基于Plant Simulation的電芯噴涂生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化

摘 要：物流仿真技術(shù)是當(dāng)前對(duì)電池模組生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)工藝規(guī)劃、瓶頸分析的常用手段。首先，基于Plant Simulation仿真工具，對(duì)某一品牌汽車電池模組生產(chǎn)線搭建物流系統(tǒng)仿真模型。其次，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)備開(kāi)通率、生產(chǎn)線的瓶頸及生產(chǎn)線的設(shè)備利用率和產(chǎn)線容量進(jìn)行分析，對(duì)工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物流仿真 工藝規(guī)劃 瓶頸 開(kāi)通率 容量分析

1 緒論

隨著全球化市場(chǎng)進(jìn)程與復(fù)雜性的不斷提升，汽車企業(yè)及其生產(chǎn)人員均應(yīng)提高自身技術(shù)素養(yǎng)以滿足多元化的市場(chǎng)需求。汽車產(chǎn)線由于受現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)因素影響較大，各個(gè)生產(chǎn)部門之間工藝要求不同而具有離散性。傳統(tǒng)方法是采用人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在實(shí)際生產(chǎn)中再進(jìn)行調(diào)度調(diào)試。由于透明度和調(diào)度準(zhǔn)確性的缺乏，使得生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)能力低下，因此削弱了產(chǎn)品和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，Plant Simulation已經(jīng)在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其能夠模擬傳統(tǒng)制造產(chǎn)品制造過(guò)程的仿真能力得到了業(yè)內(nèi)客戶的認(rèn)可，是各大制造企業(yè)在新工廠規(guī)劃或舊工廠改造過(guò)程中不可或缺的有力工具。另外，其離散事件仿真能力也擴(kuò)展到交通、運(yùn)輸和服務(wù)等行業(yè)，去完成商業(yè)配送、服務(wù)策略評(píng)估等領(lǐng)域的建模分析，以完成商業(yè)分銷和服務(wù)策略評(píng)估等領(lǐng)域的建模和分析。

本文基于Plant Simulation軟件工具創(chuàng)建某品牌汽車電芯噴涂生產(chǎn)線仿真模型，實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)過(guò)程的可視化，對(duì)產(chǎn)品的輸入輸出等條件進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，重現(xiàn)生產(chǎn)線的運(yùn)行邏輯，不僅能反映出產(chǎn)線的真正約束條件，而且有助于復(fù)雜工藝過(guò)程的理解，提高人力和設(shè)備資源的利用效率，從而識(shí)別出產(chǎn)線的性能瓶頸，以便進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提升產(chǎn)線產(chǎn)能，最終保證生產(chǎn)能力達(dá)到最終設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)為某公司電芯噴涂生產(chǎn)線，其中電芯通過(guò)上料工位拆包進(jìn)入OCV測(cè)試工位，測(cè)試通過(guò)后電芯流轉(zhuǎn)到緩存區(qū)并流轉(zhuǎn)到激光處理工位，電芯表面毛化完成后進(jìn)入電芯合裝工位進(jìn)行合裝，再進(jìn)入噴涂工位進(jìn)行噴涂。此后，電芯和載體一起進(jìn)入分離工位，載體通過(guò)回流線流轉(zhuǎn)到載體清洗工位，最終返回到電芯合裝工位。電芯向絕緣電壓測(cè)試工位流轉(zhuǎn)，測(cè)試成功后經(jīng)過(guò)人工檢測(cè)并下線。

3 電芯噴涂生產(chǎn)線EDS輸入及設(shè)計(jì)流程

對(duì)某電芯噴涂生產(chǎn)線擬定設(shè)計(jì)流程，并進(jìn)行仿真分析。圖1為電池模組產(chǎn)線EDS輸入及設(shè)計(jì)流程。

3.1 確定產(chǎn)能、生產(chǎn)模式及設(shè)備開(kāi)動(dòng)率目標(biāo)

本系統(tǒng)產(chǎn)能目標(biāo)為OPRgt;85%，其中OPR是指一種測(cè)量方法，用于確定可用產(chǎn)能占比。計(jì)算方法為計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間與所有損失時(shí)間相減后，再與計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間之比。損失時(shí)間又包括技術(shù)損失，簡(jiǎn)稱技術(shù)開(kāi)動(dòng)率（TA）、物料交付影響、生產(chǎn)期間的計(jì)劃維護(hù)和計(jì)劃外維護(hù)及產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題等。

生產(chǎn)模式為雙班生產(chǎn)（10.5H+10.5H），每年生產(chǎn)276天，整線設(shè)備開(kāi)動(dòng)率目標(biāo)為TAgt;92%。

MTTR按照3min建模，其中MTTR是指每個(gè)停機(jī)事件的平均持續(xù)時(shí)間。它包含對(duì)這個(gè)安全區(qū)的響應(yīng)時(shí)間、維修時(shí)間以及設(shè)備啟動(dòng)的時(shí)間。

3.2 工藝輸入

首先，工藝需要輸入工藝平面圖，仿真系統(tǒng)根據(jù)此工藝平面圖進(jìn)行布局。圖2為某電池模組生產(chǎn)線平面布局圖。其次，需要輸入詳細(xì)的工藝描述，尤其是電芯的輸送方式、輸送速度等信息。并提供每個(gè)工位的循環(huán)時(shí)間以及設(shè)備清單。清單中應(yīng)包含影響設(shè)備開(kāi)動(dòng)率的每一個(gè)設(shè)備，以確保后續(xù)計(jì)算各區(qū)域技術(shù)開(kāi)動(dòng)率時(shí)的準(zhǔn)確性。

