柔性生产模拟

柔性生产模拟（精选7篇）

柔性生产模拟 篇1

0 引言

常规能源的有限性和环境问题日益突出, 新能源大量接入电网, 给电力系统带来了很多不确定性因素。本文所研究的不确定性电源指的是具有随机性、间歇性和波动性特点的新型电源, 主要以大规模风电和太阳能发电为主[1,2]。为了使不确定性电源所发的电安全高效地接入电网, 往往加入储能与之配合。大量不确定性电源加入电力系统, 其间歇性和波动性要求电力系统提高旋转备用的比例, 以维持电力系统运行的可靠性水平。不确定性电源发电的波动性和负荷的波动性叠加在一起, 使得常规机组面临的波动性负荷更大、启停次数增多, 甚至需要放弃一定的不确定性电源所发的电[3,4]。某些不确定性电源像风电往往具有反调峰特性, 其并网有可能使电网的等效负荷峰谷差增大, 给电网发电计划、经济调度、调峰调频带来不利影响, 提高系统的正常运行和维护成本[5,6,7,8]。因此研究电力系统不确定性以及在此情况下对电力系统进行生产模拟显得尤为必要。

在分析和总结国内外有关电力系统生产模拟的基础上, 本文提出了“电力系统柔性生产模拟”的概念并探讨了其一般方法和流程。考虑到当前风电和太阳能大规模并网, 对含上述不确定性电源的电力系统柔性生产模拟各部分进行了详细阐述, 为含不确定性电源的电源规划及评估提供了前瞻性建议。

1 电力系统柔性生产模拟

传统的电力系统生产模拟几乎不考虑或者较少考虑新能源的接入, 当大量的不确定性电源接入电力系统后, 常规的电力系统生产模拟已经无法给出其对于电网带来的影响。本文提出了“电力系统柔性生产模拟”, 该方法是考虑负荷预测误差, 不确定性电源出力的随机性、波动性和间歇性, 机组的随机故障等不确定性因素以及储能的电力系统生产模拟。

“电力系统柔性生产模拟”除了能够得到常规电力系统随机生产模拟得出的各类机组的发电量、整个系统的燃料费用等经济性指标和电量不足期望值、电力不足概率等可靠性指标外, 还能用于评估不确定性电源接入电力系统带来的影响, 包括不确定性电源发电的容量可信度 (Capacity credit, CC) 、可避免费用 (Avoided cost, AC) 、对于常规机组启停的影响以及基于调峰调频分析的电力系统弃能评估。

含不确定性电源的电力系统柔性生产模拟的步骤如下:

Step 1:选择需要进行电力系统柔性生产模拟的水平年规划方案。

Step 2:对已选择的水平年规划方案进行柔性随机生产模拟, 得到各类机组的发电量、整个系统的燃料费用等经济性指标和电量不足期望值、电力不足概率等可靠性指标, 以及不确定性电源发电的容量可信度 (Capacity credit, CC) 以及可避免费用 (Avoided cost, AC) , 判断相应的经济性指标和可靠性指标是否合格, 不合格则回到step1, 否则进入下一步。

Step 3:进行调峰分析, 得到基于调峰层面电力系统弃能水平。

Step 4:进行调频分析, 得到基于调频层面电力系统弃能水平。

Step 5:综合Step 3和Step 4, 得出含不确定性电源以及储能的电力系统总的弃能量。

Step 6:对电力系统进行其他需要特性的分析和评估。

根据上述步骤, 电力系统柔性生产模拟流程以及对应的输入输出如图1所示, 其中左边部分为对应柔性生产模拟每一步所需的输入数据, 右边则为相应的输出数据。根据上述步骤, 本文将对电力系统柔性生产模拟方法各部分进行详细阐述。

2 柔性生产模拟各部分流程

2.1 柔性随机生产模拟

传统的电力系统随机生产模拟可以分为如下几类[9]:按研究区域的不同, 可分为单系统随机生产模拟和多区域互联系统生产模拟[10,11,12];按采用的算法不同, 可分为累积量法[13,14,15]、分块法[16]、分段直线逼近法[17]、等效电量函数法 (Equivalent energy function method, EEF) [18]、半不变量法[19,20,21]等。

上述传统的随机生产模拟算法的核心是将时序曲线转化为持续负荷曲线 (Load duration curve, LDC) , 这样便丢弃了与负荷相关的时序信息, 特别是大规模不确定性电源加入到电力系统后, 其波动性和随机性造成的常规火电机组开机、停机以及维持运行备用等相关的动态费用便无法评估。文献[22-23]提出了频率持续法 (Frequency and duration method, FD) , 处理火电机组的热启动费用和一些相关的动态约束。文献[24]提出了“等效电量频率法”将等效电量函数法与频率持续法相结合进行随机生产模拟, 本文在文献[24]的基础上提出考虑风电、光伏发电等不确定性电源发电形式以及储能的改进等效电量频率法。该方法在负荷和不确定性电源出力进行时序预测情况下, 优化储能的时序出力[25,26]并将不确定性电源发电和储能的时序预测出力从初始时序负荷曲线中分离, 得到考虑不确定性电源和储能出力影响的净负荷曲线, 并利用其构造初始电量函数曲线和负荷频率曲线, 依次安排发电机组运行并进行卷积运算。该方法在随机生产模拟中保留了负荷、不确定性电源出力的时变特性以及储能的影响, 其步骤如下:

Step 1:选择需要进行电力系统柔性随机生产模拟的水平年规划方案。

Step 2:采用蒙特卡洛法对不确定性电源预测其时序出力曲线。

Step 3:根据系统的时序负荷曲线和不确定性电源发电的时序预测出力曲线, 优化储能时序出力[25,26]。

Step 4:将不确定性电源发电时序出力曲线和储能时序出力曲线从时序负荷曲线中分离。

Step 5:选取合适的步长, 形成初始等效电量函数以及负荷转移频率函数。

Step 6:依次安排各发电机组运行, 计算其发电量和相应的生产成本, 并修正等效电量函数和等效负荷频率曲线直到所有的机组都安排结束。

Step 7:计算随机生产模拟的可靠性指标和经济性指标, 以及不确定性电源发电的容量可信度和可避免费用。

Step 8:电力系统柔性生产模拟结束。

上述电力系统柔性随机生产模拟步骤中, 常规的随机生产模拟经济性和可靠性指标不再赘述, 其他指标的计算方法如下:

(1) 不确定性电源发电的容量可信度

不确定性电源发电的容量可信度有两种评价方法[27]:一种是计算含不确定性电源系统的可靠性指标, 在保证系统可靠性不变的前提下, 不确定性电源发电替代的常规发电机组容量即为其容量可信度, 这种方法适合于系统的规划阶段;另一种方法是时间序列仿真, 通过计算不确定性电源发电的容量系数来估算容量可信度, 该方法适用于为系统的运行提供决策支持。本文采用方法一, 考虑含储能的不确定性电源发电容量可信度为

式中:ICC是不确定性电源发电的容量可信度;ΔC是在系统可靠性水平相同条件下不确定性电源发电替代的常规发电机组容量;Corg和Cuees分别是不考虑和考虑不确定性电源、储能投入时常规发电机组总容量;CUE是不确定性电源的装机容量。

(2) 不确定性电源发电的可避免费用

风电和光伏等不确定性电源发电可以节约常规发电机组燃料, 减少环境污染并替代部分常规发电机组容量, 考虑电力生产过程的可避免费用可由式 (2) 计算。

式中:PAC是不确定性电源发电的可避免费用;Porgtotal和Pueestotal分别是不考虑和考虑不确定性电源、储能时系统的生产成本;Ppe是环境可避免费用;是把ΔC换算成与随机生产模拟时间相对应的投资节省换算系数, 见式 (3) 。

式中:cconv是常规机组的单位投资;T是随机生产模拟的时间长度;Lconv是常规机组的寿命。

2.2 电力系统弃能电量评估

2.2.1 电力系统弃能原因

电力系统用电负荷自身不确定性和不确定性电源发电功率预测精度低共同影响使得电力系统等效负荷峰谷差和波动性增大, 常规电源就必须承担起适应不确定性发电负荷变化要求而相应反向变化的发电负荷调整能力。

从电力系统角度看, 弃能主要是由以下三方面原因造成的[28]:

