1、【120】第45卷 第02期 2023-02收稿日期：2021-03-17作者简介：李奥（2000-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为生产系统仿真与优化。通讯作者：周俊（1967-），女，安徽黄山人，副教授，博士，研究方向为制造系统建模与仿真、智能制造。锂电池组装配生产系统的建模及仿真优化 Modeling and simulation optimization of lithium battery module assembly production system李 奥，周 俊*，罗灯兰LI Ao，ZHOU Jun*，LUO Deng-lan（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上
2、海 201620）摘 要：某企业的锂电池组装配生产系统在实际生产中面临着产量低、工位机器利用率不合理、物料缓冲区库存量过大等问题。针对以上问题，利用Petri网对其进行建模，直观展示锂电池组的装配生产流程，并采用关联矩阵的方法验证模型的可行性。而后运用Witness软件进行仿真分析，确定相关优化参数，利用优化模块内的自适应模拟退火算法找到最优解。使产量提升了21.2%，消除了瓶颈工序且其余工位机器的利用率也有小幅度提升，相关物料缓存区的库存量降低至合理范围内。关键词：锂电池组；Petri网；Witness软件；自适应模拟退火算法 中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1009-
3、0134(2023)02-0120-060 引言伴随着工业化的不断发展，环境污染问题逐渐引起人们的重视，近些年来我国机动车数量不断上升，尾气排放已成为环境污染的最大来源之一1。为减少汽车尾气的排放，新能源汽车得到了迅猛发展，而锂电池作为 新能源汽车的动力部分，可以说是整车企业进行差异化竞争与可持续发展的“必争之地”2。为实现锂电池产量的提高与生产成本的降低，对锂电池生产系统的优化变成了必然选择。锂电池生产制造过程中的锂电池组装配生产系统属于离散型事件系统。而生产系统建模与仿真作为分析离散型事件系统的主要手段，可以直观的反映其生产过程，从而对其相关优化参数进行确定。采用Petri网建模严格依照数
4、学表示方法，其简单直观的模型界面，可以清楚地反映生产系统中的各元素运行。因此，利用Petri网进行建模来分析离散动态型的生产系统比较合适，但是其无法满足数据分析时所需的各种数据量，且Petri网实现仿真所需的变迁规则较为复杂。而Witness软件具有模型单元丰富、交互式地面向对象进行建模以及性能参数可以实时显示等优点。因此，结合Petri网建模和Witness仿真可以更好地对生产系统进行仿真优化。当前的主要研究文献有：李晔等人利用Petri网建模方法和Witness软件相结合的方法对托辊生产系统进行了仿真，分析得出瓶颈设备，以设备数目为优化参数进行优化方案设计3；温乐等人结合Petri网和Wi
5、tness软件对转向架生产装配系统4与动车组车体生产物流系统5进行建模仿真，以输送批量与间隔时间为优化参数，提出了优化方案;周韶武等人针对某电装车间表面贴装生产物流系统，采用Petri网建模方法，建立了相关生产线的Petri网模型，在此基础上利用Witness软件对模型进行仿真，找到了生产系统的瓶颈工序，并对系统进行了优化6。以上研究文献只是在建模和仿真分析后找出系统瓶颈或分析后提出建议，但对其优化方案中具体参数的研究还不够。而算法可以为参数的确定提供依据，避免盲目性7。本文以某企业锂电池组装配生产系统为研究背景，建立相应Petri网模型，对其可行性进行验证后。选择Witness仿真平台对模型
