基于DELMIA的铅蓄电池生产物流仿真技术研究.pdf

2024 No.2 Vol.6176Chinese LABAT Man蓄 电 池基于 DELMIA 的铅蓄电池生产物流仿真技术研究张保国1*，李高高1，于胜斌1，鱼澎1，张成波2（1.中国启源工程设计研究院有限公司，陕西 西安 710018；2.西安安托电脑网络系统集成有限公司，陕西 西安 710000）摘要：针对铅蓄电池产品离散型生产的工序间产能匹配、工艺物流等问题，基于 DELMIA 三维仿真技术进行物流仿真研究。通过铅蓄电池全产线设备三维建模、物流仿真，对工艺规划设计方案、各工序的生产节拍、设备利用率等进行仿真分析，验证铅蓄电池精益生产工艺流程再造的合理性，达到优化工序间的物流，平衡设备配置和提升设备使用效率，减少人员配置的目标。关键词：铅蓄电池；产能匹配；生产物流；工艺流程再造；设备利用率；DELMIA中图分类号：TM 912.1文献标识码：B文章编号：1006-0847(2024)02-76-05Research on simulation technology of lead battery production logistics based on DELMIAZHANG Baoguo1*,LI Gaogao,YU Shengbing1,YU Peng1,ZHANG Chengbo2(1.China Qiyuan Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710018;2.Xian Anto Computer Network System Integration Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710000,China)Abstract:The study focuses on the capacity matching between production processes and the logistical issues in the discrete production of lead-acid battery products.Utilizing DELMIAs three-dimensional simulation technology,the research conducts logistical simulations,including three-dimensional modeling of the entire production line equipment for lead-acid batteries and simulation analysis of process planning and design,production cycle times for each process,and equipment utilization rates.The aim is to validate the rationality of lean production process reengineering for lead-acid batteries and to achieve the optimization of inter-process logistics,balanced equipment configuration,improved equipment utilization efficiency,and reduced personnel allocation.Keywords:lead battery;production capacity matching;production logistics;process reengineering;equipment utilization rate;DELMIA0 引言铅蓄电池具有技术成熟、性能稳定、使用寿命长及循环性能好等优点，目前在起动电池、动力电池、UPS 电池市场仍然有着巨大的保有量，并且衍生出了铅炭电池、水平电池、卷绕电池等新型电池1。通过对铅蓄电池精益生产工艺流程进行三维物流仿真，探寻工艺生产的瓶颈工序，验证工艺规划布局的科学性，可以实现产能和生产效率最大化2。收稿日期：2024-01-18*通信作者2024 No.2 V试验研究实验研究国家智能制造标准体系建设指南在智能工厂的设计标准中对于仿真分析进行了详细阐述。并且，智能工厂通用技术要求（GB/T 412552022）关于物流系统优化，也对车间物流系统仿真提出了明确要求。铅蓄电池生产属于离散型生产模式。主要生产工序为板栅制造、铅粉加工、和膏涂板、干燥固化、电池组装、化成、后处理等3。各生产工序均可实现机器人、自动转运等自动化生产单元。根据铅蓄电池离散型生产和独立自动化单元的特点，利用 DELMIA 软件进行物流仿真4，可以量化评估工艺布局规划的合理性，提前发现产线规划的物流瓶颈等问题，并给予优化建议。物流仿真采用自动化物流系统方案解决多设备协同调度、多目标优化等复杂系统规划问题，并验证智能化设备调度策略的可靠性和工艺布局规划的合理性5，以此降低仓储和物流成本，提高生产效率，为管理者提供科学的生产管理决策依据。工厂级的物流系统是一个大型、复杂、交错的动态系统，且投资巨大6，因此在规划设计阶段进行三维建模和虚拟仿真可为产线规划方案提供量化的数据支撑。1 项目概述本项目基于智能制造发展理念，引入国内先进的工艺生产设备和物流仓储设备，结合生产工艺流程再造和数字化制造技术，规划布局铅蓄电池绿色智能制造产线。蓄电池产线主要包括铅带制造、铅带冲网、铅粉加工、和膏涂板、干燥固化、电池组装、电池化成和电池后处理。