(1) 不确定性电源发电开发建设速度、规模与电网建设不匹配, 很难满足所建不确定性电源所发电的外送和就地消纳需求。

(2) 不确定性电源发电难以就地消纳, 外送通道容量不足引起弃能, 但此情况出现概率很小, 不作为本文评估弃能的主要原因。

(3) 电力系统调峰调频容量不足造成弃能。不确定性电源出力具有随机性和不可控性, 需要相当容量的火电、水电以及抽水蓄能等其他电源为其调节。电力系统自身的调峰调频能力有限, 若是在负荷低谷时不确定性电源出力增大, 或是在负荷高峰时不确定性电源出力减小, 就加大了等效的负荷峰谷差造成系统调峰能力不足;在某时刻负荷的波动性以及不确定性电源出力的波动性、随机性和不可控性叠加突变, 导致系统的等效负荷 (即系统实际负荷与不确定性电源的差值) 降低, 常规机组无法对其进行跟踪而导致频率越限, 上述两种情形下就必须弃能以保障电力系统安全稳定运行。

2.2.2 调峰层面弃能电量评估

基于调峰层面弃能电量分析主要考虑系统的调峰需求与调峰能力之间的关系。影响调峰需求的因素有负荷峰谷差、不确定性电源的波动性、系统备用容量以及联络线的调峰特性;影响调峰能力的因素有机组的类型、机组的爬坡率、最大最小出力限制等。如果系统的调峰能力大于调峰需求则不存在弃能问题;反之, 说明系统的调峰能力不足, 需要弃能。

判断电力系统是否需要弃能只要判断下式是否成立, 若成立则需要弃能, 反之则不需要。

式中:PPLR.cap是系统机组调峰能力;PTieline.cap是联络线调峰能力 (电力外送为正值, 受电为负值) ;Loadequ是将风电考虑成负的负荷后的等效负荷;其中PPLR.cap (10) PTieline.cap表示系统调峰能力, Loadequ.maxLoadequ.min表示负荷等效下的系统调峰需求。

系统机组调峰能力可由式 (5) ~式 (8) 计算。

式中:PG.real为系统常规电源实际出力;PGO.min为机组最小技术出力即电网电源正常情况下的最小出力, 通常由实际电网的开机方式确定, 而电网的开机方式由最大、最小负荷及备用容量决定, 需根据具体电网而定;PLoad为全网用电负荷;KGen、KLoss和KSys.adj分别为厂用电率、网损率和系统综合可调出力系数;PGO为全网发电开机容量;PLoad.max为全网最大用电负荷;PReserve、PLoadspare和PEmergencyspare分别为系统总备用容量、负荷备用容量和事故备用容量。

系统联络线调峰能力可由式 (9) 计算。

式中:PTieline.cap为系统联络线调峰能力;PTieline.real为联络线实际功率;PTieline.max和PTieline.min分别为联络线实际最大功率和最小功率。

基于调峰层面的全年弃能电量评估步骤如图2所示。

2.2.3 调频层面弃能电量评估

电力系统调频弃能电量评估需要考虑的不确定性因素很多, 主要为负荷和发电功率的不确定性。在实际工程中, 作为规划阶段评估过程中各种不确定性因素通过分析和预测往往可以得到一系列可能出现的数值[29], 例如:负荷波动1%或5%, 发电功率波动1%或3%等。采用组合的方法将各种不确定性场景的可能取值组合为一个未来可能环境, 称之为一个场景 (Scenario) [30], 例如:负荷波动1%和发电功率波动1%组成了一个调频场景。在上述场景中的各种不确定性信息具有确定的数值, 但该场景仅仅是对未来环境的一个预测。通过预测的确定性场景分析未来的真实环境中的数值只能通过预测和分析来近似表达。每个场景代表了某种概率下可能的未来环境, 通过合理选择一系列的场景可以近似表示未来可能出现的所有环境。

本文研究调频层面的弃能电量, 需要考虑的不确定性因素较多且研究的时段为一年, 采用穷举各种调频事件逐时段进行仿真几乎是不可能的。基于以上分析, 本文提出采用多场景分析技术进行调频层面的弃能电量评估, 根据所设置的标称场景以及该场景下的调频容量进行仿真和计算。

不确定性电源出力上升或负荷下降造成的频率变化与系统中发电机组备用容量大小、负荷调节效应、发电机组的机械惯性和负荷的机械惯性等多个因素有关。为分析调频层面弃能电量, 暂不考虑负荷随电压的变化以及发电机的频率调节效应, 将不确定性电源出力波动当成负的负荷波动处理。

在已知Tf (频率上升过程的时间常数) 、KL* (考虑不确定性电源接入的负荷调节效应系数标幺值) 等参数条件下, 定义频率越限过渡时间tover主要取决于频率变化量Δf*和不平衡功率ΔPL*。假设从不平衡功率出现时刻开始经tover时间后ftover=50.2Hz, 此时频率越限过渡时间tover仅与负荷功率变化量 (考虑了不确定性电源出力) ΔPL有关, 其中负荷功率变化量ΔPL为式 (10) 所示。

式中:PLN为负荷功率参考值;x%为负荷功率百分比。

可根据 (35) PL的大小对调频时段区间进行分类, 并得到每类区间的典型时段。

基于多场景分析的调频层面弃能电量评估可按照以下步骤进行:

Step 1:按照负荷水平对全年各时段进行分类, 对每种分类中最接近于该分类下平均负荷的时段进行调频仿真, 得到频率越限的过渡时间tover。

Step 2:根据各时段的机组组合情况计算系统的可用调频容量, 并根据计算得到的可用调频容量对全年各时段进行分类。

Step 3:根据上述分类设置不同的功率偏差场景, 对所设置的场景进行弃能电量的计算, 每一时段的弃能电量为功率偏差值与该时段可用调频容量的差值。

Step 4:利用蒙特卡洛方法模拟上述每种功率偏差场景在不同时段出现的概率。

Step 5:将同一时段中的所有功率偏差场景下所对应的调频层面弃能电量叠加, 根据式 (11) 即可计算调频层面的全年弃能电量W。

式中:W为全年弃能电量;Pj, i为第i个事件发生在第j时刻的概率;Cj, i为第i个事件发生在第j时刻产生的弃能电量;K为事件的个数。

3 算例

本文采用西北2020年规划电网为算例, 应用提出的柔性生产模拟理论对其进行生产模拟及评估。该区域2020年规划电网的电源基本情况为火电147 000 MW, 水电21 500 MW, 核电2 000 MW, 抽水蓄能1 600 MW, 风电23 600 MW。该规划电网2020年年负荷预测曲线, 夏季和冬季的典型日负荷预测曲线如图3~图5所示。外送线路 (含联网直流线路) 的电压等级含±400 k V、±500 k V、±660k V、±800 k V和±1 000 k V, 共计外送电力容量5 340万k W, 在本算例中作为负荷处理。

应用本文提出的柔性生产模拟理论, 对上述2020年西北规划电网进行随机生产模拟, 结果如表1所示。研究表明未加入风电情况下, 该规划区域电网的LOLP为0.046 02, 在加入全部风电后系统的LOLP为1.0075×10-5, 系统的EENS由9.451×105MWh降低到4.521×104MWh, 说明风电场接入后系统的可靠性得到了较大程度的提高, 风电场对电力系统的可靠性有一定的贡献。根据第二章柔性生产模拟中的式 (1) ~式 (3) 得到风电场可以替代的常规发电机组容量为7 953 MW, 风电场的容量可信度为0.337, 可避免费用为8.217×108元。

采用上文提到的式 (4) ~式 (9) 判断调峰的弃风成立条件并计算系统调峰能力和调峰需求, 可得基于调峰层面的弃风电量评估结果见表2。由于风电场输出功率在整个电网中所占比例不到20%, 大多数时段大型风电场的输出功率波动并不剧烈, 只有少数时段输出功率的变化较大, 故西北2020年规划电网基于调峰层面的弃风规模和比例不大。

元

在DIg SILENT Power Factory软件中建立西北2020年规划电网模型如图6所示。采用多场景分析技术设置表3所示的标称场景, 并通过蒙特卡洛法模拟得到相应场景发生的概率。通过DIg SILENT Power Factory软件中建立的西北2020年主网调频仿真模型, 在各典型时段内设置负荷降低10%范围内的典型场景。在Simulation Events中设置不同x%的Load Event, 即x=-1、x=-2、…、x=-10等, 通过仿真得到每个场景下的频率越限时间tover见表4所示。采用式 (11) 可以得到调频层面的弃风电量评估结果见表5。

