柔性生产系统的仿真优化

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.39MB 66 页 15积分
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摘 要
随着社会和经济的发展，人们的物质需求变化也越来越快，随之给企业的生
产也提出了新的要求，能够及时、灵活的调整生产策略就成了企业、工厂能否在
激烈地市场竞争中取胜的关键。基于此本文对柔性生产系统进行了研究。
本文在完成过程中主要做的工作有以下几点：
首先，通过介绍柔性生产系统的基本概念，提出了仿真优化在解决柔性生产
系统瓶颈问题中的作用。之后将仿真的概念引入柔性生产系统，说明了仿真的方
法是一种节约且高效的方法。
其次，以现实中某炼钢厂为例，详细阐述了其生产工艺系统中各个环节，并
给出各环节中采集的现实数据，将这些样本数据通过 SPSS 的非参数检验 1-Sample
K-S 检验，得到相应的概率密度分布函数，以便在仿真模型中使用。
再次，对本文所采用的 Extend 仿真软件及相关概念做了介绍，并利用该软件
对某炼钢厂生产系统进行了仿真模拟。通过调节模型中的参数就可得到对整个柔
性生产系统的影响结果。
最后，通过两种不同的参数调节方式对所做的模型仿真进行分析和比较，指
出了炼钢厂柔性生产系统的瓶颈参数，并提出了引入 JIT 管理模式改进生产系统。
在文章结尾处对全文进行了总结，提出仿真软件和各种信息平台相结合必将
会成为今后生产系统管理领域的一个趋势。
关键词：柔性生产系统 系统仿真 Extend 优化 K-S检验
ABSTRACT
According with the development of society and economy, people’s material
demands change more and more fast. And the direct effect is that company has to adjust
their production to the new request. So whether a company or factory can get victory in
the intensely market competition determined by the adjustment of product strategy in
time and flexibly. This paper studies on the Flexible Manufacturing System based on
these points.
The main works during the working process of this paper are as follows:
First, introduce the basis conception; recommend the function of simulation
optimization figuring out the bottleneck problem of FMS. And then import simulation to
FMS, showing that simulation is an effective and economy technique.
Second, studies on a real steel-making company as example. Given a detail
expression of the whole production process, accompanied with data collected from real
world. Verify the sample data using one-sample Kolmogorov-Smirnov test to confirm
the probability density function for use of the followed simulation model.
Third, introduce the Extend software and reference conception for good
understanding of the simulation model, and then in terms of the basic frame of
steel-making production system build a simulation model with Extend software.
Through adjust the parameter settings in the model will gain different effected result for
this flexible manufacturing system.
At the last, via two different parameter setting mode simulating the model, analyze
and compare the results. Then point out the bottleneck parameters of the steel-making
flexible manufacturing system, and make a try to import JIT management mode to
improve on the manufacturing system.
Summarize the whole paper in the end, bring forward that the combination of
simulation software and multiple information platforms will be a evolution trend in the
following manufacturing system management area.
Key Words: FMS, system simulation, Extend, Optimization,
Kolmogorov-Smirnov test
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 研究的背景和意义 ......................................................................................... 1
§1.1.1 柔性生产系统的研究背景....................................................................1
§1.1.2 关于仿真软件的研究背景....................................................................2
§1.2 FMS 的复杂性及仿真的必要性 ...................................................................... 3
§1.3 国内外研究现状 ............................................................................................. 5
§1.4 本文研究的主要内容 ..................................................................................... 6
第二章 柔性生产系统的建模仿真 ................................................................................ 8
§2.1 柔性生产系统的基本概念 ............................................................................. 8
§2.1.1 柔性........................................................................................................8
§2.1.2 柔性生产系统........................................................................................9
§2.1.3 柔性生产系统产生的社会背景..........................................................10
§2.1.4 柔性生产系统的构成及优点..............................................................11
§2.1.5 柔性生产系统的关键技术..................................................................13
