太阳能电池生产车间布局设计与仿真研究

摘要

车间设施布局设计是制造系统设计过程中非常关键的部分。在精益生产和数字化工厂的大背景下，企业面临着产品的多样化和生产周期缩短等挑战，这对布局设计提出了更高的要求。布局设计必须在保证满足基本功能要求的前提下，尽可能地降低生产运营成本，这其中物料搬运成本占了很大部分。同时，由于计算机辅助技术的快速进步，系统仿真技术更多地被应用于制造系统设计当中。系统仿真技术不仅被广泛应用于系统设计的验证，而且更多地与硬件进行连接，朝着数字化工厂的趋势发展。因此，本课题以太阳能电池组件生产车间为研究对象，分别进行了布局设计和系统仿真研究。
　　首先，本文分析总结了设施布局设计和系统仿真两方面的国内外研究现状，在此基础上，阐述了设施布局设计相关的基础理论与方法。利用系统化设施布置方法(SLP)对太阳能电池组件生产车间进行布局设计，得到了3种可行的布局方案。具体地，分析了太阳能电池组件的产品产量、工艺流程、产品组成等，进行了作业单位划分和面积估算。然后，基于基本要素分析所收集整理的资料，进行了物流及非物流关系分析，将两者进行合并获得作业单位之间的综合相互关系，进而完成了面积相关图，并进行修正得到最终布局图。
　　其次，利用遗传算法对得到的布局图进行了优化设计。对布局优化问题进行数学建模，提出了空间填充曲线与遗传算法相结合的优化算法，并且提出将网格的长宽比作为决策变量添加到基因编码中，能够很好地解决不等面积的布局设计问题。在介绍了遗传算法框架的基础上，结合设施布局设计问题，选择实数编码方案对问题进行了编码，对适应度函数及遗传算法基本算子（选择、交叉、变异）进行了设计，在MATLAB软件中实现了算法。结果显示，利用遗传算法的快速搜索特性，获得的最优解明显优于原始布置方案，验证了算法的可行性。
　　最后，进行了基于仿真平台Visual Components的生产线可视化仿真和模型的PLC实时连接实验。介绍虚拟组件模型结构的概念，完成了太阳能电池组件生产线上79个设备模型的建模，利用模型构建了生产线仿真的布局模型。基于仿真结果，进行了在制品平衡分析，获得了最佳的在制品数量为135，对工人利用率进行分析，确定了最佳的工人数量，并进行了碰撞检测实验。接着，在所建立的设备模型的基础上，将其与设备PLC控制器软件平台TwinCAT进行实时连接，利用程序对仿真平台中的设备模型进行控制，并通过联合仿真实验验证了其可行性。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要内容及结构

2 基于SLP的生产车间布局

2.1 设施布局设计问题概述

2.2 基本要素分析

2.3 作业单位相互关系分析

2.4 确定平面布局方案

2.5 本章小结

3 基于遗传算法的设施布局

3.1 数学模型描述

3.2 模型求解算法

3.3 算法执行及优化结果

3.4 本章小结

4 基于VC的生产线可视化仿真

4.1 模型结构

4.2 虚拟组件建模

4.3 生产线布局建模

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

5 基于VC的PLC实时连接

5.1 设备结构及硬件

5.2 PLC程序

5.3 VC虚拟组件模型

5.4 实时连接

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 图表

附录B 程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