6、进行仿真，分析相关统计报告，确定优化参数，运用自适应模拟退火法对其进行优化，提出优化方案。最终实现提高产能、设备利用率，降低库存量的目标。1 锂电池组装配生产系统介绍1.1 锂电池组装配生产工艺流程锂电池组装配生产系统属于典型的离散型事件系统，其主要的工艺流程如图1所示。成品电芯经AGV传送到制定位置，机械臂自动抓取送入模组堆叠装配线。经电芯扫码检测、电芯贴泡棉和泡棉位置检测进行电池模组堆叠缓存。机械臂抓取电池模组进行端板和侧板压装后进入下一装配线，经激光打码、极柱检测、绝缘检测后进行汇流板（ICB）和电池单体管理单元(CMU)的安装，锂电池组核心部件完成后进行模组检测确保质量，最后盖板安装下
7、线进入成品仓库区。第45卷 第02期 2023-02【121】电芯上料机器人抓取电芯电芯扫码检测电芯贴泡棉泡棉位置检测预堆叠、模组缓存压装/侧板上料激光打码极柱高度检测绝缘检测ICB安装焊接焊接检测CMU装配拧紧模组测试下线盖板安装图1 锂电池装配生产工艺流程1.2 锂电池组装配生产特点锂电池组装配生产特点：锂电池组的总装生产线属于流水线式的作业方式，采用输送链装置输送零/部件，在加工工位中，零/部件的需求指令采用“拉动式”，在装配工位中，装配物料按照一定输送间隔时间与输送批量由输送链进行运输。锂电池装配生产系统的布局图如图2所示。2 某工厂的锂电池组装配生产系统建模2.1 锂电池组装配生产系
8、统的Petri网模型本文基于实际中锂电池组装配生产系统的结构关系，建立相对应的Petri网模型如图3所示。T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10P1P2P3P4P5P10P9P8P7P6T11T12T13T14T15T16P11P12P13P14P15P16P17P33P34P35P36P37P18P19P20P21P22P23P24P25P26P27P28P29P30P31P32图3 锂电池组装配生产系统的Petri网模型图3中：“”为库所;“”为变迁(T1T16，其中T2T16为输送链运输，T1,T16为AGV小车运输)；“”为托肯。锂电池组装配生产系统Petri网模型中的库所含义如表
9、1所示。表1 锂电池组装配生产系统 Petri 网模型中的库所含义库所含义库所含义p1电芯缓存区p20扫码机空闲p2电芯置于电芯房p21贴合机空闲p3机器人抓取电芯p22位置检测台空闲p4电芯扫码检测p23堆叠机空闲p5电芯贴泡棉p24压装机空闲p6泡棉位置检测p25打码机空闲p7预堆叠、模组缓存p26高度检测台空闲p8端板/侧板压装p27绝缘检测台空闲p9模组激光打码p28ICB焊接机空闲p10极柱高度检测p29焊接检测台空闲p11绝缘检测p30CMU装配机空闲p12ICB焊接p31模组检测台空闲p13ICB焊接检测p32盖板装配机空闲p14CMU装配拧紧p33泡棉缓冲区p15各式模组检测p
10、34端板/侧板缓冲区p16盖板安装p35ICB物料缓冲区p17电池组下线入库p36CMU物料缓冲区p18电芯房工位空闲p37盖板缓冲区p19机械臂工位空闲 2.2 Petri网模型验证分析本节采用矩阵来表示锂电池装配生产系统Petri网的结构，并使用关联矩阵与状态方程的分析方法对所建立的Petri模型进行可行性验证10。锂电池组装配生产系统Petri网模型的状态方程如下：图2 锂电池组装配生产布局图【122】第45卷 第02期 2023-02其中，M0为锂电池组装配生产系统的初始状态标识，X为锂电池组装配生产系统的变迁，M为锂电池组装配生产系统由开始状态通过一系列变迁后产生的后继状态标识，A叫
11、做关联矩阵，是锂电池组装配生产系统输出集和输入集的差集。其中，由n行m列的矩阵A表示标识网的结构：输出矩阵：输入矩阵：对于本文建立的锂电池组装配生产系统的Petri网模型中变迁与库所之间至多只有一个有向弧，a+ij与a-ij不存在相互抵消的现象，所以用关联矩阵A可以准确地表示出Petri网的结构特性和运行逻辑关系11。当假设根据实际锂电池组装配生产系统所建立的Petri网模型是可靠的，那么该状态方程所表示锂电池组的装配生产过程可以实现，并且经过一系列的变迀发生之后，锂电池组装配生产系统的状态标识会返回到初始状态，即：则，此时：当其有非零解时，则说明存在变迁，使锂电池组装配生产系统可以连续运行从
