Počítačová simulace logistických procesů II 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu

Transkript

1 Počítačová simulace logistických procesů II 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Jan Fábry

2 Počítačová simulace logistických procesů II Obsah předmětu I. Úvod, organizace, semestrální projekty, projekty Škoda II. III. IV. Vysvětlení témat semestrálního projektu Analýza dat Analýza dat V. Plant Simulation VI. VII. Plant Simulation, pojmový model Struktura simulačního modelu VIII. Tvorba simulačního modelu IX. Stochastické procesy a jejich zohlednění v modelu, optimalizace na bázi simulace X. Simulační experimentování XI. Důsledky na reálný systém, Process Designer XII. Rozhraní (Process Designer, MALAGA, TriCAD) 2

3 Cíl přednášky Seznámit posluchače s problematikou postupně se zpřesňujících modelů. Na reálném příkladu vysvětlit průběh simulačních studií v rámci těchto fází cyklu výroby: koncept, hrubé a detailní projektování, náběh a vlastní výroba. Vysvětlit požadavky kladené na počítačovou simulaci v oblasti výroby automobilů. Objasnit způsob provedení dekompozice systému. 3

4 Struktura přednášky Metodika postupně se zpřesňujících modelů. Dekompozice systému. 4

5 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba fáze výrobního cyklu 5

6 Optimalizace 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů - fázový model simulačního projektu Formulace problému Setkání zúčastněných Vytvoření týmu a stanovení odpovědností Definice hlavních problémů STOP Prověření vhodnosti simulace Analýza stanovených problémů Určení vhodnosti, oblasti, možnosti a limitů simulace Řešitelnost pomocí simulace Formulace cílů Stanovení cílů a jejich hierarchie Definování rozhraní systémového okolí Stanovení měrných veličin a indikátorů projektu Stanovení formy obsahu výstupů Požadavky a přání -Výrobní plán -Doba výroby -Stupeň využití -. Systémová a výrobní data Zajištění dat a jejich analýza Tvorba modelu a jeho ověření Získání dat dat za spolupráce zúčastněných útvarů Detailní analýza dat Verifikace zjištěných dat Vypracování pojmového modelu Vypracování koncepčního modelu pro zvolený nástroj Tvorba modelu validace modelu verifikace modelu -Kapacita -Pracovní plán -Layout -. Počítačový model Průběh simulace Ověření výsledků a jejich analýza Vytvoření zkušebního plánu Realizace experimentů Zaznamenání experimentů a podmínek Ověření přijatelnosti výsledků Úprava výsledků simulace Interpretace výsledků a analýza nákladů a přínosů Statistická data -Výrobní plán -Průchozí doby -Stupeň využití -. Posuzované údaje NE Je dosaženo cíle? ANO Dosažení cíle a úzká místa Bp Ng DLZ Var.1Var.2Var.3 Optimální koncept Prezentace / Dokumentace Prezentace výsledků Diskuze o dosažených cílech, přínosech a opatřeních Dokumentace projektu -Kapacita -Layout -Strategie řízení -. 6

7 Metodika postupně se zpřesňujících modelů využití simulace ve všech projektových fázích, postupné zpřesňování a zvyšování detailnosti modelu, detailnost zvyšována na základě průběžných informací o projektované výrobě, včasné ověření nových skutečností = učinit správná rozhodnutí, rutina průběžné aktualizace výrazně dříve odhalí celkové souvislosti, zajištění nepřetržitého zlepšování plánovaného konceptu 1. a 2. stupeň vznik strukturních variant ověření správnosti navrhovaného řešení, 3. stupeň zohlednění změn ověření dopadů změn, pro optimalizaci používáme obecný způsob řešení optimalizace matice experimentů (doplňkově je využito heuristických optimalizačních algoritmů), komplexní model procesu výroby celého závodu zajišťuje rychlé reagování na nové požadavky spojené s projektováním výroby (není třeba vytvářet nový model, stávající je pouze rozšířen, případně se aktualizuje!). 7

8 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept fáze výrobního cyklu Malá detailnost simulačního modelu (minimum vstupních informací) Zobrazení pouze jednotlivých navazujících výrobních oblasti (např. lakovna, montáž, svěšování, ) Stanovení charakteristik funkčních oblastí režim přestávek režim směn takty využití výrobních kapacit apod. Cíle: stanovení kapacit zásobníků ověření hrubého konceptu výroby nalezení nejvýhodnější varianty umístnění výroby v rámci jednotlivých provozů Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba 8

