Počítačová simulace logistických procesů II 6. přednáška Plant Simulation, Pojmový model

Počítačová simulace logistických procesů II 6. přednáška Plant Simulation, Pojmový model Jan Fábry 22.10.2017

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

Cíl přednášky Představení pokročilých vlastností Plant Simulation. Vymezení pojmového modelu a jeho tvorby. 3

Struktura přednášky Představení Plant Simulation: Hierarchické modelování. Standardizace VDA. Tvorba vlastního prvku. Co je to pojmový model? Co by měl pojmový model obsahovat? Míra detailnosti modelu (koncept/detail). Systémové hranice. Schéma materiálových toků (layout), schéma informačních toků. Logika řízení (vývojové diagramy). Důležité vstupní parametry. Sledované parametry. Které prvky jsou vhodné pro modelování konkrétní situace? 4

Hierarchické modelování Hierarchické modelování využívá přístupu k modelování od dílčí části, přes jednotlivá pracoviště až po celé výrobní linky (případně celé výrobní oblasti, závody, podniky a koncerny). Každá část modelu může stát samostatně, stejně tak může být propojena přes hierarchii modelu. Velmi užitečné je využít dědičnosti prvků. Změny v takto hierarchicky uspořádaném modelu by měly být prováděny systémem bottom-up. + + + + 3. úroveň Výrobní linka + + + 2. úroveň Pracoviště 1. Pracoviště 2. 1. úroveň Robot A Robot B Pracovník A Robot C Pracovník B 5

Hierarchické modelování Plant Simulation Práce s hierarchickými modely odpovídá popsanému schématu. Postupujeme od prvků 1. úrovně (stroj), přes prvky 2. úrovně (pracoviště) až po 3. úroveň (výrobní oblast). Reálná struktura modelu je značně individuální (záleží na míře detailnosti modelu, cíli simulační studie a fázi, ve které simulační model vytváříme jinak bude vypadat model v koncepční fázi, jinak při detailním plánování). 3. úroveň 2. úroveň 1. úroveň 6 V určitých fázích plánování pak při hierarchickém modelování můžeme nahradit koncepční (méně popisný model) modelem detailním (pro bližší specifikaci problému).

Standardizace VDA Nad rámec standardních prvků Plant Simulation, jsou vytvořeny rozšiřující knihovny, které mají uspokojit zájmy různých profesních skupin uživatelů simulačních nástrojů. V prostředí automobilového průmyslu se jedná o knihovnu prvků VDA-Bausteinkasten*. Procesně orientované prvky Logistické prvky Zařízení VDA knihovny prvků Délkově orientované prvky Prvky pro modelování lakoven Pozn. *VDA (Verband der Automobilindustrie) je sdružení německých inženýrů v automobilovém průmyslů, které definuje normy a metodické přístupy pro skupiny svých členů. 7

Standardizace VDA motivace Všeobecně sdílený standard v Automotive prostředí. Relativně rychlá tvorba simulačních modelů. Modulární stavba modelů. Otevřené modelové prostředí (možnost tvorby vlastních metod a prvků). Jasná pravidla pro tvorbu simulačních modelů (snazší přenositelnost modelu, podpora teamové práce). Hierarchie, struktura modelů a projektových složek. Zapouzdření prvků a souvisejících modulů. Pravidelná aktualizace knihoven. Rozsáhlá uživatelská podpora: systém školení uživatelů, výukové materiály, rozsáhlé manuály, diskusní fóra a setkání uživatelů VDA. 8

Standardizace VDA podporované oblasti Knihovny VDA lze rozdělit do těchto tří skupin: 1) Nutné knihovny: 3) Speciální knihovny: Knihovna Popis Knihovna Popis VDA_Private Nutné zdroje. VDA_Tools Administrace, statistiky, nástroje. 2) Často používané knihovny: Knihovna Popis VDA_FacilityObjects Zařízení (stroje, roboti) VDA_LO_MaterialHandling Délkově orientované prvky. VDA_Logistics Logistika. VDA_MoveableUnits Pohybující se objekty. VDA_PO_MaterialHandling Procesně orientované prvky. VDA_Powertrain Modelování agregátů. VDA_SourceAndDrain Systémové hranice. VDA_Energy VDA_Interfaces VDA_Laserwelding VDA_PaintObjects VDA_VDB VDA_Volkswagen VDA_Warehouse Spotřeba energií. Rozhraní k jiným aplikacím. Laserové svařování. Objekty pro modelování lakoven. Databáze využitelností. VW databáze prvků. Modelování výškových skladů. 9

