基于Plant Simulation的智能电表产线物流仿真分析

基于Plant Simulation的智能电表产线
物流仿真分析
1.河南许继仪表有限公司河南许昌 461000
2.2.郑州轻工业大学河南郑州 450000
摘要：以某仪表有限公司进行单相智能电表生产线为背景，调研获得了详细
的生产数据，包括产线工艺及其产线设备的物理属性、软件程序、数据参数和操
作流程及其他附属设备等。

首先对调研数据进行分析，根据生产信息划分主要功
能区，然后利用西门子 Plant Simulation 软件对功能区进行产线物流仿真建模，最后对仿真结果分析。

仿真结果表明：建立的物流仿真模型符合实际生产，分析
得到了目前生产中存在的问题，生产线中调检单元的等待率达到90%左右，导致
下表工位等待率高达80%，影响生产效率。

关键词：物流仿真；Plant Simulation；优化分析
1.引言
当前，全球装备制造市场竞争格局和产业形态正在发生重大调整，电力装备
制造企业正由单一设备供应商向系统集成服务商转变。

装备制造企业要围绕制造
数字化、网络化、智能化，推进传统制造数字化改造，升级改造自动化生产线，
提高效率、降低能耗是必经之路。

网络化协同制造、大规模个性化定制、多品种
小批量生产、远程运维服务等新模态新业务在国内能源电力装备企业深入实施应用，涌现出了大量智能制造应用案例。

南自自动化针对电力产品多品种且小批量
的生产模式，自主设计了生产工艺流程，基于自主研发的NEWMES系统构建了电
力装备智能制造系统，但还需结合车间资源实时负载情况和现有计划执行进度进
一步拓展高级排产模块的研制。

平高电气建设了高压开关设备核心零部件加工、
零部件表面处理和产成品装配智能制造生产车间，并提出进一步将仿真技术和数
据管理技术等新兴技术手段应用到车间中。

目前，能源电力装备智能生产的研究集中在MES系统开发集成、精益生产以
及对典型产品生产线三维建模仿真等方面，初步实现了数字化、自动化工厂的建设，但在物流的管理及利用方面有所欠缺。

智能电表产线生产组织较为复杂，从
生产计划的安排到车间待加工产品进入产线，经过产线测试和组装最终完成包装
的物流管理都需投入大量资源。

以往对产线的规划都是靠经验，导致工位与实际
生产不匹配，从而造成产线实际运营成本较髙、效率低，无法达到精益生产标准。

因此，分析设计一套既可为智能电表产线运营管理提供辅助决策，又贴合智能电
表产线实际生产需要的物流仿真系统，使其应用于具体的工程实例中，具有重要
意义。

2.单相智能电表产线调研分析
仿真结果的准
确性与仿真给定的前提条件有很大的关系，本文以某仪表有限公司进行某型号单
相智能电表生产线的调研数据进行物流仿真。

该单相智能电表自动化生产车间，
主要由6条单相表自动化产线、成品堆放区、物料堆放区、办公区组成，日产能
可达20000只。

详细的生产数据如下。

2.1单相智能电表生产工艺流程
单相智能电表自动化生产线工艺过程具体描述如下，其工艺流程图可图1所示，根据实际生产和工艺信息得到生产线布局图，如图1所示。

根据工艺信息和
生产线布局，分别规划上料区、检测区、组装区、成品堆放区等主要功能区。

图1 单相表自动化生产线工艺流程图
2.2主要功能区分析
（1）上料区
上料区包含滚筒输送线、拆码垛机、自动上表机器人等工位。

拆垛时，拆垛机一次能够运送七层物料来到上料系统的拆垛机中，拆垛机由齿形带与气动夹具一次夹起7-n箱原物料，其中n为第n次运送原物料。

保留最下面一箱原物料在传送带上，进入拍照检测系统。

经过拍照检测无问题的原物料将会由传送带输送到指定位置，等待机械手抓取。

当原物料运行到指定检测位置时，此时输送线回流的空托盘也到位，配备有高清摄像头的机械手夹运电能表。

机械手每次搬运三个电能表到检测装置，检测后由机械手搬运到物料托盘上，每抓取两次电能表是一组，一组能够放满一个料盘，一个料盘可以承载6只电能表。

若托盘不到位，则机器人停止运转直至托盘到位。

进入托盘后进入耐压检测模块，主要监测电能表在非正常电压下的性能，随后进入视觉检测，利用高分辨率的工业相机以及配合的视觉算法，判断电能表是否有虚显和断显，如有这两种情况将会自动报错，保存并记录数据，替代了原有的工人检测，检测效果好，效率高。

