基于eM-Plant的电力电缆生产线优化仿真.pdf

I 甸 似 I 1 | 2 墨 - - l I 力 工与制埴 I 基于e M P l a n t 的电力电缆生产线优化仿真 OpUm i z at i on an d si m ul at i on f or po w er cabl e pr o du ct i on I i ne bas ed on t he eM Pl an t 张倩，徐子奇 ZHANG QJ a n XU Zi q i ( 上海海事大学 物流工程学院，上海 2 0 1 3 0 6 ) 摘要：针对电力电缆生产线上各产品平均生产周期、月产能等问题进行研究，作为现场管理的参考。 首先，建立与实际情况相对应的模型。然后，运用e M P l a n t 软件建立仿真模型，并对仿真模 型进行校核和验证。最后，分析仿真结果，提出优化方案，并继续仿真 ， 使月利润最大，以 优化电力电缆生产线流程。 关键词：电力电缆；仿真；优化 中图分类号：T P 3 1 9 ；T -0 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 9 -0 1 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 7 ( 下) 一0 0 4 3 -0 4 D o i ：1 0 3 9 6 J i s s n 1 0 0 9 一 O 1 3 4 2 0 1 4 0 7 ( 下) 1 2 0 引言 电力电缆 是用于 传输 和分配 电能的电缆 。电 缆行业是 中国仅次于汽车行业的第二大行业，产 品品种满 足率和国内市 场 占有率均超过9 0 。在 世界范围内，中国电线电缆总产值已超过美国，成 为世界上第一大电缆生产国。同时，电缆的分类繁 多，其生产线常常进行多种产品的生产。对各种产 品的生产调度，往往依据经验，缺乏理论支持。 针对传统生产线设计方法的不足 以及电力电 缆对生产线的要求 ，将仿真技术引入到生产线的 优化中去成了未来 生产线设计 的一种趋势 。根据 这一趋势 ，重点研 究基于e M P l a n t 仿真的电力电缆 生产线的优化仿真 。 1 系统分析 1 1系统流程分析 在 电缆 生 产 线流 程 中 ，生产 两 种型 号 的 电 缆 ，分别为A型号与B 型号： 1 )A 型所需经过 的制程有： 伸线 一预燃 一被 覆塑胶一绕卷 一被覆押出一 产品离开。 2 )B 型所需经过的制程有 ： 伸线 一预燃 一分割 导体 集合 一三 层押出一绕 卷一被覆押出一产品离开 。 两 种电缆在进行绕卷作业时 ，因为产 品的差 异 ，作 业的处理 时间会 有所 不同，而 在经过被 覆 押出作业之 后，会 出现作业不 良的现 象，通过检 验的机率 ，依过去经验为9 5 。当检验为外被作业 失败时，则需重新进行绕卷作业。 1 2 系统假设 1 )A型号电缆与B 型号电缆的来到比率为2 ： 1 。 2 )该工厂作业时间为每天2 4 4 , 时，三班制， 每月以3 0 天计算之。 3 )每种类的机台前均设有产品暂存区。 4 )产品指派至机 台的派工法则为F I F O ( F i r s t I nF i r s t Ou t ) 。 5 )电缆来到时间间隔服从指数 ( 3 5 分钟)分配。 2 系统仿真 2 1系统输入数据 2 1 1系统决策参数 系统 决 策参 数 采 用投 料频 率 或 投料 间隔时 间 。 2 1 2 系统绩效评估参数 1 )两种型号电缆的个体生产周期及总平均生 产周期。 2 )A型号电缆与B 型号电缆的月产量。 3 )各工作站的平均使用率。 救稿日期：2 0 1 4 -0 3 - 0 5 作者简介：张倩 ( 1 9 8 8一)，女，河北保定人，硕士研究生，研究方向为数学建模和生产线仿真等。 第3 6 卷第7 期2 0 1 4 0 7 ( 下) 【 4 3 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 化 ： ： 。 豳 + 口 ： ： ： ： 。 口 U 图1 电力电缆生产线仿真模型图 4 )被覆押 出站前暂存区的平均长度 。 5 )系统内的平均在制品数量。 