《工业控制计算机》
2010
年第23
卷第12
期基于 eM－Plant 的汽车车身焊装线系统仿真技术研究
鲍婷洁 楼佩煌
（南京航空航天大学机电学院，江苏 南京210016
）Simulation Technology of Automobile Welding Line System Based on eM－Plant
汽车车身焊装线系统是一种典 型 的 离 散 事 件 动 态 系 统 ，实 际运行受现场随机因素的影响。 传统生产中对车身焊装线的优 化改造往往基于经验，通过对生产现场的直接调用测试来实施，
但由于现场条件的限制和设备成本的考虑， 难以柔性地对多种 方案进行评估测试。
目前对复杂离散系统进行研究最有效的方法之一是系统仿 真技术，它结合数字仿真和动画模拟的优点 ，数 据 真 实 ，获 取 方 便，通过动画可以看出仿真的情况，为决策者提供了复杂系统设 计和操作的最有力的工具。 通过对系统仿真对汽车车身焊装线系 统规划和工艺流程的研究，可以避免资金、人力和时间的浪费。
1
仿真模型的分析1．1
仿真平台的选择近年来面向对象、图形化、集成的建模仿真软件广泛地被用 于离 散 事 件 系 统 仿 真 ，如
witness
、eM－Plant
、Quest
等 等 ，它 们 能为生产设备， 生产线及生产过程建立结构层次清晰的仿真模 型，还包括模型分析、系统规划设计和统计分析等功能。 用户界 面也更直观灵活，系统模型以二维或三维方式动态显示，以便对 系统仿真过程进行实时的跟踪和分析。本文采用仿真软件
eM－Plant
作为仿真平台。eM－Plant
是 以 色 列Tecnomatix
公 司 出 品 的eMPower
软 件 工 具 ， 又 称 为SiMPLE＋＋
， 是关于生产、 物流和工程的高级面向对象仿真软件。 该软件提供了大量生产设备单元和物流装置的模型库——— 物流对象（各种加工设备、仓库、缓存区等）、信息流对象（控制策 略、信息对象）、服务类对象（工人）和移动对象（工 件 、小 车 ）；还 提供了丰富的概率分布函数， 使得建模时只需要从交互界面中 选择一种分布就可以轻松地输入仿真参数，代替了复杂的编程。
其内嵌的
SimTalk
语言，其编程语法与VC＋＋
完全类似，可灵活 地用于规划、仿真和优化制造企业、生产系统和工艺过程。 软件 还提供了各种统计分析工具、实验工具和优化工具，这些都有助 于瓶颈的消除，达到资源配置的优化，从而设 计 出 负 荷 平 衡 、高 效率的生产线。1．2
某汽车车身焊装线的系统结构某汽车车身焊装线初步的布局主要由地板线、侧围线、主焊 线、调整线以及各条线之间的自动化输送系统组成。 本文着重研
究从主焊线出口到涂装线入口的输送能力， 分析输送线上各个 工位的工作效率，瓶颈分析以及故障分析。
该系统包括的内容有：
（
1
）主焊线至调整线之间的车身骨架自动化输送系统 在主焊线出口， 通过移载机把白车身从主焊线台车上取下 来，送到空中的摩擦台车上，由摩擦线运输到调整线入口。 该输 送线整体为一条线，中间采用两条支线，用于半破坏检查和车身 表面质量检查，还有两个车位需要CO
2焊接。 两条支线进车比 列为1:1
，不区分车型。（
2
）调整线输送系统调 整 线 上 共 有
28
个 工 位 （包 含 上 下 车 位 ）， 工 位 间 距 是5500mm
，其中3
至17
工位工人需要与车随行。 调整线采用地 面摩擦＋CPC
链条侧推＋
两侧随性板链式组合输送系统，通过上 件升降机和下件升降机与其它输送线实现连接。（
3
）调整线至涂装线之间的白车身自动化输送系统 线体具有白车身下线返修并重新上线的功能， 返修车上线 和下线都不影响调整线和涂装线的节拍。 从调整线出来的白车 身，合格的经由两条存储区至涂装入口，不合格的则到返修区进 行维修，返修后的白车身不经过存储区，直接送入涂装入口。（
4
）空台车从涂装入口到主焊线下件点的自动化输送系统 白车身送入到涂装入口后， 空台车需要返回到主焊线的下 件点，开始新一轮的运载任务。 有故障的台车经由移载机到台车 维修区维修，返修后再回到线上。2
仿真模型的建立2．1
汽车车身焊装线的仿真模型应用面向对象思想，根据制造系统的运行特点，通过描述组 成系统的对象特征、对象行为以及相互关系来进行系统建模，实 现系统中的物流、信息和决策控制行为的分离。 图
1
是汽车焊装 线的面向对象仿真模型。2．2
模型的布局生成利用
eM－Plant
提供的模型库，建立系统的仿真模型。 对于 复 杂 的 系 统 ，先 将 系 统 分 解 成 若 干 个 单 元 ，用Top－Down
