基于eM-Plant的電力電纜生產線優化仿真

張 倩，徐子奇

ZHANG Qian, XU Zi-qi

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

0 引言

電力電纜是用于傳輸和分配電能的電纜。電纜行業是中國僅次于汽車行業的第二大行業，產品品種滿足率和國內市場占有率均超過90%。在世界范圍內，中國電線電纜總產值已超過美國，成為世界上第一大電纜生產國。同時，電纜的分類繁多，其生產線常常進行多種產品的生產。對各種產品的生產調度，往往依據經驗，缺乏理論支持。

針對傳統生產線設計方法的不足以及電力電纜對生產線的要求，將仿真技術引入到生產線的優化中去成了未來生產線設計的一種趨勢。根據這一趨勢，重點研究基于eM-Plant仿真的電力電纜生產線的優化仿真。

1 系統分析

1.1 系統流程分析

在電纜生產線流程中，生產兩種型號的電纜，分別為A型號與B型號：

1）A型所需經過的制程有：

伸線→預燃→被覆塑膠→繞卷→被覆押出→產品離開。

2）B型所需經過的制程有：

伸線→預燃→分割導體集合→三層押出→繞卷→被覆押出→產品離開。

兩種電纜在進行繞卷作業時，因為產品的差異，作業的處理時間會有所不同，而在經過被覆押出作業之后，會出現作業不良的現象，通過檢驗的機率，依過去經驗為95%。當檢驗為外被作業失敗時，則需重新進行繞卷作業。

1.2 系統假設

1）A型號電纜與B型號電纜的來到比率為2:1。

2）該工廠作業時間為每天24小時，三班制，每月以30天計算之。

3）每種類的機臺前均設有產品暫存區。

4）產品指派至機臺的派工法則為FIFO（First In First Out）。

5）電纜來到時間間隔服從指數（35分鐘）分配。

2 系統仿真

2.1 系統輸入數據

2.1.1 系統決策參數

系統決策參數采用投料頻率或投料間隔時間。

2.1.2 系統績效評估參數

1）兩種型號電纜的個體生產周期及總平均生產周期。

2）A型號電纜與B型號電纜的月產量。

3）各工作站的平均使用率。

圖1 電力電纜生產線仿真模型圖

4）被覆押出站前暫存區的平均長度。

5）系統內的平均在制品數量。

2.2 建立仿真模型

在eM-Plant界面中，建立兩個實體，并且取名為“A”、“B”，代表兩種不同類型的電纜。對電力電纜生產線進行仿真模擬，如圖1所示。

其中，Singleproc至Singleproc10分別表示伸線、預燃、被覆塑膠、分割導體集合、三層押出、繞卷、被覆押出、檢驗、產品合格、A產品重工、B產品重工工序。Buffer至Buffer7表示各工序所對應的暫存區；Buffer8表示A產品重工暫存區；Buffer9表示B產品重工暫存區。

2.3 系統輸出數據

建立6張統計表，用來分析各個系統參數。各表的功能如下：

TableFile1用來存放各產品每次的加工時間；TableFile2分別記錄不同時刻在系統中在制品數量；TableFile3用于記錄被覆押出工序前的等待長度；TableFile4用于記錄兩種產品的平均生產周期以及月產能；TableFile5用于記錄各臺機器的使用率；TableFile6用于記錄被覆押出區的平均等候長度及系統內的平均數量。

2.4 結果分析

重復運行十次仿真系統，運行結果如表1所示。

通過圖1，可以明顯看出，被覆押出工序出現了產品堆積，為瓶頸工序。需要對生產線進行優化，解決此問題。

3 系統優化

從兩個方面入手，使用“減少原料進入”和“增加瓶頸機臺數量”兩種方法對仿真系統進行優化，改善瓶頸工序狀況。根據市場調研，設生產一件A產品的利潤為20元，生產一件B產品的利潤為23元。

