方建程，劉德俊，吳聿棟，朱志霖

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

我國(guó)是全世界最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，汽車行業(yè)既有一定的發(fā)展?jié)摿?，也面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，因此在汽車生產(chǎn)和規(guī)劃的過(guò)程中，汽車企業(yè)要提升自身競(jìng)爭(zhēng)力，既要提升自身產(chǎn)能，也要規(guī)劃投資和精益生產(chǎn)。

Plant Simulation是基于離散事件的仿真工具，自帶大量的設(shè)備和生產(chǎn)單元模型庫(kù)，能為生產(chǎn)線建立清晰直觀的仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)和效率的預(yù)測(cè)和分析，同時(shí)內(nèi)置的SimTalk語(yǔ)言可靈活地控制、優(yōu)化產(chǎn)能仿真系統(tǒng)和工藝過(guò)程。

本文將結(jié)合車身車間規(guī)劃EMS小車數(shù)量的案例，介紹EMS仿真的過(guò)程和Plant Simulation模塊的二次開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際輸入和輸出要求，測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)能，評(píng)估規(guī)劃方案并提出優(yōu)化意見(jiàn)，以減少項(xiàng)目投資，為最終決策提供依據(jù)。

1 車身分線EMS問(wèn)題分析

首先我們了解一下一般車身車間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 某車身車間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車身車間作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由所有的單線線體互相連接構(gòu)成。某汽車車身車間主要由底板、側(cè)圍、總拼、補(bǔ)焊、表調(diào)線以及各條線之間的自動(dòng)化輸送系統(tǒng)、氣泡(Buffer)組成。

一般情況下對(duì)于不重要的送料系統(tǒng)，即不對(duì)車間產(chǎn)能造成損失的分線，在產(chǎn)能仿真分析模型中可以忽略其對(duì)系統(tǒng)的影響。對(duì)于車身車間的非計(jì)劃停線一般有以下原因：故障（Failure）、堵塞（Block）、拉空（Starved）等。其中內(nèi)外側(cè)圍線的側(cè)圍需要在生產(chǎn)完成后由EMS裝載進(jìn)入空中機(jī)運(yùn)線，并由EMS小車分別運(yùn)輸?shù)絻?nèi)外總拼完成合拼動(dòng)作。

EMS線對(duì)于主線產(chǎn)能的影響主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）內(nèi)外側(cè)圍上料是人工工位，對(duì)于主線的產(chǎn)能配比無(wú)法做到完全匹配，因此需要設(shè)置合理的緩存容量；

（2）EMS Loop距離較長(zhǎng)，EMS小車的數(shù)量不足會(huì)導(dǎo)致對(duì)主線供料不足的問(wèn)題；

（3）EMS線體對(duì)于每一種車型有對(duì)應(yīng)的分道，存在車型的分流和合流位置，EMS小車的數(shù)量較多會(huì)導(dǎo)致輸送道和返回道堵塞；

（4）內(nèi)外側(cè)圍連續(xù)生產(chǎn)情況下造成的分合流位置堵塞。

因此對(duì)于新車型引入，工藝、車間需要對(duì)EMS小車數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，工藝的規(guī)劃和計(jì)算方法無(wú)法根據(jù)小車數(shù)量和車型配比的不同進(jìn)行計(jì)算，只能估計(jì)出保證生產(chǎn)的數(shù)量范圍，無(wú)法做到精益規(guī)劃。

產(chǎn)能仿真可以模擬當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布局和車型配比進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果可以提供精確的數(shù)量范圍，實(shí)現(xiàn)精益規(guī)劃。針對(duì)本項(xiàng)目工藝規(guī)劃人員提出了以下的目標(biāo)需求。

（1）當(dāng)前EMS小車是否可以滿足目標(biāo)產(chǎn)能（43JPH）需求；

（2）若將EMS改造為共用的EMS小車，則需要多少臺(tái)小車；

（3）內(nèi)外側(cè)圍的產(chǎn)車配比有什么要求，是否會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)能損失。

