基于Plant Simulation的涂装线传送带容量的优化配置研究

徐责，宋小欣，付建林*,，李冉，林蓝

基于Plant Simulation的涂装线传送带容量的优化配置研究

徐责1，宋小欣1，付建林*,1，李冉1，林蓝2

（1.西南交通大学 先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

为解决某企业转向架检修车间轮对涂装线部分工位阻塞的问题，通过收集轮对涂装线的现场布局、工艺与物流过程、加工工时等数据，利用Plant Simulation三维仿真软件建立基于实际生产工艺的仿真模型。分析模型仿真运行后的数据，确定涂装线在生产过程中存在瓶颈问题。针对轮对涂装线存在的瓶颈问题，采用传送带容量优化配置的方法对轮对涂装线进行优化。对优化前后的仿真数据进行对比分析，结果显示优化方案降低了生产线工位的阻塞率，消除了瓶颈问题，提高了生产线的产能。

轮对涂装线；Plant Simulation；转向架检修车间

由于高速动车组复杂的运行环境、复杂的运行线路以及较大的载客量，使得安全可靠、检修快捷、运营流畅成为高速动车组需要达到的重要要求[1]。为了保证高速动车的运行状态，我国将高速动车的检修分为五个等级，我国对三级以上的检修经验不足，而三级以上的检修，检修范围广、工艺复杂，如何提高转向架检修效率成为亟需解决的问题[2]。

转向架检修车间具有大量制造生产要素，使用传统方法无法全面了解生产状况，也难以对生产实际提出优化方法并进行验证。计算机仿真是验证离散生产系统效率的重要技术手段，面向对象、图形式集成的建模仿真软件Plant Simulation，极大简化了模型构建过程，并具有能实现人机交互的SimTalk语言[3]。

李慧等[4]基于Plant Simulation建立航空发动机叶片机械加工生产线仿真模型，通过优化加工工艺与优化缓存区并进行方针对比，达到了平衡生产线与优化阻塞率的优化效果；崔晶等[5]基于Plant Simulation建立复合材料生产线数字化仿真模型，对两种生产线工艺布局进行量化分析与论证，选取更优方案指导实际规划与运营；任运通等[6]基于Plant Simulation建立G汽车总装车间动力合成线的三维仿真模型，在仿真模型中导入SPS（Set Parts Supply，零部件成套供应）物流供线模式后对模型进行分析与评估，并以此作为实际改造的决策依据；韩晓东等[7]利用Plant Simulation建立发动机检测生产线仿真模型，借助仿真分析生产线设备负荷与瓶颈问题，通过增加缓存区来进行优化，实现生产线生产能力的提高。

本文依托Plant Simulation，对转向架检修车间中轮对涂装线进行建模仿真分析，根据仿真得出的相关数据，找出涂装线生产过程中影响产能的瓶颈，并对此提出生产线优化方案，从而提高生产线产能，对生产线实际优化改造提出理论指导建议。

1 轮对涂装生产线流程

轮对涂装线是某转向架检修车间的其中一条生产线，根据现场的实际加工情况，发现轮对压装生产线中的轮对涂装线的传送带容量配置存在不合理的情况，导致底漆与面漆喷涂工位存在较严重的阻塞现象，使整条涂装线生产量受到影响，所以本文主要对涂装线中传送带的容量配置进行仿真优化研究以提高整条涂装线的产量。该转向架检修车间主要检修车型为CRH380A行动车组，在8辆编组中1号、8号车使用拖车转向架，2号～7号车使用动车转向架，即轮对涂装线中主要为动车轮对，故本文采用动车转向架轮对模型进行仿真研究。

表1 涂装线工艺流程及各工序节拍、工位详细信息表

图1 涂装线布局图

2 仿真分析优化

2.1 涂装线仿真模型建立

涂装生产线中不同的工位进行不同的加工，Plant Simulation能够根据对象不同的功能模拟不同的生产资源。

本文的仿真模型运用到的软件工具与模拟的生产资源如表2所示。

为了提高Plant Simulation仿真模型的视觉效果从而更加真实地模拟涂装线的生产过程，需要对Plant Simulation进行相应拓展，具体操作方法如图2所示。.jt格式的模型占用的内存约为.wrl格式的十七分之一，能更好地提高模型仿真的流畅与可视化效果，因此最后使用.jt格式的模型来体现实际生产线的生产过程。

轮对涂装线的CAD布局图直接拖入到Plant Simulation中，按默认比例进行放置，从建立的用户库中拖出相应的实体模型并按照布局图进行放置。根据涂装线的生产工艺物流过程对各实体进行相应的连接，从而使模型真实反映实际生产过程，如图3所示。