根据生产工艺特点和仓储需求，设置铅块存放、铅带时效等专用存放区。根据生产节拍式要求，实现准时化物料配送，提高生产过程中的物流转运效率。2 设备模型建立根据生产工艺仿真目标要求，使用 Solid Works、CATIA 等三维设计软件对各工艺设备进行三维建模。铸铅带机三维模型如图 1 所示。电池检测工序三维模型如图 2 所示。3 厂房物流模型搭建以工艺方案中规划的工艺设备参数、数量、定位为基础，通过 DELMIA 软件的 Plant Layout Design 模块搭建仿真环境，完成三维工艺布置图（参见图 3）。在 Plant Layout Design 模块中根据工艺生产设备、物流设备、存储设备等分类定义所有资源属性，其中工艺生产设备定义为 NC 机械，立体库及平库等定义为存储器（参见图 4）。4 仿真分析4.1 物流仿真参数设定本项目的设计产能为年产 4106 kVAh 汽车起动铅蓄电池，年生产时间为 300 d，即每天产能约 1.33104 kVAh。结合生产纲领中产能最大产品，本次仿真以 60 Ah 容量电池为仿真对象。根据各生产区内部物流及生产区之间的物流关系，搭建整个车间的生产物流逻辑关系模型（参见图 5），并且设置每台设备的输入材料质量、加工时间、输出半成品数量等信息。考虑每天刚上班时装配线需要进行调试等操作，设定前 20 台铅蓄电池装配时间增加 50%，设置代码如图 6 所示。结合企业实图 1 铸铅带机三维模型图 2 电池后处理工序三维模型2024 No.2 Vol.6178Chinese LABAT Man蓄 电 池际生产情况，设置各工序生产班次。其中，铅带制造、铅带冲网、铅粉加工、铅板干燥、电池化成工序均为三班生产，而和膏涂板、电池组装和电池后处理为两班生产。每班工作 8 h，且中午和下午休息时间均设置为 1 h（参见图 7）。4.2 物流仿真分析在物流仿真分析前，通过工厂流状态检查车间物流逻辑关系的定义是否存在错误（参见图 8）。在仿真过程中，合理设计仿真时长，可以有效观察各设备运行状态及产能状态（参见图 9），分析物流设计中可能存在的问题。通过物流系统的不断迭代，分析设计过程中是否存在的物流逻辑关系、属性定义、时长定义等错误及遗漏问题。通过不断优化，得到最优的布局、物流方案。5 仿真数据及结果结合生产特点、生产周期，设计仿真时长为 2 d，预热时间为 12 d，仿真总时长为 14 d（336 h）。部分设备仿真结果如图 10 所示。仿真结果显示 14 d图 4 工艺设备资源定义图 5 生产物流逻辑关系模型图 3 三维工艺布置图2024 No.2 V试验研究实验研究（含预热）共生产 27.26103 kVAh 铅蓄电池。去掉 12 d 预热时间，平均每天产能约为 13.63103 kVAh，图 6 设备加工时间编辑图 7 工艺设备班次工作时间定义图 8 工厂流状态检查图 9 仿真过程中设备运行状态检查满足每天 1.33104 kVAh 的产能设计要求。对主要设备仿真结果按照公式iniitnAA241=计算平均设备利用率。式中：A-为平均设备利用率；Ai 为某种型号第 i 台设备利用率；n 为某种型号设备数量；ti 为第 i 台设备每天工作时间。根据计算结果分析如下：（1）根据铅带制造产线仿真结果（如表 1 所示）得出，铸铅带机与铅带冲网机平均设备利用率均为 69.79%，满足生产要求。（2）根据铅粉加工过程仿真结果（如表 2 所示）得出，切片造粒机的平均设备利用率为 51.79%，铅粉机的平均设备利用率为 69.05%，铅粉储存斗的平2024 No.2 Vol.6180Chinese LABAT Man蓄 电 池均设备利用率为 49.48%。对于铅粉储存斗平均设备利用率较低，根据仿真数据分析原因。共有 12 台铅粉储存斗，其中有 5 台处于闲置状态，其余 7 台的平均利用率为 84.82%，即 7 台铅粉储存斗即可满足生产需求，那么剩余 5 台可用于倒粉。（3）由于涂板设备生产为两班制，通过设置班次计划实现两班制生产仿真。正极板涂板设备利用率为 73.38%，负极板涂板设备利用率为 85.52%，均满足生产需求。（4）由于极板的固化周期为 48 h，而且设备占用率比较高，通过延长仿真周期可有效分析设备利用率。由仿真结果得出，设备利用率为 88.62%（此结果表明利用率过高）。这说明，极板固化为该项目瓶颈工位，但是设备仍然能满足产能设计。（5）电池组装、电池化成及电池后处理工段采取辊道输送方式实现自动转运及在线生产模式，因此设置辊道运输线的实际运输速度及运输能力，表 1 铅带制造产线仿真结果汇总表 2 铅粉加工仿真结果汇总(下转至第 96 页)设备名称产品/t状态时间/h平均处理时间/h使用率/%输入已生产已消耗输出在处理待输入待输出铸铅带机 11447214472360.01111.9890.575.001铅带冲网机 1 7272 7272360.01111.9890.575.001铸铅带机 21246212462310.00916.9900.564.584铅带冲网机 2 6262 6262310.00916.9900.564.584铸铅带机 3 7638 7638 19.5 028.5000.540.625铅带冲网机 3 3838 3838 19.5 028.5000.540.625设备名称产品/t状态时间/h平均处理时间/h使用率/%输入已生产已消耗输出在处理待输入待输出切片造粒机 1 102 102 102 10217 010.99919.82435.417切片造粒机 27272727212 015.999 1.00025.000铅粉生产系统 1272727273612 0 4.00075.000铅粉生产系统 