9 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept fáze výrobního cyklu ověření funkčnosti plánovaného konceptu výroby optimalizace uspořádání jednotlivých prvků celku přezkoušení kritérií: řízení výkonnosti doby průchodu stavu zásob nenákladnost řešení: úspora nebo zjednodušení elementů v sytému úspora nebo zjednodušení řídících elementů optimalizace velikosti zásobníků nebo zásob. míst optimalizace pracovních procesů + obsahu práce kvalitnější technické zadání Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba 9

10 Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad Lakovna FIS FIS Optimo Montáž IPNT M100 Dopravníkový most M200 ZP6 Zásobník Mont. linka JIT JIT Dodržení času pro dodávku JIT dílů Základní funkce zásobníku: vyrovnávání prostojů jednotlivých provozů možnost pozdržení určitého typu karoserie (chybí díl, restrikce z důvodu kvality některých dílů) dodržení JIT časů pro konkrétní díly odvolaných pro jednotlivé karoserie přesekvencování jednotlivých karoserií tak, aby byla pokud možno: - optimálně vytížena pracoviště montážní linky (požadavek určité sekvence) NEBYLO POŽADOVÁNO, - dodržen plánovaný denní program (LIFO karoserie pozdržené v lakovně z důvodu repase). 10

11 Relativní četnost doby obsazení [%] 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad DM_2 MT kar. B5 ZL_21 Zásobník Dopravníkový most Montáž B5 MT kar. A04 Systémová hranice VSTUP Výstup z lakovny ZL_22 Systémová hranice VÝSTUP Válečková trať Svěšení A04 Schéma návrhu komponent a topologie MT Zásobník Zvedák Simulační model Základní parametry funkčních oblastí: Neměnné parametry - režim přestávek - směnový režim Proměnné definované od min. až po max. hodnotu - tvar sekvence Superb/Fabie na výstupu z lakovny - takt výrobní linky - pozdržení karoserie v zásobníku 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 Exp_01_01_01 Exp_03_01_03 Exp_03_02_03 Exp_03_03_03 7,00 Exp_06_03_06 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Obsazení zásobníku 11

12 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba fáze výrobního cyklu zvýšení detailnosti modelu dle plánované struktury jednotlivých výrobních oblastí zohlednění pevně stanovených okrajových podmínek plánování konstrukční parametry zařízení layout výrobních hal apod. zanesení všech dopravníkových prvků válečkové tratě zvedáky otočné stoly apod. Systémové hranice jsou nejčastěji vymezeny: oblastí využívající stejný typ SKIDU evidenčními body Cíl - redukce zvolených variant 12

13 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba fáze výrobního cyklu znázornění náběhové křivky ve vazbě na realizaci zařízení zaškolení pracovníků příslušných pracovišť různé stavy poruch vysvětlit důsledky rozdílných nouzových strategií seznámení s limitními hranicemi reakčního času zařízení při vzniku problémů s instalací zařízení rychlé prověření jejich důsledků podpora při vývoji a testování řídícího software prověření vzniklých odchylek od plánovaného konceptu 13

14 Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad Zásobník Dopravníkový most VT_2 Z_1 VT_3 SP_2 SP_1 VT_1 Z_1 RS_1 1 VT_6 VT_5 SS_1 3 VT_4 Montáž B5 Varianta 1 Výstup z lakovny RS_1 VT_7 Z_2 1 Varianta 2 VT_9 Svěšení A04 VT_8 P_1 SP_3 Expedice A04 Schéma návrhu komponent a topologie MT Montáž B5 MT kar. B5 MT kar. A04 MT prázdných skidů Odstavená plocha Systémová hranice V této fázi byly stanoveny VSTUP v rámci simulace následující hlavní cíle: Systémová hranice VÝSTUP Zásobník ověřit dopravníkovou strukturu zásobníku z hlediska Stanice převěšení celkové průchodnosti, 3 Stohování skidů stanovit 1 parametry dopravníkových prvků (rychlost Rozstohování skidů a lokální způsob řízení dopravníků), Zvedák.. Číslo dopravníkové tratě nalezení optimálního způsobu řízení při zaskladňování Válečková trať EB.. Evidenční bod karoserií. Pracoviště M100 EB 1 Lakovna EB 2 Ver-2 L1-P12 L2-P12 L3-P12 L4-P1 L1-P11 L2-P11 L3-P11 L4-P2 L1-P10 L2-P10 L3-P10 L4-P3 L1-P9 L2-P9 L3-P9 L4-P4 L1-P8 L2-P8 L3-P8 L4-P5 L1-P7 L2-P7 L3-P7 L4-P6 L1-P6 L1-P5 L1-P4 L1-P3 L1-P2 L1-P1 L2-P6 L2-P5 L2-P4 L2-P3 L2-P2 L2-P1 L3-P6 L3-P5 L3-P4 L3-P3 L3-P2 L3-P1 L4-P7 L4-P8 L4-P9 L4-P10 L4-P11 L4-P Ver_1 14