注:Pij表示第i个事件发生在第j个时刻的概率;hj表示典型仿真时段。

注:tij表示频率越限时间;hj表示典型仿真时段;∞表示在研究时间尺度内没有发生频率越限。

4 结语

大规模不确定性电源接入电力系统对电源规划和评估带来了深刻影响, 鉴于此本文提出了“电力系统柔性生产模拟”理论, 并研究了考虑不确定性电源和储能的等效电量频率法, 通过不确定性电源发电的容量可信度以及不确定性电源发电的可避免费用等指标有效评价不确定性电源和储能接入对电力系统造成的影响。

在分析电力系统弃能原因的基础上, 本文提出了基于系统调峰需求和调峰能力的调峰层面弃能电量和采用多场景分析的调频层面弃能电量的计算方法和步骤。通过上述两个时间尺度, 系统地研究了含不确定性电源和储能的电力系统弃能电量评估的一般方法。研究表明, 不确定性电源大规模接入电网后, 存在由于调峰调频困难而产生弃能的风险。

本文所提出的电力系统柔性生产模拟理论为含不确定性电源的电源规划及评估提供了依据。目前, 含有本文所提出的不确定性电源及储能的实际电网尚未成型, 相关的运行统计数据也不充分, 故运用本理论对风-光-储联合运行的实际电网进行电源规划评估将是下一步的工作。

摘要：大规模不确定性电源接入电网给电力系统带来了随机性、波动性和间歇性等不确定性因素, 现有的随机生产模拟理论不能很好地解决上述形势下的电源规划和评估。鉴于此, 提出了“电力系统柔性生产模拟”的概念并研究了其一般方法和流程。该方法不仅能得到传统随机生产模拟的可靠性和经济性指标, 还给出了考虑不确定性电源和储能接入下的不确定性电源发电的容量可信度以及可避免费用等。所提方法还从电网调峰和调频两个层面和时间尺度评估了系统的弃能电量。在调峰层面, 基于电网调峰需求和调峰能力加以分析给出了该层面的弃能电量;在调频层面, 采用多场景分析理论给出了调频层面弃能电量的评估方法。电力系统柔性生产模拟能为含不确定性电源的电源规划及评估提供理论依据, 并能全面评估不确定性电源的接入对电网造成的影响。对2020年西北规划电网的仿真计算验证了所提方法的正确性和有效性。

关键词：电力系统,不确定性电源,储能,柔性生产模拟,调峰调频,弃能电量,多场景,电源规划

柔性生产模拟 篇2

虚拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology))是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。它具有建模和仿真环境，使产品的生产过程在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。

随着多样化市场竞争的形成，订单生产已经成为现代制造企业普遍采用的一种新型生产方式。这种生产方式的主要特征是产品为专门的用户生产，重点是在保证产品质量的前提下准时交货。企业在接到用户订单之后才开始生产产品，生产过程严格按照用户要求的规格、数量和交货期进行，无疑刚性生产线已不能适应这种生产方式。为了按期完成生产任务，就必须根据产品品种和批量的变化重组生产过程，这就给企业的生产过程提出了柔性化、快速反应的要求。跟随灵活多变、频繁变更的订单，企业修订生产加工与装配工艺方案，对生产现场进行重组规划与布置已经是一件经常性的工作。生产准备的时间紧和工作量之大，已经成为生产作业的瓶颈，制约着企业。“基于虚拟制造技术进行装配线柔性化虚拟实现，获取最佳装配工艺路线”的课题研究是应用虚拟制造技术进行研究一个较为成功实例。通过建立装配资源数学模型和应用最大流-最小割集理论，对装配线实际运行状况进行前瞻性仿真，并基于MATLAB软件平台虚拟实现，较好地解决了这一难题。

应用虚拟制造技术虚拟装配线的原始依据是产品装配优先图，如图1所示。它有12个作业元，其作业时间为Tei,(i=1,2,...,12)。图中，每个节点代表一个作业元，节点圆圈内的数字代表作业号，节点上侧的数字代表作业元的作业时间(/min)。箭线代表作业顺序。

应用图论观点，可以对该图作如下数学描述。表示图1的产品装配优先关系矩阵G为：

其中，V代表节点，E代表箭线。

按产品装配优先图的规定，G中的箭线E={eij}本身没有权值，仅表示作业之间顺序关联。特别是对角线上的原值均为零，表示自身节点间无顺序关联。这样，就为装配线优先图的建模提供了方便。可以作这样假设：

1)当i=j时，定义eij=Tei为作业元i的作业时间;

2)当时，如果作业从i到j存在直接后继关系，则取eij=1;如果作业从i到j存在非直接后继关系，则取eij=0;如果作业从i到j不存在后继关系，则取eij=-1。

由此，可写出产品装配优先关系矩阵G，如下式所示。

1 构造装配线节拍模型

由于矩阵G仅表示了作业之间的顺序关系，为求解装配线的节拍，还应在矩阵G的基础上，引入作业元向量和工作站排序向量，将其拓展为增广矩阵的形式，构造出装配线节拍模型。

装配作业有严格的顺序要求。在先行作业没完成前，后继作业不允许操作。当两个先行作业都可以进行时，在作业排序过程中，也要考虑先安排哪一个更有利，因而对作业元提出了优度的概念，优度值大者优先安排，用矩阵向量表示，即作业元优度向量P1:

第i个作业元作业时间与所有后继作业元作业时间的代数和，即为该作业元的优度值，用P1(i)表示，其计算逻辑式为：

计算得到的各作业元的优度值数据，存放于N矩阵P1向量中。

工作站是装配作业的基本单元。每个站可以有多个作业元。为此要以生产节拍和作业效率为约束条件，将作业元分配到工作站中，分配结果用矩阵向量表示，即站排序向量P2:

各作业元按顺序和优度值，向各工作站分配，并与节拍时间进行比较，计算剩余时间。若剩余时间足够安排下一作业元时，就再找尚未分配的、优度值较高的作业元，把它分配到工作站中;若剩余时间不够再安排其它作业元时，就向下一个工作站分配，依此类推，直到将全部作业分配完为止。各作业元分配到工作站后，将工作站序号存于N矩阵P2向量中。

将P1、P2(初始均设为0)代入矩阵G中，就得到了装配线节拍模型的矩阵形式N:

2 装配线最佳节拍的确定

有了装配线节拍模型，就可上机编程解算。为简便起见，给出节拍的遍历范围：

最小节拍时间：

最大节拍时间：

装配线节拍模型的解算是通过上机应用MATLAB语言进行编程实现的。按最优化理论的观点，改变装配线的节拍，求解装配线效率，最终得到装配线最佳节拍和最高效率E，如图2所示。

由图2可知，当节拍Tc=2min时，效率E值达到最大，故选取最佳节拍为2min，按此进行工作站布置，可以保证流水线有较高的生产率。作业元工作站的分组情况见矩阵N:

站排序向量P2为：

3 虚拟装配线的布置

基于虚拟制造技术构建装配线的核心是通过虚拟方式建立一条高效实用的装配线。这条虚拟的装配线，既体现企业现有装配线的布局和使用条件，又力图应用最优化理论，提高装配线人员与设备的利用率，使单位时间内的产量尽可能大，最终达到降低生产成本，提高生产率的目的。装配线上最能体现产出量的是传送带的运行速度，即单位节拍时间的下线产品量。这个产出量与装配线节拍、各生产线的人员数和作业元的作业时间有关。应详细进行规划，合理进行配置，以获取较高的人员、设备利用率。

为了追求订单产品在线生产时的高产出量，需要应用运筹学中的最大流—最小割集定理(Maximum flow-minimum cut set theory)。这一定理最早由T.E.哈里斯提出，用来在一个给定的网络上寻求两点间最大运输量的问题。L.R.福特和D.R.富尔克森等人又给出了解决这类问题的算法，从而建立了网络流理论。运用这一理论，把生产现场原有装配线组成情况描绘成图3a的形式。图中节点代表不同传送带之间的连接，从vi至vj的箭线代表一条传送带，箭线上的数值为传送带单位节拍下线的最大产出量。v1表示发送点(装配起点)，v7表示接收点(装配结束)，其他点表示两条传送带的结合部。现在的问题是怎样安排这条装配线才能使从v1到v7单位节拍内产品装配的产量为最大，即最大产出率。这就是最大流问题。应用最大流—最小割定理解决此类问题的算法很多，这里采用标记法来求装配线的最大实际产出量，结果如图3b。图中各箭线下方用括弧表示的数字，代表该传送带实际的单位节拍下的最大产出量(单位件或台)。根据图3的研究结果，可以对装配线进行虚拟布置，工作站、传送带、作业元分配和产出率相关数据如表1所示。

