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本文已錄入期刊——《工程技術(shù)發(fā)展》
擬于2022年第5期出版
摘要
本文通過對輸變電行業(yè)中具有代表性的配電變壓器生產(chǎn)物流進(jìn)行仿真，從而研究輸變電行業(yè)離散型生產(chǎn)的仿真技術(shù)應(yīng)用，驗證行業(yè)內(nèi)車間工藝布局物流仿真的可實施性。本文針對某企業(yè)實際項目，通過DELMIA軟件進(jìn)行配電變壓器生產(chǎn)區(qū)域及廠內(nèi)設(shè)備三維建模、車間物流仿真，對工藝設(shè)計方案、各區(qū)域的生產(chǎn)節(jié)拍及設(shè)備利用率等進(jìn)行仿真分析，達(dá)到了仿真結(jié)果對于實際項目設(shè)計的數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞：輸變電行業(yè)，物流仿真，生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)備利用率，DELMIA
近年來，隨著數(shù)字化、智能化生產(chǎn)的發(fā)展，國內(nèi)制造企業(yè)對虛擬仿真技術(shù)越來越重視。目前在汽車、機(jī)械加工、航空航天等行業(yè)已開展三維工藝物流仿真業(yè)務(wù)，而輸變電行業(yè)在車間完整工藝物流仿真分析方面還沒開展應(yīng)用。
《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》在智能工廠的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中對于仿真分析進(jìn)行了說明，并且根據(jù)《智能工廠通用技術(shù)要求》（GB/T 41255-2022）中關(guān)于物流系統(tǒng)優(yōu)化中也對車間物流系統(tǒng)仿真提出了要求。輸變電行業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品主要包括變壓器、開關(guān)、電容器、互感器、套管、換流閥等，多數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)屬于離散型。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，多數(shù)工位為人工操作，產(chǎn)品自動化程度相比汽車、機(jī)械加工行業(yè)低。部分產(chǎn)品（超高壓及特高壓產(chǎn)品）體積或重量相對較大，市場需求較低，實現(xiàn)自動化更加困難。
本文根據(jù)輸變電離散型生產(chǎn)特點(diǎn)，選定配電變壓器作為研究對象進(jìn)行物流仿真研究，為輸變電行業(yè)其他產(chǎn)品物流仿真作為技術(shù)參考。配電變壓器產(chǎn)量較高，產(chǎn)品較小，加工及物流設(shè)備自動化水平較高。
本文利用法國達(dá)索公司的DELMIA軟件進(jìn)行物流仿真技術(shù)應(yīng)用研究，可以有效評估工藝布局方案并提出優(yōu)化建議，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)劃問題、物流瓶頸等，提前給予方案優(yōu)化，在自動化物流系統(tǒng)中物流仿真技術(shù)可以解決多設(shè)備協(xié)同調(diào)度、多目標(biāo)優(yōu)化等復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)劃問題，驗證智能設(shè)備調(diào)度策略的可靠性和工藝布局設(shè)計的合理性，輔助企業(yè)規(guī)劃者更合理地完成物流系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃。在降低成本的同時能夠提高生產(chǎn)效率，為管理者決策提供依據(jù)。大型企業(yè)的全廠物流是一個大型、復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，投資巨大，在規(guī)劃設(shè)計階段進(jìn)行建模和仿真，可為物流方案規(guī)劃設(shè)計提供量化的數(shù)據(jù)支撐。
項目概述
本配電變壓器項目生產(chǎn)車間南北長87.8m，東西寬61.83m，一層凈高約5.5m，面積約5459㎡。
按照智能制造發(fā)展理念，在廠房內(nèi)引入國內(nèi)先進(jìn)的生產(chǎn)試驗設(shè)備和物流倉儲設(shè)備，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程以及數(shù)字化制造技術(shù)，規(guī)劃布局配電變壓器智能制造產(chǎn)線。產(chǎn)線主要完成配電變壓器硅鋼鐵心制作、線圈制作、器身裝配、器身干燥、總裝注油和試驗檢測。根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)和倉儲需求，引入硅鋼卷料、箔材、電磁線及非晶鐵心、產(chǎn)成品及靜放產(chǎn)品專用存放倉庫，有效利用了車間內(nèi)的使用面積。根據(jù)產(chǎn)品節(jié)拍式生產(chǎn)要求，實現(xiàn)準(zhǔn)時化物料配送，提高物流轉(zhuǎn)運(yùn)效率。
設(shè)備模型建立
根據(jù)廠房內(nèi)各設(shè)備設(shè)計參數(shù)，使用SolidWorks、CATIA等三維設(shè)計軟件，進(jìn)行廠房各設(shè)備的結(jié)構(gòu)三維建模，圖1為立體貨架的三維模型
圖1 干燥罐設(shè)備三維模型
圖2 立體貨架三維模型
廠房物流模型搭建
通過DELMIA軟件的Plant Layout Design模塊進(jìn)行環(huán)境搭建，設(shè)備模型參數(shù)、數(shù)量、定位均以工藝方案規(guī)劃進(jìn)行環(huán)境搭建。
圖3 廠房模型
圖4 工藝平面及三維布置圖