2 2建立仿真模型 在e M P l a n t 界面中，建立两个实体，并且取名 为 “ A”、 “ B”，代表两种不 同类型的电缆 。对 电力电缆生产线进行仿真模拟，如图1 N： 示。 其 中，S i n g l e p r o c 至S i n g l e p r o c 1 0 分别表示伸 线 、预燃 、被 覆 塑胶 、分 割 导体 集合 、三 层 押 出、绕卷 、被覆押出、检验 、产品合格 、A产品重 工、B 产品重 工工序。B u f f e r 至B u f f e r 7 表示各工序 所对应的暂存区；B u f f e r 8 表示A产品重工暂存区； B u f f e r 9 表示B产品重工暂存区。 2 3 系统输出数据 建立6 张统计表，用来分析 各个 系统参数 。各 表的功能如下 ： T a b l e F i l e l 用来存放各产品每次的加工时 间； Ta b l e F i l e 2 分别记录 不同时刻在 系统 中在制 品数 量 ；Ta b l e F i l e 3 用于记录被覆押 出工序前 的等待长 度；T a b l e F i l e 4 用于记录两种产品的平均生 产周期 以及月产能 ；T a b l e F i l e 5 用于记录各台机器的使用 率；T a b l e F i l e 6 用于记录被覆押出区的平均等候长 度及系统内的平均数量。 2 4 结果分析 重复运行十次仿真系统，运行结果如表1 所示。 通过 图1 ，可以明显看出，被覆押 出工序出现 了产品堆积 ，为瓶颈工序 。需要对生产线进行优 化，解决此问题 。 3 系统优化 从两个方 面入 手，使 用 “ 减少原料进入 ”和 “ 增加瓶颈机 台数量 ”两种方法对仿真 系统进 行 优化 ，改善瓶颈工序状况 。根据市场调研 ，设 生 产一件A产 品的利润为2 0 元，生产一件B产品的利 润为2 3 元。 3 1减少原料进入来优化 被覆押 出工 序为瓶颈工序 ，为 了使该 电力电 缆生产线流程被覆押 出暂存区 等待 队长减 少，通 过 改变线材来到 的时 间间隔 ，来减 少被 覆押出暂 存区等待队长，从而实现系统的优化 。 原 系统原 料到 达 时 间服 从 指数 ( 3 5 分 钟 ) 分 布 分 配 ，将 原 料 投 入 时 间 间 隔 分 别 改 为 表1 仿真输出结果表 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 输出数据 A产品均 生产周期S 4 4 3 0 8 9 4 2 3 8 7 1 4 1 9 5 3 8 4 2 1 4 1 9 4 4 0 7 8 9 4 3 0 4 O 0 4 3 6 3 6 7 4 2 2 4 5 4 4 1 3 0 7 4 4 4 0 8 4 6 B 产品均生产周期s 4 3 5 4 8 6 4 2 O 9 6 6 4 1 9 5 7 6 3 8 9 6 9 4 4 4 3 6 7 5 4 1 5 1 3 5 4 1 6 7 8 8 4 1 3 9 3 5 443 3 9 9 4 1 3 2 5 8 A产 品月产能 5 0 1 5 0 1 5 0 2 4 9 9 5 1 l 5 0 8 5 2 5 4 9 5 5 1 7 5 2 3 B 产 品月产能 2 5 6 2 5 5 2 5 4 2 5 8 2 4 5 2 4 8 2 3 1 2 6 0 2 3 9 2 3 3 【 4 4 】 第3 6 卷第7 期2 0 1 4 - 0 7 ( 下) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务 訇 化 表2 优化方案一的输出数据统计表 ( 3 5 ) 九( 4 0 ) ( 4 5 ) ( 5 0 ) ( 5 5 ) 输出 数 据 A产品月产能 5 0 1 4 8 9 4 8 4 4 8 5 4 9 0 B 产 品月产能 2 5 6 2 6 8 2 7 1 2 6 9 2 6 5 被覆押出区的平均等候长度 2 5 8 l 8 l 1 1 9 6 9 2 9 平 均在 制品数 量 2 6 2 1 8 6 1 2 3 7 3 3 2 月利润 ( 元 ) 1 5 6 5 2 1 5 6 7 6 1 5 6 4 2 1 5 6 1 8 1 5 6 3 0 ( 4 0 )、 入 ( 4 5 )、 ( 5 0 ) 、 入 ( 5 5 ) ，得 到 A、B产品月产能，被覆押出区的平均 等候长度， 平均在制品数量，利润的统计表 ，如表2 所示 。 