梁子財(cái)，唐小琦,2，宋 寶，羅小軍

（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）

1 引言

隨著新能源汽車市場的擴(kuò)大[1]，鋰離子動(dòng)力電池作為新能源汽車的心臟越來越受到國家和企業(yè)的重視。對于日益強(qiáng)烈的市場競爭[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。

王輝[3]應(yīng)用Flexsim仿真軟件，以生產(chǎn)線平衡和物流優(yōu)化設(shè)計(jì)為理論基礎(chǔ)對F 公司生產(chǎn)線提出改進(jìn)方案并驗(yàn)證改進(jìn)方案的優(yōu)化效果。李琦等[4]利用Flexsim軟件對壓裝生產(chǎn)線進(jìn)行模擬仿真，針對生產(chǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)的設(shè)備利用率、人員利用率及瓶頸工序等問題進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化方案。張如杰等[5]利用eMPlant 軟件對機(jī)車預(yù)裝生產(chǎn)線進(jìn)行物流仿真，找出生產(chǎn)線存在的缺陷并提出優(yōu)化方案。羅佳[6]采用Auto-Mod平臺(tái)對某床墊制造企業(yè)的床墊生產(chǎn)線建模仿真，針對瓶頸問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終提高產(chǎn)量。

本文通過Plant Simulation 仿真平臺(tái)對某鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，以產(chǎn)能最大化為優(yōu)化目標(biāo)并建立目標(biāo)函數(shù)，以改目標(biāo)函數(shù)分析系統(tǒng)缺陷，研究制定優(yōu)化方案并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果，為企業(yè)改善生產(chǎn)物流系統(tǒng)提供依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備利用率、降低資源損耗，從而提高企業(yè)的行業(yè)競爭力。

2 生產(chǎn)物流系統(tǒng)描述及問題

2.1 生產(chǎn)物流系統(tǒng)描述

鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)中電芯制作部分設(shè)備較多，生產(chǎn)速率快，是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因此本文以電芯制作部分為對象進(jìn)行仿真優(yōu)化。

電芯制作部分的加工工藝流程如圖1 所示。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、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1所示。

圖1 電芯制造部分加工工藝流程

2.2 系統(tǒng)問題分析

按照初始規(guī)劃，設(shè)定鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的電芯制作部分各個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍如表1 所示。其中節(jié)拍最大的預(yù)焊為瓶頸工序。

表1 設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍

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)線平衡率為：

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、等待率高、產(chǎn)能低等問題。

3 生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真

3.1 仿真優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

由于該生產(chǎn)物流系統(tǒng)是串行流水線，因而其產(chǎn)能受限于瓶頸工序的生產(chǎn)能力[7]。因此，可確定本文的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值為瓶頸工序的設(shè)備理論最大產(chǎn)能值，具體函數(shù)定義為：

其中：

式中：n為生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備總數(shù)；workingi為第i臺(tái)設(shè)備的設(shè)備利用率；Ttotal為總時(shí)間；Ti為第i臺(tái)設(shè)備的的生產(chǎn)節(jié)拍；Oi為第i臺(tái)設(shè)備的有效率；idlei為第i臺(tái)設(shè)備的空閑率；blockedi為第i臺(tái)設(shè)備的堵塞率；Pi,i+1為第i臺(tái)與第i+1 臺(tái)設(shè)備的節(jié)拍匹配度；g()Pi,i+1,Oi,Oi+1為idlei與Pi,i+1、Oi、Oi+1的不確定系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系；f()Pi,i+1,Oi,Oi+1為blockedi與Pi,i+1、Oi、Oi+1的不確定系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。

本文中設(shè)備的有效率Oi固定不變，此外生產(chǎn)線節(jié)拍匹配度Pi,i+1越高、設(shè)備故障導(dǎo)致生產(chǎn)線停滯時(shí)間越短就越小。因此通過式（1）、（2）、（3）與（4），可知可以通過匹配生產(chǎn)物流系統(tǒng)的節(jié)拍以及設(shè)置緩沖區(qū)減輕因設(shè)備故障導(dǎo)致生產(chǎn)線停工的影響，從而降低空閑率idlei和堵塞率blockedi，提高workingi，提高各個(gè)設(shè)備的理論最大產(chǎn)能從而提高目標(biāo)函數(shù)F的值，最終提高生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)量。