15 Průměrný počet kar. za hodinu zjištěný na výstupu ze zásobníku 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad Počet kar. s restrikcí [ks] Rychlost [m/min] [počet kar./ h] Výsledné počty vyskladněných karoserií ze zásobníku jednotlivých experimentů 15

16 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba fáze výrobního cyklu Model není již variantně členěn Dochází k zpřesňování parametrů jednotlivých dopravníků rychlosti transportních časů dochází k eliminaci komponent Cílem je jemné ladění systému s postupným přibližováním k budoucí realitě Pomocí experimentů a zároveň prověřování extrémních stavů sytému dochází přechod od plánovací jistoty k optimalizaci. Další využívání modelu podpora při vývoji řídícího SW detailní prověřování náběhové křivky zaškolení personálu on-line simulace 3D-animace 16

17 Metodika postupně se zpřesňujících modelů Koncept Hrubé + detailní projektování Náběh + výroba fáze výrobního cyklu zkoumání zařízení při změnách parametrů zařízení What - if" analýzy ověření přínosů navrhovaných optimalizačních opatření u nových výrobních cílů zkoumání: výrobního mixu objemu produkce modelů pracovních dob průběhů práce na výrobních zařízení podpora pro operativní řízení výroby 17

18 Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad Varianta 3_1 Varianta 3_2 Varianta 3_3 Varianta 3_4 Varianta 3_5 RS_1 RS_1 RS_1 RS_1 RS_1 PS_9 PS_10 PS_1 PS_15 PS_7 PS_8 PS_1 PS_2 PS_4 PS_3 Ver-2 L1-P7 12 L2-P7 12 L3-P7 12 L1-P6 1 L2-P6 1 L3-P6 1 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 L4-P1 6 L4-P7 12 L4-P1 12 L4-P1 12 L4-P1 12 L4-P1 12 Varianta 3_6 RS_1 Varianta 3_7 RS_1 Varianta 3_8 RS_1 RS_2 Rozvaděčová skupina PS_2 PS_11 PS_12 PS_13 PS_14 PS_3 PS_2 PS_5 PS_6 PS_3 PS_1 PS_15 Pultová skupina Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Ver-2 L1-P1 12 L2-P1 12 L3-P1 12 Ver-1 Dopravní prvky L4-P1 12 L4-P1 12 L4-P1 12 Varianty členění pultových a rozváděčových skupin [-] MTTR [min] MTBF [min] Rozvaděčová skupina 0, Pultová skupina 0, Válečková dráha 0, , Příčný přesuvný dopravník 0, Tabulka použitých parametrů charakterizujících spolehlivost jednotlivých prvků 18

19 1,05 1,48 0,53 1,85 1,27 2,11 1,90 2,11 0,42 0,16 0,05 0,26 0,11 0,53 0,53 0,47 0,05 0,11 0,11 0,21 0,11 0,26 0,26 0,05 0,11 0,21 0,05 0,11 0,05 0,05 0,11 0,05 0,05 3,32 3,06 2,37 3,32 1,85 3,90 2,69 4,32 4,80 5,33 5,54 5,70 6,54 6,22 6,80 6,33 7,75 8,39 8,28 Relativní četnost doby obsazení [%] 9,65 9,49 10,86 10,50 10,55 11,34 11,50 13,66 13,77 15,82 16,93 16,35 17,09 18,93 20,83 23,26 24,79 24,84 25,05 28,80 28,53 30,12 29,75 31,49 34,39 34,49 35,71 39,61 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad 45 Experiment_3_1 40 Experiment_3_2 Experiment_3_3 35 Experiment_3_4 30 Experiment_3_5 Experiment_3_6 25 Experiment_3_7 Experiment_3_ Obsazení pozic mezi EB M100 a první pozicí výrobní linky montáže B5

