物流输送系统的仿真及故障分析

张一珏，刘 晔

（上海中船重工船舶推进设备有限公司，上海 200031)

0 引言

近年来，全球各主要经济体都在大力推进制造业的复兴。在工业4.0、工业互联网和云计算等热潮下，全球众多优秀制造企业都开展了智能工厂、智能仓储系统的建设实践。而作为物流系统的顶层设计——物流系统仿真[1，2]，仍然是全球物流领域不可忽视的研究发展方向。

FlexSim[2～4]是美国的一款三维物流仿真软件，2005年引入国内，用于系统建模、仿真以及实现工作流程可视化，目前广泛应用于设施规划、产线生产、物流配送路径优化、AGV调度、自动化仓库仿真等。

本文研究了某在建造纸厂项目中成品纸自动化立体仓库[5]系统的“入库物流系统”[6]。首先根据系统方案及实际设备参数进行建模、仿真，再以搭建好的FlexSim模型为虚拟平台，模拟系统中当某一设备出现故障时，会对所在线路及整个输送系统产生什么影响，并根据实际条件提出处理策略。此研究可以为厂方对该物流系统的使用、设备维护及故障解决提供参考。

1 系统概况

该“入库物流系统”是某造纸厂的一个在建成品纸自动化立体仓库的配套入库系统。纸厂加工完成的成品纸垛都需要经过本物流系统输送至自动化立体仓库指定的入库口。该物流系统的运行情况直接关系到仓库的入库效率。

根据场地情况及仓库入库需求，该物流系统的方案布置如图1所示。

图1 “入库物流系统”方案布置图

1.1 设备概况

“入库物流系统”中共设置99台输送设备，6台专用设备，共分为6大类。

1）垂直输送机：纸厂的造纸加工设备位于厂房的一楼，而入库物流系统位于二楼，故配置了2台垂直输送机，用于将加工完成的纸垛由一楼输送至二楼进行入库；

2）输送线：输送线是组成该物流系统的主要设备，用来单向运输纸垛及托盘；

3）旋转输送机：通过设备自身的旋转，来改变纸垛的输送方向；

4）顶升平移机构：用来在不改变纸垛相位的前提下，改变输送方向；

5）托盘置入装置[7]：将符合入库条件的托盘置入纸垛下方，以满足入库巷道车的要求；

6）托盘拆解装置：托盘在仓库中是8个为一件，故需要拆解为单个的托盘用于托盘置入操作。

1.2 系统主要工艺流程

1.2.1 纸垛输送

两台垂直输送机从一楼将纸垛垂直输送到二楼，进入“入库物流系统”，之后纸垛由输送线进行输送，通过顶升平移机构将2台升降机后的2条线路扩展为3条，并在这3条线路上并列布置3台托盘置入装置，处理完成的成品纸垛再通过线路4上的顶升平移机改向，统一汇入线路4，线路4为单向循环输送，在该线路上设置规格测量、条码识别装置，用于识别所运送货物的信息，根据产品信息给该纸垛一个对应的库位作为去向，该纸垛就通过后续的输送设备运至对应库位的巷道，本系统输送结束。

1.2.2 托盘输送

托盘置入装置所需的托盘，是由3条专门的托盘输送线路输送至操作工位的，分别对应第一、二、三条输送线路，并设置托盘拆解装置，将一件托盘拆分为8个，一次托盘置入操作使用一个托盘。

成件的托盘是从立体仓库通过2个托盘入口，进入输送系统的线路四，再经过线路四上的转盘输送至3条托盘输送线上。

2 FlexSim建模

2.1 FlexSim实体表示

FlexSim固定实体是用来模拟仿真不同类型的资源。本次建模选择适当的固定实体来表示系统中的设备，并根据一定的排序规则为每台设备进行编号。FlexSim临时实体为穿过模型系统的实体，在本次建模中，纸垛和托盘将被设置成不同类型的临时实体来表示。

1）垂直输送机——在该系统中，我们只关心垂直输送机将纸垛送达二楼后的输送情况，故选择用固定实体“发生器”来表示垂直输送机，用“发生器”发出临时实体表示纸垛的到达。其属性中的临时实体的“到达时间间隔”参数将按照实际垂直输送机的输送节拍来设置，如图2所示。

图2 垂直输送机模型——发生器属性设置

2）输送线——用“传送带”表示，根据实际设备参数，来设置“传送带”的属性，如长度、速度、位置坐标等，设置如图3所示。

图3 输送线模型——传送带属性设置

3）旋转输送机——该设备包含旋转、输送两个功能，选择“传送带”表示，通过设置属性中“等待时间”来表示旋转所需要的时间。

4）顶升平移机构——该设备包含顶升、输送两个功能，选择“传送带”表示，通过设置属性中“等待时间”来表示顶升所需要的时间。

5）托盘置入装置——选择固定实体“合成器”表示，选择“打包”功能，可将托盘与纸垛打包为一件成品纸垛输送出去，另外根据实际设置“属性”中的“加工时间”表示该工位需要的时间，如图4所示。