（2）检测区
检测区包含初检测试单元、智能调检系统、分拣机械手等工位。

初检测试单元，检测电能表485、红外、继电器通断，能根据电表芯片类型调取参数设置方案，实现电能表全过程全自动无干预，自动报警功能，自动生成测试日志。

智能
调检系统，该系统放弃了传统的人工调表，采用全自动智能化调表。

虽然调节速度较慢，但是调节的效果好，精度好；为了跟上生产节拍，生产线采用了6条调检单元，每个元最大调表数量为48个表，6个调检仓可同时检测288只电能表。

经过调检的电能表经过传送带输送到分拣机械手，该机械手的主要功能是将托盘上的6只电能表抓取进下一生产线，由于后面的生产线是一次进单个的电能表而非一次进一托盘电能表，所以采用机械手将原来在托盘上的电能表抓取，并一个一个的放到传送带上传送进下一道工序。

这道工序中采用了双机械手作业，一次能够抓取两只电能表，分别放到传送带上，较单一机械手相比效率更高。

且该位置有自动识别不良品的功能，良品将随着产线进入下一工序，不良品则被机械手抓取进入不良品通道等待检修。

（3）组装区
组装区包含电池安装机器人、出厂设置与清零、智能打钉等工位。

合格电能表经传送带输送进入电池安装机器人处，被气缸滑块阻挡在固定位置，随后由机械手用吸盘将电能表盖打开，另一个机器人对电能表指定部位安装电池。

安装电池完毕后，吸盘自动放开，电表盖自动闭合。

铭牌安装主要是对电能表的铭牌安装，通过取料机从料仓中取出铭牌，吸盘将电能表的盖子打开，然后取料机运动到合适位置，将铭牌粘贴在电能表上。

完成以后，吸盘放松，传送带挡块放开，电能表随传送带进入后续工序。

出厂设定与清零设定，是对电能表的预定参数设定并且读取测试参数进行记录的工序。

智能打钉是由上钉的自动送料振动盘和打螺钉设备组成的，使用前先把一定数量的螺钉放在设备中。

工作时，通过间歇运作的振动器，把螺钉沿预设轨道震动到指定位置。

值得一提的是，该装置设置十分巧妙，只能允许朝向正确的螺钉也就是大头在后的螺钉通过通道，如果方向错误，则螺钉会在震动时在预设轨道上掉落至物料盘中继续重复上述运动。

正确朝向的螺钉进入指定位置之后，则进入下一中空轨道，大头在上的螺钉继续在振动器的作用下向前运动到轨道尽头。

轨道尽头有一孔下连接管道，一次允许通过一只螺钉。

孔的另一端连接至上螺丝机；为了确保螺钉能够到达指定位置，孔管内有气体流动，帮助螺钉在气管内运动。

为了保证螺钉到达工作位置后才能进行打钉作业，该设备还在气管尽头配备了传感器来检测是否
有螺钉通过。

电能表通过传送带进入工作位置后，预设在这里的机器与挡块配合把电能表拦截在指定位置后，打钉设备对电能表下盖进行封装打钉，打钉的顺序为右、中、左。

打完钉后，对2个钉孔进行安装封扣，由机器用上面的上钉设备将封孔钉扣在刚才上钉后的孔上并进行激光打印公司图标与客户图标。

（4）成品堆放区
成品堆放区包含扫码入库、人工装箱、自动封箱等工位。

合格品人工计数装箱，由封箱机封箱，设备如图10所示，最后由打捆机打捆并入库。

2.3生产节拍数据
生产节拍是生产线产能规划的重要指标，可根据产量的高低来确定。

它是指在一定时间长度内，总有效生产时间与客户需求数量的比值，是客户需求一件产品的市场必要时间。

计算公式:
注：T = Takt Time (生产节拍)
Ta = Time Available (可用工作时间，分钟数 / 天)
Td = Time Demanded or Customer demand (客户需求，件数 / 天)
可用工作时间是剔除了休息时间和所有预期停工时间(譬如维护和交接班的时间)。

