基于DELMIA的输变电行业离散型生产物流仿真技术研究

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作者：中国启源工程设计研究院-张保国、于胜斌、屈珊珊、于清明

上海安托信息技术有限公司-强晓勇

张保国，毕业于西安电子科技大学，中国启源工程设计研究院资深工程师及项目经理，具备多年变压器工艺设计、工艺仿真、智能制造等方面经验。

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本文已录入期刊——《工程技术发展》

拟于2022年第5期出版

摘要

本文通过对输变电行业中具有代表性的配电变压器生产物流进行仿真，从而研究输变电行业离散型生产的仿真技术应用，验证行业内车间工艺布局物流仿真的可实施性。本文针对某企业实际项目，通过DELMIA软件进行配电变压器生产区域及厂内设备三维建模、车间物流仿真，对工艺设计方案、各区域的生产节拍及设备利用率等进行仿真分析，达到了仿真结果对于实际项目设计的数据支撑。

关键词：输变电行业，物流仿真，生产节拍，设备利用率，DELMIA

引言

近年来，随着数字化、智能化生产的发展，国内制造企业对虚拟仿真技术越来越重视。目前在汽车、机械加工、航空航天等行业已开展三维工艺物流仿真业务，而输变电行业在车间完整工艺物流仿真分析方面还没开展应用。

《国家智能制造标准体系建设指南》在智能工厂的设计标准中对于仿真分析进行了说明，并且根据《智能工厂通用技术要求》（GB/T 41255-2022）中关于物流系统优化中也对车间物流系统仿真提出了要求。输变电行业生产产品主要包括变压器、开关、电容器、互感器、套管、换流阀等，多数产品生产属于离散型。根据生产工艺要求，多数工位为人工操作，产品自动化程度相比汽车、机械加工行业低。部分产品（超高压及特高压产品）体积或重量相对较大，市场需求较低，实现自动化更加困难。

本文根据输变电离散型生产特点，选定配电变压器作为研究对象进行物流仿真研究，为输变电行业其他产品物流仿真作为技术参考。配电变压器产量较高，产品较小，加工及物流设备自动化水平较高。

本文利用法国达索公司的DELMIA软件进行物流仿真技术应用研究，可以有效评估工艺布局方案并提出优化建议，提前发现规划问题、物流瓶颈等，提前给予方案优化，在自动化物流系统中物流仿真技术可以解决多设备协同调度、多目标优化等复杂系统规划问题，验证智能设备调度策略的可靠性和工艺布局设计的合理性，辅助企业规划者更合理地完成物流系统的设计和规划。在降低成本的同时能够提高生产效率，为管理者决策提供依据。大型企业的全厂物流是一个大型、复杂的动态系统，投资巨大，在规划设计阶段进行建模和仿真，可为物流方案规划设计提供量化的数据支撑。

项目概述

本配电变压器项目生产车间南北长87.8m，东西宽61.83m，一层净高约5.5m，面积约5459㎡。

按照智能制造发展理念，在厂房内引入国内先进的生产试验设备和物流仓储设备，结合生产工艺流程以及数字化制造技术，规划布局配电变压器智能制造产线。产线主要完成配电变压器硅钢铁心制作、线圈制作、器身装配、器身干燥、总装注油和试验检测。根据生产特点和仓储需求，引入硅钢卷料、箔材、电磁线及非晶铁心、产成品及静放产品专用存放仓库，有效利用了车间内的使用面积。根据产品节拍式生产要求，实现准时化物料配送，提高物流转运效率。

设备模型建立

根据厂房内各设备设计参数，使用SolidWorks、CATIA等三维设计软件，进行厂房各设备的结构三维建模，图1为立体货架的三维模型。

图1 干燥罐设备三维模型

图2 立体货架三维模型

厂房物流模型搭建

通过DELMIA软件的Plant Layout Design模块进行环境搭建，设备模型参数、数量、定位均以工艺方案规划进行环境搭建。

图3 厂房模型

图4 工艺平面及三维布置图

在Plant Layout Design模块中根据工艺生产设备、物流设备、存储设备等分类定义所有资源属性，其中工艺生产设备定义为NC机械，立体库及平库等定义为存储器。