通过减少原料进入来进行优化 ，可 以看到被 覆押出暂存区等待队长明显减少。虽然各工序设 备使 用 率均 有不 同程 度 的下降 ，但 总 利润 影 响 不大 。减少原料的进入，即原料到达时 间服从 ( 4 0 )分布时 ，利润最大。 3 2 增加瓶颈机台数量来优化 由于被覆押 出工序为瓶颈工序 ，增加瓶颈机 台数量以缓解堵塞 ，改进后仿真模型如图2 所示。 运行仿真模型 ，通过增加瓶颈机 台数量 ，堵 塞得到 了明显缓解 。A、B产品的平均生产周期均 明显下降 ，A、B产品的月产能明显上升 ，被覆押 出暂存区等待 队长 、平均在制 品数量 明显减少 。 经过计算 ，月利润增加为2 6 2 4 8 元，增长 了1 0 5 9 6 元，增长率为6 7 7 。 此外 ，所有设备 的使用率都有不 同程度 的降 低，这时则需要通过增加原料的投入来控制改变设 备使用率，以达到仿真动态系统的进一步优化。 原 系统原料到达时间服从指数 ( 3 5 分钟 )分 布 分配 ，增加 原料 投 入 ，将原 料 投入 时 间间 隔 分 另 U 改为 ( 3 0 )、 入 ( 2 5)、 入 ( 2 0 ) 、 入 ( 1 5 )。得到A、B 产 品月产能 ，被覆押 出区的平 均等候长度 ，平均在制 品数 量，利润 的统计表 ， 如表3 所示： 通过 增 加 原料 投 入来 进 行优 化 ，可 以看 到 A、B产品月产能 、被覆押出暂存区等待 队长、平 均在制品数 量均逐渐变 大，各工序设 备使 用率均 有不同程 度的上升 。特 别是在原料到达 时间服从 入 ( 3 0 )分布时 ，被覆押出暂存 区等待队长 、平 均在制 品数 量增加数量 不多的同时 ，月利润 明显 变大。此时的月利润相较于 改变分布前 ，增长 了 4 3 5 0 元 ，增长率为 1 6 6 ；相较 于原方案 ，增长 了1 4 9 4 6 元 ，增长率为9 5 5 。当原料投入继续增 加 时，各工序设备使用率均有不 同程 度的上升 ， 但 月利润影 响不大 ，同时被覆押 出暂存 区等待 队 长 、平均在制品数量明显变大。 、 f j n 口 n I产品重工 A 产品i 、 、 K C f 5 5 in g le P mo 5 B u f f e r 6 5 in g le p r o B u ff e r 7 n g le P r I B 卷臻 苍 被 疆 押 出顿 疆 押 出 1 检 验 检 验 、： ： ： ： ： ： 、 、 _7 。 Bu l0 j 口 P 1l 被覆押出1被覆押出 广1 5 i r l e P r o c 4 8 t C F e r 9 三层押出B 产品重工 图2 改进后电力电缆生产线仿真模型图 5 m P r o c l 0 B 产品重工 【 下转第5 O 页】 第3 6 卷第7 期9 0 1 4 - 0 7 ( 下) K 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 率 。以P CA工艺设计为例 ，验证 了该方法 的可 行 性和有效性 。 参考文献： 1 】张厚道， 田林， 张振明， 等 基于知识的 电子装配C AP P 技术 研 究【 J 】 机床 与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 6 4 6 6 2 】刘 小龙， 田林 ， 等 基于 知识的 电子 装配工艺 规划 系统研 究 J 机床与液压， 2 0 1 l ， 3 9 ( 7 ) ： 4 1 4 4 【 3 】DEVEDZI C V A s ur v e y of mo de r n k nowl e d ge mo d e l i n g t e c h n i q u e s 【 J 】 Ex p e r t S Y S t e ms wi t h A p p l i c a t i o n ， 1 9 9 9 ， 1 7 ( 4 ) ： 2 7 5 2 9 4 4 1张虹， 周来水 飞机复合材料构件工装设计知识库研究与 实现 J 中国制造业信息化， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 5 ) ： 1 6 1 9 5 】王强， 薛善良， 高长伟， 等 基于本体的船舶传动装置设计 知识建模研究【 J 中国制造业信息化， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 6 ) ： 1 8 2 1 6 】潘旭伟， 顾新建， 仇元福 面向知识管理的知识建模技术 J 计算机集成制造系统， 2 0 0 3 ( 7 ) ： 5 1 7 5 2 1 【 7 】林慧萍， 范玉顺， 黄琛 产 品设计 中基于元模型 的知 识管理 J 1 _ 计算机集成制造系统， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 6 6 3 6 6 7 8 】Tho ma s Fa s t h Kn o wl e d g e Ba s e d Eng i n e e r i ng f o r S ME S M L u l e a T e c k n i s k a U n i v e r s i t y ， 2 0 0 0 盘 矗 童 量 矗 矗 盘 矗 j岛 盘 盘 国 童 生 蠡I 蠢I 童 蠡 【 上接第4 5 页】 表3 优化方案二的输出数据统计表 ( 3 5 ) ( 3 0 ) ( 2 5 ) 入 ( 2 0 ) 入 ( 1 5 ) 输出 数据 A产 品月产能 8 2 4 9 7 0 9 8 1 9 6 4 9 6 9 B 产 品月产能 4 4 4 5 0 9 5 3 1 5 4 6 5 4 2 被覆押出区平均等候长度 0 8 1 4 0 2 6 4 2 6 7 平均在制 品数量 6 1 7 1 5 4 3 7 8 7 4 9 月利润 ( 元 ) 2 6 2 4 8 3 0 5 9 8 3 1 3 0 2 3 1 2 9 2 3 l 3 0 4 综合考虑各 系统参数 ，应选取原料 到达 时间 服从 入 ( 3 0 )分布 。此时 ，被覆押 出暂存区等待 队长、平均在制品数量可接受的情况下，设 备使 用率较高 ，月利润较大。 4 结论 以电力电缆生产 线作为研究对 象 ，运 用e M P l a n t ，通 过仿真 建模 对其 进行 优化 。原生 产线 存在瓶颈 “ 被覆押出 ”工序 ，使用 “ 减少原料进 入 ”和 “ 增加瓶颈机 台数量 ”两种方法对其进行 优化 ，并 对优化 方案进行 仿真 。故 增加 1 台瓶 颈 机，选取原料到达时 间服从 入 ( 3 0 )分布时 ，生 产线月利润最大 。 建立仿真模型 ，依据市场需求 ，可 以实时调 整系统参数 ，预测企业利润 。从而 ，为生产线 的 调整提供理论依据 ，实现企业对市场 的及时 响应 1 5 0 1 第3 6 卷第7 期2 0 1 4 - 0 7 ( 下) 及利润最大化。 参考文献： 1 1 张丽 基于Q UE S T 的某工厂 钣金生产线仿真 与二次开发 【 D】 沈 阳： 沈阳航空航天大学， 2 0 1 2 【 2 】姜 志伟 镁 合金真 空低压消失模 铸造 生产线 的虚拟设计 及仿真 D】 武汉： 华中科技大学， 2 0 0 9 【 3 】聂世涛 基于仿真技术的鱼罐头生产线研究与改进【 D 】 广 州： 华南理工大学， 2 0 1 1 4 】谭 健 凸轮 轴生 产线布局仿真 及优化研 究【 D】 北京： 北京 工 业大 学， 2 0 1 1 5 】张慧 混合生产线制造过程的建模与仿真研究 D】 天津： 天津工业大学， 2 0 0 8 6 】王福鑫， 向号 基于F l e x s i m软件的生产线仿真优化 J 】 机 械工程 师， 2 0 1 0 ， ( 1 1 ) 【 7 】曾益 基于e M P l a n t 的物流配送系统仿真的实现 J 】 中国 水运， 2 0 0 7 ( 9 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m