世界关注：生产系统对象建模

数字化企业 2023-06-25 01:04:03

以下文章来源于智造苑，作者小智

(相关资料图)

引自：《生产系统建模与仿真》（作者：朱海平）

将生产系统中客观存在的各种物理实体（entity）以及逻辑实体进行抽象描述并实现图形化表达，称为对象建模（object modeling），每个实体都有其特征和功能，在对象模型中统称为属性（property）。生产系统仿真模型中的对象主要包括生产设施对象、物流设施对象、工件对象、资源对象和逻辑对象。它们的特点如下：

（1）生产设施、物流设施、工件、资源是物理实体的抽象描述，而逻辑对象不对应物理实体；

（2）生产设施、物流设施是永久对象，仿真建模时即存在，仿真结束后也不消失。它们也是静态对象，仿真过程中几何位置保持不变；

（3）工件、资源是临时对象，仿真运行时才创建，仿真结束后就消失。它们还是流动对象，仿真过程中几何位置不断发生变化。

「 1. 生产设施对象」

生产设施是工件的工序作业场所。依据工艺流程定义，工件在不同生产设施上依次完成加工、装配、检测和其他增值活动，最后变为成品件。根据工序特点的不同，可将生产设施抽象为一般设备、装配站和拆卸站等3类对象。在仿真运行周期内，工件依次进入各种生产设施，停留一段时间，经过作业处理后离开，生产设施因此在不同状态之间进行转变，仿真引擎自动统计出所有生产设施对象处于不同状态的时长，作为时间分析的依据。

生产设施对象的特点与基本属性如表1所示。以“一般设备”为例，其基本属性包括：

（1）几何属性：坐标位置、基本尺寸；

（2）工作单元数：默认为1，如果单元数大于1，称为并行机器；

（3）缓冲区容量：设备分为带缓冲区和不带缓冲区两种类型，如果不自带缓冲区，一般会单独设置设备的前置缓冲区；

（4）当前状态：等待（waiting）、准备（settingup）、工作中（working）、故障（failed）、阻塞（blocked）、计划外（unplanned）等；

（5）工人需求：设备执行作业时需要的工人类型及数量，只有工人就绪，才能开工；

（6）资源需求：设备执行作业时需要的资源，比如工具、工装等，只有资源就绪，才能开工；

（7）准备时间：设备进行装夹等准备工作所需时间，可以是确定数，也可以是随机数；

（8）处理时间：设备执行加工等作业所需时间，可以是确定数，也可以是随机数；

（9）故障特征与维修特征：设备的故障间隔时间、维修时间、维修所需资源和工人等；

（10）当前工件列表：当前时刻设备中的工件清单，包括在处理、待处理、已处理待离开等多种类型，仿真过程中该列表动态变化；

（11）进出历史工件数量：截止当前时刻，进入和离开设备的工件数量；

（12）工作日历：包括工作日、工作时段、计划停机时段等信息。

表1 生产设施

「 2. 物流设施对象」

生产系统中常见的物流活动包括在制工件的临时存放（缓冲区）、长期存放（仓库）、物流运输（传送线、车辆等）、机器上下料、工人搬运、资源配送等。物流活动多为非增值活动，在工件生产周期内的时间占比很大，可能多达70%~80%，因此，物流建模、分析与优化的意义重大，极受企业关注。物流设施种类很多，根据其特点，可抽象出如下典型物流设施对象，见表2。

表2 物流设施

「 3. 工件对象」

工件（part）是基本的生产对象，其类型一般包括毛坯、原材料、自制加工零件、购置的配套零件、部件和成品等。与生产设施、物流设施等永久对象不同，工件对象是临时对象，仿真运行时，仿真引擎根据生产任务安排，特定时间在特定的位置创建工件对象，并开启工件的生命周期，工件随即在生产系统中流转并进行各种工序作业，当全部工序完成后，工件进入终止位置，生命周期终止。工件的基本属性包括：

（1）状态及停留时长。工件有5种基本的状态：等待（waiting）、工作（working）、移动（moving）、计划外（unplanned）、终止（finished）。当工件在缓冲区中排队时，处于“等待”状态，当工件进入设备后，变为“工作”状态，当工件进入传送线、AGV等物流设施后，变为“移动”状态，当仿真系统进入非工作时段后，工件变为“计划外”状态，当工件生产任务结束时，变为“终止”状态。仿真结束后，通过对上述状态的停留时长的统计，可以精确得到工件的有效工作时长占比。

（2）创建位置和创建时间。工件的创建位置通常包括系统入口、仓库出口、装配站、拆卸站等。其中，“系统入口”是一个物理或逻辑对象，依据生产订单自动创建待加工工件，“仓库出口”根据配送指令，创建出库的零配件，“装配站”创建装配好的部件或产品，“拆卸站”创建拆卸后的工件。

（3）终止位置和终止时间。工件的终止位置通常包括系统出口、仓库入口、装配站、拆卸站等。其中，“系统出口”是一个物理或逻辑对象，工件进入出口意味着不再流转，“仓库入口”接收入库的工件，工件在“装配站”完成装配后就不再存在，同样，工件在“拆卸站”拆装后也不存在了。

