基于Plant Simulation的车身车间EMS仿真分析应用研究

2022-01-14方建程刘德俊吴聿栋朱志霖

中国设备工程 2022年1期

关键词：合流小车车间

方建程，刘德俊，吴聿栋，朱志霖

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

我国是全世界最大的汽车生产和消费大国，汽车行业既有一定的发展潜力，也面临着激烈的竞争，因此在汽车生产和规划的过程中，汽车企业要提升自身竞争力，既要提升自身产能，也要规划投资和精益生产。

Plant Simulation是基于离散事件的仿真工具，自带大量的设备和生产单元模型库，能为生产线建立清晰直观的仿真模型，实现对生产线运行状态和效率的预测和分析，同时内置的SimTalk语言可灵活地控制、优化产能仿真系统和工艺过程。

本文将结合车身车间规划EMS小车数量的案例，介绍EMS仿真的过程和Plant Simulation模块的二次开发和应用。根据现场的实际输入和输出要求，测试系统产能，评估规划方案并提出优化意见，以减少项目投资，为最终决策提供依据。

1 车身分线EMS问题分析

首先我们了解一下一般车身车间的系统结构，如图1所示。

图1 某车身车间系统结构

车身车间作为一个复杂的系统，由所有的单线线体互相连接构成。某汽车车身车间主要由底板、侧围、总拼、补焊、表调线以及各条线之间的自动化输送系统、气泡(Buffer)组成。

一般情况下对于不重要的送料系统，即不对车间产能造成损失的分线，在产能仿真分析模型中可以忽略其对系统的影响。对于车身车间的非计划停线一般有以下原因：故障（Failure）、堵塞（Block）、拉空（Starved）等。其中内外侧围线的侧围需要在生产完成后由EMS装载进入空中机运线，并由EMS小车分别运输到内外总拼完成合拼动作。

EMS线对于主线产能的影响主要原因有以下几点：

（1）内外侧围上料是人工工位，对于主线的产能配比无法做到完全匹配，因此需要设置合理的缓存容量；

（2）EMS Loop距离较长，EMS小车的数量不足会导致对主线供料不足的问题；

（3）EMS线体对于每一种车型有对应的分道，存在车型的分流和合流位置，EMS小车的数量较多会导致输送道和返回道堵塞；

（4）内外侧围连续生产情况下造成的分合流位置堵塞。

因此对于新车型引入，工艺、车间需要对EMS小车数量进行计算，工艺的规划和计算方法无法根据小车数量和车型配比的不同进行计算，只能估计出保证生产的数量范围，无法做到精益规划。

产能仿真可以模拟当前现场生产的情况，根据现场布局和车型配比进行仿真分析，仿真结果可以提供精确的数量范围，实现精益规划。针对本项目工艺规划人员提出了以下的目标需求。

（1）当前EMS小车是否可以满足目标产能（43JPH）需求；

（2）若将EMS改造为共用的EMS小车，则需要多少台小车；

（3）内外侧围的产车配比有什么要求，是否会产生产能损失。

2 车身分线EMS仿真分析过程

2.1 仿真建模过程

产能仿真项目一般分为模型建立和仿真分析。模型建立包括目标建立、数据收集、模型建立和验证。其中，模型的建立和数据的收集至关重要。数据的输入主要为车间/工艺布局（Layout）、目标产能（JPH）、CT、设备开动率（SAA）、MTTR、MTBF、载具数量、储存区策略、控制策略等。仿真分析主要包括仿真实验、瓶颈分析、仿真结果及优化、仿真报告。

2.2 某车身车间仿真模型数据建立

在本案例中，车身车间要求新车型进厂后整车车间产能达到43JPH，其中EMS数量需要重点分析，由于评估的是整厂的产能输出，需要收集整厂的仿真数据，包括内外总拼和内外侧围以及EMS升降工位和附近工位的数据。

2.3 仿真建模及验证

按照现场Layout和工艺流程，使用Plant Simulation软件自带的模块，和二次开发用于整车的仿真对象，搭建整车系统模型，并建立逻辑结构，其中EMS的模型布局如图2所示。

图2 车身车间EMS模型示意图

2.4 车间仿真模型数据通过模块库的批量导入

通过二次开发的Plant Simulation数据处理模块，将主线的工位信息批量导入模型中。模块库的开发遵循可重复使用、可扩展、易维护和可评估的原则，主要的目的是使我们的仿真工作更加的标准化，并且实现仿真人员和开发人员的分工，极大的提高产能仿真的效率。目前开发模块功能主要分为以下三个层级，使用层：面向用户，负责参数的设置；建模层：面向用户，负责模型的搭建；开发层：面向开发人员，负责功能的建立和更新。具体的层级和作用如图3所示。

图3 Plant Simulation的模块开发原则

2.5 车间EMS仿真模型逻辑建立

完成模型搭建后，根据实际情况对EMS小车进行逻辑控制，以保证EMS车型匹配、空车等待、返回和分流逻辑正确。

通过SimTalk编程逻辑实现对EMS小车的逻辑控制，并在前述模块开发的思想下，开发可重复使用的仿真分合流模块，实现对车型A、B、C、D的EMS控制，该模块还可以通过参数修改用于整厂仿真的分合流逻辑控制，如图4所示。

图4 分合流逻辑控制模块

控制模块完成后，在物流流向控制模块(ContCtrl)中设置传感器，如下图5所示。设置车间模型的各个分合流位置按照现场逻辑运行，如保证空中EMS线的分线零件种类与主线车型的匹配。

图5 控制传感器设置

由于涉及到车型数量配比问题，需要实现现场给出车型连放要求，UR和FO合流点的连放要求见图6。

图6 UR和FO连放条件

（1）A、B车型连续拉动在不影响生产的情况下最少连续5辆，最多不超过8辆

（2）C、D车型连续拉动在不影响生产的情况下最少连续6辆，最多不超过12辆

使用EMS开发分合流模块的MinMaxFlow功能，实现车型的连放策略。因为A、B和C、D的侧围生产位置不同，且应与UB和FI的来车进行匹配，因此A、B和C、D的配比应该分别考虑。根据现场规划人员给出的目前车间的规划产能数量，按照随机生产和连放的要求对内外侧围的生产比例和最大最小连放要求进行仿真分析。

最后对编程逻辑的准确性进行试运行验证，排除编程过程中可能出现的错误，直到模型运行逻辑和功能达到预先的设计工艺流程，能够流畅运行。