技 术 生 成 单 元 仿 真 模 型 ，对 单 元 进 行 单 独 建 模 、测 试 ；再 使 用Bot-
tom－Up
技术，将单元生成复杂的系统仿真模型。 图2
是汽车车摘 要
仿真是目前对焊装生产线进行工艺规划、生产调度的有效手段。选用仿真软件
eM－Plant
作为仿真平台，通过对某汽车 车身焊装线工艺流程的研究 ，建立层次清晰的系统仿真模型 ；根据仿真结果，进行瓶颈分析、设备利用 率 分 析 以 及 故 障 分 析，评估生产线的能力，为生产调度策略的制定以及生产线的规划与布局提供了科学依据。关键词：焊装线，仿真建模，eM－Plant
Abstract
At present,simulation is an effective approach to make process planning and production scheduling for welding line．In this paper,use simulation software eM－Plant as a simulation platform and establish a clear system －level simulation model through a research on the process of an automobile＇s welding line．According to the simulation results can analysis the bot- tleneck and equipment utilization,as well as the failure to assess the capacity of the production line．
Keywords:welding line,simulation modeling,eM－Plant
7
基于
eM－Plant
的汽车车身焊装线系统仿真技术研究图 1 汽车车身焊装线的仿真模型 身焊装线系统仿真图。
图 2 汽车车身焊装线系统仿真图
系 统 的 生 产 节 拍 为
1
分 钟 ， 并 且 可 调 ， 白 车 身 由 车 身 源（
Source
）按要求参数的时间间隔均匀产生，用MUs
下的Entity
表示，空台车也由台车源（Source1
）按一定数量的要求产生 ，用MUs
下的Transporter
表示。 生产线用具有一定长度和速度的Line
表 示 ， 实 际 长 度 参 照 项 目 图 ， 除 了 调 整 线 的 运 行 速 度 为5．5 ／ 1＝5．5m ／ min
外，其余生产线的输送速度均为20m ／ min
。 生 产 线 上 的 工 位 （比 如CO
2焊 接 、半 破 坏 检 查 等 ）可 由 处 理 单 元（
SingleProc
）表示，升降机、移载机也用SingleProc
表示。 为了 符合节拍的要求，它们的Process Time
都是1min
，当节拍发生 变化时，工位的处理时间也要相应地变化。 调整线上的工位工人 由于是随车而行的，可以把这28
个工位看做一个整体，工 位 的 处 理 时 间 取 决 于 调 整 线 的 运 行 速 度 。 空 台 车 返 回 段 的 堆 垛 由buffer
表示，容量为无穷大（－1
），服从先进先出原则。信息流对象处理生产线运行过程中的大量数据， 其中生产 计 划 是 典 型 的 数 据 流 信 息 ，
Product Manage
是 系 统 提 供 的 进 行产品管理的专用对象，以多层表的形式进行数据管理，Table- File
里提供了产品的加工工艺。Generator
是随机发生器， 根据输入的起始时间或统计分布 区间间隔地触发事件，直到仿真时钟结束或到达设定的结束时间。无论是起始时间还是间隔时间，可以是常量，也可以是随机量（服 从某个概率分布），只需要输入分布函数的特征参数。 在生产过程 中生产线发生故障是不可避免的， 每条生产线发生故障的概率也 是不定的，通过对随机发生器的设置实现生产线随机故障的发生。
Dialog
为复杂的仿真模型提供一个简单 的 用 户 界 面 ，eM－
Plant
可以根据用户输入的资料或操作执行相应的动作。 在这里我们可以通过用户界面，改变系统的生产节拍。
ShiftCalendar
是在仿真模型中加入班次， 设置换班 时 间 ， 还可以添加节假日。 引入ShiftCalenda
