梁子財(cái)唐小琦宋寶羅小軍

基于緩沖區(qū)容量?jī)?yōu)化配置的生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化＊

梁子財(cái)1，唐小琦1，2，宋寶2，3，羅小軍3

（1.華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 3.廣東拓斯達(dá)科技股份有限公司，廣東 東莞 523822）

分析了兩級(jí)串行生產(chǎn)線設(shè)備和緩沖區(qū)在不同狀態(tài)下正常工作的概率，并推導(dǎo)出兩級(jí)串行生產(chǎn)線可用度與緩沖區(qū)容量之間的關(guān)系。以某鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)為例，通過(guò)節(jié)拍匹配與在瓶頸工位設(shè)定緩沖區(qū)消除因設(shè)備故障與節(jié)拍不匹配導(dǎo)致設(shè)備利用率低等不足，提高生產(chǎn)物流系統(tǒng)的效率。同時(shí)求解緩沖區(qū)的最佳容量配置，減少緩沖區(qū)的成本投入。

生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真；設(shè)備故障；生產(chǎn)節(jié)拍匹配；緩沖區(qū)容量?jī)?yōu)化配置

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車行業(yè)的重視，新能源汽車市場(chǎng)不斷擴(kuò)大[1]，鋰離子動(dòng)力電池作為新能源汽車的心臟越來(lái)越受到國(guó)家和企業(yè)的重視。對(duì)于激烈的新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)[2]，有效降低電池生產(chǎn)成本、提高電池質(zhì)量是電池生產(chǎn)廠家占領(lǐng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈制高點(diǎn)的關(guān)鍵。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能夠模擬生產(chǎn)系統(tǒng)在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀況[3]，預(yù)測(cè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)能力與不足[4]，協(xié)助企業(yè)優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)物流系統(tǒng)。通過(guò)消除生產(chǎn)線的瓶頸[5-6]、配置緩沖區(qū)[7]、合理的工藝規(guī)劃[8]和生產(chǎn)調(diào)度[9]可以有效提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

杜珊以紙質(zhì)品制造廠為研究對(duì)象[10]，通過(guò)構(gòu)建仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并分析生產(chǎn)物流系統(tǒng)存在的問(wèn)題，最后通過(guò)改變決策參數(shù)、增加機(jī)器數(shù)量等措施優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)物流系統(tǒng)。王旻玥針對(duì)某電池生產(chǎn)公司分選線目前存在的生產(chǎn)效率低下、勞動(dòng)成本上升的問(wèn)題，運(yùn)用Flexsim仿真軟件，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線仿真模擬[11]并改進(jìn)生產(chǎn)線，最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。在國(guó)外的研究中，SANTOS等人利用Flexsim軟件針對(duì)醫(yī)院患者排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題尋求改善方案，實(shí)現(xiàn)縮短排隊(duì)時(shí)間的目標(biāo)[12]；KRENCZYK等人基于Flexsim仿真平臺(tái)，針對(duì)裝配生產(chǎn)線平衡性，設(shè)計(jì)出基于啟發(fā)式算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)仿真模型系統(tǒng)[13]；PAWLEWSKI等人利用Flexsim軟件優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)和物流配送中心，最后降低了倉(cāng)儲(chǔ)成本，提高了儲(chǔ)運(yùn)效率[14]。

本文通過(guò)推導(dǎo)出兩級(jí)串行生產(chǎn)線可用度與緩沖區(qū)容量之間的關(guān)系。之后基于緩沖區(qū)容量?jī)?yōu)化配置對(duì)某鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，最終提高生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。同時(shí)求解緩沖區(qū)的最佳容量配置，減少緩沖區(qū)的成本投入。

2 兩級(jí)串聯(lián)生產(chǎn)線模型

兩級(jí)串行生產(chǎn)線如圖1所示，i，i+1分別為前后生產(chǎn)設(shè)備，它們的有效率分別為i，i+1，故障率分別為i，i+1，生產(chǎn)率分別為i，i+1；i為緩沖區(qū)，其容量為。