3.1 減少原料進入來優化

被覆押出工序為瓶頸工序，為了使該電力電纜生產線流程被覆押出暫存區等待隊長減少，通過改變線材來到的時間間隔，來減少被覆押出暫存區等待隊長，從而實現系統的優化。

原系統原料到達時間服從指數（35分鐘）分布分配，將原料投入時間間隔分別改為λ（40）、λ（45）、λ（50）、λ（55） ，得到A、B產品月產能，被覆押出區的平均等候長度，平均在制品數量，利潤的統計表，如表2所示。

表1 仿真輸出結果表

表2 優化方案一的輸出數據統計表

通過減少原料進入來進行優化，可以看到被覆押出暫存區等待隊長明顯減少。雖然各工序設備使用率均有不同程度的下降，但總利潤影響不大。減少原料的進入，即原料到達時間服從λ（40）分布時，利潤最大。

3.2 增加瓶頸機臺數量來優化

由于被覆押出工序為瓶頸工序，增加瓶頸機臺數量以緩解堵塞，改進后仿真模型如圖2所示。

運行仿真模型，通過增加瓶頸機臺數量，堵塞得到了明顯緩解。A、B產品的平均生產周期均明顯下降，A、B產品的月產能明顯上升，被覆押出暫存區等待隊長、平均在制品數量明顯減少。經過計算，月利潤增加為26248元，增長了10596元，增長率為67.7%。

此外，所有設備的使用率都有不同程度的降低，這時則需要通過增加原料的投入來控制改變設備使用率，以達到仿真動態系統的進一步優化。

原系統原料到達時間服從指數（35分鐘）分布分配，增加原料投入，將原料投入時間間隔分別改為λ（30）、λ（25）、λ（20）、λ（15）。得到A、B產品月產能，被覆押出區的平均等候長度，平均在制品數量，利潤的統計表，如表3所示：

通過增加原料投入來進行優化，可以看到A、B產品月產能、被覆押出暫存區等待隊長、平均在制品數量均逐漸變大，各工序設備使用率均有不同程度的上升。特別是在原料到達時間服從λ（30）分布時，被覆押出暫存區等待隊長、平均在制品數量增加數量不多的同時，月利潤明顯變大。此時的月利潤相較于改變分布前，增長了4350元，增長率為16.6%；相較于原方案，增長了14946元，增長率為95.5%。當原料投入繼續增加時，各工序設備使用率均有不同程度的上升，但月利潤影響不大，同時被覆押出暫存區等待隊長、平均在制品數量明顯變大。

圖2 改進后電力電纜生產線仿真模型圖

表3 優化方案二的輸出數據統計表

綜合考慮各系統參數，應選取原料到達時間服從λ（30）分布。此時，被覆押出暫存區等待隊長、平均在制品數量可接受的情況下，設備使用率較高，月利潤較大。

4 結論

以電力電纜生產線作為研究對象，運用eMPlant，通過仿真建模對其進行優化。原生產線存在瓶頸“被覆押出”工序，使用“減少原料進入”和“增加瓶頸機臺數量”兩種方法對其進行優化，并對優化方案進行仿真。故增加1臺瓶頸機，選取原料到達時間服從λ（30）分布時，生產線月利潤最大。

建立仿真模型，依據市場需求，可以實時調整系統參數，預測企業利潤。從而，為生產線的調整提供理論依據，實現企業對市場的及時響應及利潤最大化。

[1]張麗.基于QUEST的某工廠鈑金生產線仿真與二次開發[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2012.

[2]姜志偉.鎂合金真空低壓消失模鑄造生產線的虛擬設計及仿真[D].武漢:華中科技大學,2009.

[3]聶世濤.基于仿真技術的魚罐頭生產線研究與改進[D].廣州:華南理工大學,2011.

[4]譚健.凸輪軸生產線布局仿真及優化研究[D].北京:北京工業大學,2011.

[5]張慧.混合生產線制造過程的建模與仿真研究[D].天津:天津工業大學,2008.

[6]王福鑫,向號.基于Flexsim軟件的生產線仿真優化[J]. 機械工程師,2010,(11).

[7]曾益.基于eM-Plant的物流配送系統仿真的實現[J].中國水運,2007(9).