基于Plant_Simul...轻质挤压墙板生产线优化设计_孟德才.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 006基于 Plant Simulation 的轻质挤压墙板生产线优化设计孟德才1，陈继文1，2，高晓明2，李文超1，许钦圆1(1 山东建筑大学机电工程学院，山东 济南250101)(2 山东建筑大学动态模块化实验室，山东 济南250101)摘要:为提高轻质挤压墙板生产效率，提出了基于 Plant Simulation 的轻质挤压墙板生产线优化设计方法。分析了轻质挤压墙板生产线的工艺流程，建立了轻质挤压墙板生产线仿真模型，采取增加布料工位加工时间的措施以优化设备利用率、阻塞率等指标，从而提高生产瓶颈工位效率。通过遗传算法优化生产计划序列，缩短加工时间。最后通过实例验证了该方法的可行性和有效性。关键词:轻质挤压墙板;生产线;优化设计;遗传算法中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0030 04随着装配式建筑业的飞速发展，建材部件智能化生产成了推动智能建造与装配式建筑工业化协同发展的关键因素1。轻质挤压墙板作为绿色、低碳、新型墙体建材部件，其生产过程存在生产线平衡损失率高、生产效率低等问题2。为此，本文基于 Plant Simulation 对轻质挤压墙板生产线进行模拟仿真，根据生产工厂实际情况，对生产环节进行优化设计研究，发现生产过程中的瓶颈，改善生产过程中不合理的现象3。1轻质挤压墙板生产线的工艺流程轻质挤压墙板的生产线可分为三部分，即物料制备阶段、墙板生产阶段、后续处理阶段，各个阶段功能不同，相互配合，构成整条轻质挤压墙板生产线4。生产线工艺流程如图 1 所示。布料机将量好的粉料放入搅拌机内进行搅拌形成料浆，计时 2min，搅拌完成后自动下放料浆到布料系统，然后通过布料机注浆到成型机中，料浆经过成型挤压区挤压成墙板，同时成型机通过螺旋绞刀旋转和振动板振动对物料压实。成型后，墙板经过输送带运输到切割系统进行切割。切割完成后送至养护窑进行养护。检验合格后进行开模，成品墙板与模板分离，被翻转机翻转后通过直角码垛机进行码垛，最后通过叉车运送至特定区域进行储存或运输。开模后的模具经过清理、喷油等工序后，运送至模板放置系统，等待下次循环利用5。图 1轻质挤压墙板生产线工艺流程图2轻质挤压墙板生产线的设计与仿真轻质挤压墙板生产线系统属于多约束、高动态的系统，对其仿真会受多种约束的限制，表现出随机、离散、并发和递归的特点6。对比各种仿真软件的特性，采用 Plant Simulation 软件对轻质挤压墙板生产线进行计算机建模以及软件仿真，仿真结束后对仿真结果进行计算分析，找出制约生产线生产效率的关键工位作为重要研究对象，同时提高轻质挤压墙板生产线产能、生产效率、设备利用率等对生产线进行优化7。2 1生产线布局建模根据对某墙板生产公司轻质挤压墙板生产线收稿日期:2022 01 10基金项目:山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010455);2020 年度新旧动能转换重大工程重大课题攻关项目高端装备产业(02)作者简介:孟德才(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造，1348953294 qq com通讯作者:陈继文，男，教授，chenjiwen sdjzu edu cn032023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2生产现场的考察，以某生产规格为 3 000 mm 600mm 100 mm 轻质挤压墙板生产线为例，根据其生产车间的特点，在 Plant Simulation 软件类库 Basis中新建模型文件夹并命名为轻质挤压墙板，在其下新建整个生产线仿真系统的主体架构。针对轻质挤压墙板文件夹下的容器实体对象命名模具，将其代表轻质挤压墙板的组装模具，作为主体零件可容纳其他零部件;零件实体命名为墙板、原材料;小车实体命名为模具车，用于生产加工过程的运输。具体如图 2 所示。图 2轻质挤压墙板生产线仿真模型文件2 2生产线仿真对轻质挤压墙板生产线进行仿真，可以优化生产布局和生产系统，提高生产效率8。基于 PlantSimulation 软件对某公司的挤压墙板生产线进行离线编程和调试9，使用面向对象的技术，创建全三维的仿真模型。通过 Plant Simulation 软件提供的分析工具、优化工具和实验工具评估系统的特性，并迅速且可靠地发现瓶颈并优化性能，从而提高产量。建模完成后，在仿真运行前，应对其仿真过程做基本假设:1)假定模板、搅拌物料等充足，不会因为断料的原因而使模具车堵塞，造成生产线卡顿或停滞;2)假定模具车在轨道上行驶时速度恒定，不会无故加速、减速或者停止;3)假定各工位生产设备在仿真时能够一直正常工作，不会出现故障，无需人员检修;4)假定整条生产线的工艺流程都严格按照所设定的工时表进行;5)遵循先进先出(FIFO)的法则，即模具车在各工位生产加工时采用先进先出、后进后出的策略。基于以上假设，通过 Plant Simulation 软件对轻质挤压墙板生产线进行建模，仿真工作站按照实际情况合理设计整体的工艺流程、各个工位的位置、模具车轨道布置、模具车的尺寸及数量，并进行多次调试，得到轻质挤压墙板生产线仿真模型，如图3 所示。图 3轻质挤压墙板生产线仿真模型2 3仿真结果分析基于 Plant Simulation 软件实时观测生产线的仿真情况。如图 4 所示，该生产线布料工位、初养护工位、终养护工位利用率较高，其他工位利用率较低。为提高生产效率，应从生产设备、工艺流程等方面对布料工位、初养护工位、终养护工位进行优化改进，在保证养护窑占地面积以及轻质挤压墙板质量的情况下，改善养护的温度、湿度等物理因素或养护方式来减少轻质挤压墙板养护时间。