4 结论

多样化订单生产要求企业生产系统柔性化快速反应。传统的刚性生产线已不能适应这种生产方式。为按期完成订单生产任务，企业就必须根据产品品种和批量的变化重组生产过程，跟随灵活多变、频繁变更的订单，及时修订生产加工与装配工艺方案。以现有装配线为基础、基于虚拟制造技术进行柔性装配线的虚拟布置，通过建立装配资源优化数学模型，对装配线进行前瞻性仿真，并基于MATLAB软件平台虚拟实现，解决了装配线重组与现行生产在时间和效率上的矛盾，并能快速获得最佳装配工艺路线。柔性装配线模拟结果，如工作站数、传送带工位数、作业元分配和产出率等相关数据对后续柔性装配线作业工位的虚拟布置具有重要作用。不仅可以缩短装配线柔性布置周期，而且还可大大降低装配线重组布置成本。

摘要：多样化订单生产方式要求企业按订单组装客户所需的产品品种和数量,并按期交货。这就给装配线提出了柔性化、快速反应的要求。灵活多变的需求频繁地变更着装配工艺方案。基于虚拟制造进行装配线虚拟实现是快速获取最佳装配工艺路线的一种先进技术。该技术通过建立装配资源数学模型和应用最大流-最小割集理论,对装配线实际运行状况进行前瞻性仿真,并基于MATLAB软件平台虚拟实现。

关键词：最佳装配工艺路线,虚拟制造,MATLAB虚拟实现,最大流—最小割集

参考文献

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[2]陶廉坎,汪应洛.运筹学与系统分析[M].北京:机械工业出版社,2000.

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[5]蒋贵善,俞明南.生产管理与质量工程[M].北京:机械工业出版社,2000.

[6]刘会灯,朱飞.MATLAB编程基础与典型应用[M].人民邮电出版社,2008.

卷烟辅料物流与柔性生产 篇3

辅料作业流程的优化

烟草工业企业辅料物流系统是卷烟生产系统中一个独立性较强的子系统,它与供应链管理、卷接包生产调度管理、物流管理、物料搬运系统、财务等各职能部门,以及企业外部的市场资源、运输条件等密切相关。

近年来,卷烟生产由少品种、大批量,逐步向多品种(批次)、变批量生产模式过渡。卷烟厂辅料库的定位已不是以储存为主,其功能也从重视保管和绩效,逐渐转变为提供高质量、全方位的生产服务。卷烟辅料的作业管理模式,以及辅料的配货和配送作业流程为满足卷烟柔性化生产提供了基础条件。

1. 辅料物流系统的主要作业环节

辅料物流系统的主要功能是按照卷烟生产计划为卷接包生产机组进行组织、搭配、储存、配送等作业,主要作业环节是辅料的配货和配送。

辅料配货是卷烟辅料配送过程中的重要作业,也是人工参与最多的作业流程。辅料在托盘上的码放形式、品种和数量的方案是根据各卷接包机组生产计划提前设计的,会随着机台生产的变化而变化。例如,一些机台长期生产某单一品牌,配货工作量就会减少,而增加托盘工位,部分卷烟辅料实行单品种直接配送。

辅料配送是按照生产计划,实行按机组定额、种类、品种搭配、数量、供应商、时间、摆放方式等要求进行搭配,并将卷接包机组需要的辅料,按时、按量、保质、连续地运送到指定工位的过程。配送是“配”与“送”准确、有效的结合。

辅料物流系统经过“九五”、“十五”和“十一五”技改的不断完善,辅料储存和配送已形成以高架立体仓库为辅料平衡暂存,采用库前配盘、AGV配送到机台的生产作业模式。同时,许多工业企业以现代物流思想为指导,完善供应链管理,降低运营成本,在保证生产安全的条件下,科学合理降低卷烟辅料的库存量,使辅料物流系统更加完善、可靠。

2. 辅料配货的形式

辅料配货主要有人工和自动两种形式。目前,辅料自动配货在许多大型卷烟企业已经实施,但并不是主流,其原因:一是辅料自动配货需要的条件较为苛刻,生产过程需要人工辅助;二是卷接包机组在不断改进辅料自动上料机构,尤其是高速卷接包机组,其发展方向是单品种托盘直接补货,自动上料。因此,采用中速卷接包机组生产、品牌更换较为频繁的卷烟企业,多数采用人工配货的形式。

辅料人工配货有摘果和播种两种基本方式。目前,卷烟企业一般采用摘果方式进行配货。准许入库的卷烟辅料到达内仓后,要进行入库操作,这时有两种选择,一是单品种直接入库,另一种是按照生产计划进行配货入库,包括二次配盘。然后进行存储,接到出库任务时执行配送。其配货所占用面积的大小受管理调度流程和管理水平影响。

3. 辅料配送的形式

对应上述两种配货方式,存在两种配送方式:单品种直接入库的卷烟辅料出库后要根据生产要求进行配货,然后才能送至机组使用;按照生产计划进行配货入库的辅料直接送至机组使用。这就是业内非常关心的“库前配”和“库后配”的问题。

对于“库前配”有两种理解。目前一些工业企业建立了辅料物流系统,其主要功能是辅料的温湿度平衡和暂存,在其前端还设有辅料一级库或综合库,为了减少辅料平衡库库前配货的压力,必须在辅料一级库(综合库)进行辅料预配工作,在辅料平衡库前只做拆包和辅料搭配码盘的工作。另一种方式是直接在辅料一级库(综合库)进行辅料配盘后,送至平衡库暂存。此种配货管理方式在辅料搬运过程中增加了不必要的质量风险,严重的会影响生产,甚至影响产品质量。因此采用辅料一级库(综合库)直配的方式要谨慎。

“库前配”的方式较适合品种相对集中、产量较大且稳定的生产模式。但对于多品种、变批量的卷烟生产模式,系统的柔性不足,不能很好地满足生产变化的需求。为了满足烟草工业企业柔性生产的需要,可以根据自身的产品结构调整单一的库前配货的方式,增加“库后配”的方式,适应生产变化的需要,而且—可以适当减少生产过程中剩余的卷烟辅料的退库量。库后配货的生产管理模式为生产调度管理提供了良好的灵活性,比较适合生产品种、批量、数量变化快的生产作业。

4. 辅料作业流程的优化

根据卷烟生产和辅料配送的特点,集中两种配货方式的优点,采用灵活、互补的辅料配货方式,可以为系统柔性生产提供有利的保障。

在企业的实际操作中,将生产计划所需的辅料按产品结构分为两部分,一部分是品种、批量和数量相对稳定品牌的卷烟辅料;另一部分是公用辅料,以及各品牌的单品种辅料。卷烟辅料采用单品种配盘和多品种配盘结合的入库方式。多品种配盘主要指那些生产计划期内最大产量的品牌所使用的辅料,以及消耗量较大且搭配品种少(≤2)的辅料例如小盒商标纸和条盒商标纸配成一个供包装机使用的托盘(同一供货商),卷烟纸和水松纸配成一个供卷接机使用的托盘。从而减少入库操作环节,提高作业效率。

温湿度平衡后的单品种和消耗量较大且搭配品种少(≤2)的辅料托盘,可以直接出库送至机台使用,其他卷烟辅料可以采用库后配货方式,将温湿度平衡后的单品种辅料托盘,由人工将卷烟辅料以播种的配货方式,分别配送到机台使用。此种方式将配货与输送灵活地结合起来,在输送中完成辅料的配货,避免了重复的辅料搬运,减少操作环节和暂存场地,提高作业率,并简化管理。通常,只有在时间上缩短作业周期,空间上少占面积,物流上减少停留、搬运和库存,才能保证投入的资金最少、生产的成本最低。但是,配送使用了人工,与现在大多数的辅料配送运行方式有所不同。

搬运工具的选择

在辅料配送的生产作业环节中,搬运工具的选择是根据所搬运物品的体积、重量、效率、生产过程、生产环境、自动化程度等进行分析后确定的。

在辅料配送到机台工位的作业环节上,辅料配送的目的是把辅料由一个生产节点送至另一个生产节点。现在大多数卷烟厂都采用AGV配送,也有人工驾驶小型叉车作为搬运工具实行配送。这两种搬运工具都能达到配送的目的,单从功能效果角度看,二者的主要区别在于AGV是由上位机直接调度管理全自动运行,人工驾驶小型叉车则需通过操作人员完成配送任务。

