双落丝机化纤自动落丝系统仿真设计与应用.pdf

IM软件应用 Software Application76 2024年第2期双落丝机化纤自动落丝系统仿真设计与 应用穆国鹏，徐志刚，张博，段文军，商志全（北京强度环境研究所，北京 100076）摘要：应用于化纤纺丝车间的自动落丝系统可有效提高企业生产效率，介绍了一种由双落丝机组成的系统方案，并在 Plant Simulation 软件中构建了数字化模型，运用软件内置的 Simtalk 语言实现了系统调度逻辑的设计，通过实验模拟验证了调度逻辑的可行性。针对系统的关键参数，通过参数化实验进行多级实验设计，计算得出了系统的双输入参数对产能影响的关系曲面图，该仿真方法在系统建设的成本控制与可靠性评估方面具有良好的应用价值。关键词：化纤丝饼；自动落丝；数字化仿真中图分类号：TP391.9文献标志码：A1引言随着“中国制造 2025”的不断推进，中国在化纤领域的产能持续扩充，目前国内化纤产量已占据世界 2/3 以上1。化纤企业纺丝车间存在噪音污染、化学污染等情况，目前已逐渐采用自动落丝系统代替人工作业的方法，同时解决了生产效率低、管理分散等问题。通过专用的RGV（Rail Guided Vehicle，有轨运输车）、缓存设备、理料装置及信息处理与排产智能调度MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）软件，可完成化纤丝饼多品种、多批次自动排产、自动转运、分批存储等作业，即时采集设备运行信息，实现纺丝落丝作业的全流程信息追溯与调度。本文介绍了一种由双落丝机组成的化纤自动落丝系统方案，并基于西门子 Plant Simulation 软件构建了系统运行的数字化模型，通过软件内置的 Simtalk 语言实现了MES 调度策略的模拟，并通过仿真实验计算出了两个关键输入参数对于系统产能的影响。2化纤双落丝机系统方案自动落丝系统是用于化纤丝饼卷绕过程的辅料供给与成品下丝的智能化系统，由落丝机、纸筒理料装置在轨道系统的辅助下完成，系统的运行效率是化纤丝饼产能的关键因素，系统可根据客户需求进行差异化方案设计，实现了从纸筒整理、信息打码记录、成品化纤丝饼基金项目：北京市科技计划基金项目（Z211100003021031）Software Application 软件应用IM投稿网站： 2024年第2期 77收集、安全自动防范及手动自动切换等全过程全自动应用2-3。以某氨纶企业纺丝车间自动落丝系统为例，双落丝机自动落筒系统布局图如图 1 所示，系统沿直线阵列设置有96台卷绕机设备，每两台上下布置共形成48组工位，每根卷绕轴同时卷绕 20 个氨纶丝饼，为满足系统自动上筒与自动下丝工作，系统设计有一台纸筒理料装置用于将丝饼纸筒进行成排整理，与卷绕机平行布置有 RGV 运行轨道，并设置有 1 台取筒上筒 RGV 和 1 台取丝落丝RGV，两台 RGV 沿轨道共轨往返运动；卷绕机末端布置有丝饼暂存装置，当化纤丝饼满卷后由取丝落丝 RGV 从卷绕轴取下并转运至丝饼暂存装置。其中 RGV 轨道可设置为地轨式或天轨式，RGV 横向移动通过齿轮齿条与伺服机构单元进行驱动，两台 RGV 均设置有 2 根取料轴，取料轴安装在 RGV 升降机构上，可与不同高度的卷绕轴进行对接以进行取丝与上筒作业。图 1双落丝机自动落筒系统布局图3数字化仿真模型设计3.1生产单元及仿真组件目前离散型系统仿真常用的软件有Plant Simulation、Flexsim、Arena 和 Witness 等4，数字化仿真的主要作用有降低工厂设计成本、增快产品推向市场速度、减少重复设计、精简生产规划流程等5。Plant Simulation 是一款集成建模物流仿真优化软件，在双落丝机自动落丝系统设计之出，通过 Plant Simulation 软件对系统进行建模并分析其关键参数对系统效率的影响，进而对关键参数取值进行优化，可有效检验系统是否可以达到预期目标。双落丝机化纤自动落丝系统 3D 布局及生产单元与仿真组件选用示意图如图 2 所示，纸筒是化纤丝饼卷绕的支撑载体，纸筒理料装置又称理筒机，主要用于将杂乱无章的纸筒通过理料机构整理成一排或多排对齐码放状态的纸筒阵列，卷绕机是将化学纺丝原液在一定工艺条件下抽拉成丝，并卷绕形成化纤丝饼的设备，一般以直线形式阵列布置，二者都为单机生产类型设备，且均为对物料源的处理设备，在 Plant Simulation 中采用“物料源”加上“单处理工位”组件进行模拟，“物料源”用来模拟生产线基础物料 MU（Mobile Unit，移动物料单元）的产生，可以通过 MU 产生间隔周期定期向生产系统输送物料，由此可以模拟化纤纸筒与丝饼卷绕原材料的产生。