2272727273612 0 4.00075.000铅粉生产系统 3242424243216 0 4.00066.667铅粉生产系统 4242424243216 0 4.00066.667铅粉生产系统 5242424243216 0 4.00066.667铅粉生产系统 6242424243216 0 4.00066.667铅粉生产系统 7242424243216 0 4.00066.667铅粉储存斗 1 0 0 0 0 048 0 0 0铅粉储存斗 2404040403216 072.00066.667铅粉储存斗 3 0 0 0 048 0 0 0 100.000铅粉储存斗 4404040403810 072.00079.167铅粉储存斗 5404040403414 072.00070.833铅粉储存斗 6 0 0 0 0 048 0 0 0铅粉储存斗 7 0 0 0 0 048 0 0 0铅粉储存斗 819 0 0 044 4 0 091.667铅粉储存斗 9 0 0 0 048 0 0 0 100.000铅粉储存斗 1010 0 0 0 048 0 0 0铅粉储存斗 112540404041 7 072.00085.417铅粉储存斗 12 0 0 0 0 048 0 0 0Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.6196量、放电电流和循环耐久能力等关键性能的判断选型后，也应同样重视装机使用条件，充分考虑振动环境，并采取必要的防松措施，加强考核标准件和端接面的平整度、导电性能，强化维护工作中对于清洁度和力矩指标的要求，避免类似故障的发生。参考文献:1 邓泽平,李倩,王轶欧.军用航空应急起动电源设计与实现J.电源技术,2020,44(1):129131.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.01.036.2 冯帅,任仁良.航空镉镍蓄电池持续适航性能检测研究J.电源技术,2020,44(7):10051008.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.07.021.3 谢家雨,李卫青,胡焱.基于 GA+SVM 的航空铅酸蓄电池健康评估J.电源技术,2016,40(1):103104.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2016.01.031.4 赵天瑞.基于微服务架构的铅酸蓄电池在线监测系统的设计及实现D.华北电力大学(北京),2020.DOI:10.27140/ki.ghbbu.2020.0015595 刘梦菁.锂离子电池用钛酸锂及其与纳米硅复合的负极材料研究D.上海交通大学,2019.DOI:10.27307/ki.gsjtu.2019.0023396 叶俊辉.铅酸电池正极纳米二氧化铅/碳复合材料的制备及性能研究D.华侨大学,2019.7 王琛,冷书林,任杰伟,等.萤火一号火星探测器锂离子蓄电池技术J.上海航天,2013,30(4):108110.DOI:10.3969/j.issn.1006-1630.2013.04.022.8 李勋章,张涛,范红军.军用航空蓄电池充放电监测系统的设计J.自动化与仪表,2020,35(8):6265.DOI:10.19557/ki.1001-9944.2020.08.013.9 范红军,张涛.航空镉镍蓄电池常见故障分析及应对J.电池工业,2020,24(2):7174.DOI:10.3969/j.issn.1008-7923.2020.02.004.10 丁汉林,郭明登,毛文喜,等.高压直流输电用饱和电抗器及接头发热问题研究J.变压器,2020,57(11):2732.11 王崴,徐浩,马跃,等.振动工况下螺栓连接自松弛机理研究J.振动与冲击,2014(22):198202.DOI:10.13465/ki.jvs.2014.22.036.12 窦智,崔一鸣,张建军,等.表面处理对螺栓连接防松性能影响J.机电产品开发与创新,2019,32(5):4446.DOI:10.3969/j.issn.1002-6673.2019.05.016.实现对产线的模拟仿真。其中，电池组装和电池后处理工序均为两班制，而化成工序为三班制。由仿真结果得出，电池组装工序的平均设备利用率为 79.92%，化成工序的平均设备利用率为 87.55%，电池后处理工序的平均设备利用率为 75.79%，均满足生产需求。6 结束语采用达索公司 Delmia 软件物流仿真功能模块，结合铅蓄电池生产各工序要求及基础数据，实现车间整体物流仿真。仿真结果满足目标要求，达到了仿真所需数据的导出及仿真结果对于产线方案规划的量化数据支撑。该物流仿真应用适用于铅蓄电池行业的工艺布局方案设计，达到了提前验证设计文件并进行工艺优化的效果。参考文献：1 栾云东,张代乐,杨喜龙.铅酸电池的未来铅炭电池储能技术J.蓄电池，2023,60(2):51542 马茂源,李风刚,王林军.基于 Plant Simulation 的厂区物流仿真优化J.成组技术与生产现代化,2021,38(2):3841.3 赵宁.物流仿真的价值点与痛点分析J.物流技术与应用,2022,27(4):136139.4 孙嘉懿,刘思思,孙成刚.基于价值流及仿真的铅酸蓄电池再制造系统改善J.价值工程,2020,39(16):234236.5 吴庆祺,李文杰,蔡昌伟,等.应用于离散系统的智能起重设备物流仿真技术J.起重运输机械,2019(21):4551.6 杜春雨,姜海龙.铅蓄电池充放电建模与仿真J.科技见,2023(12):5658.(上接第 80 页)