§2.1.6 柔性生产系统的发展趋势..................................................................14
§2.2 柔性生产系统的仿真方法 ........................................................................... 15
§2.3 柔性生产系统的瓶颈优化 ........................................................................... 15
§2.4 仿真概念的引入 ........................................................................................... 16
§2.5 本章小结 ....................................................................................................... 17
第三章 柔性生产系统实例分析 .................................................................................. 19
§3.1 炼钢厂工艺系统实例介绍 ............................................................................ 19
§3.1.1 原料子系统..........................................................................................20
§3.1.2 炼钢子系统..........................................................................................21
§3.1.3 精炼子系统..........................................................................................23
§3.1.4 浇铸子系统..........................................................................................23
§3.2 炼钢厂生产系统数据分析 ........................................................................... 26
§3.2.1 Kolmogorov-Smirnov 检验.................................................................26
§3.2.2 样本数据检验分析..............................................................................27
§3.3 本章小结 ....................................................................................................... 32
第四章 模型在 EXTEND 系统中的仿真实现 ................................................................ 34
§4.1 建模和开发工具 EXTEND 简介 ........................................................................34
§4.1.1 Extend 简介........................................................................................34
§4.1.2 Extend 特点........................................................................................35
§4.1.3 Extend 的版本号................................................................................36
§4.1.4 Extend 常用模块介绍.........................................................................36
§4.2 模型的实现 ................................................................................................... 37
§4.3 本章小结 ........................................................................................................ 44
第五章 仿真模型的优化和分析 .................................................................................. 45
§5.1 模型瓶颈分析 ............................................................................................... 45
§5.2 未引入优化机制下的仿真模拟 ................................................................... 45
§5.2 优化后的仿真模拟 ....................................................................................... 48
§5.3 优化方案的补充 ........................................................................................... 49
§5.3 本章小结 ....................................................................................................... 52
第六章 结论与展望...................................................................................................... 53
§6.1 主要创新点和结论 ....................................................................................... 53
§6.2 存在的不足 ................................................................................................... 53
§6.3 展望 ............................................................................................................... 53
附 录 ...............................................................................................................................54
参考文献 .........................................................................................................................61
在读期间公开发表的论文和承担项目及取得成果 .................................................... 63
一、论文 ................................................................................................................... 63
二、参与项目 ........................................................................................................... 63