20 S i m u l a č n í m o d e l S W ř í z e n í z á s o b n í k u 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad (podpora při vývoji řídícího SW) Simulační model DB server FIS SW řízení zásobníku 20

21 Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad (zaškolení personálu) 21

22 Absolutní četnost [%] Obsazenost [Kar.] :00 10:10 10:20 10: :40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30 11:40 11:50 12:00 Výsledek interaktivní simulace Max. počet pozic (bez odstavené plochy) Výsledek automatické simulace 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad (on-line simulace) M200 Reálná výroba M100 Dopravník 12 : 00 Stroj Plán Stav S1 NEPRACUJE S2 OK S3 OK S4 LOGISTIKA S5 PORUCHA S6 NEPRACUJE Vizualizace Monitoring výroby FIS Zásobník On-line data o prošlých karoseriích jednotlivými evidenčními body Řízení výroby Informační dopravníkový systém On-line data o počtu karoserií v jednotlivých oblastech Monitoring dopravníků (dispečink) Archivace dat Dispečer Model reálné výroby DB simulace Načtení Načtení aktuálních aktuálních vstupních vstupních dat dat do do modelu. modelu Definování Definování aktuálních aktuálních parametrů parametrů výroby výroby a a vzniklých vzniklých odchylek odchylek od od stanoveného stanoveného plánu. plánu Testování Testování různých různých variant variant pomocí pomocí simulace simulace Seznámení Seznámení se se s s důsledky důsledky u u jednotlivých jednotlivých variant. variant Zvolení Zvolení optimální optimální varianty. varianty. Dodržení denního programu 9 Průběh obsazenosti dopravníků mezi podlažím 5,7m a svěšováním kar. A04 Čas [h:min] Plánovaný týden - den průchodu karoserie EB M100 Výsledek interaktivní simulace Výsledek automatické simulace 22

23 Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad (on-line simulace) 23

24 Relativní četnost doby obsazení [%] 8. přednáška - Tvorba simulačního modelu Metodika postupně se zpřesňujících modelů praktický příklad (zhodnocení) Již ve fázi hrubého plánování byla stanovena s vysokou přesností potřebná kapacita zásobníku. 8,00 7,00 Exp_03_02_06 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Hodnoty zjištěné z reálné výroby během ½ roku vyhodnoceny v rámci kalendářního časového fondu Hodnoty zjištěné z reálné výroby během ½ roku vyhodnoceny v rámci nominálního časového fondu Stanovená max. kapacita zásobníku 0, Obsazení zásobníku Na základě stanovených výrobních parametrů byl navržen zásobník s docílením: optimálního rozmístění jednotlivých dopravníkových prvků, vyhovujících průběžných časů průchodu kar. zásobníkem, min. počtem přepravních prostředků (skidů), předejití a eliminací úzkých míst, minimálními náklady na realizaci, kvalitativně lepšího technického zadání, zajištění plynulosti materiálového toku již v počátečních fázích nové výroby (on-line simulace). 24

25 Dekompozice systému Systém chápeme jako uspořádanou množinu prvků a vzájemných vazeb mezi těmito prvky, které ovlivňují chování systému jako celku nejen ve vnitřní struktuře, ale také vůči podstatnému okolí. Vazby, které působí mezi systémem a okolím, jsou označeny jako vstupy (podněty, stimuly) a výstupy (odezvy, reakce) a to podle směru orientace vazby viz obr. VSTUPY (x) Materiál: polotovary M x1 nástroje pomocný materiál M x2 M x3 Informace: výrobní I x1 organizační řídící a plánovací I x2 I x3 VÝROBNÍ SYSTÉM sklady výrobní dopravní kontrolní pracovní síla zařízení zpětná informační vazba VÝSTUPY (y) Materiál: hotové výrobky M y1 odpad M y2 Informace: řídící I y1 technickoorganizační I y2 Energie: E x Energie: E y Zdroj: PROJEKTOVÁNÍ VÝROBNÍCH SYSTÉMŮ; prof. Ing. Antonín Zelenka, CSc.; doc. Ing. Mirko Král, CSC. 25