12、而又回到初始状态并进行重复生产，所建立的Petri网模型满足实际的生产过程。所求关联矩阵A如下所示：利用MATLAB工具对关联矩阵A进行求秩运算，得到R(A)=16，则恒定量齐次方程ATX=0存在非零解且有无穷解。因此，所建Petri网模型可以依照其出发序列进行控制，从生产的开始状态运行至结束，在完成一个锂电池组的装配生产后，可以再次返回初始状态，未发生冲突、死锁现象，可以进行周期性的装配生产。3 基于Witness锂电池组装配生产系统的仿真优化3.1 仿真的模型假设对于锂电池组装配生产系统的建模仿真并不是全部现实系统的重复或预演，考虑到系统的复杂性与随机性，因当在排除随机因素、不影响仿真正确
13、性的前提下对模型进行合理的简化假设12。本文对锂电池组装配生产系统的仿真模型做以下假设与定义。1）装配生产线的原材料电芯定义为被动型Part，其数量不限，不会出现断供的情况，机器臂以理想全功率状态工作。2）经输送链运输的装配工位物料抽象为主动型Part，参照实际设置其输送批量与间隔时间。3）装配生产系统工作期间，假设相关机器不发生故障，开机准备时间忽略不计，无停机现象发生。4）相邻工位间的输送链传输抽象为相应工位的专用缓存区，工件在前一道工序完成加工后，进入相应缓存区，等待下一工位拉动，并且不考虑残次品的出现。5）将按AB双线布置的同类模组堆叠装配线整合为单一流水线，相关机器设备数量叠加。3.
14、2 锂电池组装配生产线上各台机器的相关数据通过对实际锂电池组装配生产系统的实地数据采集，统计分析相关数据，并结合企业给出的工位节拍，运用数值分析的方法，最终确定锂电池组装配生产系统中各机器与装配物料的相关数据，如表2、表3所示。3.3 仿真模型的建立及运行锂电池组装配生产系统每天24h两班制，为方便仿真模型的建立与数据分析，以一班8h为仿真时间，模型仿真中取系统运行默认的时间单位为1s，仿真8h，共运行60608=28800个仿真时间单位。其对应的Witness仿真模型如图4所示。在图4中机械臂、扫码机、模组堆叠机以3个电芯为一批次进行加工，压装机以12个电芯为一加工批次进行压装。3.4 仿真
15、模型的结果分析由图4可得其下线产量为567个，对仿真结果进行数据分析，得到各工位机器的利用率统计表和各物料缓存区的第45卷 第02期 2023-02【123】相关统计表，分别如表4和表5所示。由表4可得模组堆叠机、ICB安装焊接机、CMU装配机的繁忙率均超过90%，其生表2 各工位机器的相应数据设备名称设备数量加工时间/s搬运工具机械臂217输送链扫码机216输送链泡棉贴合机615输送链位置检测台613输送链模组堆叠机219输送链压装机128输送链激光打码机131输送链高度检测台130输送链绝缘检测台127输送链ICB焊接机147输送链焊接检测台134输送链CMU装配机143输送链模组检测台4
16、101输送链盖板安装机132AGV小车表3 各装配物料的相应数据名称输送批量/个输送间隔时间/S首次输送时间/S泡棉6190端板_侧板104000ICB物料103900CMU物料103600盖板104200 产能力已将近满负荷加工，限制着整体产能的提高，是锂电池组装配生产系统的瓶颈工序，需要进行优化处理。由表5可得ICB物料缓存区、CMU物料缓存区、盖板缓存区最大库存量过大，但考虑到相关工位机器的优化处理，需对端板_侧板物料、ICB物料、CMU物料的输送进行相应的优化处理。表4 各工位机器的利用率工位机器繁忙/%空闲/%操作量/个扫码机84.1615.841514电芯泡棉贴合机78.8521.151514泡棉位置检测台68.3131.681513模组堆叠机99.780.221368压装机66.4333.57683激光打码机73.4926.51682极柱高度检测台71.0428.96682绝缘检测台63.8636.14681ICB安装焊接机99.230.77571焊接检测台67.3932.61570CMU装配机93.016.99569模组检测台49.7950.21142盖板安装机63.0