图5 工艺设备资源定义

仿真分析

01

物流仿真参数设定

根据企业实际生产情况，铁心剪切、铁心装配、线圈绕制、器身装配、总装配、真空注油、试验检测均按单班次作业，按照250天的工作日，每班次10小时；线圈干燥、器身干燥工序按连续工作制考虑，那么日产能规划按照80台设计。

根据各生产区内部物流及生产区之间的物流关系，完成整个车间的生产物流。

图6 生产车间物流逻辑关系图

02

物流仿真分析

在物流仿真分析前，通过工厂流状态检查来确定逻辑关系定义是否存在定义错误。

图7 工厂流状态检查

根据完成的物流仿真设计，进行物流仿真分析，在仿真过程中，合理设计仿真时长，通过观察各设备运行状态及产能状态分析物流设计中可能存在的问题，实施过程中通过物流生产的不断迭代，分析设计过程中存在的部分逻辑关系、属性定义、料盘数量、时长定义等错误及遗漏问题，通过不断调整，完成工艺物流分析。

图8 仿真过程中设备运行状态检查

仿真数据及结果

结合生产特点、生产周期及软件特点，仿真时长设计为一周（7天），预热时间为一天（24h），仿真总时长为182h。

图9 仿真分析数据监控

图10 主要设备仿真结果一

图11 主要设备仿真结果二

通过对车间生产总体仿真，结果显示8天（含预热）生产柱上变产品共664台，去掉一天预热，平均一天产能约为95台。

对主要设备仿真结果进行对比分析如下：

1.绕线机

绕线机设备仿真结果汇总，具体见表1所示。通过分析设备利用率，部分设备利用率达到了100%，设备平均利用率为87.9%，结合仿真数据一天产能为95台，按照设计一天80台计算，平均设备利用率为74%（未包括上下料、更换电磁线等时间），经过分析，仿真结果满足设计要求。

2.铁心成型设备

铁心成型设备仿真结果汇总，具体见表2所示。通过分析设备利用率，利用率分别为56.2%、31.3%、12.5%，经过分析，铁心成型机两台即可满足使用需求，设计实际情况为购买两台，预留一台，仿真结果满足设计要求。

3.器身干燥设备

器身干燥设备仿真结果汇总，具体见表3所示。通过分析设备利用率，利用率分别为79.77%、79.4%，以上数据未包括进出罐时间，仅为干燥罐干燥过程的利用率。经过分析，仿真结果满足设计要求。

4.真空注油设备

真空注油设备仿真结果具体见表4所示。通过分析设备利用率，利用率达到99.1%，说明真空注油设备基本满负荷运行时，一天产能为96台。经过分析，真空注油设备为该项目瓶颈设备，但满足产能设计需求。

5.移动托盘

根据仿真过程移动托盘设计，主要分析线圈托盘及器身托盘数量，通过分析移动托盘利用过程及产能达产数量，仿真过程中的料盘数量满足仿真要求，其中线圈移动托盘仿真数量为70个，器身移动托盘为100个，此托盘数量均为车间布置托盘最小数量。

表1 绕线机仿真结果汇总

表2 铁心成型设备仿真结果汇总

表3 器身干燥设备仿真结果汇总

表4 真空注油设备仿真结果汇总

结语

本文采用达索系统DELMIA软件物流仿真模块，通过对某公司配电变压器智能制造项目进行物流仿真分析，结合原产线设计数据，达到了仿真所需数据的导出及仿真结果对于实际项目设计的数据支撑。仿真过程中，结合软件的功能模块，需进行各种功能的组合来实现对于离散型生产各工序的工艺要求，通过仿真过程的操作，物流仿真应用适用于输变电行业的工艺布局方案设计，达到提前验证设计文件并进行优化的效果。

参考文献

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[2]赵宁.物流仿真的价值点与痛点分析[J].物流技术与应用,2022,27(04):136-139.

[3]吴庆祺,李文杰,蔡昌伟,孙秀军.应用于离散系统的智能起重设备物流仿真技术[J].起重运输机械,2019(21):45-51.

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