圖1 二級(jí)串行生產(chǎn)線

假設(shè)i不會(huì)發(fā)生故障，i不會(huì)饑餓，i+1不會(huì)堵塞。對(duì)于關(guān)鍵段，其所有狀態(tài)可以歸結(jié)為以下幾種情況，設(shè)每種狀態(tài)發(fā)生的概率i=（=0，1，2，3）：①狀態(tài)0。i和i+1同時(shí)正常工作，0=i×i+1。②狀態(tài)1。i故障，i+1正常工作，1=i×i+1。③狀態(tài)2。i正常工作，i+1故障，2=i×i+1。④狀態(tài)3。i和i+1同時(shí)發(fā)生故障，3=i×i+1。

關(guān)鍵段正常工作的狀態(tài)：①i和i+1同時(shí)正常工作，且i+1不空閑；②i故障，i+1正常工作，且緩沖區(qū)不空；③i正常工作，i+1故障，且緩沖區(qū)不滿。

關(guān)鍵段的穩(wěn)態(tài)可用度為：

這就是兩級(jí)串行生產(chǎn)線的可用度，可以看出，兩級(jí)生產(chǎn)線可用度是緩沖區(qū)容量的函數(shù)，可用度的大小與設(shè)備的故障率、生產(chǎn)率、緩沖區(qū)容量相關(guān)，可用度與緩沖區(qū)容量的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，存在某個(gè)最佳的緩沖區(qū)容量值。

3 生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化

3.1 構(gòu)建仿真模型

本文以鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)中設(shè)備最多、生產(chǎn)速率最快的電芯制作部分為研究對(duì)象進(jìn)行仿真優(yōu)化研究。極片制作部分產(chǎn)生的正極片、負(fù)極片和隔膜進(jìn)入卷繞機(jī)卷繞之后生成電芯，之后依次進(jìn)行熱壓、X-Ray檢測(cè)、超聲波焊接、軟連接焊接、裝支架、包Mylar、入殼、預(yù)焊、滿焊、前氦檢等工序，之后流入化成分容部分，其先后次序如圖3所示。

采用Plant Simulation平臺(tái)建模之前，先對(duì)設(shè)備故障運(yùn)行時(shí)間、原料及生產(chǎn)狀況做如下假設(shè)：①運(yùn)行時(shí)間。設(shè)定仿真模型每天工作24 h，仿真運(yùn)行120 d 。②工序建模。根據(jù)實(shí)際設(shè)備的加工特性，將各個(gè)設(shè)備都簡(jiǎn)化為仿真平臺(tái)的框架對(duì)象或者并行處理對(duì)象。工序的操作時(shí)間簡(jiǎn)化為加工時(shí)間，并設(shè)置相應(yīng)設(shè)備的有效率與MTTR參數(shù)。③其他。假設(shè)仿真過(guò)程中各工位原材料充足，成品及時(shí)送出，且不考慮加工過(guò)程中出現(xiàn)次品的情況。仿真系統(tǒng)的模型定義如表1所示。

各個(gè)設(shè)備之間的傳輸帶采用線對(duì)象進(jìn)行建模，設(shè)置傳輸速度為18 m/min。最終建立完成的仿真模型如圖4所示。

圖2 可用度A與緩沖區(qū)容量K的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系圖

圖3 電芯制造部分加工工藝流程

表1 仿真模型定義

設(shè)備數(shù)量加工時(shí)間工位數(shù)有效率/（%）MTTR/min建模對(duì)象 卷繞機(jī)640 min17030框架 熱壓機(jī)290 s147030并行處理 X-Ray檢查機(jī)145 s306530并行處理 超聲波焊接機(jī)290 s97030框架 軟連接焊接機(jī)145 s116530并行處理 裝支架機(jī)145 s96530并行處理 包Mylar機(jī)290 s128030并行處理 入殼機(jī)145 s67530并行處理 預(yù)焊機(jī)145 s46530并行處理 滿焊機(jī)145 s66530并行處理 前氦檢機(jī)145 s69030并行處理