举例：每条生产线产能为1.2万只／月，每月工作时间为22天，生产线采取１班／天、每班８ｈ工作制。

规划该智能生产线的有效生产时间和生产节拍时需要考虑以下情况：①需求周期为一个月（22天）；②运作模式为1班／天、8ｈ／班；③ 计划停工（计划内、外）为 0.3ｈ／班；④计划需求为1.2万只。

可算得智能生产线的有效生产时间，即
由式（1）可算得智能生产线的节拍，即：
依据人员数量，实际工作人员的操作熟练度和生产现场的实际状况（设备运行情况、所需工艺条件等），统计完成每个作业所需时间，确定生产线中各工序的基本时间，部分工序如表1所示。

3.仿真模型的结构
根据单相智能电表产线各类设备特点，结合仿真软件自带设备模型，可将真实的工艺设备抽象成仿真模型，将各模块根据设备类别分别创建类库。

3. 1 类库搭建
根据电表产线的生产特点，在模型文件中搭建Class Libery 库，分为上料区类库、检测区类库、组装区和成品堆放区类库等，每个类库包含相应类型的设备与传送机构模块，为后续建立仿真模型提供基础。

3. 2 建立仿真模型
将模型文件导入工艺平面图后，将各种工装设备抽象为仿真模型，例如:单相智能电表生产线的调检仓等选用Material Flow 模块中的 Singleproc 对象，车间送料选用 Source 对象，托盘选用 Store 对象，下料工位选用 Buffer 对象，在检查工位与下料之间调用 Worker对象进行下料工作。

每种仿真模型均包含二维与三维图像，其中，对于某些特殊设备的三维模型可在软件中通过导入替换的方式对软件自带模型进行更新。

建模后的车间三维仿真模型如图2所示。

图2单相表生产线Plant Simulation三维仿真模型
3. 3 调度策略制定
3.3.1 产线物流流向分析
产线物流流向为：待加工电
表上料系统表箱电表拍照检
测耐压初检测试单元调检单元下表单元电池安
装载波测试参数设置铭牌螺钉装配人工装箱入库。

部分调度策略分析如下。

3.3.2 上料调度策略
拆垛时，拆垛机一次能够运送七层物料来到上料系统的拆垛机中，拆垛机由
齿形带与气动夹具一次夹起7-n箱原物料，其中n为第n次运送原物料。

保留最
下面一箱原物料在传送带上，进入拍照检测系统。

经过拍照检测无问题的原物料
将会由传送带输送到指定位置，等待机械手抓取。

每抓取两次电能表是一组，一
组能够放满一个料盘，一个料盘可以承载6只电能表。

若托盘不到位，则机器人
停止运转直至托盘到位。

3.3.3 下表调度策略
经过调检的电能表经过传送带输送到分拣机械手，该机械手的主要功能是将
托盘上的6只电能表抓取进下一工位，合格电能表经传送带输送进入下一步工序，不良品则被机械手抓取进入不良品通道等待检修。

3. 4仿真结果分析
在当前生产计划条件下，生产线中调检单元的等待率达到90%左右，这将直
接导致下表工位等待率高达80%，严重影响后续产线工位运行。

在实际的正常生
产过程中，调检单元和下表工位有明显的堆料情况，证明所建立
的模型有效。

4.总结与展望
利用 Plant Simulation 软件对单相智能电表生产线生产物流流程进行全过
程仿真，分析得到了所建模型的有效性和此单相智能电表生产线存在的问题，为
单相智能电表生产线车间的生产与规划提供科学依据，减少不必要的资金投入，
更加贴合精益生产理念，也是打造数字化、智能化车间的强有力支撑。

目前生产线生产物流仿真在智能电表的应用仍处于发展阶段，未来为满足新
型电力系统和“双碳”目标的要求，下一步研究应拓展模型的通用型，目前研究
仅仅针对单相智能电表的一种型号产线，而不是一类生产流程。

参考文献
[1]张叶同, 王军奎, 史健, 等. 大型电力装备企业智能制造实践之路[J].
智能制造, 2022, 30(1): 52.
[2]党向东. BQ公司向智能制造转型的方案设计研究[D].西北大学,2016.
[3]Vesikkala T. Lean Optimization for Electric Meter
Production[D].Vantaa：Helsinki Metropolia University of Applied Sciences ,2017.
作者简介：姜伟，男，1980，硕士，工程师，研究方向为智能电表通信技术、智能制造相关技术、云计算大数据、工业互联网平台相关技术等。