（中国汽车工业工程有限公司 天津 300113）
摘要：数字化工程和信息技术的发展，加快了企业快速响应市场需求的能力，大大提高了生产能力和生产效率。车间布局是制造企业快速响应市场和产品竞争力的重要影响因素之一，是实现制造业数字化的首要任务。基于此，本文主要对基于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化进行分析探讨。
关键词：基于数字化工厂；车间布局仿真；物流优化
1、前言
数字化工厂技术将传统的基于手工和经验的设计规划转变为基于计算机仿真和优化的精确可靠的规划设计，从而减少了工厂与工艺规划的时间，缩短了生产准备周期，优化了生产线配置，减少了工程更改量，降低了开发成本和投资风险。基于数字化工厂的车间布局规划方法，通过可视化的三维虚拟车间和定量化的分析方法为工程人员对布局方案的评估和优化提供便利，提高生产效率。
2、车间布局与仿真框架模型
先进制造系统首先是一个集成化的数据系统，这些数据随着产品的制造过程在各个系统中创建、存储、传输和转换，如产品、工艺、生产计划与控制和生产资源等。数字化车间是数字化工厂技术在车间层的具体应用，本文将构建的数字化车间布局仿真的框架如图1所示。
图 1 数字化车间布局与生产仿真框架
产品的信息以物料清单(BillofMaterial，BOM)的形式存储在PDM系统中，三维制造工艺可以在工艺设计系统CAPP中进行规划并通过系统间的集成保存在PDM系统中;生产计划与控制数据可以通过ERP系统和制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)系统进行创建和执行。制造资源管理库(ManufacturingResource Library，MRL)是构建数字化车间的基础，为整个生产过程提供数据支撑;通过可视化技术和智能终端从分布式数控(Distributed Numerical Control，DNC)系统和MES获取相关数据信息对制造资源的运行状态进行监测和管理。
在数字化工厂环境中，通过调用设备资源库中的设备数字模型，在虚拟环境中进行车间布局设计，并根据PDM、ERP、MES提供的数据和人机工程方法，对布局和生产线进行动态仿真过程进行分析和评价，对生产布局进行优化和调整，以满足效率、成本、人机工作能力等指标要求;最后将优化结果(如优化后布局、工艺、生产计划等)反馈给相应的执行管理系统。
车间布局是制造企业快速响应市场需求和提升核心能力的重要影响因素之一。研究表明，系统地构造低成本、高效率、体验式设计平台能够有效地提升工厂规划布局的合理性。通过建立具备物理模型、逻辑模型和运动学模型属性的制造资源库，基于Delmia/Quest数字化工厂软件，根据产品的工艺要求和布局原则，从制造资源库中快速调用相应设备资源，进行车间布局设计，构建3D车间模型，如图2所示。
图 2 数字化车间三维布局模型
在数字化工厂环境中，可以进一步对布局进行优化调整。从工序内容的角度出发，设计每个工位的作业范围、空间等;针对各工位具体的作业内容，从人机工程角度出发，确定操作者动作内容等。借助三维车间布局平台可以定性和定量地分析设备和装置之间的相互关系，通过仿真分析车间物流是否合理、设备的利用率以及设备位置是否发生干涉情况;通过虚拟人操作仿真，进行人机工程分析，验证工作空间是否合理，工作域的可达性，以及人与机器的能力是否匹配;同时也要考虑到工作环境问题，确保工人在健康安全的环境下工作，降低职业病的危害。
生产仿真可以为产品设计、工艺规划和生产控制构建一个数字化验证平台，为分析和优化生产过程提供依据。生产仿真预防了设计规划中存在的问题，降低了设计规划与生产之间的不确定性，提高了生产系统的可靠性和产品的成功率，从而提升了企业的整体效益与核心能力。生产运行过程是一个复杂的系统， 需要借助于数字化工厂软件( 如 Delmia/Quest，Tecnomatix) 进行仿真和分析，通过二次开发编制符合实际情况的逻辑和控制策略。在仿真过程中，可以通过图表输出生产过程相关的绩效状态数据( 如设备的利用率、生产周期、生产日志等) ， 直观地描述生产系统的运行状态。根据仿真的结果，可以确定生产效率的影响因素，消除生产瓶颈，提高生产运营效率，对生产计划与控制策略进行精确地指导。