人工驾驶的小型叉车具有较大的灵活性,活动范围大且操作简单,对环境要求低,除了卷烟辅料的配送以外,还可以执行其他任务。小型叉车上安装一套可以与上位机通讯的人机界面,对任务的操作和执行情况进行实时监控,并在叉车上安装信息系统,即可实现区域实时跟踪。结合RF技术和WMS系统等,同样可以达到AGV系统的功能。

根据卷烟辅料具有在某一时间段内集中配送的特点,采用AGV、人工驾驶叉车配送的组合模式,将批量自动运输与在途配货功能结合起来,并结合两种搬运工具的优点,无需在生产线内部进行多余的往复搬运,最大限度发挥了人与自动设备的优势,从而构建一种具有扩展性的配送系统——辅料即时配送系统。

辅料即时配送系统

辅料即时配送系统的配送策略增加了“撒种”的方式,将配货和输送结合起来,在输送过程中完成配送任务。从而有效提高作业效率,合理配置资源,减少运行成本,消除辅料退库,为卷烟柔性化生产提供了非常大的拓展空间。

辅料即时配送系统的入库以单品种辅料托盘入库为主,搭配的辅料托盘主要是由辅料供应商操作完成,例如同品牌的商标纸和条盒在同一供应商供货的前提下,输送到辅料库完成入库作业。

出库可以根据需要单品种出库,经调度管理系统指挥,以AGV系统为主执行部分大量配送任务,人工叉车执行辅助任务,按需在途配送,运载单品种辅料托盘(消耗量较低的辅料品种)进行有针对性(时间、地点、数量、品种等)的配送。

配送路线的合理与否对场地、人流和物流的合理化、配送速度、合理利用搬运车辆和配送费用都会产生直接的影响。AGV配送的路径是通过计算机优化后的结果,而采用人工配送时,计算机只是辅助地位,因为人更灵活。

信息是伴随着卷烟辅料的活动而同时进行的。卷烟辅料的信息系统包括出货系统、订货系统、收货系统、库存管理系统、发货系统和配送系统多个子系统。在辅料配送的过程中,辅料质量的管理和跟踪是信息化重点。就辅料的作业流程来讲,如何尽可能在不增加操作人员额外工作的条件下,让信息流简洁、清晰、有效、可靠,是设计时主要考虑的问题。

辅料采用条形码作为信息的载体,但辅料在拆包入库、人工配盘后,辅料的条形码已经随包装拆除,导致辅料信息到此中断。可采用非接触式的信息卡(工业级)作为信息载体,附着在托盘上,对卷烟辅料进行全作业流程的信息跟踪,具有移动过程中非接触读写、循环使用、保密性强、可靠性高、抗干扰能力强、运行费用低、一次性投资适中等特点。其应用流程包括:计算机系统按照生产计划生成所需辅料,将其分解成以托盘为标准单元的任务单,即在系统出空托盘时,自动在托盘上的信息卡上写入辅料作业任务单的内容;辅料配货操作人员按辅料配盘任务单中内容执行操作,操作完毕后将相关信息写入信息卡,如数量、操作者编号、操作时间、感官检验结果等;输送叉车、出入库输送系统上安装有信息卡读写器,在运输过程中自动将搬运信息写入卡中,同时将辅料托盘放入仓库入库站台。

辅料即时配送系统的应用将使卷烟的生产更为柔性化。

辅料物流系统是卷烟生产后勤保障系统的关键之一。

企业柔性生产管理研究 篇4

一、柔性生产的定义及特征

1. 柔性生产的定义

柔性生产的概念是1965年英国的Molins公司在研制“系统24”时首次提出的, 它的内涵随着时间与实践的发展而不断发展。柔性生产是依据客户订单和市场需求组织生产的一种新型生产方式, 如果没有订单就不生产, 没有需求也不生产。

2. 柔性生产的基本特征

(1) 技术柔性。柔性生产之所以广为流传, 是因为其依托现代化的信息技术和制造技术, 如计算机集成制造系统、并行工程、系统工程、敏捷制造等, 这些技术是建立柔性生产系统的基础。

(2) 时间柔性。由于柔性化生产的制造技术和设备具有可重用、可重组和可系统化的特点。设备的组合和集成能依据市场需求的变化和顾客对产品和服务的需求, 快速的进行调整, 在短时间内生产出市场所需的小批量多品种产品。

(3) 分散生产。在新的专业化分工、团体合作的基础上, 按照合理的分配资源和发挥各自优势的原则, 实现整体效益最大化的同时, 对组织生产实行分散的管理。

(4) 产品种类多。柔性生产可以发现市场变化的细节, 因而可以按照这些细节的变化, 满足顾客对产品种类的需求和个性化的要求。

(5) 弹性生产。柔性生产是根据市场的不确定性所做出的反应, 具有灵活性、适应性和可变性。它是依据企业的订单决定生产而非依赖于库存, 因而可以提高企业的市场竞争力。

二、传统生产管理存在的问题

随着人们生活水平的不断提高, 开始追求个性化的产品和服务, 市场需求不断变化, 要求企业能够跟上市场变化的步伐, 而传统的生产面临着产品切换时间长, 生产效率低下, 人员素质不足, 设备经常损坏, 多种原因导致企业短时间内根本出不了产品, 为了能够及时给顾客交货, 企业不得不采取增加库存的办法来解决此问题, 因而导致库存量的不断增多, 企业成本的增加, 流动资金的短缺。

三、柔性生产管理的作用

1. 柔性生产管理可以增强企业的快速应变能力

市场环境的不断变化, 企业已经从处于相对稳定的环境中转向处在复杂动态的环境中, 要求企业以柔性战略来面对这种变化, 发现并抓住市场机会。为了实现及时、快速地调整生产, 满足精益生产要求的消除一切不必要的浪费, 提高效率和产品质量, 减少成本的目的, 柔性生产管理在重新安排生产的过程中, 必须要打破已有的部门分工界限, 重新整合各部门的工作职责, 使员工能够受到全方位的岗位培训与锻炼。

2. 柔性生产管理可以有效减少企业的生产成本

由于柔性生产管理的制造技术和设备具有可重用、可重组和可系统化的特点, 又能使企业多种生产要素进行多种组合, 因而可以充分利用企业原来的设备和技术条件来组织生产, 大大降低生产所需的信息收集成本、研发成本、机会成本等生产成本, 达到最大化的生产效益。

3. 柔性生产管理可以满足顾客不断变化的需求

柔性生产管理的立足点就是为了适应多变的消费市场。在获取顾客需求信息有所变化时, 能够利用制造技术、并行工程、计算机科学等方法实现快速交付, 从而解决快速响应顾客需求的问题, 达到顾客满意的目的。

四、柔性生产管理的实现方式

1. 转变管理思想, 提高员工综合素质

柔性生产是一种全新的生产模式, 这就企业改变原有的经营理念, 树立全新的管理思想理念。实施柔性管理必须实现从重物轻人到以人为本的转变, 如塑造企业文化, 推行民主管理, 强调人际关系的重要性。

在柔性生产条件下, 现代化的工艺装备、复杂多变的工作环境、经常性的轮换工作岗位, 要求员工不能在像以前那样只是从事简单而又重复的体力劳动, 而是要具备较高的解决问题的能力, 并及时发现潜在的风险, 能驾驭好各种先进的设备, 处理好各种人际关系。

2. 建立企业之间的联盟关系

柔性生产的开放性、生产的虚拟化、技术的集成化, 要求企业建立一个合作联盟, 将各自的分散的资源要素进行整合。参加这个联盟的企业可以充分利用合作伙伴所提供的信息技术、设备工艺等物质资源和人才资源, 实现资源的共享, 提高企业自身的综合素质和应变市场需求的能力。

3. 不断发展技术

由于柔性生产需要建立弹性的生产体系, 因而企业要不断的发展建立弹性生产体系所需的相关技术, 以满足生产的要求。发展并行工程进行过程重构与精简。发展计算机网络技术, 它是最基本的技术基础, 可以使跨地区组织的企业联盟成为可能。发展计算机绩效制造技术能够将企业生产过程中有关人、技术、管理三要素及信息流和物流有机集成并实现优化运行, 它是柔性生产的基础。发展仿真优化技术, 它是实现企业柔性生产的重要手段。

参考文献

[1]赵伟.柔性生产管理对OEM厂商绩效影响的实证研究[D].辽宁大学, 2013.