（4）当前位置、前驱位置、后继位置。当前位置指工件当前所处的生产设施对象或物流设施对象，前驱和后继分别指前一位置和后一位置。随着工件的流转，这三个位置不断在发生变化。

（5）进入时间、处理时长、最早可离开时间。工件最早可离开当前位置的时间=进入时间+处理时长。注意，仿真时钟到达最早可离开时间并不意味着工件就可以马上离开当前位置，工件何时能离开还要看物流设施的就绪情况、后继位置的空闲情况等。比如，工件在某设备上加工需要10min，则自工件进入设备到满10min，工件不能离开该设备，10min之后，如果工件的后继允许进入，并且物流设施已就绪，则工件马上离开该设备，如果条件不满足，则工件继续等待，同时设备进入阻塞（blocked）状态。

（6）工件的编号、名称、类型。在仿真系统中，工件的编号一般是自动流水号，依据工艺路线，工件类型决定了工件的作业任务和流向。

「 4. 资源对象」

资源是生产系统中重要的辅助对象，生产与物流过程都离不开资源的支持。比如物流运输需要车辆、装配和维修作业需要工人、加工作业需要工装和刀具、生产线传输需要托盘等，常见的资源类型包括：

（1）物流运输类资源，比如AGV小车、天车等；

（2）承载类资源，比如托盘、装夹工装等；

（3）工人，指操作工人、维修工人、运输工人等类型；

（4）辅助类资源，比如刀具、检具等。

在资源建模时，主要关注点在于：

（1）资源调度。资源多是共享的，需定义资源的调度机制，当多任务请求资源时，确定资源服务的顺序。

（2）时间。从呼叫资源到资源就绪需要一定的时间，该时间的长短取决于资源忙闲状态、排队任务数、资源移动时长、资源需求数量等；同样，从资源被占用到资源释放也需要时间。这些时间可能是确定的，也可能是随机的。

（3）资源的独占、非独占和死锁。资源的占用可能是排它的（独占）也可能是可共享的（非独占），具体采取哪种策略取决于实际场景，如果资源是独占的，有可能出现资源死锁的情况，在建模时要避免。

（4）状态及停留时长。资源有5种基本的状态：等待、工作、负载移动、空载移动、计划外，其含义和工件对象基本类似，区别在于资源的“移动”状态细分为负载移动和空载移动，因为无论是托盘、小车、工人都有负载和空载的区分。通过对资源状态时长的统计，可以计算出资源利用率。

「 5. 逻辑对象」

上述4类对象一般都与具体的物理实体对应（“入口”和“出口”对象比较特殊，有时候它们也是逻辑对象），逻辑对象则不对应任何物理实体。在生产系统仿真建模时，存在大量的逻辑对象，比如AGV调度系统、工人调度系统、资源调度系统、脚本方法、图表对象、试验设计对象、分析工具对象、通信对象等，它们都需要在仿真系统中进行定义并设置其属性。

与物理对象不同，逻辑对象不存在几何属性，在模型区的放置位置不重要，逻辑对象一般也不存在状态属性。

「 6. 对象建模示例」

图1是一个对象建模示例，基于FactorySimulation软件而构建，它描述的是一个加工装配混合车间的仿真模型。

图1 生产系统对象模型示例

该车间长46m，宽22m，包含4个区域：加工区1、加工区2、装配区和存储区，如图中虚线所示。对象模型的构成如下：

（1）生产设施对象：加工区1有2台加工设备；加工区2有5台加工设备；装配区有5台装配站；

（2）物流设施对象：加工区1有2个缓冲区和1套RGV系统，RGV为2台加工设备提供上下料服务；加工区有2个缓冲区和1条传送线，传送线有5个加工工位，分别对应5台加工设备；装配区有2个缓冲区和1条传送线，传送线有5个装配工位，分别对应5台装配站；存储区有1个立体仓库；车间配备1套AGV系统，AGV路线如图中粗线所示，含10个停靠站点，连接了4个区域，共有2台AGV；

（3）工件对象：毛坯件从“入口”处进入系统，共有20类毛坯件，先在加工区1和加工区2内进行加工，加工好的成品工件在装配区进行装配，所需零配件存放在立体仓库中，共150类工件，最终装配得到20类产品；假定仿真周期内20类产品各生产100套，每套产品自制品1个、零配件150个，则仿真过程中工件对象总和=自制件总和+零配件总和+产成品总和=20*100*1+20*100*150+20*100*1=304000个；

（4）资源对象：车间有20名工人，其中机加工5人、装配工10人、物流工5人。工人的工作站点分布在各个区域，步行路线如图中细线所示；

（5）逻辑对象：入口、出口和AGV系统是逻辑对象，“入口”产生工件，“出口”汇集完工工件，“AGV系统”实现AGV的调度，另外还有若干脚本方法对象（图中未显示），通过它们实现生产控制逻辑。

转自公众号：PLM之神

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