SIMMENSSmall Parts Production Demo Model.docx

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1.描述

模型展示了一个基于托盘运输的生产及装配系统。

该系统包含多个人工及自动的工作站，装有零拣的托盘在通过该系统时，被工作站基于一定的处理时间加工处理。

每个工作站都拥有各自的特定功能及处理时间。

人工的工作站需要有人员处理操作。

而相关的参数则决定了这些工作站的处理时间。

我们创建这个模型基于PlantSimulation的基础功能。

我们插入最基本的单元并连接他们来表示一个真实的生产线。

1.1目的

该模型旨在优化托盘数量以及缓冲区的能力，从而最大化该系统的吞吐能力。

它将展示如何解决每个仿真工程师需要面对的两个典型问题：

一个真实的生产系统总是需要去优化一些价值问题（例：

最大化作业量以及最小化作业时间）和改变某些参数（诸如能力上限，物流以及布局）。

在一些场景中，一些参数往往是相互关联并影响的（例，如果减少了缓存区的能力那么托盘同样也需要减少）。

使用者为了得到最优解需要试验所有的情形以验证这些参数。

然而，这往往是不可能的。

而通过该软件的试验管理调整，将能够自动解决该问题。

一些参数在真实的系统中具有一定的随机行为（例：

机器损坏的时间节点以及人工站台的操作时间）。

在这种情况下，只做一次仿真模拟是不够的，因为对于一个随机的仿真模型其结果并不是唯一的。

当你用相同试验基于不同的随机数值，他将会生成不同的结果。

所以不能仅用一次仿真模型，就给价值百万的项目决策，解决方案是用不同的随机数运行多个实验和计算结果的置信区间。

而通过该软件的试验管理调整，可以告诉你答案。

例如，在置信水平为90%，您的系统的平均吞吐量会在范围内每小时的45.2和45.5单位之间。

2.演示说明

2.1研究概述

通过点击架构assembly1内的开始按钮开始整个仿真模型。

图1.架构内的开始与结束按钮

观察仿真模拟运行。

托盘在系统的左手边进入。

在生产线的左上角，Loadstation装载工作站将一个零件放在一个托盘上。

然后，托盘移动，依次通过几个手动和自动化工作站。

当一个托盘进入一个手动工作站时，一个工人从工人池被分配到工作站。

在MS3站台的右边，子部件被安装在主体部分。

该子部件来自于前产线Preproduction。

双击此工作站查看其内容。

PlantSimulation允许以一个分层的方式构建生产线。

分层布局的数量可以是无限的。

托盘移动到F5和F6输送线上额外的工作站。

在生产线体的底部，40%的托盘加载到一个跨传输单元，并被传送通过一个测试站。

在Unloadstation卸载工作站，其主要功能是卸下托盘并离开该系统。

空托盘被移动到Loadstation再装入零件进入下一个循环。

图2.装配线模型Assembly1

2.2系统参数

在该模型中一些对象被关联在黄色的背景上面。

这些对象用来控制和参数化的仿真模型。

在左手边是EventController（事件控制器）。

此对象可以控制仿真模型中的所有事件。

它能在仿真模型运行期间记录时间，并控制所有活动。

第二个对象是浏览器属性（AttributeExplorer），被称作人工参数（ManuParameters）。