表2 软件工具与模拟的生产资源对照表

图2 Plant Simulation应用拓展操作流程

图3 涂装线仿真模型

根据现场实际情况对实体进行参数设置：

（1）在发生器参数设置界面中，根据现场实际加工情况设置产生轮对的时间间隔，并在MU选项中选取用户库中设置好的轮对模型；

（2）根据表1中的数据，设置轮对防护、底漆喷涂、面漆喷涂与防护拆除设备中同时加工零件数量、加工时间、准备时间等参数以及Conveyor中时间、容量等参数；

同时，费思立满怀信心地说，有机肥、生物肥将迎来前所未有的发展时期，这主要得益于国家减肥增效、实施有机肥替代行动，以及提升耕地质量等政策的引导，企业也越来越意识到提升耕地质量，修复、改良土壤势在必行。这也是许多肥料企业，尤其一些化肥生产企业将生物有机肥作为产品结构调整战略性选择的关键。

（3）流平、烘干、冷却工序的Conveyor的长度根据CAD布局图中的实际长度来设置，从而根据长度与工序的时间来确定Conveyor的传送速度；

（4）本文主要研究各工序传送带容量的配置以提高整条生产线的产量，因此利用dialog模块开发一个交互界面，能够通过代码将交互界面中设置的传送带容量设置到生产资源中，以更方便地设置各传送带的容量，如图4所示。

2.2 模型仿真与分析

2.2.1 模型仿真

设置涂装线仿真时间为30个工作日，该涂装线所在转向架检修车间为8 h工作制，则模型仿真总时长为10天，在Plant Simulation的Home工具栏下选择Open Event Controller设置仿真时间。点击运行，模型运行到设定的仿真时间时，仿真自动停止。在模型进行仿真时观察发现，底漆喷涂与面漆喷涂工位经常出现加工完等待的情况，导致这两个工位存在较严重的阻塞现象，与现场生产线实际加工情况一致。

由于涂装线仿真模型中，轮对防护、底漆喷涂、面漆喷涂与防护拆除均为同一工序存在多工位的情况，且互不影响彼此的加工，因此本文选用Parallel Station来模拟这几个工序，并且在参数设置时，将Start processing when full选项取消选择，来反应现场实际加工的情况。模型仿真运行结束之后，仿真报告如表3所示。

图4 传送带容量设置交互界面

表3 涂装线模型仿真报告

2.2.2 仿真结果分析

从表3的数据可以得出以下结论：

（1）轮对防护、底漆喷涂与面漆喷涂工序的平均阻塞率均高于20%。在一般的车间加工情况中，阻塞较为严重的工位的后续工位即为瓶颈工位，但由于底漆与面漆喷涂的后续工位的加工过程均在传送带输送时完成，因此后续的流平、烘干与冷却工序的传送带容量配置的不合理可能是造成之前工位阻塞的原因；

（2）底漆喷涂与面漆喷涂后的烘干工序工作率分别达到了99.58%与98.64%，且烘干之前的流平工序输出阻塞率均高于50%，因此流平、烘干与冷却工序的传送带容量配置的不合理可能是造成这三个工序利用率不平衡的原因。

基于上述由仿真结果得出的结论，底漆与面漆喷涂之后的流平、烘干与冷却工序的传送带容量的配置不合理可能是影响整条涂装线产量的主要原因，因此本文对涂装线中六个传送带的容量进行优化配置，以提高整条涂装线的产量。

2.2.3 传送带容量优化配置

针对上述涂装线中传送带容量配置的不合理问题，在底漆与面漆喷涂后的流平、烘干与冷却工序传送带总容量不变的前提下，通过开发的交互界面对传送带容量进行设置，如表4所示，优先分析每一个工序传送带容量增减对涂装线产量的影响：

（1）保持底漆喷涂后的三个工序传送带总容量为18，不变动面漆喷涂后的三个工序的传送带容量配置。

（2）保持面漆喷涂后的三个工序传送带总容量为16，不变动底漆喷涂后的三个工序的传送带容量配置。

实验中发现，在涂装线产量没有发生变化的几种调整方案中，每个工序的阻塞与等待情况发生了变化。

基于上述不同工序传送带容量改变对涂装线产量的影响，本文优先优化配置面漆喷涂后的三个工序的传送带容量，得到在传送带总容量不变的情况下，涂装线产量最高的传送带容量配置方法。在得到产量最高的后三个工序的传送带容量优化配置后，对底漆喷涂后的三个工序的传送带容量进行优化配置，使涂装线工序的阻塞与等待情况得到一定的改善。