由于布料工位的时间固定不可调，为获得最高的生产效率，应使布料工位有最大的设备利用率，即布料工位持续不断地工作，尽量减少布料工位的等待时间。132023 年第 2 期孟德才:基于 Plant Simulation 的轻质挤压墙板生产线优化设计图 4轻质挤压墙板生产系统工位信息图3轻质挤压墙板生产线的优化在轻质挤压墙板生产线调度问题中，生产时间的长短直接影响适应度函数的值。在生产线调度目标为加工时间最短时，一般都会用总加工时间的倒数作为适应度函数。假设 n 个墙板在 m 台加工机器上工作，墙板 ji在机器 z 上加工的完成时间为 f(ji，z)，墙板 ji在机器 z 上的加工时间为 tjiz，墙板的调度方案为 j1，j2，jn，则所有墙板加工件完成时间的数学模型如下:f(j1，1)=tj11(1)f(j1，z)=f(j1，z 1)+tj1k(2)f(ji，1)=f(ji1，1)+tji1(3)f(ji，k)=maxf(ji1，k)+tjik(4)fmax=f(jn，m)(5)式中:fmax为墙板最大总加工时间;i=2，3，4，5，n;z=2，3，4，5，m。综上，此轻质挤压墙板生产线调度问题中适应度函数 Ep设为 Ep=1/fmax。3 1遗传算法对生产计划的合理排序问题，基于墙板生产线工时表(表 1)，可以利用 Plant Simulation 软件中遗传算法模块进行求解10。Plant Simulation 软件中遗传算法工具 GAwizard 采用的遗传算子主要包括变异算子、反转算子和交叉算子11。基于遗传算法求解轻质挤压墙板生产线生产计划的合理排序问题的基本流程如图 5 所示。首先给定生产计划并对其进行编码得到初始种群 P(0)，然后计算种群中的各个个体适应度值，通过选择、交叉、变异操作得到各群体序列的总用时，直到达到指定的最大迭代次数 N。比较所有的序列，得到的最小序列即为最优解 Ep。将遗传算法工具添加到仿真框架中进行参数设定，将数据输入生产计划表文件中，打开遗传算法范围框架，将优化方向设置为最小值，世代数为表 1墙板生产线工时表单位:s工序工件j1j2j3j4j5j6M173376283712065M268376203712060M363376153712058M460376003712053M56837283712047M664376173712043M760376033712038M840375983712038M961376003712035M1057375853712030M1154375833712028M1251375793712028M1331375713712028M1449375703712028M1529375603712028图 5遗产算法基本流程图20，世代大小为 20，个体观察数为 5。最后设计优化参数，并将建立好的生产计划表添加到算法框架。参数设定如图 6 所示。3 2仿真结果分析仿真实验结果如图7、图8所示。通过对比改232023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 6遗传算法参数的设定进前后的仿真结果可以发现，在轻质挤压墙板生产订单不变的情况下对生产顺序进行调整，缩短了生图 7优化前的运行时间图 8优化后的运行时间产所用的总时间，提高了系统的产能，提高的比率为 2 44%。4结束语本文通过仿真软件 Plant Simulation 对轻质挤压墙板生产线行了建模仿真，分析了生产线各个工位的利用率情况，改善了生产瓶颈工位效率较低的问题。通过遗传算法，优化了生产计划序列，缩短了总的加工时间。本文的研究为轻质挤压墙板生产线优化设计提供了一种可行的实现方案。参考文献:1叶浩文 新型建筑工业化的思考与对策 J 工程管理学报，2016，30(2):1 6 2赵富荣 对我国建筑工业化中新工艺与应用的几点思考 J 中国标准化，2017(22):182 183 3王森森 基于 Plant Simulation 的卡车生产系统仿真建模及优化研究 D 济南:山东大学，2020 4李志平 墙板自动生产线控制系统研发D 济南:济南大学，2019 5冯升 基于无线网络通信的墙板自动化生产线研究D 济南:山东大学，2015 6黄志海 某墙板生产线自动化控制系统研究与开发D 济南:山东大学，2013 7肖福龙 基于 Plant Simulation 的 L 公司生产线平衡优化研究 D 北京:北京交通大学，2019 8马茂源，李风刚，王林军 基于 Plant Simulation 的厂区物流仿真优化 J 成组技术与生产现代化，2021，38(2):38 41 9高珂婷 基于 Plant Simulation 的混合流水车间调度仿真 J 软件导刊，2021，20(3):116 118 10 沈大旺，张慧 遗传算法综述 J 信息科学，2009(28):100，74 11 常洪江 遗传算法综述 J 电脑学习，2010，6(3):115 116Optimization design of light extruded wallboard production line based on Plant SimulationMeng Decai1，Chen Jiwen2，Gao Xiaoming2，Li Wenchao1，Xu Qinyuan1(1 School of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Shandong Jinan，250101，China)(2 Dynamic Modular Laboratory，Shandong Jianzhu University，Shandong Jinan，250101，China)Abstract:In order to improve the production efficiency of lightweight extruded wallboard，an optimization designmethod of lightweight extruded wallboar