.3仿真实现2.3.4仿真分析2.3.5模型优化1、案例说明1）柔性制造系统状况

该企业柔性生产线共有5台加工中心，将加工中心名称分别定义为CNC1、CNC2、CNC3、CNC4、CNC5。此制造系统内有一辆AGV小车，运行速度为1m/s，可控制其实现不同的运送策略。每台设备入口和出口前有容量为4的缓冲，而工件由设备完成加工前后必须经过入口缓冲和出口缓冲，且每台设备由一名工人负责工件的搬运和安装(工人不在此模型模拟)。工人由AGV小车搬运工件至缓冲的时间和由缓冲搬运工件至AGV小车的时间统一为固定时间10s。工件按一定顺序进入柔性制造系统，待进入系统后由AGV小车负责将其搬运到第一道工序，且在系统入口有工人负责将工件搬运至到达入口的AGV小车，搬运时间固定为10s，在加工完第一道工序后由AGV小车搬运至下道工序，且执行同样的操作，在工件所有工序都加工完后AGV小车将工件搬运至柔性制造系统出口，在出口由工人负责将工件由AGV小车搬走，时间统一为固定时间10秒。2.3.1案例分析图2-40柔性制造系统工件物流过程示意图2.3.1案例分析图2-41柔性制造系统三维布局示意图2.3.1案例分析图2-42柔性制造系统布局示意图2.3.1案例分析2）产品工艺状况该柔性制造系统主流加工的产品有3种，其名称分别为part1、part2、part3产品工艺路线如下：part1(CNC3[60]、CNC4[80]、CNC3[120])

part2(CNC1[50]、CNC4[70]、CNC1[40]、CNC3[80])；part3(CNC1[30]、CNC2[60]、CNC5[50])，其中中括号

内数字为该工序的额定工时。工件在设备上的加工时间服从正态分布，而正态分布中心为额定工时，分布方差统一为10，数字单位为秒。

2.3.1案例分析3）订单状况现在接到一批紧急加工订单，该订单对part1、part2、part3这3类工件批量要求分别为(60、40、80)，要求针对以上信息建立仿真模型，该柔性制造系统进行建模和仿真，通过模拟该制造系统的物流状况，找到最好的满足要求的系统控制方法。2.3.1案例分析2、建模步骤

（1）收集建模所需资料；

（2）采用Em-plant对柔性制造系统进行仿真建模；

（3）仿真优化步骤；

2.3.1案例分析3、主要技术设计1）传感器(sensor)由于仿真是在四维(x，y，z，t)的虚拟空间环境中进行的，因此在此环境中如何确定每个导引车的当前位置是个难题。由于导引车始终都在固定的物流通道上运行，因此并不需要确定小车详尽的物理位置，而只需确定小车在物流通道上的位置即可。采用Em-plant提供的传感器技术可以较方便地达到这个目的。运行仿真时，AGV小车可以通过提取任务队列中的任务并参照设备位置关系确定其下一步的行走方向，每当导引车触发传感器后修改其位置属性，并以此确定AGV小车当前所在的位置和应该触发何种控制方法。

2.3.1案例分析

2）队列任务由于需要控制一辆或多辆AGV小车的运行效果，因此如何同时控制一辆或多辆AGV小车是仿真模型构建的一项关键技术。在此可采用任务队列的方法来控制AGV小车响应工件的运送请求，任务队列的控制结构如图2-43所示。任务队列接受等待运送的工件发出的运送请求，且运送请求可按假设的运送规则进行排列，系统中的空闲AGV小车按照任务队列中的排列顺序依次提取运送请求并完成运送，而在仿真过程中任务队列不断删除空闲AGV小车提取的运送请求并不断接受工件发出的新的运送请求。

2.3.1案例分析图2-43任务队列的控制结构2.3.1案例分析

3）冲突化解一般来讲，在柔性生产系统的仿真运行过程中会出现各种冲突，具体包括：多个工件对一台设备的争夺冲突；多台设备对一个工件的争夺冲突；多个工件对一台小车的争夺冲突；多辆小车对一个工件的争夺冲突。由于仿真过程中是靠AGV小车搬运工件，而AGV小车又是通过任务队列来选择工件，所以AGV小车代替设备完成了对工件的选择，而工件对设备的争夺冲突则依靠任务队列的排序规则来完成。2.3.1案例分析