[2]李艳奎.柔性生产系统在制造业的应用[J].经营管理者, 2011 (09) .

[3]钱飞帆.基于柔性生产企业物流系统构建[J].科技资讯, 2011 (06) .

[4]马建军, 王晋.柔性化生产的理性思辨[J].商场现代化, 2007 (33) .

柔性生产模拟 篇5

柔性直流输电是一种新型的直流输电技术,其特点是采用基于全控型器件的电压源换流器和脉宽调制技术进行直流输电[1]。1997年ABB公司成功将全控型器件引入直流输电领域,首次实现了柔性直流输电技术的工程应用[1,2];2010年11月,世界首条基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑的柔性直流输电工程———美国TRANSBAY工程投运;2011年7月,国内首条柔性直流输电示范工程———上海南汇柔性直流输电工程成功投运[3]。

随着上海南汇柔性直流输电示范工程的成功投运,国内越来越多的科研单位都开展了柔性直流输电技术的相关研究。目前对柔性直流输电技术的研究可以采用理论分析、离线仿真、实时仿真以及动态物理模拟仿真等诸多方法[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。物理模拟系统所具有的物理特性和原型一致,其在模型中所发生的电流、电压、功率等物理量的相对值的变化过程可以和被模拟的原型系统中所发生的过程一样[4,5,6,7]。而且理论分析或离线仿真时往往忽略或近似的电磁特性,在动态模拟中都可以比较完整地反映出来[9,10,11,12]。因此,动态物理模拟仿真可以更真实地反映实际系统的运行特性。

南京南瑞继保电气有限公司搭建了51电平的基于MMC拓扑的柔性直流输电动态模拟系统,该系统以实际工程为原型,对交流系统、直流系统、换流阀、换流变压器(简称换流变)和直流电缆以及各种故障进行了等效模拟。将该模拟系统与柔性直流控制保护系统、高速阀控系统组成纯物理的闭环测试系统,并进行了一系列的试验。试验结果表明其动态特性与工程现场基本一致,可以准确模拟实际工程中的各种工况,具有很好的等效性,可以为柔性直流输电系统的设计提供依据。

1 系统设计

图1所示为柔性直流输电动态模拟系统的一次主接线示意图。

动态模拟系统全面模拟了交流场、直流场、启动电阻、MMC换流阀、换流变、直流电缆等主要设备。出于顺序控制的目的,还将隔刀和地刀也进行了模拟,以实现与实际工程一致的操作流程与系统运行状态。

该模拟试验系统为背靠背设计,两个站的直流侧通过阻抗进行连接。该阻抗等效模拟了直流电缆。两个站的换流变网侧交流输出端经过进线主开关后进行短接。整流站和逆变站的有功功率差即为两站的运行损耗。两个站的无功功率在运行区间内可以独立调节。

1.1 设计原则

建立动态物理模型的任务是根据模拟试验的目的和原型与模型之间的物理相似原则,确立描述系统特性的模型系统[5,6,10]。

本文以南汇柔性直流输电示范工程为原型,采用标幺值相等的设计原则,对动态模拟系统的参数进行了设计,以实现对实际系统的准确模拟。标幺值相等法不仅便于分析计算,而且对模拟也带来很多方便。只要模拟系统的物理量的标幺值与原型系统相应的物理量标幺值相等,则两者实现了相似。且其物理量在整个过程中将始终保持不变的比例系数[5,6]。

首先,根据模拟系统MMC换流阀选择的器件,确定每个子模块的额定工作电压为40V,则对于51电平的换流阀,其直流系统电压为:

动态模拟系统选取的是额定电流为100A的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件,正常情况下,流过阀的工作电流不超过其额定值的40%。综合考虑流过阀的交、直流分量以及散热等限制,选取直流额定电流为40A。因此直流侧设计容量为:

工程现场的额定调制比m=0.816 4,根据等效原则,动态模拟系统的阀侧交流电压为:

如果要实现动态模拟系统和工程现场一致的无功功率出力范围比例,则需要设计动态模拟系统与工程现场一致的功率圆图。根据标幺值相等原则,确定交流系统设计容量为88.9kVA,这也是整流侧和逆变侧的换流变容量。

下文以工程现场为原型,根据标幺值相等原则,对交流系统和直流系统的模拟参数设计分别进行了介绍。其中交流系统的模拟参数如表1所示。直流系统的模拟参数如表2所示。

根据柔性直流工程的实际参数设置相应的模拟比,就可以非常灵活地实现对不同工程的等效模拟。

1.2 换流阀模拟

换流阀是柔性直流输电系统的核心设备,其主要功能是实现交直流的变换。基于MMC拓扑的换流阀,其每个桥臂都是由很多个子模块串联而成。每个子模块均由IGBT器件(两个)、储能电容、高速旁路继电器等主要器件组合而成。每个子模块均设计了取能电路、子模块控制单元和IGBT驱动电路。其拓扑结构和控制及驱动单元与实际工程子模块一致,以实现对工程子模块电磁暂态特性的等效模拟。

动态模拟系统设计的子模块额定工作电压为40V,桥臂额定工作电流中含有25.66A的交流分量和13.3A的直流偏置。

整个动态模拟系统包含两个换流站的换流阀,每个站的换流阀由6个桥臂组成。每个桥臂由50个子模块串联而成,可以实现51电平的阶梯波输出。模拟系统设计的子模块可灵活插拔,且电容电压等模拟量可以引出,以便于检测。表3为动态模拟系统的换流阀模拟参数。

1.3 换流变模拟

柔性直流输电工程的换流变可以采用常规变压器,其主要功能是通过合适的变比,确保MMC换流器工作在最佳电压范围内,从而维持合适的调制比[1]。

模拟系统的换流变采用Dyn0接法,与南汇实际工程现场一致。换流变模拟参数如表4所示。

1.4 测量单元

动态模拟系统的每个站均配置了网侧交流电压、阀侧交流电压、阀侧交流电流、桥臂电流、直流电压、直流电流等模拟量的测量单元,其配置和实际工程现场一致。

其中,网侧交流电压Us和阀侧交流电压Uv测量采用常规交流电压互感器(TV)。阀侧交流电流Iv测量采用常规交流电流互感器(TA)。

上桥臂电流Ibpi(i取a,b,c)和下桥臂电流Ibni(i取a,b,c)共有6路,采用电子式TA进行测量。直流电压Ud1和Ud2共两路,采用电子式TV进行测量,直流电流Id1和Id2共两路,采用电子式TA进行测量。

2 故障模拟

动态模拟系统在换流变的网侧交流线路、阀侧交流线路、换流阀区、直流线路等处均设置了故障点,可以很方便地模拟交流场区、换流阀区、直流场区以及直流线路的各种故障。动态模拟系统的故障点设置如图2所示。

动态模拟系统比离线仿真和数字实时仿真更能真实地反映故障情况下的电磁暂态特性,有利于对各种故障机理进行分析,以研究各种故障情况下的保护策略和控制策略。

3 等效性分析

对工程子模块中的大功率全控型开关器件IGBT,模拟系统采用了相同厂家生产的小功率的器件进行等效,实现了工程子模块开关特性和电压特性的模拟[7],真实复现工程子模块工作过程中的电磁暂态特性和动态特性。

动态模拟系统的上层控制器采用了和工程现场相同的控制保护系统。高速阀控系统也采用了和工程现场匹配的接口形式,其与控制保护系统之间交互的控制信息和反馈信息,以及与子模块之间通过两根光纤交互的信号,都与工程现场完全一致,从上层控制系统实现了对工程现场的稳态和暂态特性的准确模拟。

测量系统也采用了和工程现场相同的电子式TV和电子式TA,其采样精度、采样延时以及响应特性都和现场一致,可以实现对工程现场测量单元的准确模拟。因此,测量环节对动态模拟系统的影响和现场一致。

另外,动态模拟系统单相接地、相间短路以及三相接地故障点的设置都与工程现场进行故障试验时的设置一致,可以很好地复现现场故障试验时的暂态过程,从而实现对故障过程中各电气量动态特性的准确模拟[8]。

4 试验验证

本动态模拟系统调试完毕之后,与柔性直流控制保护系统、高速阀控系统组成闭环的纯物理仿真系统,通过稳态及故障穿越试验,对其等效性及动态特性进行了验证。并将试验结果与南汇柔性直流输电示范工程的现场波形进行了对比。图3所示为额定功率(18 MW)运行时的工况对比。

