基于eM-Plant的電力電纜生產(chǎn)線優(yōu)化仿真

張 倩，徐子奇

ZHANG Qian, XU Zi-qi

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)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(yè)是中國(guó)僅次于汽車行業(yè)的第二大行業(yè)，產(chǎn)品品種滿足率和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率均超過90%。在世界范圍內(nèi)，中國(guó)電線電纜總產(chǎn)值已超過美國(guó)，成為世界上第一大電纜生產(chǎn)國(guó)。同時(shí)，電纜的分類繁多，其生產(chǎn)線常常進(jìn)行多種產(chǎn)品的生產(chǎn)。對(duì)各種產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)度，往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論支持。

針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法的不足以及電力電纜對(duì)生產(chǎn)線的要求，將仿真技術(shù)引入到生產(chǎn)線的優(yōu)化中去成了未來生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)。根據(jù)這一趨勢(shì)，重點(diǎn)研究基于eM-Plant仿真的電力電纜生產(chǎn)線的優(yōu)化仿真。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)流程分析

在電纜生產(chǎn)線流程中，生產(chǎn)兩種型號(hào)的電纜，分別為A型號(hào)與B型號(hào)：

1）A型所需經(jīng)過的制程有：

伸線→預(yù)燃→被覆塑膠→繞卷→被覆押出→產(chǎn)品離開。

2）B型所需經(jīng)過的制程有：

伸線→預(yù)燃→分割導(dǎo)體集合→三層押出→繞卷→被覆押出→產(chǎn)品離開。

兩種電纜在進(jìn)行繞卷作業(yè)時(shí)，因?yàn)楫a(chǎn)品的差異，作業(yè)的處理時(shí)間會(huì)有所不同，而在經(jīng)過被覆押出作業(yè)之后，會(huì)出現(xiàn)作業(yè)不良的現(xiàn)象，通過檢驗(yàn)的機(jī)率，依過去經(jīng)驗(yàn)為95%。當(dāng)檢驗(yàn)為外被作業(yè)失敗時(shí)，則需重新進(jìn)行繞卷作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)假設(shè)

1）A型號(hào)電纜與B型號(hào)電纜的來到比率為2:1。

2）該工廠作業(yè)時(shí)間為每天24小時(shí)，三班制，每月以30天計(jì)算之。

3）每種類的機(jī)臺(tái)前均設(shè)有產(chǎn)品暫存區(qū)。

4）產(chǎn)品指派至機(jī)臺(tái)的派工法則為FIFO（First In First Out）。

5）電纜來到時(shí)間間隔服從指數(shù)（35分鐘）分配。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)

2.1.1 系統(tǒng)決策參數(shù)

系統(tǒng)決策參數(shù)采用投料頻率或投料間隔時(shí)間。

2.1.2 系統(tǒng)績(jī)效評(píng)估參數(shù)

1）兩種型號(hào)電纜的個(gè)體生產(chǎn)周期及總平均生產(chǎn)周期。

2）A型號(hào)電纜與B型號(hào)電纜的月產(chǎn)量。

3）各工作站的平均使用率。

圖1 電力電纜生產(chǎn)線仿真模型圖

4）被覆押出站前暫存區(qū)的平均長(zhǎng)度。

5）系統(tǒng)內(nèi)的平均在制品數(shù)量。

2.2 建立仿真模型

在eM-Plant界面中，建立兩個(gè)實(shí)體，并且取名為“A”、“B”，代表兩種不同類型的電纜。對(duì)電力電纜生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬，如圖1所示。

其中，Singleproc至Singleproc10分別表示伸線、預(yù)燃、被覆塑膠、分割導(dǎo)體集合、三層押出、繞卷、被覆押出、檢驗(yàn)、產(chǎn)品合格、A產(chǎn)品重工、B產(chǎn)品重工工序。Buffer至Buffer7表示各工序所對(duì)應(yīng)的暫存區(qū)；Buffer8表示A產(chǎn)品重工暫存區(qū)；Buffer9表示B產(chǎn)品重工暫存區(qū)。

2.3 系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)

建立6張統(tǒng)計(jì)表，用來分析各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。各表的功能如下：

TableFile1用來存放各產(chǎn)品每次的加工時(shí)間；TableFile2分別記錄不同時(shí)刻在系統(tǒng)中在制品數(shù)量；TableFile3用于記錄被覆押出工序前的等待長(zhǎng)度；TableFile4用于記錄兩種產(chǎn)品的平均生產(chǎn)周期以及月產(chǎn)能；TableFile5用于記錄各臺(tái)機(jī)器的使用率；TableFile6用于記錄被覆押出區(qū)的平均等候長(zhǎng)度及系統(tǒng)內(nèi)的平均數(shù)量。

2.4 結(jié)果分析

重復(fù)運(yùn)行十次仿真系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

通過圖1，可以明顯看出，被覆押出工序出現(xiàn)了產(chǎn)品堆積，為瓶頸工序。需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，解決此問題。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