“单处理工位”可以抽象化模拟所有物料的处理过程，MU 到“单处理工位”后，在处理时间内锁定 MU，到达处理时间后将 MU 移送到下一个工位，可模拟理料与丝饼卷绕的处理过程。落丝机为化纤纸筒及成品化纤丝饼的搬运设备，在软件中选用“运输车+轨道”类组件进行模拟，“运输车”是一个可移动的具有容器和方向属性的对象，可通过其布尔型方向属性“backwards”控制运输车前后运动方向，同时它可以装载、运输和卸载零件或容器类对象及其他运输类工具；“轨道”用来对运输车的路径进行建模，可在对象特定位置设置传感器对象，当有运输车经过传感器可触发执行特定的方法。丝饼台车为成品化纤丝饼的暂存装置，选用“存储”类组件进行模拟，系统仿真运行中，涉及到各组件的属性与状态等数据的更新，可通过“生成器”进行数据刷新，生成器的主要功能为在设置的持续时间或间隔时间按规则循环激活所对应的控件方法，由此模拟卷绕机、搬运RGV、单机设备之间的数据交互与逻辑计算，系统运行过程的生产数据通过“数据表”进行记录。系统流程性建模完成后，应用“实验管理器”功能IM软件应用 Software Application78 2024年第2期组件可以基于多组实验参数执行一系列的仿真实验并记录实验输出数值，由此来研究输入参数的变化对输出变量的影响6。图 2双落丝机系统生产单元与仿真组件选用3.2建立仿真模型结 合 双 落 丝 机 自 动 落 丝 系 统 的 方 案 设 计，Plant Simulation 化纤双落丝机自动落丝系统模型如图 3 所示，在 Plant Simulation 软件中分别建立“运输车”类别的RGV 设备，建立“单处理工位”类的 S 工位模拟卷绕机生产丝饼过程，建立“单处理工位”类的 T1 工位模拟化纤丝饼纸筒理料装置，设置全局变量“RGV_Speed”与“T1_Proctime”将系统的 RGV 运行速度与理料装置 T1工位处理时间进行参数化，建立“轨道”类对象模拟双落丝机的运行轨道。图 3Plant Simulation 化纤双落丝机自动落丝系统模型通过仿真初始化“Init”方法在轨道特定位置创建两台落丝机 RGV1、RGV2，创建 48 台卷绕机 S1S48 工位、R1R48 物料源，物料源用来模拟卷绕机获得新的空纸筒后的进料过程，以执行下一轮丝饼卷绕任务，用 Simtalk语言将二者相连，并将参数化全局变量赋值给对应对象的属性。Software Application 软件应用IM投稿网站： 2024年第2期 793.3调度策略RGV1 与 RGV2 同轨运行，安全因素应当着重考虑。在实际应用中，RGV 设置有安全雷达、激光测距仪等安全检测装置，当两个 RGV 移动至一定距离时会减速或停止运行，以免发生设备碰撞。若两台 RGV 相向运动触发安全装置导致了停机，则需要一台 RGV 反向运行避让，这将会影响系统的效率。并且，化纤自动落丝车间经常有工作人员穿行对卷绕机进行维护，两台 RGV 同时进入卷绕机区域存在较大的安全风险，所以需从调度规则上避免此情况的发生。RGV 的落丝与上筒任务顺序一般可通过两种原则确定，一种是先到先服务（FCFS）原则，即先满卷的卷绕机进入 RGV 的服务队列优先开展自动落丝任务；另一种是按照卷绕机序号大小进行落丝任务排序。由于 RGV1与 RGV2 共轨运行，若采用 FCFS 原则，无序的任务下极易发生两台 RGV 运行路径重叠的情况，所以，选择按照卷绕机序号从小到大排列的方式，能够尽量避免路径干涉的情况的发生7-8。综上，调度规则设计为设置布尔型全局变量“RGV1_admit”与“RGV2_admit”，用 来 判 别 RGV1 与 RGV2是否可以进入卷绕机区域，当 RGV 准备进入卷绕机区域之前，优先由 MES 进行判别，系统运行流程与调度策略如图 4 所示，假设 RGV1 请求进入卷绕机区域时，RGV2已经进入卷绕机区域，且二者目标任务卷绕机相近将会导致路径重叠或 RGV 干涉，此时 MES 应该阻止 RGV1进入，等待 RGV2 完成取丝任务并开始返程时，再放行RGV1，RGV2 采取相同的规则进行调度。图 4系统运行 RGV 调度策略（以 RGV1 为例）在 Plant Simulation 中建立数据表“PosTrack”，用来记录 RGV1 与 RGV2 当前目标任务卷绕机、当前位置等信息，“PosTrack”第一列记录 RGV1、RGV2 的即将执行任务的目标卷绕机序号，为整数型；第 2 列记录RGV是否已进入卷绕机区域并正在执行任务，为布尔型。卷绕机的状态情况与允许进入标志变量可通过生成器组件在一定的触发周期下进行实时逻辑计算并更新。