2 車身分線EMS仿真分析過(guò)程

2.1 仿真建模過(guò)程

產(chǎn)能仿真項(xiàng)目一般分為模型建立和仿真分析。模型建立包括目標(biāo)建立、數(shù)據(jù)收集、模型建立和驗(yàn)證。其中，模型的建立和數(shù)據(jù)的收集至關(guān)重要。數(shù)據(jù)的輸入主要為車間/工藝布局（Layout）、目標(biāo)產(chǎn)能（JPH）、CT、設(shè)備開(kāi)動(dòng)率（SAA）、MTTR、MTBF、載具數(shù)量、儲(chǔ)存區(qū)策略、控制策略等。仿真分析主要包括仿真實(shí)驗(yàn)、瓶頸分析、仿真結(jié)果及優(yōu)化、仿真報(bào)告。

2.2 某車身車間仿真模型數(shù)據(jù)建立

在本案例中，車身車間要求新車型進(jìn)廠后整車車間產(chǎn)能達(dá)到43JPH，其中EMS數(shù)量需要重點(diǎn)分析，由于評(píng)估的是整廠的產(chǎn)能輸出，需要收集整廠的仿真數(shù)據(jù)，包括內(nèi)外總拼和內(nèi)外側(cè)圍以及EMS升降工位和附近工位的數(shù)據(jù)。

2.3 仿真建模及驗(yàn)證

按照現(xiàn)場(chǎng)Layout和工藝流程，使用Plant Simulation軟件自帶的模塊，和二次開(kāi)發(fā)用于整車的仿真對(duì)象，搭建整車系統(tǒng)模型，并建立邏輯結(jié)構(gòu)，其中EMS的模型布局如圖2所示。

圖2 車身車間EMS模型示意圖

2.4 車間仿真模型數(shù)據(jù)通過(guò)模塊庫(kù)的批量導(dǎo)入

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的Plant Simulation數(shù)據(jù)處理模塊，將主線的工位信息批量導(dǎo)入模型中。模塊庫(kù)的開(kāi)發(fā)遵循可重復(fù)使用、可擴(kuò)展、易維護(hù)和可評(píng)估的原則，主要的目的是使我們的仿真工作更加的標(biāo)準(zhǔn)化，并且實(shí)現(xiàn)仿真人員和開(kāi)發(fā)人員的分工，極大的提高產(chǎn)能仿真的效率。目前開(kāi)發(fā)模塊功能主要分為以下三個(gè)層級(jí)，使用層：面向用戶，負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)置；建模層：面向用戶，負(fù)責(zé)模型的搭建；開(kāi)發(fā)層：面向開(kāi)發(fā)人員，負(fù)責(zé)功能的建立和更新。具體的層級(jí)和作用如圖3所示。

圖3 Plant Simulation的模塊開(kāi)發(fā)原則

2.5 車間EMS仿真模型邏輯建立

完成模型搭建后，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)EMS小車進(jìn)行邏輯控制，以保證EMS車型匹配、空車等待、返回和分流邏輯正確。

通過(guò)SimTalk編程邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)EMS小車的邏輯控制，并在前述模塊開(kāi)發(fā)的思想下，開(kāi)發(fā)可重復(fù)使用的仿真分合流模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)車型A、B、C、D的EMS控制，該模塊還可以通過(guò)參數(shù)修改用于整廠仿真的分合流邏輯控制，如圖4所示。

圖4 分合流邏輯控制模塊

控制模塊完成后，在物流流向控制模塊(ContCtrl)中設(shè)置傳感器，如下圖5所示。設(shè)置車間模型的各個(gè)分合流位置按照現(xiàn)場(chǎng)邏輯運(yùn)行，如保證空中EMS線的分線零件種類與主線車型的匹配。

圖5 控制傳感器設(shè)置

由于涉及到車型數(shù)量配比問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)給出車型連放要求，UR和FO合流點(diǎn)的連放要求見(jiàn)圖6。