图4 托盘置入——合成器属性设置

6）托盘拆解装置——选择固定实体“分解器”表示，选择“分解”功能，设置“指定数量”，将一件托盘分解为8个托盘，如图5所示。

图5 拆盘机模型——分解器属性设置

7）自动化立体仓库——因本系统是模拟实际入库，故用12个“暂存区”表示立体库的12个货位，方便直观观察入库货物的数量和统计数据，如图6所示。

图6 自动化立体仓库模型——暂存区属性设置

2.2 FlexSim模型建立

为了实现系统功能，本次建模在FlexSim模型界面中布置了128个固定实体，按照实际系统方案及设备规划搭建了该物流系统的FlexSim模型，各固定实体编号及模型布局如图7所示。

图7 模型实体布局

2.3 FlexSim模型连线及系统功能实现

2.3.1 模型连线

根据系统工艺流程对所有实体进行连线，以实现临时实体（纸垛、托盘、成品纸垛）的输送去向。

2.3.2 系统功能实现

1）由于纸垛是按照立体库给出的指令进行入库，即一种规格的纸垛是对应一个货架，故对“发生器”属性中的“创建触发”进行设置，设置1～12个临时实体种类，如图8所示。

图8 垂直输送机模型——发生器触发属性设置

2）有3台托盘拆解装置，故将托盘出库“发生器”的属性中“创建触发”设置为13～15的3个临时实体种类，代表去往3个方向的托盘；

3）通过将12个库位入库端的输送线（模型实体编号为：A514、A517、A533、A538、A542、A547、A550、A553）属性中“临时实体流——发送至端口”设置为“根据返回值选择输出端口”，其中返回值对应之前“临时实体类型”的设置规则即可将货物一一对应的送至库位中。如图9所示。

图9 输送线模型——发送至端口设置

4）3条托盘输送线路中的输送线（模型实体编号：A401、A412、A423）为托盘缓存线，该线上始终保持有1件托盘，以满足托盘拆解装置的持续运行，当该线上的托盘离开时，就会给仓库发送指令，仓库会发出新的托盘补充至该线路。

模型通过“发送消息”来实现该功能，具体消息逻辑如图10所示，其中，“托盘离开消息1”和“托盘离开消息2”不会同时发送。为实现该逻辑，固定实体属性设置如图11所示。

图10 消息逻辑

图11 输送线模型——消息处理设置

2.4 模型仿真运行

“重置——运行”模型，运行情况如图12所示。

图12 模型运行情况

1）2台发生器（升降机）每30秒发出一个临时实体，每个临时实体具备不同的颜色，表示其不同的类型；

2）托盘从托盘发生器进入输送系统，根据指令输送至对应的托盘输送线路，在分解器处分解为8个托盘，准备进入合成器工位；

3）临时实体到达合成器，托盘同时进入，合成器输出1件与原临时实体颜色一样的临时实体；

4）临时实体根据类型分别被输送至对应的入库位。

3 系统故障分析及解决策略

为了解实际生产过程中，某设备出现故障后对系统产生的影响，我们在模型中假设如下故障。

1）线路一：任一台设备故障，则线路一阻塞，但根据实际情况，纸垛会自动转至线路二、三进行处理、输送，故此故障不作为拥堵点，仅会影响系统输送速度，线路二和线路三同线路一。

2）线路四：如表1所示。

表1 线路四设备故障及处理策略

3）入库通道：任意入库通道故障，则该入库通道对应的货物在通道的入口阻塞，从而阻塞整个系统。

处理策略：（1）向前端设备发送指令，停止发送该类型货物；（2）手动将阻塞的该类型货物送出阻塞线体，然后在适当位置人工搬离。

处理结果：除阻塞入库通道对应的货物外，其余货物正常入库。

缺点：需要人工干预。

4 结语

针对一实际工程项目中的自动化立体仓库“入库物流系统”进行了FlexSim建模，本文着重考虑了如何实现货物与货位一一对应及如何实现托盘缓存线的及时补充的问题，为该类型模型的建立提供参考方案。

另外在模型中模拟了设备故障的情况，通过观察系统运行，直观的得出某一设备故障时对系统会造成何种影响；然后给出在该故障出现后可以临时缓解其对系统造成的压力的临时策略，可以为设备维修争取时间，这对实际工厂中设备维护具有重要的参考价值。