的物流对象会在非工作 时间内暂停工作，直到仿真时钟又运行到工作时间后恢复生产。加入
ShiftCalendar
后， 仿真运行的结果更加符合生产实际，注意此时
EventController
中的时间应该是绝对时间。2．3
仿真过程控制系统运行时要满足先进先出 （
FIFO
）原则，即先离 开 主 焊 线 的白车身先进入涂装线。 当有返修车下线进行维修时，白车身的 顺序会被打乱，但重新上线后又恢复先前的顺序。 每一辆白车身 离开主焊线时都标有自己的序号， 并且知道它前一辆和后一辆 车的序号， 这样在返修车与正常车重新汇合的地方加入控制决 策， 不停地判断正常车的序号与返修车原先前一辆车的序号是 否一致，如果不一致，返修车继续等待，如果一致，返修车上线。白车身正常发往涂装线经过存储区时， 也要遵循先进先出 原则，即先进入存储区的白车身先离开存储区。 一般优先进入第 一个存储区，当第一个存储区存满时再进入第二个存储区，分流 由
SingleProc
的exit strategy
实现。 如果只经过一个存储区，自动满足先进先出原则；如果经过两个存储区，就要在存储区的 出口加入控制决策， 判断从存储区
1
和存储区2
出来的白车身 的优先关系。生产线与生产线之间既是独立的，又是相互联系的，为了保 证总的生 产 效 率 ，系 统 要 求 ：
①
主 焊 线10min
，不 影 响 调 整 线 工 作；调整线停10min
，不影响主焊线工作。②
调整线停30min
，不 影响涂装线工作；涂装线停30min
，不影响调整线工作。 那么生 产线之间的输送系统要具备存储功能，以满足缓冲要求。 利用随 机发生器的intervel
事件触发生产线发生故障，duration
事件触 发生产线恢复生产。利 用 系 统 提 供 的 仿 真 语 言
SimTalk
编 制 控 制 决 策 方 法Method
，并与控制对象建立联系，是执行控制策略的重要手段，也是联系系统物流与信息的桥梁。
eM－Plant
采用的是进程交互 发进行仿真， 仿真钟推进时， 将满足时间条件的所有时间按从FEL(Future Events List)
移 到CEL(Current Events List)
，然 后 按活动扫描法对CEL
中的每个记录进行扫描，当条件为真时，执 行成分的活动，修改系统的状态并确定该成分的下一个事件。 当CEL
中的所有记录处理完成后，结束对CEL
的扫描，推进仿真时 间钟，再将FEL
中的最早发生事件移到CEL
中，直至仿真结束。3
仿真结果分析整个系统的仿真时间为
12h
， 这与该汽车生产线的一个班 次运作实际是相吻合的。 输送720
辆白车身，共有146
辆台车 供白车身使用。 仿真运行后，由瓶颈分析单元（BottleneckAna－
（下转第10 页）
图 3 仿真数据分析表
8
TeeChart
控件介绍及在实时监控系统中的应用（上接第8 页）
lyzer
）统计所得出的结果如表所示，表中列出了处理单元中对评价 系 统 效 率 极 为 重 要 的 参 数
waiting
、working
、blocked
、dis- rupted
、pause
、sort Criteria
。 从图3
中可以清楚地看出系统各 单 元 的 工 作 情 况 ，车 身 表 面 检 查 （Jcz1
）的 工 作 率 只 有13．7％
，CO2
焊接处的工作率也不高 （49．58％
）， 存储区1
和存储区2
的 工 作 率 分 别 为12．5％
和37．37％
， 升 降 机 的 工 作 率 是24．34％
，可 见 系 统 的 瓶 颈 在 这 些 单 元 ，尤 其 是 从 主 焊 线 到 调 整 线之间这段的工作效率普遍偏低，而且堵塞也较严重，需要重新 布局规划。 而车身维修区（repair
）的工作率只有0．42％
，说明需 要返修的白车身很少。直方图
4
是分析系统发生故障后再恢复生产的各个单元的 工作情况，不同的颜色代表不同的信息 ，灰色 代 表 等 待 ，绿 色 代 表工作，黄色代表堵塞，红色代表发生故障，蓝色代表停止。 其中(a)
是 主 焊 线 发 生 故 障 ，调 整 线 和 涂 装 线 继 续 工 作10min
；(b)
是 调 整 线 发 生 故 障 ， 主 焊 线 继 续 生 产10min
， 涂 装 线 继 续 生 产30min
；(c)
是涂装线发生故障，调整线继续生产30min
。我 们 发 现 这 三 张 甘 特 图 中 各 个 设 备 单 元 的 工 作 率 很 接 近