4）注意问题在构建二维模型时需要注意的是由于工件的工艺路线各不相同，因此不能确定设备之间的关系，不可采用Connector对象来连接设备，而工件在设备和导引车间的传送完全依靠Method控制语句来实现。另外，需要依据生产线的物流通道长度来确定仿真模型中Track对象的Length属性，并依据设备位置确定传感器Sensors在Track中的位置。采用Table对象来表达3类工件投放的时间和数量，并将该对象与生产线入口(Source)对象相连。2.3.1案例分析1、基础空间总体布局

图2-44基本模型布局示意图2.3.2模型搭建2、Track设计根据案例可知加工路线总长度为165m，双击Track，将其Attributes中的length设置为165。在其curve中取消transferlength的复选框。标记每一个加工中心的位置，控制Transporter在Track上的运动，在每一个设备的出入口处以及系统的出入口共7处分别设置Sensors。Sensors布局情况如图2-45所示。同时，为每一个Sensors设置响应的Method对象。将所有加工设备的入口以及出口和加工线出口的Sensors所调用的Method命名为methodsensors，将加工线入口处的Sensors所调用的Method命名为SourceControl。其具体做法如下：双击Track选择Controls，并单击右下角的Sensors；然后点击New新增ID，根据案例要求距离设计。Sensors位置关系对应表如图2-46所示。

2.3.2模型搭建图2-45sensor布局情况图2-46sensor位置关系对应表2.3.2模型搭建4、工件和AGV的属性设计

1)工件设计。在Explorer窗口MUs目录中双击Entity，选择其用户自定义属性CustomAttributes，单击new添加自定义属性，设Name为step，数据类型Datatype为integer，初始值value设为1。复制3次Entity并分别命名为part1、part2、part3。其中，工件的step属性是用来说明工件的加工流程。2)AGV小车设计。在Explorer窗口MUs目录中双击Transporter，将其属性Attributes中的length设为1.5m，speed设为1m/s，然后选择backwards。在用户自定义属性CustomAttributes中添加两个新的用户自定义属性：一个Name为curpos，Datatype为integer，初始值value为7；另一个Name为des，Datatype为integer，初始值Value为0。这里，curpos表示小车在Track上的当前位置，des表示小车的目的地。

2.3.2模型搭建5、表的设计

1）工件流程及加工时间表的设计（见教材P40）；2）位置表的设计（见教材P42）；3）工件生产表的设计(见教材P42)；4）任务表的设计；

2.3.2模型搭建6、工件生成器source和消灭器Drain的设计在软件Em-plant中，所有的部件都是由Source来生成的，最终也是由Drain来接受消灭的。双击Source，在其Attributes中的Amount中填写180，表示其一共产生180个工件。把表sourceproduct用鼠标拖到Table框中，单击apply设计sourceproduct表。如图2-44所示，把Drain重命名为n61，单击Controls在Entrance中填写statis，表示每当有一个工件进入Drain时就将触发statis方法。

2.3.2模型搭建7、Method和Variable的设计

一共向添加7个Method和4个Variable，并根据图2-44命名。其中，init和reset是控制EventController的初始化和重置的方法，setparttime被设置在加工中心中，是用来控制加工时间的方法，insertask是用来向task表中添加数据的方法；sourcecontrol是用来控制Track入口的控制方法；statis是用来控制Drian的方法；methodsensors是本模型最复杂的方法，用来控制Track上的Sensors。添加4个Variable到模型中，并分别命名为n1、n2、n3和n，它们分别用来统计工件part1、part2、part3和总工件的数目。

2.3.2模型搭建1、工件加工流程及时间设计工件的加工流程及时间是由图2-47所决定的，所以主要是需要把图2-47中的3个表与加工设备联系起来。如图2-44所示，setparttime是用来控制工件加工时间的。setparttime是当有工件进入加工中心时触发的，作用是控制每个工件在加工中心的加工时间，由于每个加工中心所要加工的工件有所不同甚至相同工件的加工步数的不同都可能导致加工中心的加工时间的差异，所以每个加工中心的加工时间是一个随着工件的变化而变化的变量。具体的代码参考教材P43。2.3.3仿真实现2、任务队列设计小车的运行就是在不断的读取任务表也就是task表，如果task表中没有数据，则小车返回Source；如果不为空，则根据task表中的第1行决定目的地。如何在task表中输入数据是一个关键。当有工件在某个加工中心加工完成后，则在进入到出口缓冲时触发inserttask，而inserttask的作用为将工件进入缓冲区时的时间和缓冲区的名称插入task表，且task表将按时间顺序自上到下排列。此部分程序如下