致 谢 ...............................................................................................................................64
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
随着市场经济的发展，企业、工厂的生产已不再是由计划经济所决定的，而
是要根据市场需求，遵循价值规律。社会所需的产品也不再是单一形式，而是要
求企业、工厂能进行小批量、多品种的生产。因此，是否能够及时、灵活地调整
生产方向、改变生产策略就成了企业、工厂能否在激烈地市场竞争中取胜的关键。
由此应运而生了柔性生产系统（FMS-Flexible Manufacturing System）。这种系统的
诞生在一定程度上解决了计划经济时生产单一的问题。但同时又给控制界带来了
新的研究课题，即如何对这类系统进行控制的问题，或者说如何控制才能使企业、
工厂获得更大利润的问题。同时，由于系统中会同时存在连续时间系统和离散事
件系统，更增加了控制的难度。目前，对这类问题的研究还远远不够，因此有必
要来进行各种模拟试验，获取更多的感性认识。柔性生产系统是一个大型的复杂
离散事件的动态系统，建设一个高柔性、低成本、高质量的柔性生产线，需要花
费很大的投资成本。对生产线的建模和仿真是必不可少的，因而有必要对 FMS 进
行一个比较全面和系统的研究。
§1.1 研究的背景和意义
§1.1.1 柔性生产系统的研究背景
20 世纪 50 年代末，60 年代初，一些工业发达的国家和地区，在高度的工业
化水平基础上，开始进入从工业社会向信息社会的过渡时期。这个时期的中、小
批量生产企业虽然品种多，占机械制造业的 75%到80%，但是其劳动生产率却大
大地落后于大批量生产企业。这个时期的主要特征是电子计算机、遗传工程、光
导纤维、激光、海洋开发等新技术的日益广泛而深入的应用[1]。
70 年代末、80 年代初，基于这些技术的综合运用，出现了“柔性制造系统”
(FMS)。英国 Molins 公司雇员 Theo Williamson 在60 年代最早提出 FMS。1965 年
Molins 公司取得了该项发明的专利。当时，称此方案为“系统 24”,是指系统可在
无人情况下工作 24 小时。
FMS 是一个由电子计算机控制的系统，在它上面可以同
时加工形状相近的一组或者一类产品。直到 70 年代，国际竞争力日趋激烈、要求
缩短生产周期、要求降低成本，FMS 才引起比较普遍的重视。由于 FMS 兼顾了生
产率和灵活性，所以具有生命力。
随着科学技术的进一步发展，更进一步地发展出了所谓“计算机集成制造系
柔性生产系统的仿真优化
2
统”(CIMS)，“未来工厂”、“自动化工厂”等新概念和新技术。随着 CIMS 的纵深
发展，柔性制造系统的概念也有了新发展。在 CIM 环境下，FMS 己跳出了传统
FMS 的概念的局限，FMS 被定义为在广义上的可编程的控制系统，它具有处理高
层次分析数据的能力，具有自动的物流，它使 CIM 的概念得以在车间实施，从而
实现小批量高效率的制造，以适应不同产品生命周期的动态变化。
20 世纪 90 年代，FMS 从探索阶段走向了实用化和商品化的阶段，成为机械
制造技术进步的重要标志。1994 年初，据统计世界各国已投入运行的 FMS 约有
3000 多个其中日本拥有 2100 多个，占世界的首位。在现已运行的 FMS 中，50%
的FMS 由美国制造商提供，另外 50%由日本和德国厂商提供。
我国第一套 FMS 于1986 年10 月在北京机床研究所投入运行，用于加工伺服
电机的零件。迄今为止，真正形成规模的 FMS 并不多，但 FMS 的构想和思路得
到了充分的承认，特别是对一些原来采用的大批量自动化生产线进行生产的离散
型的金属制品企业来说。如果想在保证质量的前提下提高利润和生产率，FMS 是
一种很好选择。
虽然就世界范围而言，柔性生产系统是一种成熟的技术，并在工业生产部门
得到广泛的应用。但是 FMS 的复杂性和离散型导致国内外很多项目的应用效果不
好，甚至完全失败。究其主要原因是系统规划不周，设计失误。为了建设一个高
柔性、低成本、高质量的柔性生产线，需要尽可能地做好规划和论证，建模仿真
则是为这些规划和论证提供了检验方法。借助于搭建柔性生产系统的仿真模型，
可以对未来 FMS 系统进行预测和校验，因而有必要对 FMS 的仿真模拟进行一个
比较全面和系统的研究。
§1.1.2 关于仿真软件的研究背景
目前的仿真软件主要有：
RaLC
（乐龙）、
Witness
（SDX）、
SIMAnimation、
Supply
chain guru、Classwarehouse、NetLogo、Swarm、Repast、AnyLogic、Flexsim、AutoMod、
Arena、eM-Plant、Extend、Delmia、Quest、eM-Power、ProModel 等。其中比较常
用的有：Swarm、Flexsim、Arena、Extend、eM-Power、ProModel 等几种。
Swarm 是一个实现了复杂适应性系统(Complex Adaptive System，简称 CAS)
理论面向对象的思想以及分布式人工智能技术三者综合运用的仿真平台。利用
Swarm 提供的强大功能，可以模拟从实际经济系统中抽象出来的模型，观察其运
行状况及趋势，从而为现实世界中的经济决策提供依据。
Flexsim 是新一代的模拟仿真软件，它能使决策者轻易地在计算机中构建及监
控任何工业及企业的分散式流程。透过 Flexsim，可以找出未来工业及企业流程的
第一章 绪 论
3
模式，进而成为该领域中的领导者。Flexsim 基础架构的设计上只是要满足使用者
现今的需求，其架构的概念更是为了企业的未来而准备。
Arena 主要是针对动态模型进行设计的，它可以对连续的，离散的，还有连续
离散的混合模型进行模拟操作。Arena 擅长系统地可视化描述结构和进程，即实现
动态模型仿真与可视化。
eM-Power 是解决生产工程问题的工具。因此它的目标主要是生产计划、工艺
管理、生产过程组织等领域的设计和优化问题。eM-Power 软件的另一个名字叫“数
字化工厂(Digital Factory)”，它通过建立统一的工艺数据库(eMS)来支持计划人员和
工艺人员完成复杂的生产工程管理和优化任务。
ProModel 能够精确地建立一个经营过程及其资源配置的随机性、不确定性和
相互依赖性的模型，具有为设计者提供连续或离散事件的、动态的和随机的分析
功能。该工具可应用于商业、工业、服务业、计算机科学、交通运输等领域，从
小型工厂，大型工厂生产到先进的弹性制造系统皆可容易地进行规划及仿真。
ProModel 系统中提供使用者人性化的操作接口环境。ProModel 在生产过程控制
中主要被利用在产能规划、资源利用、生产能力容量设计、厂房布置规划、生产
排程、生产周期分析、生产率提高、库存水平控制、瓶颈分析和改进等决策支持。
在本文中，我们采用的是仿真软件 Extend，它是由美国 Image That 公司于 1988
年推入市场的可对离散和连续时间系统仿真的高灵活性、高扩展性仿真平台。作
为通用仿真软件，其对常见系统都可以进行建模和仿真，并可以动画显示整个系
统的工作过程，直观、生动。Extend 软件不仅功能强大，界面友好，而且操作简
单。我们可以使用 Extend 开发很多领域内的实时过程的动态仿真模型。
§1.2 FMS 的复杂性及仿真的必要性
FMS是一种非常复杂的系统，虽然它有许多潜在的优点，但是要真正实现这
些优点并不容易。FMS的复杂性主要体现在以下几个方面[2]：
(1) 离散本质。在FMS(或一般的制造系统)的生产过程中，系统状态的变化通
常只在离散时刻发生，传统的以微分方程或差分方程为基础的数学模型不能适用
于这种系统的描述。此外，本质离散的状态空间所导致的组合复杂性以及人造系
统的“组织有序”的不确定性在FMS中得到了充分的体现。
(2) 柔性。柔性是FMS的一个根本特征，同时也是造成FMS比传统制造系统复
杂的主要原因。具体表现在：系统可以同时生产多种类型的产品；每个产品的生
产可以有多种不同的路径；每台机床能够完成多种不同的任务。FMS所具有的柔
性，使得计算复杂性问题更加突出。
摘要：

摘要随着社会和经济的发展，人们的物质需求变化也越来越快，随之给企业的生产也提出了新的要求，能够及时、灵活的调整生产策略就成了企业、工厂能否在激烈地市场竞争中取胜的关键。基于此本文对柔性生产系统进行了研究。本文在完成过程中主要做的工作有以下几点：首先，通过介绍柔性生产系统的基本概念，提出了仿真优化在解决柔性生产系统瓶颈问题中的作用。之后将仿真的概念引入柔性生产系统，说明了仿真的方法是一种节约且高效的方法。其次，以现实中某炼钢厂为例，详细阐述了其生产工艺系统中各个环节，并给出各环节中采集的现实数据，将这些样本数据通过SPSS的非参数检验1-SampleK-S检验，得到相应的概率密度分布函数，以便在...

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