基于有限状态机的车间逻辑建模与仿真研究

doi:10.16182/j.issn1004731x.joss.21-1218

摘要/Abstract

摘要：

离散型制造常见于飞机、船舶、电子设备、汽车制造等行业，为保证离散制造车间建模与仿真过程的正确性和灵活性，提出了一种面向离散制造车间生产过程的逻辑建模与仿真方法。基于离散事件建模理论与有限状态机理论，将离散制造车间中关键元素的属性与行为抽象为统一形式化的逻辑模型，通过类继承的方式实现了各种元素的功能；设计了一种针对统一模型的生产过程仿真算法；开发了二维图形化的逻辑建模与仿真原型系统，以某汽车涂装生产车间为例，与商业软件Plant-Simulation开展实验对比。实验结果表明：该方法有效且可行，对离散制造行业生产过程模拟具有参考价值与意义。

关键词: 离散制造车间, 建模与仿真, 有限状态机, 涂装生产线

Abstract:

Discrete manufacturing is common in aircraft, ships, electronic equipment, automobile and other manufacturing industries. To ensure the correctness and flexibility of the modeling and simulation process of discrete manufacturing workshops, a logical modeling and simulation method for the production process of discrete manufacturing workshop is proposed. Based on the theory of discrete event dynamic systems and finite-state machines, the attributes and behaviors of the key elements of the discrete manufacturing workshop are abstracted into a unified logic model, and the function of various elements are realized through inheritance. A production process simulation algorithm is designed for the unified model and a two-dimensional graphical logical model and simulation prototype system is developed. An automobile painting workshop is taken as the example and the experiment is compared with the commercial software Plant-Simulation. The results show that the proposed method is effective and feasible and has reference value and significance for the simulation of the production process of the discrete manufacturing industry.

Key words: discrete manufacturing workshop, modeling and simulation, finite state machine, coating production line

中图分类号:

TP391.9

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图/表 12

图1

图2

图3

表1

表2

实体元素属性模型表

图形符号	实体元素	属性
	工位	$W i n = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $W o u t = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $S = {w a i t, w o r k i n g, b l o c k, f u l l y_l o a d e d}$ $R u l e = 加工时间, 布局规则,$ $工位容量,$ $物料处理规则$ 其中，物料处理规则包括先进先出(工位连续处理工件)与同进同出(工位进行批处理，等物料充满工位的容量后，才开始加工)
	物流设备	$W i n = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $W o u t = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $S = {w a i t, w o r k i n g, b l o c k}$ $R u l e = 物流时间, 布局规则, 物流容量,$ $物料处理规则$ 其中，物料处理规则包括固定式处理(零部件之间的距离保持固定不变)与队列式处理(允许零部件进行移动堆积)
	出库仓储	$W i n = ∅$ $W o u t = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $S = {w a i t, w o r k i n g, b l o c k}$ $R u l e = 出库间隔时间, 布局规则,$ $出库仓储容量$
	入库仓储	$W i n = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $W o u t = ∅$ $S = {w a i t}$ $R u l e = 布局规则$
	缓存设备	$W i n = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $W o u t = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $S = {w a i t, f u l l y_l o a d e d}$ $R u l e = 布局规则, 缓存设备数量$
	分流控制设备	$W i n = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $W o u t = {w o r k p i e c e s} ∪ ∅$ $S = {w a i t, w o r k i n g}$ $R u l e = 布局规则, 分流规则$ 其中分流规则包括循环均分分流、空闲优先规则等

表2

图4

图5

图6

图7

表3

表4

图8

参考文献 16

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状态	描述
等待	元素在等待物料的输入，或者已经完成物料的输出，处于一种闲置的状态
工作	工位正在处理任务，此任务将在有限的、确定的时间内结束
阻塞	此元素下游的工序由于某种原因，不能接受此元素的物料输出，因此，物料将不得不停在当前元素中，这就造成了阻塞
满载	设备由于容量已满，无法接受上游工序运输的物料，若上游工序即将输出，将不得不阻塞上游工序的设备，直到可以接收上游工序的输出为止

模型名称	容量/辆	处理时间/s	处理规则
通道1	1	12	队列式
工位1	32	1 754	先进先出
通道2	2	102	队列式
工位2	22	1 222	先进先出
通道3-1	9	925	队列式
通道3-2	9	925	队列式
工位3-1	30	3 089	先进先出
工位3-2	30	3 089	先进先出
通道4	14	777	队列式

仿真系统	工位1	工位2	工位3	工位4
相对误差	0.178	0.145	0.083	0.087
逻辑仿真系统	90.11	89.36	92.22	92.22
Plant-Simulation	90.27	89.49	92.30	92.30

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