在Plant Layout Design模塊中根據(jù)工藝生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、存儲設(shè)備等分類定義所有資源屬性，其中工藝生產(chǎn)設(shè)備定義為NC機(jī)械，立體庫及平庫等定義為存儲器。
圖5 工藝設(shè)備資源定義
仿真分析
物流仿真參數(shù)設(shè)定
根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)情況，鐵心剪切、鐵心裝配、線圈繞制、器身裝配、總裝配、真空注油、試驗檢測均按單班次作業(yè)，按照250天的工作日，每班次10小時；線圈干燥、器身干燥工序按連續(xù)工作制考慮，那么日產(chǎn)能規(guī)劃按照80臺設(shè)計。
根據(jù)各生產(chǎn)區(qū)內(nèi)部物流及生產(chǎn)區(qū)之間的物流關(guān)系，完成整個車間的生產(chǎn)物流。
圖6 生產(chǎn)車間物流邏輯關(guān)系圖
在物流仿真分析前，通過工廠流狀態(tài)檢查來確定邏輯關(guān)系定義是否存在定義錯誤。
圖7 工廠流狀態(tài)檢查
根據(jù)完成的物流仿真設(shè)計，進(jìn)行物流仿真分析，在仿真過程中，合理設(shè)計仿真時長，通過觀察各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及產(chǎn)能狀態(tài)分析物流設(shè)計中可能存在的問題，實施過程中通過物流生產(chǎn)的不斷迭代，分析設(shè)計過程中存在的部分邏輯關(guān)系、屬性定義、料盤數(shù)量、時長定義等錯誤及遺漏問題，通過不斷調(diào)整，完成工藝物流分析。
圖8 仿真過程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢查
仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果
結(jié)合生產(chǎn)特點(diǎn)、生產(chǎn)周期及軟件特點(diǎn)，仿真時長設(shè)計為一周（7天），預(yù)熱時間為一天（24h），仿真總時長為182h。
圖9 仿真分析數(shù)據(jù)監(jiān)控
圖10 主要設(shè)備仿真結(jié)果一
圖11 主要設(shè)備仿真結(jié)果二
通過對車間生產(chǎn)總體仿真，結(jié)果顯示8天（含預(yù)熱）生產(chǎn)柱上變產(chǎn)品共664臺，去掉一天預(yù)熱，平均一天產(chǎn)能約為95臺。
對主要設(shè)備仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析如下：
1.繞線機(jī)
繞線機(jī)設(shè)備仿真結(jié)果匯總，具體見表1所示。通過分析設(shè)備利用率，部分設(shè)備利用率達(dá)到了100%，設(shè)備平均利用率為87.9%，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)一天產(chǎn)能為95臺，按照設(shè)計一天80臺計算，平均設(shè)備利用率為74%（未包括上下料、更換電磁線等時間），經(jīng)過分析，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。
2.鐵心成型設(shè)備
鐵心成型設(shè)備仿真結(jié)果匯總，具體見表2所示。通過分析設(shè)備利用率，利用率分別為56.2%、31.3%、12.5%，經(jīng)過分析，鐵心成型機(jī)兩臺即可滿足使用需求，設(shè)計實際情況為購買兩臺，預(yù)留一臺，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。
3.器身干燥設(shè)備
器身干燥設(shè)備仿真結(jié)果匯總，具體見表3所示。通過分析設(shè)備利用率，利用率分別為79.77%、79.4%，以上數(shù)據(jù)未包括進(jìn)出罐時間，僅為干燥罐干燥過程的利用率。經(jīng)過分析，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。
4.真空注油設(shè)備
真空注油設(shè)備仿真結(jié)果具體見表4所示。通過分析設(shè)備利用率，利用率達(dá)到99.1%，說明真空注油設(shè)備基本滿負(fù)荷運(yùn)行時，一天產(chǎn)能為96臺。經(jīng)過分析，真空注油設(shè)備為該項目瓶頸設(shè)備，但滿足產(chǎn)能設(shè)計需求。
5.移動托盤
根據(jù)仿真過程移動托盤設(shè)計，主要分析線圈托盤及器身托盤數(shù)量，通過分析移動托盤利用過程及產(chǎn)能達(dá)產(chǎn)數(shù)量，仿真過程中的料盤數(shù)量滿足仿真要求，其中線圈移動托盤仿真數(shù)量為70個，器身移動托盤為100個，此托盤數(shù)量均為車間布置托盤最小數(shù)量。
表1 繞線機(jī)仿真結(jié)果匯總
表2 鐵心成型設(shè)備仿真結(jié)果匯總
表3 器身干燥設(shè)備仿真結(jié)果匯總
表4 真空注油設(shè)備仿真結(jié)果匯總
結(jié)語
本文采用達(dá)索系統(tǒng)DELMIA軟件物流仿真模塊，通過對某公司配電變壓器智能制造項目進(jìn)行物流仿真分析，結(jié)合原產(chǎn)線設(shè)計數(shù)據(jù)，達(dá)到了仿真所需數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及仿真結(jié)果對于實際項目設(shè)計的數(shù)據(jù)支撐。仿真過程中，結(jié)合軟件的功能模塊，需進(jìn)行各種功能的組合來實現(xiàn)對于離散型生產(chǎn)各工序的工藝要求，通過仿真過程的操作，物流仿真應(yīng)用適用于輸變電行業(yè)的工藝布局方案設(shè)計，達(dá)到提前驗證設(shè)計文件并進(jìn)行優(yōu)化的效果。
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