task.insert(EventController.simtime,?.name);--插入当前时间和工件名称

2.3.3仿真实现3、小车的运行规则设计小车的运行规则设计是本案例的核心。通过案例分析，可以设计小车的规则如下：在轨道第一个Sensor处触发sourcecontrol，而小车运行到Track上其他Sensors处触发Methodsensors。此时小车有两种状态：第一种情况是小车上有工件，此时小车根据小车上工件的名称和step属性读取相应的表来判断目的地，行驶到目的地处将工件卸载到加工设备的入口缓冲区；第二种情况是小车上没有工件，此时通过读取任务列表(task表)的第1行来决定小车的目的地，当行驶到目的地后，相对应设备的出口缓冲区的工件移到到小车上，而如果task表为空，则小车返回Source领取新的工件进入加工线。触发传感器的运送车的控制流程如图2-50所示。其具体的各项代码程序的编写参见教材P45-P47。

2.3.3仿真实现图2-50触发传感器的运送车的控制流程2.3.3仿真实现4、其他控制方法在小车的控制方法确定以后，主要还有source处的控制方法、加工工件统计方法、初始化以及重置的方法。以上的元素和方法的设计已经基本满足案例要求，而本案例的设计最关键之处在于要清楚小车的各种运行规则，然后根据运行规则再去

设计各个元素的自定义变量和各种表，且所有

的表和自定义变量都是为小车的运行和工件的加工时间设置服务的。当然，完成本案例不止此一种方法，还可以用别的思路来实现。

2.3.3仿真实现1、设备利用率分析要分析利用率需要在模型中添加chart控件来显示各个设备的利用率。在图2-44所示的模型中添加一个chart模型，且双击打开它；在Data中的Datasource中选择InputChannels；单击TableFile并在Format中取消InheritFormat前的复选框；然后添加数据。设备利用率设置表如图2-51所示。其余的详细设置参考教材P50。2.3.4仿真分析图2-51设备利用率设置表2.3.4仿真分析工件的加工效率如图2-52所示。从图2-52可以看出，每个加工设备的工作时间都非常低，最高的cnc3都不到20%，最少的cnc5只有5%

所以，可以看出这个模型在设备利用率方面并不是最优的。

图2-5工件的加工效率2.3.4仿真分析2、轨道利用率分析轨道利用率和分析设备利用率差不多，添加一个Chart到模型中并命名为Charttrack。大部分设置和前部分一样，只是在添加表时有差异。轨道利用率设置表如图2-53所示，其运行后的结果如图2-54。

图2-53轨道利用率设置表2.3.4仿真分析图2-51运行后得出的轨道利用率2.3.4仿真分析3、加工总时间运行上面模型得出的总时间大约为1:02:27:37.5000，由于设备的加工时间是正态分布的，所以可能会有一些差异，但相差应该不过超过15min。从时间上看加工180个零件的加工时间并不是很长，但最后却要1天多时间，加工周期作为最重要的衡量指标，很明显这个基本模型需要改进，而柔性生产的最大优点就在于可以改变一些加工策略，所以分析模型的各种加工设备利用率可以充分找出制约加工周期的障碍，从而优化模型。

2.3.4仿真分析1、订单投产优化在实际的建模过程中可以觉察到

，如果一类零件出的太集中，很容易出现死锁现象。因此在订单上，有很大的提升空间。在实际的优化过程中，很多的订单投产方案都被尝试，在此只介绍两种具有代表性的方案且进行对比，并与之前没有优化过的方案也就是顺序投产方案进行两两对比，从而得出最优化

的方案，以在后续的优化中能够被直接应用。这两种方案分别是按时间顺序投产和按次序循环投产。

2.3.5模型优化1）按时间顺序投产在小车数量不变的情况下，订单的投入由顺序投入改变为时间分批投入。此时，只需重新设置图2-44中控制Source产生工件的sourceproduct表就可以了。双击Source并在Attribute属性的Timeofcreation中选择DeliveryTable，然后在Table中填写sourceproduct再单击Apply就出现一个表，最后设置如图2-56所示。而得到的设备利用率、轨道利用率和加工总时间如图2-57所示。

2.3.5模型优化图2-56按时间顺序投产2.3.5模型优化图2-57顺序投产结果2.3.5模型优化2）按次序循环投