基于Plant Simulation的发动机检测生产线仿真分析*

韩晓东，刘　冬，丛　明，袁付贵，何　峰

(1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连　116023；2.大连豪森瑞德设备制造有限公司,辽宁 大连　116036)



基于Plant Simulation的发动机检测生产线仿真分析*

韩晓东1，刘冬1，丛明1，袁付贵2，何峰2

(1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连116023；2.大连豪森瑞德设备制造有限公司,辽宁 大连116036)

根据某发动机检测生产线的生产状况等基本信息，运用Plant Simulation软件提供的模块建立仿真模型，分别对发动机检测生产线在理想工作情况以及实际随机因素存在的情况下进行仿真运行实验，形象直观的对比分析了生产线的产量、设备负荷率及瓶颈等问题。并以此为依据对发动机检测生产线进行了初步优化，再次仿真结果显示此生产线的生产能力得到了提高。仿真实验展示了仿真技术在生产系统中的良好应用前景。

Plant Simulation；发动机；检测生产线；仿真分析

0　引言

仿真技术与运筹学、概率和数理统计一起，日益成为各行各业解决和分析问题的主要支持工具，在工程的前期规划、投资平衡分析、生产物流运行控制、供应链管理与库存控制、作业排序、资源分配、流程分析与改进等众多方面发挥着巨大的作用[1-2]。

而随着汽车工业的不断发展，现代汽车对可靠性、安全性的要求不断提高，生产中对发动机的快速全面诊断越来越受到人们的重视，目前越来越多的汽车生产厂家，开始采用具有较快节拍、较高质量检测水平、较低生产成本的发动机冷测试来进行发动机下线的高精度检测，以更好的确保产品质量。在对发动机检测生产线等的分析过程中，计算机仿真软件正发挥着越来越重要的作用。运用Siemens(西门子)公司的生产系统仿真软件Plant Simulation可以对生产线进行详细分析以达到找出系统瓶颈、优化组织生产、提高生产效率、缩短生产周期的目的[3]。

1　生产线仿真分析流程

对某发动机检测生产线进行仿真分析，拟定流程如图1所示，具体描述如下[4-5]：

(1)描述系统和列出假设

对发动机检测生产线进行仿真建模，最主要的建模对象是加工设备以及工作人员。

加工设备的建模：主要参数有准备时间、加工处理时间、维修时间，对于手动工位还应设置加工工人的数量等。

工作人员的建模：主要参数有行走路径、行走速度、工作位置、工作效率、工作日程以及具备的服务类型等。

此外，在整个生产线仿真的建模过程中，还应该考虑到生产过程中的一些随机因素，如设备故障因素等。

图1　检测生产线仿真分析流程图

(2)数据收集与确认

在使用计算机仿真软件对发动机检测生产线建模过程中，仿真数据的输入尤为重要，数据的正确与否对于仿真结果合理性有着至关重要的影响。因此在前期的准备工作中要做到正确收集和整理数据资料。

(3)构造计算机模型

对生产线的建模过程是阶段性的，先验证本阶段的模型运行正常后再继续下一阶段的建模。此外在建模过程中还需要不断的调试、校正和确认，保证所建立的模型尽可能和现实系统保持一致。

(4)仿真运行及分析

在运行模型的过程中观察模型在不同的数据输入及仿真机制下的响应情况，研究系统输出结果与可控制参数之间相互影响的规律。根据仿真分析，来发现或确认发动机检测生产线运行过程中影响系统效能的瓶颈部分以及形成瓶颈的原因。

(5)检测生产线优化

针对仿真分析中发动机检测生产线出现的不合理部分，通过采用增加缓冲区等其他措施对生产线进行改进。然后运用仿真技术模拟系统运行，最终达到缩短生产周期、提高设备利用率、提高产量等目的。

2　发动机检测生产线建模

2.1发动机检测生产线建模分析

以某乘用车的发动机检测生产线为研究对象，建立其计算机仿真模型。该生产线是典型的流程型加工，主要针对两款发动机进行测试。检测生产线的设计参数主要有：自动工位节拍≤51s，手动工位节拍≤56s，输送线的速度是12m/min，要求产能是年产40万台。

该线总共包含22个工位，其中自动工位7个，手动工位12个，返修工位3个，工位名称详细信息见表1，其中A代表自动工位，R代表返修工位，M代表手动工位。另外在实际生产中，生产线的设备开动率为90%。

表1　仿真数据输入时间表

2.2检测生产线仿真模型建立

根据以上发动机检测生产线的基本信息，充分利用Plant Simulation中提供的各种资源，建立的仿真模型如图2所示[6-9]。建立模型过程中在三个方面进行了约定：①备料区零件充足；②投料节拍与所在工序时间同步，不考虑部件在工序间的运输时间；③检测生产线开始工作前，各工序状态为空。

图2　检测生产线仿真模型图

3　发动机检测生产线仿真分析

3.1仿真结果分析

在建立好的模型中通过仿真控制器EventController控制模型开始仿真，图3显示的是仿真某时刻模型的状态。

图3　仿真运行某时刻模型图

使用Plant Simulation自带的分析工具可以直观地解释仿真结果。如表对象能在仿真中存储模型的信息，图对象能够形象地反映数据的变化规律。此外还有统计分析工具等都可以帮助用户更好的观察和分析生产线工作负荷、设备工作、故障、堵塞、空闲时间等，并可以将生产线实际运行情况与理想状况进行对比，从而找出瓶颈以进行优化。

