产线建模仿真时代已经来临——优化自动化生产线设计的必备工具

如果合理地使用模拟建模，

可以帮助制造企业识别和消除风险，

保证正常的生产经营，

最大化企业价值，促成成功。

模拟可以成为整个项目的有力工具，使项目团队在设计阶段就可以可视化生产线的许多方面。

要规划新生产线或改造现有生产线，必须回答许多问题，包括：

这条生产线生产什么？它跑多快？生产线的预期生产率是多少？这些设备如何适应现有的空间？如果使用传送带，有什么限制？旨在可视化生产线并在开发前将其转化为现实的技术现在比以往任何时候都更容易获得。

您可以通过电子方式查看3D PDF或视频，许多软件程序可以直接与虚拟现实(VR)耳机眼睛集成，以便相关工作人员进入精确的交互式生产线布局。

这种可视化有助于每个人更有效地理解设计参数，并就最终设计达成共识。例如，使用增强现实(AR)技术的智能手机应用程序和耳机可以将3D模型投影到现有空间，从而提供生产线的另一种视图。静态或动态建模，

干扰和障碍可以显示出来，并有助于在项目的初始阶段避免这些问题。

在设计阶段，可视化还可以用在另一个方面：突出产品在不同约束下的运动动态。该模拟使用户能够设置生产线——的操作参数，例如机器和传送带速度、传送带长度、设备位置、控制行为，

并检查系统在不同参数下的执行情况。动画模拟通常会发现生产线潜在的设计问题，而这些问题在查看生产线的布局或电子表格时通常很难或不可能发现。

建议的生产线缓冲区显示累积水平。本文图片来源：丹尼斯公司

从最近的一个例子可以看出模拟的重要性。该应用程序需要一次填充四个纸箱，然后同时将四个纸箱推出机器。尽管机器的平均速度是100盒/分钟，

但机器的实际瞬时产量是0或200盒/分钟。当机器卸料时，如果传送带的运行速度不是平均速度的两倍，纸箱将在退出时重新进入机器，从而阻止机器装载新的空纸箱。

从表面上看，速度似乎是正确的，但在实际操作中，可能会发现机器堵塞。使用模拟模型，可以在设计阶段识别问题，因此可以在安装之前纠正问题。

如果你想了解生产线上产品的实时交互，物理建模是一个非常有价值的工具。设计者可以看到传送带上产品的位移模式，并相应地调整传送带设计，以保持对产品的控制。

以前，这可以通过有根据的猜测和计算机辅助设计(CAD)布局来完成。然而，在一些特殊的应用中，如面团在传送带上滚动的动力学，很难预测或精确可视化。物理建模需要大量的计算机硬件。您可以创建一个目标模型。

从小模型中吸取的经验教训可以应用到大模型中。

在现有的生产设施中，模拟可以可视化生产线的细节。

通过仿真模型降低成本即使是设计良好的生产线，机器停机也是不可避免的。不确定停机时间的影响很难预测。制造商可能对建立缓冲区犹豫不决，认为这样会隐藏问题或鼓励不积极的经营者。取决于机器设计，

有些缓冲对性能影响不大，会造成不必要的资本支出。仿真可以对场景进行建模，并考虑正常的操作条件，以确定缓冲区的最佳数量、位置和容量，从而提高生产线的性能，避免不必要的开支。

模拟可以帮助的另一个重要方面是控制生产线。在设计过程之初，可编程逻辑控制器(PLC)还没有到位，仿真模型让设计团队考虑如何控制。这样，在购买设备之前，可以测试和优化光电和其他传感器的放置。

也许使用模拟的最关键时刻是PLC程序准备好被测试的时候。一些建模软件可以连接到PLC。该模型通过模拟传感器向PLC发送信号，并对PLC信号作出响应，以模拟电机。

控制工程师可以使用现实和响应系统来调试控制，而不是手动跟踪代码或试图使用人机界面(HMI)来可视化性能。在该模型中，传感器布置可以被精细地调整。

HMI程序可以使用该模型与PLC一起进行测试。由于该模型由PLC控制，在HMI中按下按钮将模拟实时生产场景。因此，使用仿真模型可以大大减少生产线调试的启动时间。

将仿真模型连接到PLC的过程也有利于培训。新的PLC或HMI程序员可以识别错误，测试新想法，并在现场生产前在低风险环境中建立信心。

生产线操作员可以学习如何运行生产线，并在安装前学习新的PLC程序。

仿真模型和PLC标签之间的交互有助于在设计过程的早期识别和解决问题，从而节省时间和金钱。

仿真模拟的优缺点还可以带来其他间接的好处。有了生产线动态背景的知识，建模程序员可以在设计过程的早期阶段提出问题，而在过去，这些问题通常在开发后得到解决。满足进度要求是模拟带来的另一个好处。通常情况下，

生产线已经设计安装完毕，但由于种种限制，只能在PLC程序完成前启动调试。

如果模型在入厂前进行测试，将有助于更快地验证程序。然而，模拟也有其局限性。只有输入或假设足够好，模型输出才足够好。该模拟不能预测操作者的不良习惯、不良材料的积累或冷凝物等因素。

重新检查和调整模型以确保它反映准确的应用条件和行为是非常重要的。

冷冻面团球的物理建模，将关键产品特征嵌入模型中。

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本文来自《控制工程中文版》(控制工程中国)2019年9月《封面故事》专栏。原标题为：通过仿真建模优化生产线设计。