基于eM-Plant的电力电缆生产线优化仿真

张 倩，徐子奇

ZHANG Qian, XU Zi-qi

（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

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90%。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eM-Plant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→预燃→被覆塑胶→绕卷→被覆押出→产品离开。

2）B型所需经过的制程有：

伸线→预燃→分割导体集合→三层押出→绕卷→被覆押出→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95%。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24小时，三班制，每月以30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FIFO（First In First Out）。

5）电缆来到时间间隔服从指数（35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。

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eM-Plant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所示。

其中，Singleproc至Singleproc10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。Buffer至Buffer7表示各工序所对应的暂存区；Buffer8表示A产品重工暂存区；Buffer9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：

TableFile1用来存放各产品每次的加工时间；TableFile2分别记录不同时刻在系统中在制品数量；TableFile3用于记录被覆押出工序前的等待长度；TableFile4用于记录两种产品的平均生产周期以及月产能；TableFile5用于记录各台机器的使用率；TableFile6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20元，生产一件B产品的利润为23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（35分钟）分布分配，将原料投入时间间隔分别改为λ（40）、λ（45）、λ（50）、λ（55） ，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。

表1 仿真输出结果表

表2 优化方案一的输出数据统计表

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λ（40）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26248元，增长了10596元，增长率为67.7%。

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（35分钟）分布分配，增加原料投入，将原料投入时间间隔分别改为λ（30）、λ（25）、λ（20）、λ（15）。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λ（30）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4350元，增长率为16.6%；相较于原方案，增长了14946元，增长率为95.5%。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。

图2 改进后电力电缆生产线仿真模型图

表3 优化方案二的输出数据统计表

综合考虑各系统参数，应选取原料到达时间服从λ（30）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eMPlant，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λ（30）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及利润最大化。

[1]张丽.基于QUEST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,2012.

[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,2009.

[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,2011.

[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,2011.

[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,2008.

[6]王福鑫,向号.基于Flexsim软件的生产线仿真优化[J]. 机械工程师,2010,(11).

[7]曾益.基于eM-Plant的物流配送系统仿真的实现[J].中国水运,2007(9).