圖4 電芯制造部分仿真模型

3.2 運(yùn)行仿真模型及仿真結(jié)果分析

仿真運(yùn)行120 d后，利用圖表對(duì)象來(lái)顯示各個(gè)設(shè)備的資源統(tǒng)計(jì)信息。電芯制作部分的各個(gè)設(shè)備的資源統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2可知，該鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的電芯制作部分各個(gè)設(shè)備的利用率較低，前面的設(shè)備堵塞率非常高，后面的設(shè)備空閑率高。此外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)電芯制作部分流出的電池?cái)?shù)量，得出仿真120 d后電芯制作部分的實(shí)際產(chǎn)能只有197 464個(gè)電池，產(chǎn)能較小。其中節(jié)拍最大的預(yù)焊為瓶頸工序。根據(jù)上述節(jié)拍分布，可得該生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)線平衡率=1.066 7/（11×0.187 5）=51.72%。

該鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的平衡率只有51.72%，小于80%，可知不同設(shè)備之間的節(jié)拍匹配程度低。此外，由于設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障而導(dǎo)致生產(chǎn)線生產(chǎn)停滯。因此，鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)由于生產(chǎn)線節(jié)拍匹配度低、設(shè)備頻繁故障而造成設(shè)備利用率低、堵塞率高、等待率高、產(chǎn)能低等問(wèn)題。

表2 各個(gè)設(shè)備詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)

設(shè)備空閑率/（%）堵塞率/（%）利用率/（%）節(jié)拍/min 卷繞機(jī)0.2760.429.720.074 9 熱壓機(jī)0.2655.1214.950.107 1 X-Ray檢測(cè)機(jī)3.0049.0012.000.025 超聲波焊接機(jī)4.5552.8012.730.083 3 軟連接焊接機(jī)5.0047.0013.000.068 1 裝支架機(jī)12.0038.5013.500.083 3 包Mylar機(jī)33.0131.6615.080.062 5 入殼機(jī)18.0036.0020.000.125 預(yù)焊機(jī)22.0020.0022.000.187 5 滿焊機(jī)37.006.0021.000.125 前氦檢機(jī)69.000.0021.000.125

本文首先介紹基于節(jié)拍匹配的優(yōu)化消除因系統(tǒng)節(jié)拍不匹配而導(dǎo)致設(shè)備利用率較低的因素，之后再介紹基于設(shè)置緩沖區(qū)的優(yōu)化消除因設(shè)備故障而造成生產(chǎn)停滯的因素，從而提高設(shè)備利用率，提高系統(tǒng)產(chǎn)能。

3.3 基于節(jié)拍匹配的優(yōu)化

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)節(jié)拍是0.083 3 min，即電芯制作部分的理想節(jié)拍為每生產(chǎn)1個(gè)電池要耗費(fèi)0.083 3 min，因此以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)拍匹配。

節(jié)拍匹配的原則是使前后設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍盡量接近，同時(shí)兼顧設(shè)備的實(shí)際工作情況，將所有設(shè)備的節(jié)拍都調(diào)整為0.083 3 min。此時(shí)該生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)線平衡率=0.858 0/（11×0.083 3）=93.64%。該鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的平衡率已經(jīng)超過(guò)80%，節(jié)拍匹配達(dá)到優(yōu)。

3.4 基于設(shè)置緩沖區(qū)的優(yōu)化

由于電芯組裝工序段（從熱壓機(jī)到前氦檢）生產(chǎn)節(jié)拍?。ㄉa(chǎn)速率快），極易因?yàn)樵O(shè)備故障導(dǎo)致堵塞，對(duì)產(chǎn)能影響特別大，因此只需要在這些工序之間增加緩沖區(qū)，如圖5所示。通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以縮短生產(chǎn)線停滯時(shí)間，從而提高設(shè)備利用率。