生成器间隔时间设置为 0.1s，通过生成器定期触发的方法，系统每 0.1s 即可更新两台 RGV 的最新任务情况，以及RGV 在 Track 上的位置与状态。并基于最新的状态完成“RGV1_admit”与“RGV2_admit”的计算，当 RGV 进入之前，通过触发 Track 上的传感器程序并检测允许进入标志变量为“true”时，RGV方可进入卷绕机区域执行任务。3.4系统属性设置T1 工位的处理时间与 RGV 的移动速度作为影响系统产能关键属性已参数化，为模拟纸筒理料装置在运行过程中存在的一定卡料故障概率，以及 RGV 在移动过程中触发安全保护停机情况，将 T1、RGV1、RGV2 的可用性设置为 95%，MTTR（Mean Time To Repair，平均故障恢复时间）分别设置为 30s、20s、20s，卷绕机 S1S48的卷绕处理时间根据设备厂家提供的参数设置为 2h，通过 T1 工位出口控制设置 T1 到 RGV1 转运时间 25s，通IM软件应用 Software Application80 2024年第2期过 S 工位出口控制设置 RGV1 到 S、S 到 RGV2 转运时间35s。通过 C 工位入口控制，设置 RGV2 到 C 转运时间32s。4系统性能仿真计算4.1实验设计为有效评估系统关键参数对系统效率的影响，通过实验管理器进行多级参数设置，并定义实验。首先在实验管理器中定义两个全局变量 T1_Proctime 与 RGV_Speed为实验的输入值，定义 RGV2 到 C 工位转运物料数量即系统产能为实验输出值。选择多级实验设计定义两个实验参数的取值，如图 5 所示，理料装置 T1 的处理时间T1_Proctime 设置上限 160s，下限 80s，实验仿真单步增量为 5s；两台落丝机的移动速度参数 RGV_Speed 的上限设置为 2m/s，下限设置为 0.3m/s，仿真单步增量 0.1m/s；仿真时间设置为 24h，由此共生成 306 组实验。图 5多级实验参数设置截图4.2结果分析通过 EndSim 方法，在每组参数实验仿真结束时，将实验参数输入值与输出值记录在数据表中，并通过 Plant Simulation 图表模块 3D 数据显示功能，得出系统的输入参数与输出值之间的关系如图 6 所示。通过系统输入参数与产能的关系图，可以直观的描述产能对于双输入参数在不同取值时的敏感性。通过实验结果可知，按照设备平均处理时间的经验公式计算，T1 理筒工位原设计处理时间 150s，RGV 落丝 机 运 行 速 度 1.0m/s，系 统 OEE（Overall Equipment Effectiveness，设备综合效率）实际仅为 82.61%，系统实际运行中的单机设备的等待时间限制了系统总体综合效率；结合实验结果数据，在考虑设计成本的情况下可合理提高设计参数，T1 工位设计处理时间提升至 110s，RGV 移动速度增加至 1.3m/s，系统产能将达到最大值。此时，系统的综合效率可有效提高到 95.97%，系统参数优化后的 S1S48 卷绕机工位的单机工作效率分布如图 7所示，系统设备的综合效率较最初经验设计有效提高了16.17%。图 6系统双输入参数-产能关系图图 7系统参数最优取值下 S1S48 工位占用率Software Application 软件应用IM投稿网站： 2024年第2期 815结束语本文介绍的一种双落丝机组成的化纤自动落丝系统，在锦纶、氨纶、涤纶等化纤纺丝车间都具有相似的应用，国内某氨纶化纤企业的应用案例如图 8 所示。系统的一些关键参数往往对项目建设成本具有重要影响，系统规划建设初期，通过 Plant Simulation 软件数字化模型的设计与实验分析，可有效评估关键参数对系统产能的影响，根据实验结果能够确定关键参数取值，进而更准确地平衡系统产能与项目建设成本之间的关系，以确保项目在合理的预算内成功实施。图 8某化纤企业双落丝机自动落丝系统应用实例参考文献1 钱伯章中国化纤工业高质量发展路径明晰 J合成纤维，2022，51(9)：73-742 任荟颖，邹鲲，胡小荣化纤长丝自动落卷系统仿真平台开发 J纺织学报，2019，40(7)：151-1573 周先何，吴维光，方千瑞，等全自动机器人在涤纶长丝生产中的应用 J合成纤维，2019，48(8)：48-514 郭家兴，袁逸萍，王波，等基于 Plant Simulation 的装配车间仿真优化研究与应用 J工业控制计算机，2023，36(5)：129-1305 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