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[原创]使用WITNESS仿真评估自动生产线开动率

1. 问题简介  

  随着工业4.0国家战略的推进以及自动化技术的日益成熟,由各种类型作业机器人或机床组成的自动生产线在工厂生产中所占的比例会越来越高。自动生产线中硬件设备多种多样,这些硬件设备在生产过程中不可避免会发生故障,将导致工作站甚至整条生产线的停线,进而影响工厂的效率和效益。

  而自动生产线是由工作站、生产线以及线间缓存等组成的集成系统,单个工作站可能有多个硬件设备组成,工作站之间通过特定的运作逻辑组成了生产线的运行规则,线间缓存对其前后工序或产线的故障具有一定的调节能力,其开动率评估难以通过数学模型来进行计算。如何在产线设计之初根据产线结构、硬件设备可靠性参数、产线生产参数进行产线开动率评估是工业工程师面临的一个新课题。

图1   汽车自动自动焊装线

     以往产线开动率评估都是产线集成商根据经验估计而获得的,但是随着生产效率的提高和技术的进步,生产厂家希望能够借助于仿真技术获得精确的产线开动率评估以及产线开动率提升方案预测。

2. WITNESS仿真建模  

      采用WITNESS仿真软件(当前做生产、物流、供应链系统仿真的软件很多,具体可以参看http://www.simulway.com/)构建生产线的仿真模型。这些仿真软件中基本都具有零件、机器、输送链、小车等实际生产系统中常见对象的可视化元素,这些元素非常易用,只需要简单的编程技巧就可以实现实际系统的运作过程。

        由于仿真模型是对实际系统动态行为的真实表示,因此构建仿真模型之前,必须要具备如下素材:

(1)产线布局图;

(2)产线控制逻辑:产品型号组合、产能计划、工作站是否联动、出现设备故障是当前工作站停机还是整条产线停线等;

(3)产线运作数据:产线节拍、每个工作站作业时序图、各类设备故障数据(MTBF和MTTR)、运输设备速度、缓存设备容量等;

 

          在这些素材的基础上,基本就可以构建出仿真模型,图2为某个汽车自动生产线WITNESS仿真模型界面的一部分,显示了每个工作站中的构成,例如包括4个机器人R0123、一个工位夹具Jig、一个运输小车TrackAGV以及小车轨道go和back、一些控制变量。

 

         

 

图2 自动生产线WITNESS仿真结构图

3. 仿真实验结果分析  

      仿真模型构建完成后需要经过严密而细致的校验和验证,必须保证模型的运行方式同实际系统完全一致,排除各种编程错误和控制逻辑错误。一旦模型检验完毕后,就可以在模型上进行各种类型的仿真实验。在自动生产线开动率评估项目中,一般进行如下实验:

(1)产线开动率评估:评估在既定设计方案下产线的开动率以及影响开动率的关键设备;

(2)产线开动率提升方案及效果评价:当产线开动率不够理想时,通过仿真实验测试各方面可控因素变化对产线开动率提升的效果。

        下面以实际中的某个案例仿真结果为例进行说明:

(1)开动率评估

    由于产线设备故障时间间隔和修复时长都具有随机性,因此仿真实验一般要执行多次随机实验,然后以这些实验结果的平均值作为开动率评估值。图3为某个自动生产线设计方案仿真结果统计图,从图中可以看出产线平均开动率为85.69%、JPH为60.6等。

图3 产线开动率仿真结果统计分析示意图

     若产线开动率的目标是88%,则该产线不能达到设计的开动率要求,这时就需要分析哪些设备对开动率具有重要的影响,通过仿真实验可以统计出每一类设备的故障影响,制作Pareto图可以方便的看出重要影响设备,如图4。根据Pareto的80/20规则,影响停线的关键设备依次是:升降机、机器人、螺柱焊枪、抓手机器人、工位小车。若希望提升产线开动率则需要提升这些设备的质量水平或维修工人对这些设备的维修技能。

图4  各类设备对自动生产线开动率影响程度分析

(2)产线开动率提升方案及效果评价

      对于自动生产线开动率提升方案不外乎增加分产线之间的缓存容量、选用高质量的硬件设备(增加设备故障间隔时间MTBF)或提升维修人员维修水平(降低设备修复时长MTTR)等。可以通过仿真实验来评估这些改善方案的实际效果。

(i)分产线间缓存容量对产线开动率的影响

      设计容量系数来控制仿真模型中分产线间缓存容量,例如原来缓存容量为6,当容量系数为2时,此时仿真实验将在该缓存容量为2*6=12的条件下运行并得出一个产线开动率。表1为仿真实验结果的统计数据。

表 1  缓存容量系数对产线开动率的影响

 

(2)设备MTBF对产线开动率的影响

      同样设计一个质量系数来控制仿真实验中设备故障间隔时长,例如原来设备平均故障时长为2000小时,当故障间隔系数设为1.5时进行仿真实验,则这个设备的平均故障间隔时长将为3000小时,即硬件质量水平提升了。图5为升降机设备MTBF在故障间隔系数控制下的产线开动率变化情况,可以看出,随着该类硬件质量的提升,整条产线开动率逐步提升。

 

图5  升降机故障间隔变化对产线开动率的影响

4. 小结  

      工业4.0背景下企业生产过程要求向智能化和自动化方向发展,这对产线的开动率提出了高的要去。制造企业在进行产线自动化升级或新厂区规划设计时必然面临着自动生产线开动率评估的问题,以往经验估计已经具有一定的局限性,需要采取更精细化的运算手段辅助产线的规划设计。计算机仿真技术无疑是一个有效的方法和手段,通过标准化的仿真项目实施过程,可以快速获得产线开动率的评价结果并发现存在的主要问题,借此提出可行改善方案,并通过仿真评估为后续产线改善提供强有力的支持。

签名档 supply chain&logistics system simulation http://www.witness-china.com
| 发表时间:2017/3/23 17:19:25 | 浏览数:832 | 回复数:0
等级:高级经理
行业:仓储/物流
职能部门:物流及供应链行业顾问
城市:巢湖市
金币:12725
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