右键单击该对象，在弹出的属性菜单中点击SHOW，你可以打开一张关系属性表。

使用此对象可以将仿真模型中的几个对象同时快速轻松的同时参数设置。

你可以看到我们使用正态分布来模拟MS1至MS4人工工作站台的处理时间。

所有工作站的利用率为98%。

图3.人工工作站的属性浏览器

第三个对象是浏览器属性（AttributeExplorer），被称作自动参数（AutoParameters）。

右键单击该对象，在弹出的属性菜单中点击SHOW，打开表单。

你会注意到我们使用均匀分布来模拟AS1至AS5自动工作站的处理时间。

所有工作站的利用率为99%。

图4：

自动工作站的属性浏览器

其它对象的详细描述如下：

我们的生产线分为两个班次。

这个用ShiftCalendar班次日程来表述。

双击这个对象来打开班次日程的时间表。

图5.班次日程表（ShiftCalendar）

只有人工工作站被分配了班次日程表。

点击表单Resource来查看被分配的资源。

图6.班次日程表内的资源

对象WorkerPool（工作池）提供手动工作站所需的工人。

双击要打开其对话框，然后单击“CreationTable”打开工人属性定义表。

第一列显示工人的分类对象，这些将被创建用于仿真运行的对象。

这很有用，尤其当工人们具有不同的技能，。

第二列定义该类工人被创建的数量，而第三列定义工人执行工作的班次。

2.3仿真模型的对象

在生产线的左手边你可以看到托盘对象的资源输入对象StartPallet。

此对象创建并定义托盘数。

托盘移动到输送线体F0。

资源输入对象RawParts创建的生产流水线的零部件。

这些部件都被加载到到达的托盘上。

经过几个处理站，托盘到达UnloadStation工作站。

零部件被卸载，并且移动到输出对象FinishedParts完工部件。

输出对象收集统计到达的成品的数据，并从仿真模型中移除的该部分成品。

3.仿真模型作业

3.1找到托盘的最佳数量

找出托盘的最佳数量，以最大限度地提高系统的吞吐量。

为了实现该目标，我们将改变托盘数量（Quantity），这里将用不同的随机数运行多个个模拟实验，以获得统计上可靠的结果。

这样手动做是一个劳动密集型和费时的项目。

而ExperimentManager实验管理奖帮助你快速有效的执行模拟研究。

双击名称为PalletOptimization托盘优化的试验管理器（ExperimentManager）

图8.实验管理器-标签定义

在标签定义界面点击“定义输出值”。

弹窗将展示我们需要优化的数值结果。

然后，点击“定义输入值”。

这张表将展示为了优化结果而需要我们变动的参数。

你可以同时增两张表的描述，使属性的含义更全面。

此描述将出现在实验的评价中。

单击“定义实验”来展示托盘的属性。

在字段“每个实验的观察数目”的右边定义了为每个实验且基于不同随机数的模拟仿真次数。

单击“重置”和“开始”来启动实验管理，一段运行时间后该项目会生成一份报告。

在概述界面，将展示托盘的数量以及产线的吞吐能力。

每个实验的吞吐量结果都被可视化如下结果。

同时也展示了小概率事件发生平均值的置信区间。

可以注意到，当增加产线的托盘数量时，其吞吐量也会相应增加。

而当托盘增量大于某一个固定数值时，其吞吐量的增长将变慢，或者再次减少。

在实验5中可知该产线的最优托盘数量是35.

