基于緩沖區容量優化配置的生產線仿真與優化＊

梁子財唐小琦宋寶羅小軍

基于緩沖區容量優化配置的生產線仿真與優化＊

梁子財1，唐小琦1，2，宋寶2，3，羅小軍3

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

分析了兩級串行生產線設備和緩沖區在不同狀態下正常工作的概率，并推導出兩級串行生產線可用度與緩沖區容量之間的關系。以某鋰離子動力電池生產物流系統為例，通過節拍匹配與在瓶頸工位設定緩沖區消除因設備故障與節拍不匹配導致設備利用率低等不足，提高生產物流系統的效率。同時求解緩沖區的最佳容量配置，減少緩沖區的成本投入。

生產物流系統仿真；設備故障；生產節拍匹配；緩沖區容量優化配置

1 引言

隨著國家對新能源汽車行業的重視，新能源汽車市場不斷擴大[1]，鋰離子動力電池作為新能源汽車的心臟越來越受到國家和企業的重視。對于激烈的新能源汽車市場競爭[2]，有效降低電池生產成本、提高電池質量是電池生產廠家占領新能源汽車產業鏈制高點的關鍵。通過使用計算機仿真技術，能夠模擬生產系統在某段時間內的運行狀況[3]，預測生產物流系統的生產能力與不足[4]，協助企業優化改進生產物流系統。通過消除生產線的瓶頸[5-6]、配置緩沖區[7]、合理的工藝規劃[8]和生產調度[9]可以有效提高生產線的生產效率。

杜珊以紙質品制造廠為研究對象[10]，通過構建仿真模型進行動態仿真并分析生產物流系統存在的問題，最后通過改變決策參數、增加機器數量等措施優化改進生產物流系統。王旻玥針對某電池生產公司分選線目前存在的生產效率低下、勞動成本上升的問題，運用Flexsim仿真軟件，對現有生產線仿真模擬[11]并改進生產線，最后根據優化結果驗證優化方案的可行性。在國外的研究中，SANTOS等人利用Flexsim軟件針對醫院患者排隊時間長的問題尋求改善方案，實現縮短排隊時間的目標[12]；KRENCZYK等人基于Flexsim仿真平臺，針對裝配生產線平衡性，設計出基于啟發式算法的數據驅動的自動仿真模型系統[13]；PAWLEWSKI等人利用Flexsim軟件優化倉儲和物流配送中心，最后降低了倉儲成本，提高了儲運效率[14]。

本文通過推導出兩級串行生產線可用度與緩沖區容量之間的關系。之后基于緩沖區容量優化配置對某鋰離子動力電池生產物流系統進行仿真與優化，最終提高生產物流系統的生產效率。同時求解緩沖區的最佳容量配置，減少緩沖區的成本投入。

2 兩級串聯生產線模型

兩級串行生產線如圖1所示，i，i+1分別為前后生產設備，它們的有效率分別為i，i+1，故障率分別為i，i+1，生產率分別為i，i+1；i為緩沖區，其容量為。

圖1 二級串行生產線

假設i不會發生故障，i不會饑餓，i+1不會堵塞。對于關鍵段，其所有狀態可以歸結為以下幾種情況，設每種狀態發生的概率i=（=0，1，2，3）：①狀態0。i和i+1同時正常工作，0=i×i+1。②狀態1。i故障，i+1正常工作，1=i×i+1。③狀態2。i正常工作，i+1故障，2=i×i+1。④狀態3。i和i+1同時發生故障，3=i×i+1。

關鍵段正常工作的狀態：①i和i+1同時正常工作，且i+1不空閑；②i故障，i+1正常工作，且緩沖區不空；③i正常工作，i+1故障，且緩沖區不滿。

關鍵段的穩態可用度為：

這就是兩級串行生產線的可用度，可以看出，兩級生產線可用度是緩沖區容量的函數，可用度的大小與設備的故障率、生產率、緩沖區容量相關，可用度與緩沖區容量的數學函數關系如圖2所示。由圖2可知，存在某個最佳的緩沖區容量值。

3 生產物流系統仿真優化

3.1 構建仿真模型

本文以鋰離子動力電池生產物流系統中設備最多、生產速率最快的電芯制作部分為研究對象進行仿真優化研究。極片制作部分產生的正極片、負極片和隔膜進入卷繞機卷繞之后生成電芯，之后依次進行熱壓、X-Ray檢測、超聲波焊接、軟連接焊接、裝支架、包Mylar、入殼、預焊、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平臺建模之前，先對設備故障運行時間、原料及生產狀況做如下假設：①運行時間。設定仿真模型每天工作24 h，仿真運行120 d 。②工序建模。根據實際設備的加工特性，將各個設備都簡化為仿真平臺的框架對象或者并行處理對象。工序的操作時間簡化為加工時間，并設置相應設備的有效率與MTTR參數。③其他。假設仿真過程中各工位原材料充足，成品及時送出，且不考慮加工過程中出現次品的情況。仿真系統的模型定義如表1所示。