3.2 構(gòu)建仿真模型

利用Plant Simulation平臺(tái)建模之前，對本生產(chǎn)系統(tǒng)模型做出如下假設(shè)：

（1）設(shè)定模型每天運(yùn)行24h，仿真運(yùn)行90d。

（2）根據(jù)實(shí)際加工設(shè)備的特性，將各個(gè)設(shè)備都簡化為仿真平臺(tái)的框架對象或者并行處理對象。每個(gè)工序的操作時(shí)間簡化為加工時(shí)間，并且根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)設(shè)備的有效率與MTTR參數(shù)。

（3）假設(shè)仿真運(yùn)行過程中各工位原材料充足，成品及時(shí)送出，并且不考慮次品出現(xiàn)的情況。

因此，仿真系統(tǒng)的模型定義見表2。

表2 仿真模型定義表

生產(chǎn)系統(tǒng)的傳輸帶采用線對象進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置傳輸速度為18m/min。最終建立完成的仿真模型如圖2所示。

3.3 運(yùn)行仿真模型及仿真結(jié)果分析

仿真運(yùn)行90d之后，利用圖表對象來顯示各個(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)及設(shè)備理論最大產(chǎn)能見表3。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，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)備等待率高，目標(biāo)函數(shù)F的值等于瓶頸工序卷繞機(jī)的設(shè)備理論最大產(chǎn)能124 582個(gè)。此外，通過統(tǒng)計(jì)電芯制作部分流出的電池?cái)?shù)量，得出仿真90d之后電芯制作部分的實(shí)際產(chǎn)能只有122 272個(gè)電池，產(chǎn)能較小。

表3 各個(gè)設(shè)備詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)

4 生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化

4.1 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 3min,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 3min，因此以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)拍匹配。根據(jù)前面的分析，節(jié)拍匹配的原則是使得前后設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍盡量接近，增 大Pi,i+1，從 而 減 小g(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 和f(Pi,i+1,Oi,Oi+1) ，同時(shí)兼顧設(shè)備的實(shí)際工作情況，需要匹配的設(shè)備經(jīng)過調(diào)整后的設(shè)備節(jié)拍如表4所示。

此時(shí)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)線平衡率為93.64%,生產(chǎn)線平衡達(dá)到優(yōu)。

4.2 提高設(shè)備有效率

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，對產(chǎn)能影響特別大。由式（2）可得，設(shè)備故障率會(huì)影響設(shè)備利用率，最終影響設(shè)備的理論最大產(chǎn)能，還會(huì)影響前后設(shè)備的生產(chǎn)能力。因此需要提高熱壓機(jī)、X-ray檢測機(jī)、超聲波焊接機(jī)、軟連接焊接機(jī)、裝支架機(jī)的有效率，縮短生產(chǎn)線停滯時(shí)間，從而減小g(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 和f(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 。

圖2 電芯制造部分仿真模型

表4 調(diào)整前后各個(gè)設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍

針對設(shè)備有效率低的問題，可以通過更換新設(shè)備或者制定設(shè)備維護(hù)制度，從而提高設(shè)備有效率。本次仿真的設(shè)備有效率提高目標(biāo)見表5。

表5 需要提高有效率的設(shè)備數(shù)據(jù)

4.3 驗(yàn)證仿真效果

經(jīng)過節(jié)拍匹配與提高部分設(shè)備有效率，重新運(yùn)行仿真模型90d，電芯制作部分的各個(gè)設(shè)備的資源統(tǒng)計(jì)及設(shè)備理論最大產(chǎn)能見表6。

對比優(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，并且各個(gè)設(shè)備的理論最大產(chǎn)能都比優(yōu)化之前有很大的提高。生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能從原來的122 272個(gè)電池增加到145 248個(gè)電池，增長18.8%。

表6 優(yōu)化后各個(gè)設(shè)備詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

本文通過對某鋰離子動(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，并通過仿真結(jié)果分析生產(chǎn)物流系統(tǒng)存在的問題。針對生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備利用率低、堵塞嚴(yán)重、產(chǎn)能低等問題，通過進(jìn)行節(jié)拍匹配與提高部分設(shè)備有效率進(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)能都比優(yōu)化前有顯著提高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。