结论：

通过plantsimulation的试验管理器可以轻松处理不同随机数值下的仿真实验。

不同的参数值可以被测试，进而决定最优的方案。

3.2瓶颈分析

上文定义了产线的托盘数目。

双击变量Quantity来打开对话框，并填入35的数值。

运行仿真模型。

当仿真结束，双击工作站利用率Stationutilization。

将打开一个工作图表，里面展示了每个工作站的利用率。

上图站台MS2，MS3，MS4以及AS2可以看到出现了一定比例的阻塞情况（黄色）。

在另一方面，大部分的工作站台都属于闲置状态（灰色）。

因此可以得到该产线的工作瓶颈为站台MS2，MS3，MS4以及AS2。

双击BufferUsage缓存区利用率的直方图。

其展示了输送带被托盘占用的时间百分比。

图10.输送线占据时间

注意，相当平凡，输送线F4以及F5（黄色以及蓝绿色）被完全占据。

同样，这些指标显示瓶颈在于MS3/MS4。

因此，该问题可能出现在人工工作站台与自动站台的连接问题上。

为解决该问题，我们在MS3与MS4增加了一个缓存区。

3.3测试新的产线布局

注意观察架构Assembly2。

它在MS3与MS4增加了一个缓存区。

双击这个缓存区。

在该对话框内可以看到缓存能力上限时6个托盘。

图11.缓存区对话框

为了优化缓存区能力，我们将使用实验管理ExperimentManage。

我们增加第二个实验管理器ExperimentManage。

在这里，我们定义缓存区的能力上限为输入参数，将产线的吞吐能力作为输出参数。

通过运行该实验，将会产生一份报告。

从报告的概述中可以看到缓存数目为10时，结果最优。

大量的缓存区域并不能增加吞吐量，该模型有一个最佳的数值。

输出统计界面的评估表Evaluation也展示了该信息。

随着图表的上升，实验6到实验8之间只有很小的增量。

4.人员利用率

为了检验人员的利用率，右击对象Worker-Utilization并在下拉界面选择ViewChart。

图12.员工利用率图表

改图表展示了在人工工作站台的利用率非常高，人员的调整空间不大。

5.总结

即使是一个简单的模型由于其随机参数的影响也表现出复杂的行为。

即使对于一个只有两个相同工作台的循环系统，如果采用不同的随机分布，第二台工作站也可能会产生瓶颈。

结论：

Plantsimulation提供了大量的简单易用的工具，并通过预设值来评估整个系统模型。

这些工具允许识别瓶颈并检验资源的利用率情况。

6.优化能源消耗

当前我们已经优化了产线的吞吐能力，接下来将会评估产线的耗能情况。

双击输送线F0并打开对话框。

点击选项Energy.

图13.F0输送线的能耗

在该界面，你可以定义输送线体的功耗水平。

当输送带开始工作时，气功号为1KW。

当该输送带速度为0时，其待机的功耗为0.3KW.这些设置从类对象继承，在模型中的所有输送机都是相同的。

双击图标Energyanalyzer打开对话窗口。

点击object来添加需要分析能耗对象。

在窗口内的列表中增加对象，拖动你想要添加的对象到能耗分析EnergyAnalyzer并释放。

如果想要添加所有，请选择“AddAll”

点击Setting。

勾选复选框Displaypanel显示面板.当程序运行时，他将会在能耗分析下方先显示一个动画的面板。

显示面板显示所有分配资源的累计能量消耗。

在运行状态下，第二行显示所有资源的积累的能量消耗。

下一行显示当前的功耗而最后一行显示最大功率消耗。

运行一天的数据进行模拟。

产线总耗能为837.9KW/DAY。

当前实时能耗为23.6KW且全天最大能耗为46.0KW.

在下一步中，将采取措施减少能耗。

为了实现该目标。

当传送带上为空时，设置输送带的传输速度为0。

在界面的中间，该仿真模型包含一个约束条件复选框，称为Energysavingmeasures.

当点击该复选框时，在该模型中勾选其属性Automaticstop复选框。

原因是当输送单速度为0时，输送带上无托盘。

为了减少能耗，输送带将停止无意义的运行。

再次运营模型并观察面板的能耗。

此次的产线总耗能为600.3KW/DAY。

当输送带上为空则停止运行，该措施每天能够节省237.6KW。

而高峰能耗从46kw下降到41.8kw。

这是重要的，如果你正在计划一个新的生产线，你必须依据电能功耗确定电线的截面大小。

打开EnergyAnalyzer并单击按钮Show旁边的可视化。

在对象旁边的显示色环，这显示了在仿真模型中的对象的能量消耗的颜色圈。

圆圈的颜色和厚度被定义如下图所示。

点击如下图标：

显示窗口如下：

右击显示画图，可以得到下图截面：

总结：

plantsimulation提供了强大的工具用来分析产线的电力构成。

这些工具允许轻松快速的为电力结构设置参数，并确认主要的用电节点并分析一些省电的措施。