图4所示为模拟系统和实际工程现场进行的交流侧单相接地故障穿越试验时的波形。其中,图4(a)为模拟系统交流侧a相接地,150ms后故障恢复试验;图4(b)为工程现场进行的a相永久接地故障试验。图5为模拟系统和实际工程现场进行的交流侧三相接地(电压跌落到10%)故障穿越试验时的波形。图3至图5中模拟系统波形中的数值均为通过模拟比折算到原型系统的数值。

从图3可以看出,额定工况时,模拟系统波形与工程现场波形基本一致,其中直流电压波动范围小于工程现场。从图4、图5可以看出,模拟系统与实际工程现场都实现了优异的故障穿越能力,动态特性基本一致,很好地验证了动模系统的等效性,同时,也验证了柔性直流控制保护系统具有与现场一致的对称及非对称故障时的控制性能。

5 结语

汽车转向节柔性生产线设计 篇6

1 汽车转向节柔性生产线的应用领域

汽车转向节柔性生产线[2]在设计规划时充分考虑现代汽车业生产“变量变种”的发展趋势,故该加工系统在设计阶段考虑通过调整数控程序和随行夹具等手段,使其具有柔性加工能力,能够实现混流加工,加工范围可覆盖多个品牌乘用车的分体式汽车转向节。同时该项技术通过更换随行夹具及刀架单元即可用于整体式转向节,形成完整的转向节系列加工能力。转向节加工专用机床及柔性生产线不仅具有较高的生产能力,能完成大批量零件加工以实现经济价值,同时作为专业成套加工设备,自身也具有较高的技术含量,具有较大的市场需求性。

2 转向节加工工艺特点分析

转向节零件生产批量大,粗基准不适宜采用划线找正的常规加工模式,而由于其多处孔、面位于侧臂上并远离中心孔,粗基准定位偏差将直接导致零件加工报废。目前转向节零件毛坯多为树脂砂造型铸造,毛坯件较为规整,有利于采用工装进行粗基准找正定位,因此考虑使用位于同一分型面的三处毛坯面为粗基准,采用可调装置进行外臂找正,确保其粗基准定位快速而准确。并针对铸造件毛坯尺寸不稳定的实际状况,定位支撑设计为可调节结构,便于每批零件首件需进行粗基准定位面调整。

该零件为多悬臂异形件,容易产生各种加工变形和内应力变形,同时在加工过程中易伴随加工振动,因此[3]考虑采用异形压板侧臂压紧,落实受力点,减小应力变形,并有利于作为精基准的中心孔和外圆一次装夹车削完成,有利于提高同轴度和二次装夹的定位精度。

虽然转向节上单个尺寸精度和位置要求一般,但是因为其具有空间位置多、孔系相互之间角度等位置要求多,空间尺寸链较为复杂,同时零件本身的尺寸精度要求不足以满足定位精度要求,因此需要将部分内孔加工精度少量提高,并选择合适部位做基准孔,采用统一的定位基准,确保其加工部位相对位置精度。

3 转向节工艺路线制定

前转向节示意图如图2。

针对前转向节的工艺特点与生产批量,制定了工艺路线如下:

(1)车削加工φ70、φ62内孔及相应沟槽,提高准62处尺寸公差要求至IT7(该处与φ70H7处为一刀完成,提高公差要求基本不提高加工成本)。

(2)铣削开档尺寸为140的两短臂平面,钻铰该处φ12.2孔至H7。

(3)使用φ70H7孔、φ12.2H7孔及轴承档内止口定位,形成一面两销定位方式,铣削全部外臂平面及小凸台顶面,每个卧铣头均采用两把硬质合金双面刃铣刀与可微调隔套同时加工双面,保证21.8、17.2处厚度尺寸,厚度为18.7处、角度为3°53′的短弯臂采用悬臂刀杆装三面刃铣内壁,端面铣刀铣外壁,避免该处刀杆干涉和双刀受力不均匀的状况出现。

(4)使用φ70H7孔、φ12.2H7孔及轴承档内止口定位,钻削全部底孔,并完成相应扩孔、攻丝及锥孔精铰,锥孔在采用锥钻扩孔时就需要严格控制轴向深度,确保在精铰时的余量均匀,精铰余量不得超过50μm,以确保锥孔表面质量和尺寸稳定性。

4 汽车转向节柔性生产线的设计方案

汽车转向节柔性生产线(FTL)[4]集加工、测量、物流传送于一体。可以有效提高转向节加工企业的市场适应能力,稳定产品质量,降低生产成本。我们采用传统加工技术与现代制造技术相结合的方式,并融入柔性加工理念,既能实现复杂零件的高效加工,又能覆盖多个转向节品种。

生产线示意图如图3。

转向节柔性生产线采用多组直线滑台配合数控动力头,在CNC系统与PLC模块的控制下,实现加工动作并保证加工尺寸;考虑到设备成本和实际状况,人工安放工件,液压夹紧,大致分为车削模块、刀架模块、铣削模块、钻铰模块、测量模块。

前后转向节在粗基准定位时,均将夹具固定在车削主轴花盘上,考虑到车削工序在整个生产过程中单工序耗时最长,采用两个回转刀架同时完成车外圆和镗内孔的加工动作,刀具进给量及轴向行程由数控系统通过伺服电机控制。

车削加工完成后,工件由传送带传送至基准孔钻削工位,该模块使用钻削动力头完成工艺基准孔的钻-铰加工,同时前转向节此工位增设一组铣削动力头,完成基准孔两侧端面的铣削加工。而对于后转向节则增设垂直与基准面的立铣头,本工位夹具固定在机床工作台面上。

基准孔加工完成后,工件安装到随行夹具上,并送至侧臂钻铣削工位,该工位采用钻削头与铣削动力头,同时完成侧臂面铣削加工与侧臂孔钻削,侧臂厚度由铣刀可微调隔套调整保证。

侧臂加工完成后,送至斜面复合钻铣工位,该工位采用数控回转型主轴头,加工不同零件的倾斜角度。使用独立的钻铰动力头,通过轴向尺寸的严格控制和在线锥孔检测完成锥孔的铰削加工。

全部加工完成后,由传送带将工件送至检验台,拆去随行夹具转送至侧臂铣削工位,检验合格后送至防锈处理工位。

5 线内节拍平衡与控制方法

汽车转向节柔性生产线的物流规划设计复杂,涉及工序多,而汽车零件生产加工具有零库存、供货期短、需求量大的特点,因此我们按本柔性生产线的工位加工特征[5]在EM_PLANT内建立仿真模型,根据不同的节拍要求和工序要求,对其生产节拍进行分析与优化,对生产线各工序的安排顺序及加工参数给出基于节拍控制的参考,核实参考数据要求符合机床实际状况后,按调整后的参数继续进行仿真,获工序调整及生产班次的具体安排。达到线内工位最有效组合和利用,进而实现“精益”生产方式。使得生产效益最大化,并在特殊情况下能实现加工效率最大化,加工线节拍可根据不同加工条件进行调整,实现加工线针对多型号转向节加工都具有较高生产效率,从而让柔性的加工特征更具有实际应用价值。其仿真过程如图4。

6 技术特征与技术优势

6.1 技术特征

(1)根据毛坯件的结构特征,采用特殊的多爪可调节粗基准定位,外臂夹紧,定位准确,夹紧可靠,有效地解决了粗基准定位困难、加工尺寸不稳定、加工振动等以往转向节加工中常见的技术难点。

(2)将数控加工和传统加工的优点有效融合,既发挥了数控加工柔性好、可实现复杂加工步骤、重复加工尺寸稳定的优势,又发挥了传统加工在大批量生产中成本低、加工步骤简单的特长,大幅度提高了设备的实用性和可维护性,降低了加工成本。

(3)首次实现在一条加工线可进行多品种转向节加工,并可进行混流生产。

(4)首次将线内物流分析和零件加工进行有效结合,可根据产品加工批量和供货周期的不同,动态调节加工参数,实现可变加工节拍,实现最大加工效率与最优加工效率之间的转换。同时也可根据不同型号转向节的加工特性和工艺要求,自动调整加工步骤和加工参数,充分发挥自动线的柔性加工能力。

6.2 技术优势

(1)加工过程控制自动化。加工阶段专用机床的线内检测系统、自动补偿功能、自动换刀、PLC控制系统和系统信号互锁技术能准确实现加工的复杂动作,有效保证了尺寸要求、精度要求、位置要求,零件加工质量稳定。

(2)线内节拍平衡最优化。加工过程中采用了EM-PLANT等物流软件进行线内分析,平衡生产节拍,正常生产时候寻求最大生产效益,生产需求紧迫时实现最大加工效率。实现生产效益和加工效率可以调节。大幅度提高了转向节生产的自动化程度,也降低了劳动工作强度,提升企业的市场适应能力。

参考文献

[1]晓强.中国机械资讯网http://ww.cmiv.cn,2008.