首先在设定设备开动率为100%的理想情况下进行仿真并观察仿真结果。模型运行一年后，总共下线产品为575982台，可以看出此发动机检测生产线在设计时已经考虑到了生产中的随机因素因此留有一定的富裕量。表2中列出了生产线运行一年中的实际产量、设备的平均利用率及产品的平均在线时间等信息。另外从Plant Simulation特有的chart图中也可以看出此生产线的运行情况，如图4所示。

表2　设备开动率100%数据结果表

图4　设备开动率100%时工作情况

然后设定设备开动率为90%时即实际运行情况进行仿真，模型运行一年后，总共下线产品为304526台，与设计产量有较大差别，表3列出了各项数据。使用Chart图中可以看到各个工位的设备负荷率与上次仿真中的差别很大，如图5所示。这是由于设备发生故障等待维修，造成工位处于停止状态，导致前面工位加工好的零件无法继续进行加工，产生了堵塞现象进而影响了生产量。

表3　设备开动率90%数据结果表

图5　设备开动率90%时工作情况

同时运用Plant Simulation中的瓶颈分析器可以查看各个工位的具体数据，可以明显地看出生产线的堵塞情况较为严重，堵塞最为严重的工位M010、M020、M030分别达到了42.98%，38.13%，36.86%。其余的大部分工位堵塞率也在20%上下，因此应采取措施来对此检测生产线进行优化。

3.2检测生产线初步优化

本文采用在堵塞现象较为严重的工位增加缓冲区域的方法对检测生产线进行优化，缓冲区的容量通过仿真确定[10-12]。经过多次分析和比较，得到改进后的模型如图6所示。改进后，同样仿真一年，总产量为398684台，从表4中可以看出各项数据有了相应的提高。从chart图中也可以看出生产线的堵塞现象得到了改善，见图7。

图6　添加缓冲区后检测生产线模型图

图7　添加缓冲区后工作情况

名 称仿真结果实际产量1107台/天机器的平均利用率58.10%发动机平均在线时间1min18s

注意到此仿真产量还没有达到年产40万台，因此在以后的工作中还需要对此生产线进行进一步的优化如设置平行工序，提高设备开动率等以使生产线的年产量能够达到设计目标。

4　结论

本文运用计算机仿真软件Plant Simulation的物流对象、信息流对象以及统计分析工具等对某发动机检测生产线进行仿真分析，指出生产线中的不合理部分并进行了初步优化。结果表明合理[参考文献]

使用仿真软件，对全面分析生产线有显著的帮助。计算机仿真软件能够对复杂生产线找到评估优化的解决方案，将在现代生产中发挥重要的作用。

[1] 熊光楞,王昕.仿真技术在制造业中的应用与发展[J]. 系统仿真学报, 1999,11(3):145-151.

[2] 班克斯.离散事件系统仿真[M].肖田园,范文慧,译. 4版.北京:机械工业出版社,2007.

[3] Steffen Bangsow. Manufacturing Simulation with Plant Simulation and Simtalk[M]. Germany:Springer-Verlag,2010.

[4] 陈达强，胡军. 物流系统建模与仿真[M].杭州：浙江大学出版社，2008.

[5] 李文峰，袁兵，张煜. 物流系统建模与仿真[M].北京：科学出版社，2010.

[6] 李华. 基于eM-Plant的汽车焊装生产线仿真与优化技术研究[D]. 成都:西南交通大学, 2013.

[7] 黄健,刘亮,齐二石. 考虑生产线平衡的多目标混流装配线排程问题研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2014(8):156-160.

[8] 黄国安. 基于Plant Simulation的汽车混流装配线仿真研究与优化[D]. 济南:山东大学, 2012.

[9] 谢磊. 基于eM-Plant的船舶建造流程建模与仿真[D]. 上海:上海交通大学, 2009.

[10] 宋士刚, 李爱平, 徐立云. 可重组制造系统缓冲区容量的优化研究[J]. 计算机集成制造系统, 2008 (10):1951-1956.

[11]胡罗克, 陈勇, 覃涛. 线束装配线平衡改善与仿真[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2012(2):92-97.

[12] 徐立云, 刘慧琴, 李爱平,等. 配置有限缓冲区的缸体生产线平衡优化[J]. 机械设计与研究, 2011 (6):51-54.

(编辑李秀敏)

Simulation and Analysis of Engine Testing Line Based on Plant Simulation

HAN Xiao-dong1，LIU Dong1，CONG Ming1，YUAN Fu-gui2，HE Feng2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China;2.Dalian Haosenread Equipment Manufacturing Co., Ltd., Dalian Liaoning 116036, China)

According to the production and other information of the engine testing line, make full use of the module provided by Plant Simulation software to build the simulation model; run the model of engine testing line in the case of both ideal working condition and the condition that actual random factors exist, then analyses the production, burden rate of the equipment and the bottleneck issue, etc. of the line. Based on this, optimize the engine testing line, and the result of the simulation shows that the production has increased. This simulation experiment shows a good prospect of application of simulation technology in the production system.

Plant Simulation; engine; testing line; simulation and analysis

1001-2265(2015)11-0058-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.017

2015-01-08；

2015-03-09

辽宁省科技创新重大专项(201408001)；大连市科技计划项目(2013A11GX012)

韩晓东(1990—)，男，河北邯郸人，大连理工大学硕士研究生，研究方向为物流系统工程，机器人智能控制，(E-mail)hanxiaodong@mail.dlut.edu.cn。

TH166;TG506

A