各個設備之間的傳輸帶采用線對象進行建模，設置傳輸速度為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與緩沖區容量K的數學函數關系圖

圖3 電芯制造部分加工工藝流程

表1 仿真模型定義

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

圖4 電芯制造部分仿真模型

3.2 運行仿真模型及仿真結果分析

仿真運行120 d后，利用圖表對象來顯示各個設備的資源統計信息。電芯制作部分的各個設備的資源統計如表2所示。由表2可知，該鋰離子動力電池生產系統的電芯制作部分各個設備的利用率較低，前面的設備堵塞率非常高，后面的設備空閑率高。此外，通過統計電芯制作部分流出的電池數量，得出仿真120 d后電芯制作部分的實際產能只有197 464個電池，產能較小。其中節拍最大的預焊為瓶頸工序。根據上述節拍分布，可得該生產物流系統的生產線平衡率=1.066 7/（11×0.187 5）=51.72%。

該鋰離子動力電池生產系統的平衡率只有51.72%，小于80%，可知不同設備之間的節拍匹配程度低。此外，由于設備經常出現故障而導致生產線生產停滯。因此，鋰離子動力電池生產系統由于生產線節拍匹配度低、設備頻繁故障而造成設備利用率低、堵塞率高、等待率高、產能低等問題。

表2 各個設備詳細仿真數據

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

本文首先介紹基于節拍匹配的優化消除因系統節拍不匹配而導致設備利用率較低的因素，之后再介紹基于設置緩沖區的優化消除因設備故障而造成生產停滯的因素，從而提高設備利用率，提高系統產能。

3.3 基于節拍匹配的優化

系統的設計節拍是0.083 3 min，即電芯制作部分的理想節拍為每生產1個電池要耗費0.083 3 min，因此以此標準進行節拍匹配。

節拍匹配的原則是使前后設備的生產節拍盡量接近，同時兼顧設備的實際工作情況，將所有設備的節拍都調整為0.083 3 min。此時該生產物流系統的生產線平衡率=0.858 0/（11×0.083 3）=93.64%。該鋰離子動力電池生產系統的平衡率已經超過80%，節拍匹配達到優。

3.4 基于設置緩沖區的優化

由于電芯組裝工序段（從熱壓機到前氦檢）生產節拍小（生產速率快），極易因為設備故障導致堵塞，對產能影響特別大，因此只需要在這些工序之間增加緩沖區，如圖5所示。通過設置緩沖區，當設備發生故障時，可以縮短生產線停滯時間，從而提高設備利用率。

圖5 電芯組裝工序段設置緩沖區

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

通過設定緩沖區容量值從0到150，畫出可用度關于緩沖區容量的曲線，如圖6所示。通過該圖可知，當大于50之后，可用度值幾乎不再變化，因此緩沖區最佳容量為50。

圖6 穩態可用度A與緩沖區容量K的函數曲線圖

通過使用Plant Simulation的實驗管家對象，設置一組實驗，分別取值為1，10，20，30，50，100，200，300，400，500，進行十組實驗，觀察不同值對應的產量如何變化，實驗結束后得到的結果如圖7所示，產量和緩沖區容量的描點如圖8所示。

由圖8可知，當緩沖區容量大于50，產能不再隨著緩沖區容量的變大而變化，與可用度的變化規律一致。因此，緩沖區的最佳容量為50。

圖7 不同緩沖區容量對應的產量圖

3.5 驗證仿真效果

經過節拍匹配與設置緩沖區，重新運行仿真模型120 d，電芯制作部分的各個設備的資源統計如表3所示。

圖8 產量和緩沖區容量的描點圖

表3 優化后各個設備詳細仿真數據

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

對比優化前后的設備資源統計信息，發現優化后的設備資源利用率有明顯提高，并且各個設備的利用率較為均勻。此時，統計產能為340 432個電池，對比為優化前的產能197 464個電池，增加了72.40%。

4 總結

本文通過對某鋰離子動力電池生產物流系統使用Plant Simulation仿真平臺進行仿真構建，并通過仿真結果分析生產物流系統存在的問題。針對生產系統設備利用率低、堵塞嚴重、產能低等問題，進行節拍匹配與在瓶頸工位處設置緩沖區進行優化，仿真結果表明優化后物流系統的生產線平衡率、產能與優化前相比都有顯著提高，達到了預期目標。

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TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.007

2095－6835（2019）15－0018－04

梁子財（1993—），男，福建泉州人，在讀碩士，研究方向為生產物流仿真與優化。

智能制造綜合標準化與新模式應用項目“高比能鋰離子動力電池智能工廠”；東莞市創新團隊項目“智能機器人總線式控制及伺服驅動系統成套產品開發及產業化”（編號：201536002100026）

〔編輯：嚴麗琴〕