Standardizace VDA - model Tvorba modelu (1) v prostředí VDA knihovny je podobné tomu se standardními prvky Plant Simulation. VDA má však již vytvořené rozhraní pro centrální parametrizaci modelu (2) a sběr a vyhodnocování statistik ze simulačních experimentů. Data lze tak měnit nejen pomocí dialogového okna každého prvku, přímo v prvku samotném, ale také v tomto prostředí centrálně. Rutiny jsou Model vytvořený pomocí VDA prvků prováděny automaticky při startu simulace, případně je lze vyvolat uživatelsky. 1. 2. Centrální parametrizace modelu 10

Standardizace VDA Prvky Každý z VDA prvků má své naprogramované jádro síť nw_private (3). Uživatelsky definovatelné metody, tabulky a proměnné obsahuje vlastní síť každého VDA prvku (2). Pro uživatelsky přívětivější ovládání každého prvku je definován Dialogové okno 1. Dialog, kterým má možnost uživatel měnit většinu parametrů daného prvku (1). 3. Vnořená síť nw_private 2. Vlastní prvek 11

Tvorba vlastního prvku Plant Simulation umožňuje tvorbu vlastních prvků. Je to užitečné zejména tehdy, pokud máme za to, že budeme daný prvek a rutiny v něm obsažené používat opakovaně. Doporučené podmínky pro tvorbu vlastního modelu: Model by měl být samostatně otestován (zamezíme tím komplikacím v dalších modelech). Při užití v hierarchickém modelu by neměl mít vlastní Eventcontroller (ten obsahuje hlavní model). Měl by obsahovat Connectory (ty slouží pro napojení modelu při hierarchickém modelování). Druhou možností je uzavřený model (samostatný vstup a výstup), přičemž předávání informací mezi nimi probíhá prostřednictvím metody (např. při průchodu objektu je předána informace). Všechny prvky by měly být duplikáty (zamezíme tím změně funkčnosti při aktualizacích standardnch knihoven). Metody a proměnné by měly být psány přímo v daných prvcích v záložkách Attributes. Odkazovat se tedy na něj budeme příkazem self. Všechny odkazy by měly mít formu relativních odkazů. Vyhneme se tak problémům se spuštěním modelu, pokud jej použijeme v jiných modelech. Vlastní prvky je možné ukládat jako vlastní knihovnu. Toto řešení je ideálním východiskem pro týmovou práci. Po aktualizaci knihovny, jej mohou uživatele ve skupině okamžitě využívat. 12

Tvorba vlastního prvku uzavřený prvek Montážní pracoviště Model řeší oblast odvolávání dílů. Vychází z toho, že existuje potřeba zásobovat dvě montážní pracoviště díly ze skladu. Pracoviště mají k dispozici zásobník, který je na počátku simulace zaplněn. Každý další spotřebovaný díl vyvolá poptávku po dalším dílu daného typu z centrálního skladu. Tento díl je ze skladu vyskladněn a vozíkem přivezen k danému montážnímu pracovišti. Tam putuje do zásobníku, zatímco vozík se vrací zpět po vytýčené trase do skladu. Základním předpokladem je tvorba vlastního prvku Montážní pracoviště (který čítá vlastní metody a proměnné). Užití prvku v modelu m_odvolavka Metoda odvolávající další díl ze skladu. Odkaz na m_odvolavka self.m_odvolavka Vlastní metody a proměnné v_prvek_pro_odvolavku ~.Sklad Proměnná definující místo, kde se má díl odvolávky KANBAN vygenerovat. Zdrojová tabulka Vlastní prvek Generování dílů 13 self.t_dily_init.models.prvky.dil_1 4 Počet dílů, které se vygenerují na začátku simulace. Název dílu který se bude generovat na začátku simulace.

Pojmový model Popisuje podstatné rysy chování daného systému, přitom by měl být dostatečně srozumitelný. Přibližuje pomocí verbálního a matematického aparátu specifika reálného systému. K jeho tvorbě je možné použít výkres, schéma, diagram. Tvorba sim. modelu Analýza dat Implementace Validace Verifikace Pojmový model je rozhraním mezi realitou a virtuálním počítačovým modelem. Abychom byli schopni pojmový model vytvořit, je potřeba zvládnout kvalitně analýzu dat. Převedením pojmového modelu do příslušného simulačního softwaru se zabývá implementace. Rozhodujeme se zde, jaké stavební prvky použijeme. Při převádění pojmového modelu do simulačního softwaru dochází k zachycování statických, dynamických a pravděpodobnostních stránek modelovaného systému. 14

