基于Plant Simulation的電芯噴涂生產線仿真與優化

摘 要：物流仿真技術是當前對電池模組生產線進行生產工藝規劃、瓶頸分析的常用手段。首先，基于Plant Simulation仿真工具，對某一品牌汽車電池模組生產線搭建物流系統仿真模型。其次，根據仿真結果對生產線的設備開通率、生產線的瓶頸及生產線的設備利用率和產線容量進行分析，對工藝設計提供理論依據。

關鍵詞：物流仿真 工藝規劃 瓶頸 開通率 容量分析

1 緒論

隨著全球化市場進程與復雜性的不斷提升，汽車企業及其生產人員均應提高自身技術素養以滿足多元化的市場需求。汽車產線由于受現場隨機因素影響較大，各個生產部門之間工藝要求不同而具有離散性。傳統方法是采用人工經驗對產線進行設計優化，在實際生產中再進行調度調試。由于透明度和調度準確性的缺乏，使得生產線的實際生產能力低下，因此削弱了產品和企業的競爭力。

目前，Plant Simulation已經在行業中得到了廣泛的應用，其能夠模擬傳統制造產品制造過程的仿真能力得到了業內客戶的認可，是各大制造企業在新工廠規劃或舊工廠改造過程中不可或缺的有力工具。另外，其離散事件仿真能力也擴展到交通、運輸和服務等行業，去完成商業配送、服務策略評估等領域的建模分析，以完成商業分銷和服務策略評估等領域的建模和分析。

本文基于Plant Simulation軟件工具創建某品牌汽車電芯噴涂生產線仿真模型，實現虛擬生產過程的可視化，對產品的輸入輸出等條件進行數據量化，重現生產線的運行邏輯，不僅能反映出產線的真正約束條件，而且有助于復雜工藝過程的理解，提高人力和設備資源的利用效率，從而識別出產線的性能瓶頸，以便進行優化改進，進一步提升產線產能，最終保證生產能力達到最終設計要求。

2 系統簡介

本系統為某公司電芯噴涂生產線，其中電芯通過上料工位拆包進入OCV測試工位，測試通過后電芯流轉到緩存區并流轉到激光處理工位，電芯表面毛化完成后進入電芯合裝工位進行合裝，再進入噴涂工位進行噴涂。此后，電芯和載體一起進入分離工位，載體通過回流線流轉到載體清洗工位，最終返回到電芯合裝工位。電芯向絕緣電壓測試工位流轉，測試成功后經過人工檢測并下線。

3 電芯噴涂生產線EDS輸入及設計流程

對某電芯噴涂生產線擬定設計流程，并進行仿真分析。圖1為電池模組產線EDS輸入及設計流程。

3.1 確定產能、生產模式及設備開動率目標

本系統產能目標為OPRgt;85%，其中OPR是指一種測量方法，用于確定可用產能占比。計算方法為計劃生產時間與所有損失時間相減后，再與計劃生產時間之比。損失時間又包括技術損失，簡稱技術開動率（TA）、物料交付影響、生產期間的計劃維護和計劃外維護及產品質量問題等。

生產模式為雙班生產（10.5H+10.5H），每年生產276天，整線設備開動率目標為TAgt;92%。

MTTR按照3min建模，其中MTTR是指每個停機事件的平均持續時間。它包含對這個安全區的響應時間、維修時間以及設備啟動的時間。

3.2 工藝輸入

首先，工藝需要輸入工藝平面圖，仿真系統根據此工藝平面圖進行布局。圖2為某電池模組生產線平面布局圖。其次，需要輸入詳細的工藝描述，尤其是電芯的輸送方式、輸送速度等信息。并提供每個工位的循環時間以及設備清單。清單中應包含影響設備開動率的每一個設備，以確保后續計算各區域技術開動率時的準確性。

3.3 控制策略與邏輯

仿真前應明確模組生產線的控制邏輯和控制策略，做好安全區的規劃。系統可劃分成不同的區域，各區域具有特定的輸出能力，并采用拉動原則，即若某個區域的一個進程停止，則整個區域停止。此方法有利于加強問題的解決，使問題變得更加直觀、明顯。圖3為電池模組生產線區域的規劃圖。

3.4 物流仿真分析

根據以上輸入數據，建立并運行仿真模型。觀察仿真結果是否滿足產能目標、設備開動率目標。若不滿足目標，則需分析模組產線運行過程中影響系統產能的原因，分析并找出產線瓶頸及其成因。

3.5 生產線優化

根據仿真結果給工藝提供合理性建議，在設備布局、工藝、輸送及安全區劃分等方面進行優化。當優化結果經仿真驗證達到目標，則可輸出最優仿真結果，從而達到提高產能、提高設備利用率目的。

4 電池模組生產線仿真建模

以某電池模組生產線為研究對象，進行仿真建模，主要建模參數：線體循環時間CT為1.59 s，輸送線速度為13.2 m/min，緩存區緩存數量為566個電芯，邊界條件是安全區的產品存儲數量需不小于為達到生產節拍而設定的最小零件數（SSIP）。該生產線共分成7個安全區，各安全區的設備開動率如表1所示。該產線是典型的離線事件仿真，利用Plant Simulation系統內部模型庫，建立仿真模型。圖4是電池模組生產線2D仿真視圖。

電芯由源（Source）按照設定參數生成，Cell用Mus模塊下的Entity來表示。機器人工位、OCV檢測、絕緣電壓測試、合裝工位等用處理模塊（Assembly）來表示。輸送線體用Line模塊表示，輸送線速度按照13.2 m/min進行仿真，輸送線長度按照工藝平面圖實際長度仿真。電芯在輸送線上為固定間距0.35 m。因為整個線體包含輸送線較多，可以把輸送線分區建模，分區情況見圖5電池模組生產生產線輸送線分區。緩存區最小Buffer數SSIT含義及計算方式如圖6所示。其中，TcT為目標周期時間，本項目為1.59S。Transport time值可根據Buffer線體長度和線體輸送速度來計算。本系統各區域線體速度、SSIT、Buffer數量、Capacity統計見表2。考慮工廠生產模式，創建系統時需要使用Shift Calendar模塊，如圖7所示。其功能是根據生產時間與非生產時間啟動和暫停物流對象生成，使仿真結果更接近真實環境。

5 電芯噴涂生產線仿真分析

由于輸送線電芯間距固定為0.35 m，需要投入WPC數量為332個。通過實驗分析出整線設備開通率為92.59%。考慮10分鐘計劃停線時間，最終仿真結果見圖8。每個PullZone使用情況見圖9。對于當前方案，技術可用性大于92%，可以達到92%的目標技術可用性。

6 結論

在實際生產中，影響coating線體的產能因素有很多，比如設備故障、工具損失、堵塞，報廢和返工等。本實驗使用Plant Simulation軟件，建模中考慮了影響線體產能的所有因素，將其數據化，通過分析仿真結果并結合現有資源和生產條件，確定工藝優化方向，驗證了所需WPC數量，確定工藝規劃滿足實際生產能力，減少了資源的投入。

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