3、车间物流规划
车间物流规划即是将车间内的所有生产设备、运输工具、附属设施（休息室、卫生间等）和各种作业流程（转运、仓储等），依照生产流程，作适当的安排与布置，使工厂的生产活动能够顺利和流畅。首先利用过程分析与数学计算相结合的方法对物流配送模式、运输工具数量、暂存区面积进行初步规划，然后通过Quest仿真软件进行物流方案的仿真验证，得到一系列参考指标并进行分析优化，找到较优的物流方案。
基于Quest的仿真与优化Quest是达索（Dassault）公司旗下产品Delmia的一部分，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字化工厂环境。它提供强有力的交互式仿真建模功能，是用于实现系统过程可视化和确认生产流程决策是否满足产品生产要求的强大的仿真开发和分析工具。
3.1Quest建模
利用Quest进行生产线仿真首先要在设计厂房的CAD布局图以及工艺流程的基础上建立几何模型，然后确定几何模型之间的关联关系和其对应的仿真参数仿真以及使用SCL仿真语言对仿真模型内在的逻辑进行设定。
根据厂房规划的CAD图纸用Quest建立几何模型，根据车间工艺流程、规划的物流配送模式以及初步评估出的运输工具数量等进行逻辑建模。然后通过SCL语言控制仿真结果的输出，包括计数器数值输出、利用率报表的输出等。具体过程为：Quest通过编写的SCL语言将仿真结果输出到DAT文件中，Excel再通过VBA读取DAT文件中的数值，最终在Excel中将数据转化为表达更加直观的图表。该实验中，我们用SCL语言编写了对各个运输工具的利用情况和主要门径（N1、S1、S2）的吞吐状况的统计分析程序语句，随着仿真的进行，目标事件触发程序计数器，将结果输出到指定路径的DAT文件中，最后在预先用VBA语句编制好的EXCEL文档中读出DAT文件并转化成直方图和表格数据。
3.2仿真结果分析及优化
每天的加工时间为20h，由于该车间的换线周期为3天，即可将此实验的仿真时钟设为60h，进行仿真实验，该物流方案下，所有配送点均满足配送及时性，但成品运送的平均利用率偏高，达到了82%。根据经验值，利用率超过75%，视为不安全，即超过安全阈值（实际生产中总会有类似设备故障等各种异常事件发生，仿真分析中配送工具的利用率如果超过75%，则在实际生产过程中极可能遇到因异常事件发生而无法满足正常配送的风险），需改善。
为了验证该物流方案是否较优，对改进后的方案再次进行仿真试验，得到门径吞吐统计输出结果显示，在3个周期的生产中，门径吞吐最高峰出现在S2门，此时每30min通过测试点的车辆数目最多为12，即最高峰时期，每两辆车之间经过测试点的平均时间间隔为2.5min，负载速度（实则为车间里最慢的行驶速度）为1m/s，则物流最高峰时两辆车之间的距离最近为150m，叉车间的安全行驶距离为90m，这个距离远远超出安全阈值，即通道畅通，物流状况良好。由此，对于该车间从物流运作模式、暂存区的规划到运输工具的规划这一整体的物流方案，可作为工厂产线规划和持续改善过程中的有效参考。
4、结语
数字化工厂布局仿真技术是辅助新厂建设以及车间改造的有效工具，通过构建三维的交互虚拟环境，从而为布局评估和优化提供依据。未来的研究方向是实现静态的虚拟车间向更加真实的动态的虚拟车间的升级，不仅反映车间里各元素的空间布局位置，同时能实现各运动单元的运动，为布局规划方案的评估和优化提供更真实可靠的依据。
参考文献：
[1]季金花，陆剑峰，朱志浩，等．数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究［J］．汽车工程，2009，31(11):1103－1107．
[2]戴大蒙．交互式虚拟环境下的工厂规划与车间布局［J］．机械工程学报，2011，22(10):1180－1184．
论文作者:刘栋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/29
标签：车间论文; 布局论文; 化工厂论文; 物流论文; 系统论文; 数字论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第23期论文;