基于eM—Plant的海绵钛产能计算及优化

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摘 要： 物流仿真技术利用计算机仿真模拟技术，对生产物流系统进行研究，直观地展示整个物流过程，从而帮助管理人员以用很小的投资风险，制定出一个最佳的具有动态功能的方案，进而发挥生产管理的计划、调度和控制的基本功能，提高管理水平。本文采用em-plant软件对某海绵钛还蒸车间物流系统进行了仿真计算，重点分析了还原—组装—蒸馏这一生产过程，对还蒸车间的产能进行了计算，并在此基础上提出了优化方案。

关键词： 物流仿真技术 eM-Plant 海绵钛 还蒸 设计优化

1.引言

物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术，它借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果。

物流仿真技术通过对生产物流系统进行研究，进行贯穿于生产过程的有效的流程仿真，可以用很小的投资风险，制定出一个最佳的具有动态功能的方案[1]，进而发挥生产管理的计划、调度和控制的基本功能，提高管理水平。在欧美发达国家，物流仿真技术在负责物流系统的分析和决策中的巨大价值已经得到广泛的认同，每年都达到数以千亿美元计的经济效益。

海绵钛生产的核心工序是一个典型的离散生产过程，采用物流仿真计算，能够快速有效地模拟该车间的生产过程和物流过程，直观地分析各个设备的生产状态，查找影响生产效率的关键因素，帮助生产计划人员重新安排生产配置及计划，以提高生产效率。

本文采用eM-Plant软件对某海绵钛厂还蒸车间物流系统进行了仿真计算，重点分析了还原—组装—蒸馏这一生产过程，对还蒸车间的产能进行了计算，并在此基础上提出了优化方案。

2.海绵钛还蒸车间物流仿真建模

还蒸工序是生产海绵钛的关键工序，其车间生产能力直接决定了整个海绵钛工厂的产能。还蒸车间的生产主要分为还原、组装、蒸馏三步，每一步之间还需要天车进行吊装输送，整个还蒸过程及过程中的每一步都是离散生产过程。由于还蒸车间设备数量多，过程复杂，难以采用人工计算，如果采用计算机物流仿真，则可以快速进行排产，统计车间产能，优化车间生产设计，提高产能。

采用eM-plant软件，设定还蒸车间物流仿真模型如下图1所示。

如图1所示，还蒸车间共设计还原炉32台、组装平台2套、蒸馏炉47台，根据设计方提供的数据，还蒸车间各主要工艺过程时间见下表1：

实际的还蒸车间生产过程，是一个复杂的化学物理过程，物流上也包含间断流和联系流。但eM-plant软件作为物流仿真软件，不涉及化学物理过程，仅对物流进行分析，且仅对间断流进行分析，因此需要对分析物流进行抽象处理。假设整个过程中只有海绵钛砣的运动，海绵钛砣进入还原炉，处理后再进入组装平台，最后进入蒸馏炉处理完毕后出站。

3.仿真结果分析及优化

设定仿真时钟运行300d（7200h），仿真结果见下表2：

在表2中平均开工率表示设备进行作业的比率，平均空闲率表示由于前段各单元不能及时供料而导致设备等待的比率，平均阻塞率表示由于后段各单元还有作业未完成而导致设备完成作业后不能将物料送走的比率。对于还原炉，因为前段为物料入口单元，设定加工时间为0h，所以空闲率为0%；对于蒸馏炉，因为后段为出站单元，设定加工时间为0h，所以阻塞率为0%。

从表2可以看出，还原炉平均开工率为88.2%，组装平台平均阻塞率为83.0%，由此可知蒸馏区是该车间的工作瓶颈，其原因在于蒸馏炉加工时间较长，蒸馏炉数量配置不足。

3.1对还原炉和蒸馏炉配比的分析

根据前面的分析，蒸馏炉数量配置不足，增加蒸馏炉数量，可有效提高还原炉开工率，从而增加产能。不同还原炉和蒸馏炉配比条件下的仿真结果见表3：

根据表3，对于不同数量的还原炉，蒸馏炉的最佳配置及最优化产能见表4：

分析上表数据，令还原炉数量为A，蒸馏炉数量为B，最优化产能为X，则满足如下关系式：

B=2AX=78A

而对于该工厂配置的32台还原炉，至少应配备64台蒸馏炉。

3.2组装时间的影响

在上述仿真过程中，组装时间设定为1h，由于组装的加工时间短，在还原炉开工率较低的时候，组装的过程不会影响产能，但是当还原炉的开工率提高到接近100%时，组装过程就会影响产能，必须提高工作效率，严格控制组装时间。以32台还原炉、2套组装平台、64台蒸馏炉为例，分析组装时间对产能的影响，见图2。

可见，组装时间控制在100分钟内，才能够保证组装时间不影响最优化产能。

3.3入口时间的影响

在上述仿真过程中，物流入口时间间隔为0h，但在实际生产过程中，由于在向还原炉加料的过程中使用天车，因此各还原炉的物流入口有一定的时间间隔。下面以32台还原炉、2套组装平台、64台蒸馏炉为例，分析物流入口的时间间隔对产能的影响，见图3。

因此，只要控制天车加料的时间不操过30min，就能为达产提供保障。

3.4结论

根据上述分析，如果对该海绵钛工厂进行如下改造：

3.4.1保持32台还原电炉数量不变，增加蒸馏电炉至64台；

3.4.2组装时间控制在100min以内，加料时间控制在30min以内。

则该海绵钛厂产能将从每年生产海绵钛砣2053块提高到2496块，相对增加产能21.6%。

4.结语

4.1采用物流仿真技术，可以在工厂设计的时候对工厂的物流配置设计进行分析，结合实际情况，对设计进行优化。

4.2采用物流仿真技术，可以在工程运行过程中对工厂物流进行分析，对瓶颈环节进行优化，提高生产效率；同时可以对产能进行预测，避免盲目生产，有效地制订生产计划。

参考文献：

[1]N.Griffel，H.Hoffmann，李亮译.贯穿于生产过程中的有效的流程仿真[J].工业工程与管理，1999（5）：20-22.

[2]Louis G..Birta，Gillber Arbez.Modeling and Simulation.

[3]eM-Plant Help Document.