從兩個(gè)方面入手，使用“減少原料進(jìn)入”和“增加瓶頸機(jī)臺(tái)數(shù)量”兩種方法對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，改善瓶頸工序狀況。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，設(shè)生產(chǎn)一件A產(chǎn)品的利潤(rùn)為20元，生產(chǎn)一件B產(chǎn)品的利潤(rùn)為23元。

3.1 減少原料進(jìn)入來優(yōu)化

被覆押出工序?yàn)槠款i工序，為了使該電力電纜生產(chǎn)線流程被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)減少，通過改變線材來到的時(shí)間間隔，來減少被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

原系統(tǒng)原料到達(dá)時(shí)間服從指數(shù)（35分鐘）分布分配，將原料投入時(shí)間間隔分別改為λ（40）、λ（45）、λ（50）、λ（55） ，得到A、B產(chǎn)品月產(chǎn)能，被覆押出區(qū)的平均等候長(zhǎng)度，平均在制品數(shù)量，利潤(rùn)的統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

表1 仿真輸出結(jié)果表

表2 優(yōu)化方案一的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過減少原料進(jìn)入來進(jìn)行優(yōu)化，可以看到被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)明顯減少。雖然各工序設(shè)備使用率均有不同程度的下降，但總利潤(rùn)影響不大。減少原料的進(jìn)入，即原料到達(dá)時(shí)間服從λ（40）分布時(shí)，利潤(rùn)最大。

3.2 增加瓶頸機(jī)臺(tái)數(shù)量來優(yōu)化

由于被覆押出工序?yàn)槠款i工序，增加瓶頸機(jī)臺(tái)數(shù)量以緩解堵塞，改進(jìn)后仿真模型如圖2所示。

運(yùn)行仿真模型，通過增加瓶頸機(jī)臺(tái)數(shù)量，堵塞得到了明顯緩解。A、B產(chǎn)品的平均生產(chǎn)周期均明顯下降，A、B產(chǎn)品的月產(chǎn)能明顯上升，被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)、平均在制品數(shù)量明顯減少。經(jīng)過計(jì)算，月利潤(rùn)增加為26248元，增長(zhǎng)了10596元，增長(zhǎng)率為67.7%。

此外，所有設(shè)備的使用率都有不同程度的降低，這時(shí)則需要通過增加原料的投入來控制改變?cè)O(shè)備使用率，以達(dá)到仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化。

原系統(tǒng)原料到達(dá)時(shí)間服從指數(shù)（35分鐘）分布分配，增加原料投入，將原料投入時(shí)間間隔分別改為λ（30）、λ（25）、λ（20）、λ（15）。得到A、B產(chǎn)品月產(chǎn)能，被覆押出區(qū)的平均等候長(zhǎng)度，平均在制品數(shù)量，利潤(rùn)的統(tǒng)計(jì)表，如表3所示：

通過增加原料投入來進(jìn)行優(yōu)化，可以看到A、B產(chǎn)品月產(chǎn)能、被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)、平均在制品數(shù)量均逐漸變大，各工序設(shè)備使用率均有不同程度的上升。特別是在原料到達(dá)時(shí)間服從λ（30）分布時(shí)，被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)、平均在制品數(shù)量增加數(shù)量不多的同時(shí)，月利潤(rùn)明顯變大。此時(shí)的月利潤(rùn)相較于改變分布前，增長(zhǎng)了4350元，增長(zhǎng)率為16.6%；相較于原方案，增長(zhǎng)了14946元，增長(zhǎng)率為95.5%。當(dāng)原料投入繼續(xù)增加時(shí)，各工序設(shè)備使用率均有不同程度的上升，但月利潤(rùn)影響不大，同時(shí)被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)、平均在制品數(shù)量明顯變大。

圖2 改進(jìn)后電力電纜生產(chǎn)線仿真模型圖

表3 優(yōu)化方案二的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

綜合考慮各系統(tǒng)參數(shù)，應(yīng)選取原料到達(dá)時(shí)間服從λ（30）分布。此時(shí)，被覆押出暫存區(qū)等待隊(duì)長(zhǎng)、平均在制品數(shù)量可接受的情況下，設(shè)備使用率較高，月利潤(rùn)較大。

4 結(jié)論

以電力電纜生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，運(yùn)用eMPlant，通過仿真建模對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。原生產(chǎn)線存在瓶頸“被覆押出”工序，使用“減少原料進(jìn)入”和“增加瓶頸機(jī)臺(tái)數(shù)量”兩種方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真。故增加1臺(tái)瓶頸機(jī)，選取原料到達(dá)時(shí)間服從λ（30）分布時(shí)，生產(chǎn)線月利潤(rùn)最大。

建立仿真模型，依據(jù)市場(chǎng)需求，可以實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，預(yù)測(cè)企業(yè)利潤(rùn)。從而，為生產(chǎn)線的調(diào)整提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的及時(shí)響應(yīng)及利潤(rùn)最大化。

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