26 Dekompozice systému struktura výrobního systému Vnitřní struktura Řídící subsystém Vnitropodnikové řízení Řízený subsystém Výrobní jednotky (pracoviště, dílna, provoz, závod, podnik) Výrobní procesy Výrobní operace Prvky Charakter prvků Hmotně energetické Společenské Výrobní systém a vnější vztahy Vstupy Majetek (investiční, oběžný) Pracovníci Transformace Technologie Pracovní proces Výstupy Výrobek, odpad Pracovní výkon Zdroj: ORGANIZACE A ŘÍZENÍ (učební text), doc. Ing. Josef Novák, CSc. a kolektiv str.12 26

27 Dekompozice systému Omezujeme se vždy na konečný počet definovaných vazeb. Zaměřujeme se pouze na vazby, které jsou rozhodující pro řešení. Z důvodu složitosti reálných výrobních systémů provádíme jejich dekompozici: z důvodu hlubšího poznání vlastností systému; je nutné zachovat vlastnosti systému jako celku; zachování integrity a soudružnosti (systém nesmí být zúžen, nesmí se ztratit libovolná část a musí být zachována možnost opětovného spojení v celek). Při dekompozici výrobních systémů využíváme kritéria: topologická minimalizuji počet vazeb dekomponovaného systému s podstatným okolím, funkční např. vymezení základních makrofunkcí a vyjádření ve tvaru matematického modelu (množina základních funkcí odpovídá určité formulované fázi např. repase, nástrojárna, výdejní sklad, montážní linka ). 27

28 Dekompozice systému - ukázka dekompozice systému do jednotlivých podsystémů Stavba VS-4 Lakovna VS-4 Provozní celek VS-3 Oblast dokončování vrchního laku (poschodí-14,5 m) VS-3 Provozní soubor VS-2 Výrobní středisko VS-2 Dekor (poschodí-14,5 m) VS-1 Technologické místo VS-0 Pracovní místo VS-1 Lepení štítku motorizace VS-0 Pracovní místo (poschodí-14,5 m) 28

29 Dekompozice systému U každého systému rozlišujeme dvě základní vlastnosti, které jej charakterizují: chování systému, struktura systému. Chování prvků systému je definováno jako závislost mezi vstupy a výstupy. Každý prvek má alespoň jeden vstup X a alespoň jeden výstup Y a nachází se vždy v určitém stavu V. Počet prvků je vždy končený. Struktura systému v podstatě charakterizuje: soubor prvků a jejich vlastností, funkční vztahy a jejich uspořádání v prostoru, charakter vazeb (sériová, paralelní, zpětná). Při popisování výrobního systému je nutné: vymezit (určit) prvky systému a jeho okolí, specifikovat funkční vazby prvků (závislost mezi vstupy a výstupy např. věcné, technologické, časové i prostorové) včetně jejich charakteru, vymezení uspořádání prvků v prostoru. 29

30 Dekompozice systému - Stupeň abstrakce vysoká Náklady / Četnost chyb Přesnost Průkaznost Akceptace nízká Komplexnost modelu Závislost mezi stupněm detailnosti a výsledky simulace. (zdroj: Komarnicki, J. (1980). Simulationstechnik. Düsseldorf: VDI-Verlag.) 30

31 Dekompozice systému - Stupeň abstrakce Abstraktní zobrazení Grafické zobrazení 2D grafické uspořádání Virtuální realita Reálný systém Šachovnicová tabulka Trojúhelníková metoda Schéma materiálového toku 3D zobrazení Sériová výroba Stupeň abstrakce Využití různých způsobů modelování v závislosti na stupni abstrakce. (zdroj: Schenk, M., Wirth, S. (2004). Fabrikplanung und Fabrikbetrieb: Methoden für die wandlungsfähige und vernetzte Fabrik. Berlin: Springer Verlag.); 31

32 Otázky z dané problematiky Jaká kritéria používáme při dekompozici výrobních systému? Jaké je možné využití simulačního modelu ve fázi náběhu a vlastní výroby? Jak chápeme systém? Uveďte příklad dekompozice systému do jednotlivých podsystémů. Vysvětlete fázový model simulačního projektu. Jaké cíle jsou kladeny na simulaci ve fázi konceptu? Jaké cíle jsou kladeny na simulaci ve fázi hrubého a detailního projektování? Jaké cíle jsou kladeny na simulaci ve fázi náběhu a vlastní výroby? 32

33 33 Děkuji.