圖5 電芯組裝工序段設(shè)置緩沖區(qū)

設(shè)備的有效率為65%，故障率為35%，i=i+1，代入式（1），得到=0.487 5+0.425/（+1）。

通過(guò)設(shè)定緩沖區(qū)容量值從0到150，畫(huà)出可用度關(guān)于緩沖區(qū)容量的曲線，如圖6所示。通過(guò)該圖可知，當(dāng)大于50之后，可用度值幾乎不再變化，因此緩沖區(qū)最佳容量為50。

圖6 穩(wěn)態(tài)可用度A與緩沖區(qū)容量K的函數(shù)曲線圖

通過(guò)使用Plant Simulation的實(shí)驗(yàn)管家對(duì)象，設(shè)置一組實(shí)驗(yàn)，分別取值為1，10，20，30，50，100，200，300，400，500，進(jìn)行十組實(shí)驗(yàn)，觀察不同值對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量如何變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到的結(jié)果如圖7所示，產(chǎn)量和緩沖區(qū)容量的描點(diǎn)如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)緩沖區(qū)容量大于50，產(chǎn)能不再隨著緩沖區(qū)容量的變大而變化，與可用度的變化規(guī)律一致。因此，緩沖區(qū)的最佳容量為50。

圖7 不同緩沖區(qū)容量對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量圖

3.5 驗(yàn)證仿真效果

經(jīng)過(guò)節(jié)拍匹配與設(shè)置緩沖區(qū)，重新運(yùn)行仿真模型120 d，電芯制作部分的各個(gè)設(shè)備的資源統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖8 產(chǎn)量和緩沖區(qū)容量的描點(diǎn)圖

表3 優(yōu)化后各個(gè)設(shè)備詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)

設(shè)備空閑率/（%）堵塞率/（%）利用率/（%）節(jié)拍/min 卷繞機(jī)0.2852.0018.130.083 3 熱壓機(jī)0.3548.6221.360.083 3 X-Ray檢測(cè)機(jī)5.0037.0022.000.025 0 超聲波焊接機(jī)9.8039.6620.610.083 3 軟連接焊接機(jī)9.0036.0020.000.083 3 裝支架機(jī)15.0028.0021.000.083 3 包Mylar機(jī)37.9922.3619.400.083 3 入殼機(jī)33.0021.0020.000.083 3 預(yù)焊機(jī)30.0014.0020.000.083 3 滿焊機(jī)40.004.0020.000.083 3 前氦檢機(jī)70.000.0020.000.083 3

對(duì)比優(yōu)化前后的設(shè)備資源統(tǒng)計(jì)信息，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的設(shè)備資源利用率有明顯提高，并且各個(gè)設(shè)備的利用率較為均勻。此時(shí)，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)能為340 432個(gè)電池，對(duì)比為優(yōu)化前的產(chǎn)能197 464個(gè)電池，增加了72.40%。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)某鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)使用Plant Simulation仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真構(gòu)建，并通過(guò)仿真結(jié)果分析生產(chǎn)物流系統(tǒng)存在的問(wèn)題。針對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備利用率低、堵塞嚴(yán)重、產(chǎn)能低等問(wèn)題，進(jìn)行節(jié)拍匹配與在瓶頸工位處設(shè)置緩沖區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后物流系統(tǒng)的生產(chǎn)線平衡率、產(chǎn)能與優(yōu)化前相比都有顯著提高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.007

2095－6835（2019）15－0018－04

梁子財(cái)（1993—），男，福建泉州人，在讀碩士，研究方向?yàn)樯a(chǎn)物流仿真與優(yōu)化。

智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目“高比能鋰離子動(dòng)力電池智能工廠”；東莞市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“智能機(jī)器人總線式控制及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成套產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（編號(hào)：201536002100026）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