（绿色所占的百分比），说明无论哪一条生产线临时发生故障，在 预定的时间内都不影响其它生产线的正常工作， 当它恢复生产 后，也能很好地实现衔接，生产节拍没有发生变化。
4
结束语通过对某汽车焊装线系统的建模与仿真， 为该焊装线的进 一步规划和调整提供了决策参考。 仿真结果表明：通过对汽车装 焊线的仿真运行，能够对生产线进行产能与设备负荷分析，从而 诊断出生产中的瓶颈环节，这样可以节省大量的物资资源，减少 资金的浪费，并为生产线的优化提供科学的依据；通过对生产线 故障的仿真和分析，检测输送线体的缓冲能力，减少故障发生时 不必要的时间等待，提高生产效率。
参考文献
［1］王 艳 青 ，程 文 明 ，张 则 强．基 于 eM－Plant 的 铁 路 集 装 箱 货 场 装 卸 系 统仿真研究［J］．起重运输机械，2008（12）
［2］王 治 军．基 于 eM－Plant 的 汽 车 后 桥 装 备 线 系 统 建 模 与 仿 真 技 术 研 究［J］．装备制造技术，2009（8）
［3］王 红 军．基 于 eM－Plant 的 FMS 仿 真 建 模 技 术 研 究 ［J］．机 械 加 工 与 自动化，2004（7）
［4］Tecnomatix Group eM －Plant Version 8．2 User manual [K]．
Tecnomatix Company, Iserasel, 2008
［收稿日期：2010．7．24］
图 4 系统发生故障后的直方图 示区中的曲线消失。
2
程序实现实时监控实时监控做法就是需要完成实时曲线的显示， 显示的方式 主要有示波器显示方式、滚动推移显示方式这两种，本文选择滚 动推移显示方式。
2．1
对曲线进行初始化m＿Chart．AddSeries(0); ／ ／ 添加一条曲线
m＿Chart．Series(0)．SetVerticalAxis(0); ／ ／ 设置纵坐标 m＿Chart．Series(0)．SetHorizontalAxis(1); ／ ／ 设置横坐标
m＿Chart．GetAxis()．GetBottom()．SetMinMax(0,100); ／ ／ 设置横坐标的最 大最小值
m＿Chart．Series(0)．GetAsLine()．GetLinePen()．SetWidth(2); ／ ／ 设置 曲 线 粗细
2．2
主程序中添加代码主 程 序 中 添 加 多 媒 体 时 钟
timesetevent
， 在 其 相 应 函 数OnTimeMessage
中添加如下程序：m0[j]＝ 10觹sin(2觹pi觹0．05觹j觹SAPLETIME ／ 1000); ／ ／ SAMPLETIME 为采样 时间，j 为与多媒体时钟相关变量
str1．Format(″％8．2f″,m0[j]);
m＿LCDData[0]．SetText(str1); ／ ／ 在编辑框中显示数据 if(m＿check0＝＝true) ／ ／ 如果需要显示数据则执行如下操作 邀
m＿Chart．GetAxis()．GetLeft()．SetMinMax(0,200); ／ ／ 设 置 纵 坐 标 的 最 大 最小值
m＿Chart．Series (1)．AddXY (j2,m0 [j],NULL,RGB (0,255,0)); ／ ／ 对 曲 线 进 行赋
值并设置曲线颜色
if(j2＞100) ／ ／ 如果数据达到屏幕的最大值 邀
m＿Chart．GetAxis()．GetBottom()．SetMinMax(j－100,j); ／ ／ 将 图 形 的 横 坐 标设置为设跨度 100
m＿Chart．GetAxis()．GetBottom()．Scroll(1,false); ／ ／ 令 图 形 滚 动,每 次 滚 动一个单位
妖 妖
if(m＿check0＝＝false) ／ ／ 如果不需要显示数据则执行如下操作 邀
m＿Chart．Series(1)．Clear(); ／ ／ 将曲线清除 妖
运行所得的动态曲线如图
4
。图 4
3
结束语TeeChart
作为优秀的ActiveX
图形控件， 具有许多优良的 特性，它可以有效地解决图形显示问题，使得实时数据的统计图 表更加直观和易于理解。 本文结合一个实际的舵机监控项目，给出运用
TeeChart
的详细方法和实现实时显示的主要代码，实现了在监控系统中数据实时显示的功能。
参考文献
［1］屈景辉．TeeChart 应用技术详解－快速图表制作工具［M］．北京：中国 水利水电出版社，2007
［收稿日期：2010．8．14］