3.3 控制策略與邏輯

仿真前應(yīng)明確模組生產(chǎn)線的控制邏輯和控制策略，做好安全區(qū)的規(guī)劃。系統(tǒng)可劃分成不同的區(qū)域，各區(qū)域具有特定的輸出能力，并采用拉動(dòng)原則，即若某個(gè)區(qū)域的一個(gè)進(jìn)程停止，則整個(gè)區(qū)域停止。此方法有利于加強(qiáng)問(wèn)題的解決，使問(wèn)題變得更加直觀、明顯。圖3為電池模組生產(chǎn)線區(qū)域的規(guī)劃圖。

3.4 物流仿真分析

根據(jù)以上輸入數(shù)據(jù)，建立并運(yùn)行仿真模型。觀察仿真結(jié)果是否滿足產(chǎn)能目標(biāo)、設(shè)備開(kāi)動(dòng)率目標(biāo)。若不滿足目標(biāo)，則需分析模組產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中影響系統(tǒng)產(chǎn)能的原因，分析并找出產(chǎn)線瓶頸及其成因。

3.5 生產(chǎn)線優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果給工藝提供合理性建議，在設(shè)備布局、工藝、輸送及安全區(qū)劃分等方面進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)優(yōu)化結(jié)果經(jīng)仿真驗(yàn)證達(dá)到目標(biāo)，則可輸出最優(yōu)仿真結(jié)果，從而達(dá)到提高產(chǎn)能、提高設(shè)備利用率目的。

4 電池模組生產(chǎn)線仿真建模

以某電池模組生產(chǎn)線為研究對(duì)象，進(jìn)行仿真建模，主要建模參數(shù)：線體循環(huán)時(shí)間CT為1.59 s，輸送線速度為13.2 m/min，緩存區(qū)緩存數(shù)量為566個(gè)電芯，邊界條件是安全區(qū)的產(chǎn)品存儲(chǔ)數(shù)量需不小于為達(dá)到生產(chǎn)節(jié)拍而設(shè)定的最小零件數(shù)（SSIP）。該生產(chǎn)線共分成7個(gè)安全區(qū)，各安全區(qū)的設(shè)備開(kāi)動(dòng)率如表1所示。該產(chǎn)線是典型的離線事件仿真，利用Plant Simulation系統(tǒng)內(nèi)部模型庫(kù)，建立仿真模型。圖4是電池模組生產(chǎn)線2D仿真視圖。

電芯由源（Source）按照設(shè)定參數(shù)生成，Cell用Mus模塊下的Entity來(lái)表示。機(jī)器人工位、OCV檢測(cè)、絕緣電壓測(cè)試、合裝工位等用處理模塊（Assembly）來(lái)表示。輸送線體用Line模塊表示，輸送線速度按照13.2 m/min進(jìn)行仿真，輸送線長(zhǎng)度按照工藝平面圖實(shí)際長(zhǎng)度仿真。電芯在輸送線上為固定間距0.35 m。因?yàn)檎麄€(gè)線體包含輸送線較多，可以把輸送線分區(qū)建模，分區(qū)情況見(jiàn)圖5電池模組生產(chǎn)生產(chǎn)線輸送線分區(qū)。緩存區(qū)最小Buffer數(shù)SSIT含義及計(jì)算方式如圖6所示。其中，TcT為目標(biāo)周期時(shí)間，本項(xiàng)目為1.59S。Transport time值可根據(jù)Buffer線體長(zhǎng)度和線體輸送速度來(lái)計(jì)算。本系統(tǒng)各區(qū)域線體速度、SSIT、Buffer數(shù)量、Capacity統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2?？紤]工廠生產(chǎn)模式，創(chuàng)建系統(tǒng)時(shí)需要使用Shift Calendar模塊，如圖7所示。其功能是根據(jù)生產(chǎn)時(shí)間與非生產(chǎn)時(shí)間啟動(dòng)和暫停物流對(duì)象生成，使仿真結(jié)果更接近真實(shí)環(huán)境。

5 電芯噴涂生產(chǎn)線仿真分析

由于輸送線電芯間距固定為0.35 m，需要投入WPC數(shù)量為332個(gè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析出整線設(shè)備開(kāi)通率為92.59%。考慮10分鐘計(jì)劃停線時(shí)間，最終仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。每個(gè)PullZone使用情況見(jiàn)圖9。對(duì)于當(dāng)前方案，技術(shù)可用性大于92%，可以達(dá)到92%的目標(biāo)技術(shù)可用性。

6 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)中，影響coating線體的產(chǎn)能因素有很多，比如設(shè)備故障、工具損失、堵塞，報(bào)廢和返工等。本實(shí)驗(yàn)使用Plant Simulation軟件，建模中考慮了影響線體產(chǎn)能的所有因素，將其數(shù)據(jù)化，通過(guò)分析仿真結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有資源和生產(chǎn)條件，確定工藝優(yōu)化方向，驗(yàn)證了所需WPC數(shù)量，確定工藝規(guī)劃滿足實(shí)際生產(chǎn)能力，減少了資源的投入。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉萍，石偉，劉玉坤.物流系統(tǒng)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]張智，李雨繁，徐雙霞.基于Plant Simulation的產(chǎn)品生產(chǎn)線布局仿真研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2019，45（07）：68-70.

[3]孟凡力，談大龍.裝配系統(tǒng)中緩存區(qū)容量的研究[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成制造系統(tǒng)，2005，11（11）：1609-1615.

[4]周金平，汪銳.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真-Plant Simulation應(yīng)用教程[M].北京：電子工程出版社，2011.

[5]陳達(dá)強(qiáng)，胡軍.物流系統(tǒng)建模與仿真[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.

[6]李文峰，袁兵，張煜.物流系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[7]班克斯.離散事件系統(tǒng)仿真[M].肖田園，范文慧，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.