圖6 UR和FO連放條件

（1）A、B車型連續(xù)拉動(dòng)在不影響生產(chǎn)的情況下最少連續(xù)5輛，最多不超過(guò)8輛

（2）C、D車型連續(xù)拉動(dòng)在不影響生產(chǎn)的情況下最少連續(xù)6輛，最多不超過(guò)12輛

使用EMS開(kāi)發(fā)分合流模塊的MinMaxFlow功能，實(shí)現(xiàn)車型的連放策略。因?yàn)锳、B和C、D的側(cè)圍生產(chǎn)位置不同，且應(yīng)與UB和FI的來(lái)車進(jìn)行匹配，因此A、B和C、D的配比應(yīng)該分別考慮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃人員給出的目前車間的規(guī)劃產(chǎn)能數(shù)量，按照隨機(jī)生產(chǎn)和連放的要求對(duì)內(nèi)外側(cè)圍的生產(chǎn)比例和最大最小連放要求進(jìn)行仿真分析。

最后對(duì)編程邏輯的準(zhǔn)確性進(jìn)行試運(yùn)行驗(yàn)證，排除編程過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，直到模型運(yùn)行邏輯和功能達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)工藝流程，能夠流暢運(yùn)行。

3 仿真結(jié)果分析

Plant Simulation軟件仿真時(shí)，測(cè)試的是長(zhǎng)期穩(wěn)定的結(jié)果，為了保證結(jié)果的正確性，需要設(shè)置預(yù)熱時(shí)間為24小時(shí)，然后模擬運(yùn)行1000小時(shí)。同時(shí)Plant Simulation軟件的仿真結(jié)果是一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)集合，在一定置信區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)才是離散系統(tǒng)仿真的結(jié)果。

本文通過(guò)對(duì)EMS數(shù)量配比的仿真分析，在二次開(kāi)發(fā)的模塊基礎(chǔ)上，運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，根據(jù)工藝規(guī)劃人員提出的需求，仿真結(jié)果有以下幾條。

圖7 仿真結(jié)果

（1）當(dāng)前EMS小車可以滿足目標(biāo)產(chǎn)能（43JPH）需求，車間產(chǎn)能為43.2JPH；

（2）若將EMS改造為共用的EMS小車，外側(cè)圍ESO達(dá)到最大JPH時(shí)小車數(shù)量大于等于27個(gè)；內(nèi)側(cè)圍ESI達(dá)到最大JPH時(shí)小車數(shù)量大于等于22個(gè)。改造后車間產(chǎn)能能滿足44.3JPH生產(chǎn)，EMS改造有利于產(chǎn)能提升。

（3）內(nèi)外側(cè)圍A、B的生產(chǎn)配比應(yīng)為1：2且B的連續(xù)生產(chǎn)數(shù)量不超過(guò)2輛，A的連續(xù)生產(chǎn)數(shù)量不超過(guò)5輛；C、D的生產(chǎn)配比應(yīng)為4：7，且D的連續(xù)生產(chǎn)數(shù)量不超過(guò)5輛，C的連續(xù)生產(chǎn)數(shù)量不超過(guò)10輛，否則會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)能損失，當(dāng)車型配比超過(guò)一定比例時(shí)會(huì)造成EMS的反堵，若不進(jìn)行人為調(diào)度，則會(huì)使車間產(chǎn)能仿真結(jié)果為零。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)汽車車身車間EMS的仿真案例，介紹了Plant Simulation在車身車間EMS產(chǎn)能仿真的應(yīng)用。通過(guò)產(chǎn)能仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行策略、生產(chǎn)邏輯和設(shè)備參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行方案的驗(yàn)證，從而為生產(chǎn)、改造規(guī)劃提供直觀量化的依據(jù)，從而降低成本，減小投產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)具有十分重大的意義。

同時(shí)本文針對(duì)整廠仿真中常用的邏輯策略，提出了可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)控制模塊開(kāi)發(fā)，從而可以降低在建模過(guò)程中大量的重復(fù)勞動(dòng)，達(dá)到建模的高效率、準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)化的目的。對(duì)Plant Simulation的開(kāi)發(fā)和使用提供了重要的借鑒意義。