Pojmový model Celý proces můžeme označit jako tvorbu simulačního modelu. Východiskem je reálný systém, který se snažíme simulovat. Nejde však pouze o samotnou tvorbu simulačního modelu, ale také o kontrolní mechanismy, které ověřují správnost daného postupu. Tvorba sim. modelu Analýza dat Implementace Validace Verifikace Validace pojmového modelu (klasifikace) ověřuje, zda jsou teoretické předpoklady na kterých je pojmový model vystavěn, správné, tzn. že pojmový model je tím správným reprezentantem vůči cíli, který sleduje simulační studie. Verifikace simulačního modelu zda vytvořený počítačový model reprezentuje pojmový model s určitou mírou přesnosti. V podstatě jde o to, zda je simulační model správně implementován a naprogramován. 15

Pojmový model Jak může vypadat pojmový model: verbální popis, schéma, vývojový diagram, matematický popis. Neměli bychom zapomenout na: systémové hranice a rozhraní k okolí systému, prvky systému a jejich vzájemné vazby, chování prvků systému (vzhledem ke stupni abstrakce), definování klíčových parametrů systému (vstupní a výstupní parametry). Lze modelovat bez pojmového modelu? Ano, ale může se stát, že: Budeme některé simulační kroky neustále opakovat, než nalezneme ideální řešení (časová náročnost). Nezískáme všechny potřebné vstupní údaje (budeme provádět opakovaně sběr informací). Systém nebude fungovat podle našich představ (např. nepopsaná logika řízení). Zapomeneme prověřit některé typy výstupů (budeme se k testování opakovaně vracet). 16

Míra detailnosti modelu Míra detailnosti modelu souvisí s fází plánování a cílem simulační studie. Můžeme na ni nahlížet z různých pohledů: Plánovací fáze v průběhu plánovacího procesu dochází k postupnému zpřesňování modelů (od konceptů až po detailní modely). Faktor času čím větší detail modelu budeme vytvářet, tím déle nám bude tvorba modelu trvat (ruku v ruce s tím také porostou vynaložené náklady). Tvorba modelu s rostoucí detailností modelu rostou rovněž potřeby na vstupní data, počty užitých prvků, množství sledovaných veličin a náročnost logiky řízení modelu. Typ modelu Koncepční model Běžný model Detailní model Fáze plánování Míra ztotožnění se s reálnou předlohou Časová náročnost / vyvolané náklady Nároky na vstupní data Počet užitých prvků Počet sledovaných veličin Logika řízení modelu Koncepční plánování Nižší Nižší Nižší Několik Jedna, dvě Základní Hrubé plánování, Detailní plánování Náběh nové výroby, Sériová výroba Standardní Standardní Standardní Desítky Několik Velká Vyšší Velké Stovky Desítky Upravená logika řízení Vlastní naprogramovaná logika řízení 17

Polygon Polygon Polygon 6. přednáška - Plant Simulation, pojmový model Schéma materiálových toků linka zkoušek Jedná se o základní východisko každého modelu. Abychom byli schopni model řídit, musíme vědět kudy mají jednotlivé prvky v modelu procházet. Některá schémata mohou být co se týká toků značně komplikovaná (jako je tomu v tomto případě), proto je vhodné kvůli lepší orientaci jednotlivé toky barevně odlišit). Legenda: Tok i.o. kar. (horní úroveň) Tok i.o. kar. (spodní úroveň) Tok i.o. kar. (na lepení lišt) Tok i.o. kar. (ze zkoušek motoru - na asistenční systémy) Tok i.o. kar. (z asistenčních systémů - na lepení lišt) Tok n.i.o. kar. (na repase) Tok i.o. kar. (z repasí) Výstup ze systému (směr Polygon) 1... 5. 1., 4... Priority řazení kar.? Plocha pro odstavení kar. Vstup Model A 1. Volná pozice Seřizování geometrie Test motoru Válce Volná pozice Kromě takového schématu je možné proces znázornit např. pomocí Sankeyova diagramu. Kvalit a Lepení lišt Nájez d + lišty Volná pozice Kvalit a Lepení lišt Nájez d + lišty Volná pozice Repase? Polygon Polygon Výstup všech modelů Repase elektrika? Repase Repase 4. 2. 3. 4. 3. Volná pozice Volná pozice Seřizování geometrie Seřizování geometrie Volná pozice Test motoru Test motoru Seřizování geometrie Válce Válce Test motoru Volná pozice Volná pozice Válce 1. Volná pozice 2. 3. 4. 3. 4. Zkoušky motoru 2. 5. Zkoušky motoru 1. Volná pozice Volná pozice TopView TopView AFS AFS 2. Vstup Modely B, C, D 1. 18