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[4]章国华,苏东.典型生产线原理、安装与调试[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

汽车线束企业柔性生产线优化研究 篇7

关键词：汽车生产,柔性生产线,线束生产企业,资源配置

一、引言

制造企业正面临着准时交货、提高生产效率,提升产品质量、降低产品成本以及对市场需求做出及时响应的多重压力,这些严峻的形势迫使人们认识到提升生产制造系统的柔性对企业获取竞争优势,保持稳定的盈利性可持续发展目标具有极为重要的战略和现实意义。“柔性”通常理解为是对环境不确定性的一种适应性的响应,而提高企业的生产柔性简单地说就是指增加企业在生产制造过程中灵活性和快速应变能力,优化资源配置,提高生产流程的弹性,以较低的资源成本来满足客户的快速需求。作为汽车电子电气系统中重要的线束系统,常见的大规模批量式的生产模式已经不能满足现代社会的发展需求和客户日益提高的要求,一切以客户的价值为出发点,创造连续流动的价值流的柔性生产模式和管理方法成为先进生产模式的代表。

二、生产流程优化及柔性生产线在线束生产企业中的实证分析

我们所接触到的传统的流水线通常是U形流水线,这样的流水线布局也是一般被认为是比较经济和精益的方式之一。它比较适合于大批量生产,能大幅提高生产效率,降低成本。但对于小批量多品种,并且需要按照JIT/JIS的供货模式来说,传统的生产线将无法满足客户和市场的需要。这就需要采用更为柔性的生产线来加以应对。

柔性生产线的方式有很多,主要是在精益生产的思想下,对生产线进行必要的自动化调整以提高生产柔性和生产效率,消除生产瓶颈。在当今的汽车工业中以KSK模块化的JIT/JIS供货方式已经成为先进汽车制造企业的主流趋势。为了应对需求随时变化的模块化供货,汽车线束企业必须采用多条生产线结合的方式来加以应对。这里我们将以上海大众POLO的KSK主线束来探讨这种生产线是如何优化生产的。

对于成品的总装线生产,需要区分基本模块和选装模块。基本模块是最大的模块,它包含了所有基本的配置功能,所有的车型配置都必须采用。而选装模块(或称选装包)则是根据不同的车型配置而不同的,终端客户可以根据自己的喜好而进行选择,这也就是客户需求发生变化的最根本的来源。以上海大众的POLO生产线为例,整车厂发给线束生产企业最近的窗口时间仅为2小时,这就意味着,当线束生产企业收到客户EDI明确的线束序列号之后必须在2个小时内完成线束的生产,包装,配送等过程,而且必须是按照系统传递的次序按时送到客户的总装车间特定的工位上。其生产的操作难度比较大。因此,对于此类线束的生产我们需要对生产线进行必要的调整。常规的线束生产线是一条U形的旋转生产线,每条线束从第一个工位开始生产到最后一个工位结束就完成了一条线束的生产过程而后进入测试和包装程序。这种方式适用于批量规模化的线束生产,但无法满足JIT/JIS的要求。而对于POLO的主线束生产线必须由基本模块生产线和配套的选装模块生产线共同协同完成。这种柔性化汽车线束生产线主要表现形式是以基本模块的自动化生产线为中心,不同的选装模块生产线环绕的方式来进行生产(见图1)。

由于POLO主线束是汽车线束总成中最大的线束,通常有5-8米长,因而其基本模块的生产已经不能在常规的线束生产线上进行生产,需要采用H形总装配板来组合基本模块线束的生产线。其生产线由14块H形装配板组成。由于PGTF生产线本身是自动化的柔性生产线,其可以根据线束的复杂程度和工艺来灵活的调整装配工位的数量,并且可以调整生产线运行的速度。该基本模块生产线位于整个生产区域的中心位置。

选装模块生产线则位于基本模块生产线的周围,由于选装模块的线束一般都较为简单,且并非每根线束都需要安装,只是根据最终客户的选装要求才进行生产,因此,通常这类线束的生产只安排单工位生产单元的模式,由1-2名员工进行生产(图2)。

那么,大众POLO KSK主线束的柔性生产线是如何运作才得以保证客户快速的要货需求的呢?这里我们将简要阐述其运作过程。

我们已经知道上海大众发布给供应商的最后一个时间窗口是两小时,也就是说客户提前两个小时通过系统将EDI信息包(R100)传输至汽车线束生产的现场(图3)。EDI信息包中成,并及时送达总装线工位。包含了整车厂总装生产线上的所要生产的车型的车架号(K号)以及该车的所有配置(基本模块和选装模块的组合),同时也显示了该车通过整车厂总装线线束安装工位的时间。该EDI指令要求线束生产商在指定的时间按照指定的车架号和配置表生产线束总成,并及时送达总装线工位。

线束生产商在收到客户的EDI信息包后,首先需要按照系统所提供的每个车架K号所要求的线束信息打印出来,线束主要信息以而维条形码的形式出现。线束总装现场的员工用扫描装置进行扫描后,生产线计算机系统将自动识别并分析该信息,并迅速形成以唯一K号为标准的作业配置清单,里面涵盖了所有需要的选装模块。该作业清单是客户拉动需求的看板卡的一种表现形式,是线束装配生产线生产的唯一指令凭证。该生产指令分别下达至基本模块总装线和选装模块生产单元。选装模块生产单元之间由模块线束运输车相连,每台运输车上所有的选装模块线束代表唯一的一根主线束的所有附件将被运至总装线工位(见图4,图5)。由于每个选装模块生产单元有5件缓冲,所有当订单指令下达时,能迅速按照排序系统中的线束选项立即从选装模块生产单元中通过运输车将所有的选装件收集并与基本模块同时生产。同时,为了防止选装模块的配置发生错误,在运输车完成所有的选装模块运输任务后,需要有专门的人员再次对所有选装模块线束的条形码进行分别扫描,系统将分析和核对该运输车上所有的选装模块线束是否与客户的车架K号所要求的配置是否一致。只有在所有的核对信息均通过无误后,才允许该运输车进入基本模块总装线。(见图4、图5)

在主线束最后完全装配后,操作人员将其放入测试区域,将K号进行扫描后,测试系统将自动识别并选择相应的测试程序,对其进行严格的自动化测试,如导电性能,放水性能,装配完整性测试等。只有在完成所有测试合格之后,测试系统才能授权打印出合格的标签。标签上有线束的型号,对应的车架号,生产时间,生产位置,公司名称等,以便于后续线束的安装和追溯。最后线束将按排序系统进行包装和发运,按时将线束送达至整车厂总装车间生产线的制定位置。

通过以上基本模块生产线与选装模块生产线的协同生产,从而我们能够保证在多品种小批量的情况下,保质保量的按时以JIT/JIS的形式向整车生产厂持续供货。

三、实施效果评估

本人所工作的线束生产企业在实施了生产计划的柔性管理之后,在准时发运率的指标上提升了许多。2014年的平均发运准时率为82.83%,而2015年在进一步提升柔性计划的基础上,实现了年平均发货准时率96.67%,这在目前汽车整车企业要求供应商实施JIT/JIS的大背景下是非常难能可贵的。为此开发了基于WEB平台的企业绩效指标系统,每月输入并跟踪分析所有的指标,系统自动形成相应的数据表格,并结合整个部门乃至公司的绩效综合考评。

结束语

本文仅研究了线束工厂的内部生产环节的柔性,几乎所有的国内外文献资料也仅对内部的生产柔性进行分析和研究。而理想的柔性管理需要将整个供应链的上下游供应商和客户都联系起来,实现联动柔性,这样才能优化整个供应链上的价值链,并实现真正理想化的柔性管理。对于这方面的研究还有待我继续学习和总结。

参考文献

[1]李杰.战略柔性理论与实证述评及启示.理论与改革,2008,6:93-94.

[2]黎民炼.浅述模块化供货方式.机电工程技术,2002,31(6):17-18.