最后本文提出如下的传送带优化配置方案：底漆与面漆喷涂后的流平、烘干与冷却工序的六个传送带容量分别为4、10、4、4、9、3。由于不改变底漆与面漆喷涂后的三个工序传送带总容量，对涂装线加工房间改动较小，所以上述优化方法具有现实可行性。

将仿真时间依旧设置为10天，再次运行仿真模型，得到优化后的仿真结果如表5所示。

表4 底漆喷涂后续工位传送带容量调整后涂装线产量变化情况

表5 优化后涂装线模型仿真报告

通过对优化前后的仿真数据的对比，轮对防护、底漆喷涂与面漆喷涂的阻塞率都由优化前的超过22%降低到了不足14%，同时每一个工序的阻塞情况都得到了一定的改善，如图5所示。从优化前的1382提高到了1554，提高了12.4%，实现了本文对传送带容量进行优化配置的目标。

3 小结

针对某转向架检修车间中轮对压装线涂装线的实际生产状况，根据现场收集的涂装线生产工艺、物流过程以及CAD布局图，在Plant Simulation软件中建立能够反映生产实际的仿真模型，并对模型进行仿真分析，发现存在轮对防护与底、面漆喷涂阻塞率较高，并且烘干工序利用率过高。根据仿真分析结果并结合现场实际，对流平、烘干与冷却工序的传送带容量进行优化配置，降低了工位的阻塞率，解决瓶颈问题，从而实现了产能的提高。

图5 优化前后涂装线月产量

[1]刘晓丰. 试分析高速动车组检修运用安全质量研究[J]. 科技风，2019（19）：146.

[2]杨辉. 高速动车组转向架检修工艺设计原则探讨[J]. 交通科技，2012（3）：71-74.

[3]方忠民. 基于Plant Simulation的离散生产系统仿真文献综述[J].物流工程与管理，2018，40（11）：70-73.

[4]李慧，孙元亮，张超. 基于Plant Simulation的航空发动机叶片机加生产线仿真分析与优化[J]. 组合机床与自动化加工技术，2019（7）：116-118.

[5]崔晶，李慧. 基于Plant Simulation的航空复合材料生产线工艺布局仿真建模及评估[J]. 航空制造技术，2019，62（4）：56-62.

[6]任运通，陆志强. 基于Plant Simulation的SPS物流模式可行性分析[J]. 物流技术，2016，35（11）：94-97.

[7]韩晓东，刘冬，丛明，等. 基于Plant Simulation的发动机检测生产线仿真分析[J]. 组合机床与自动化加工技术，2015（11）：58-60，64.

[8]张智，李雨繁，徐双霞. 基于Plant Simulation的产品生产线布局仿真研究[J]. 计算机与网络，2019，45（7）：68-70.

[9]张倩，徐子奇. 基于eM-Plant的电力电缆生产线优化仿真[J].制造业自动化，2014，36（14）：43-45，50.

[10]周尔民，罗珊珊，张艳荣. 变速器生产车间布局设计与仿真优化技术研究[J]. 现代制造工程，2014（10）：109-113.

[11]吴文涛，朱华炳. 基于UML的桥壳生产系统仿真建模研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010（2）：95-97，101.

Research on Optimal Configuration of Capacity of Conveyor Belt in Coating Line Based on Plant Simulation

XU Ze1，SONG Xiaoxin1，FU Jianlin1，LI Ran1，LIN Lan2

( 1.Institute of Advanced Design & Manufacturing, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 26600, China )

In order to solve the problem of blocking part of the wheelset coating line of a company’s bogie maintenance workshop, through the data collection of the field layout, process and logistics process, processing time and other data of the wheelset painting line, the simulation model based on the actual production process was established with plant-simulation 3d Simulation software. By analyzing the data of simulation operation, it is determined that the bottleneck problem exists in the production process of coating line. In order to solve the bottleneck problem of wheelset painting line, the capacity optimization method of conveyor belt was adopted to optimize the wheelset painting line. The simulation data before and after optimization were compared and analyzed, and the results showed that the optimization scheme reduced blocking rate of production line positions, eliminated bottlenecks and improved production line productivity.

wheelset coating line；Plant Simulation；bogie maintenance workshop

TH181

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.004

1006－0316 (2020) 07－0022－06

2019－11－18

山东省重大科技创新工程项目（2017CXGC0608）智能工厂人机协同与虚拟现实增强现实技术

徐责（1995－），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要研究方向为物流仿真。

付建林（1978－），男，四川成都人，工学博士，讲师，主要研究方向为制造系统仿真与优化，E-mail：jlfuhappy@swjtu.deu.cn。