Schéma se znázorněním informačních toků Kromě materiálových toků je nutné se v pojmovém modelu rovněž zaobírat informačními toky. Ty nám reprezentují přesun informací v rámci pojmového modelu. Tyto informace jsou důležité pro správné pochopení logiky řízení systému a její přesné naprogramování v prostředí simulačního softwaru. Může nám jít dále např. o jaký typ odvolávky se jedná (Kanban, JIT, JIS apod.), jaký prvek dává signál (otevření, uvolnění, stůj, jeď, zrychli, zpomal apod.) a na kterém prvku se tento signál projeví. Tyto informace lze rovněž doplňovat dalšími vhodnými informacemi, např. o kapacitě dané oblasti. Legeanda: Pohyb obsazeného zařízení Pohyb neobsazeného zařízení Paralelní proces Z Navrhovaná odvolávka Označení procesu I. B Kapacita 1ks EHB A Zvedák H1 Svěšování pravých dveří Impuls pro uvolnění EHB Transfér_1 C Zvedák H1 D Transfér_2 E výška 4,9 m II. Kapacita 1ks EHB Impuls pro uvolnění EHB Zvedák H2 Svěšování levých dveří Zvedák H2 19

Polygon Polygon Polygon 6. přednáška - Plant Simulation, pojmový model Systémové hranice Vymezují rozsah simulačního modelu, tedy kde se prvky generují (vstupují do systému) a kde se ničí (vystupují ze systému). Kromě toho mohou zde být definované konkrétní typy výrobků, případně jejich počty, modelové mixy apod. Schéma linky zkoušek Vstup Model A 100 ks/den Repase Výstup všech modelů 400 ks/den 300 ks/den Vstup Modely B, C, D 20

Vývojové diagramy Vývojový diagram se jako prostředek používá k popisu procesů, pracovních postupů a algoritmů. Jednotlivé kroky přestavují jednotlivé obrazce, propojené jsou orientovanými šipkami a doplněné některými dalšími údaji (zde podíly výrobků směřující z rozhodovacích uzlů). Vývojový diagram lze efektivně použít jako podklad pro programování logiky daného systému v prostředí jazyka SimTalk softwaru PlantSimulation. 21

Vstupní parametry tabulka Definování vstupních parametrů simulační studie je nedílnou součástí každé simulační studie. Od kvality vstupních dat se odvíjí kvalita simulační studie*. Vstupní data získáváme od zadavatele studie, analýzou dat případně z již realizovaných simulačních projektů. Příklady zadávaných vstupních parametrů: Parametr Hodnota Jednotky Parametr Hodnota Jednotky Takt zařízení 100 s (min., hod.) Poruchovost 85 % MTTR 6,5 min. (s, hod.) MTBF 30 min. (s, hod.) Kapacita zásobníku 100 ks Délka dopravníku 36 m Směnový režim 15 směn/týden Přestávkový režim 3*30 min Cílová produkce 1000 ks/den, ks/směnu, ks/hod. Počet přepravních prostředků Počet manipulačních prostředků 5 ks 30 ks Rychlost přepravního prostředku Rychlost manipulačního prostředku 50 km/hod 50 m/min Rozpracovanost 33 ks Naložení/vyložení 5/5 min Vstupní sekvence *Pozn. Ani ta nejlepší simulační studie nemůže být lepší, než je kvalita vstupních dat Logika vyskladňování Datová řada typů FIFO typ Kapacita palety 60 ks Způsob řízení odvolávek KANBAN metoda Způsob řízení odvolávek JIT metoda Způsob řízení odvolávek JIS metoda 22

Vstupní parametry schéma se vstupními parametry Tok zakázek pro Model 1 Parametr Hodnota Jedn. Produkce 800 ks/den Takt linky 1,5 min Pohotovost 93 % MTTR 1,5 min Rozpracovanost 38 garnitura Parametr Hodnota Jedn. Takt vyskladnění M000 TMBEH25J7D3086214 TMBJJ25J5D3086215 TMBEM65J7D3086216 TMBEM25J8D3086217 TMBES25J2D3086218 TMBEH25J6D3086219 TMBJL25J6D3086220 TMBJH25J6D3086221 TMBJS25J6D3086222 TMBEN65J8D3086223 TMBJM25J7D3086224 TMBEM25J7D3086225 TMBJH25J5D3086226 60 s Zásobník 100 Pos. 46 Pos. 103 Taktů Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Model 2 Model 1 Montáž Model1/Model2 Parametr Hodnota Jedn. Produkce 1200 ks/den Takt linky 63 s Pohotovost 93 % MTTR 1,5 min Tok zakázek pro Model 2 Dopravníkový most Parametr Hodnota Jedn. Kamión 1-3 ks Palet na kamiónu 15 ks Doba jízdy 17,28 min Naložení 5 min Vyložení ruční 25 min Paleta k ML ruční 1 min Slučovací bod? Pos.? Pos. ML Díl pro Model 1 Transport kamionem (pouze plné kamiony) Zásobník Dodavatel 1. ML Díl pro Model 2 Interní dodavatel Dodavatel 2. Parametr Hodnota Jedn. Počet směn 3 směna Přestávky 3*30=90 min Platí pro Montáž, Dodavatel 1., Dodavatel 2. firma Externí dodavatel Parametr Hodnota Jedn. Produkce 400 ks/den Takt linky 3 min Pohotovost 93 % MTTR 1,5 min Rozpracovanost 33 garnitura Naložení/vyložení 5 min 23

Sledované parametry Sledovanými parametry jsou ty, pro které simulační modelování vlastně provádíme. Jsou to výstupy simulačních testů. Mají podobu proměnných, které se obvykle mění v čase. Někdy můžeme sledovat maxima, či minima, jindy zase průměrné hodnoty. Je vhodné se na výsledky simulačních testů dívat z širší perspektivy, kterou nám poskytnou například popisné statistiky, nebo komplexní sledování více sledovaných parametrů dohromady. Příklady sledovaných výstupních parametrů: Parametr Hodnota Jednotky Maximální dosažená produkce Průměrně dosažená produkce Minimální dosažená produkce Potřebná kapacita zásobníku 402 385,43 358 ks/den, ks/směnu ks/hod. ks/den, ks/směnu ks/hod. ks/den, ks/směnu ks/hod. 83 pozice Doba mezi průchody 82,4 s, min., hod. Průměrná obsazenost oblasti Potřebný počet manipulačních prostředků 130,6 ks 23 ks Hodnoty popisné statistiky mohou rozšířit pohled na sledovanou veličinu o např.: modus, medián, směrodatnou odchylku, apod. 24

Sledované parametry grafický výstup Ideálním výstupem sledovaných parametrů je jeho zobrazení formou grafu. To jaký typ grafického zobrazení je použit, do značné míry souvisí s typem sledované veličiny. Na příkladu je zobrazena závislost dosažené denní produkce ks/den na průměrné rychlosti EHB dopravníku ve formě sloupcového grafu. Z takového grafu lze rychle vyčíst mezní hodnoty potřebné průměrné rychlosti. 25

Výběr vhodných prvků pro modelování koncept detail Výběr prvků pro simulační modelování souvisí s mírou detailnosti modelu. Druhým atributem je míra abstrakce, se kterou přistoupíme k modelovanému systému. Příkladem tohoto přístupu může být pohled na modelování zásobníku: 1) Zásobník jako odkládací plocha: SingleProc při nejvyšší míře abstrakce a kapacitě 1 lze využít jako odkládací plochu (zásobník). 2) Zásobník jako kapacita: Buffer zásobník s využitelnou kapacitou a systémem LIFO/FIFO. 3) Zásobník jako počet pozic: Place Buffer zásobník jako několik pozic v řadě za sebou. Umožňuje akumulaci prvků. 4) Zásobník jako dopravník: Line dopravník lze u délkově orientovaných prvků vnímat rovněž jako zásobník. 5) Zásobník jako buňkový sklad: Store prvek který má adresovanou každou pozici a ovládá se metodou. 6) Zásobník jako vlastní síť: Vlastní prvek prakticky neomezené možnosti využití (např. detailní logika řízení - metodou). 26

Výběr vhodných prvků pro modelování Výběr prvků pro simulační modelování souvisí rovněž s možnostmi hierarchického modelování a prostorovým uspořádáním vůbec. Je totiž dobré vědět na začátku simulační studie, jak rozsáhlý bude model, abychom mohli strukturu tomu uzpůsobit. K tomuto je dobré vědět, kolik řádově budeme potřebovat stavebních kamenů (odvíjí se od toho např. také měřítko modelu, případně zoom-faktor u podkladových výkresů). Příklad počtu užitých prvků pro simulační studii: 27

Otázky z dané problematiky K čemu slouží hierarchické modelování? Jaký standard pro modelování se používá v automobilovém průmyslu? Co je pro něj charakteristické? Co je to pojmový model a proč je důležitý? Co by měl obsahovat typický pojmový model? Uveďte příklady vstupních parametrů modelu? Uveďte příklady sledovaných parametrů modelu? S čím souvisí míra detailnosti modelu? Na čem závisí výběr prvků pro simulační studii? Jakými způsoby lze modelovat zásobník? 28

29 Děkuji.