Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Využití simulačního softwaru pro pokročilé plánování a rozvrhování

Počítačová simulace je jednou z velmi účinných metod pro zvýšení celkové efektivity výrobního systému; proto tento článek pojednává o návrhu a simulaci výrobních zařízení a procesů v diskrétních výrobních systémech. Simulace je neinvazivní metoda, pomocí níž lze sledovat a analyzovat chování ještě neexistujícího nebo již reálného systému. Znamená to, že lze zkoumat účinek změn ve výrobním systému bez následků, které by měla jejich aplikace v reálném systému. V článku jsou zmíněny příklady realizovaných projektů v oblasti transportu polotovarů.

Úvod

V současném silně konkurenčním prostředí je pro každý výrobní podnik důležité, aby uspěl na trhu a zvýšil svou ziskovost. Nicméně vybudovat výrobní systém není otázka dnů, týdnů či měsíců. Je to úkol obvykle na několik let.

Obecně existuje mnoho postupů pro zvýšení efektivity diskrétní výroby. U diskrétních výrobních systémů může být většina metod komplikovaných, náročných na zdroje (např. peníze a čas) a často mohou takové metody selhat. Řešením je využití počítačové simulace, která umožňuje „napodobit“ procesy nebo systémy v reálném světě a vyzkoušet jejich chování v čase. Simulace zahrnuje pozorování umělé historie modelu systému, na jehož základě lze vyvodit závěry týkající se provozních vlastností skutečného systému, který je modelem reprezentován. Za využití simulačního softwaru je sestaven diskrétní simulační model. Model diskrétních událostí je model, v němž se stavové veličiny mění pouze v těch diskrétních bodech v čase, kdy dochází k událostem [1]. Model reprezentuje dynamické charakteristiky fyzického systému. Simulační model má dvě výhody. Zaprvé umožňuje vytvořit varianty různých technických či logistických řešení, na nichž lze zkoumat, měnit a vyhodnocovat podmínky procesu a další parametry bez nutnosti měnit aktuální výrobní systém. To také znamená, že nevznikají ztráty způsobené poškozením polotovaru či výrobního zařízení. Druhou výhodou je, že model ukazuje (s určitým stupněm spolehlivosti) chování a stav procesů v budoucnosti. Na základě výstupů simulačního modelu (jeho variant) lze analyzovat chování současného nebo ještě neexistujícího výrobního systému, odhalit jeho úzká místa, zvýšit výrobnost systému, optimalizovat využití zdrojů atd. Zkoušení variant a vyhodnocování chování reálného systému je po všech stránkách nevýhodné, často nebezpečné a pravděpodobnost poškození samotného zařízení nebo vyráběného produktu je vysoká.

Simulační model transportu disků

Případová studie se zabývá problematikou zvýšení výrobnosti (produktivity) dopravníkového systému. Bylo vytvořeno a porovnáváno několik variant modelu, aby mohlo být vybráno nejlepší technické řešení.

Výroba se skládá ze sekce lisování a soustružení, následuje transport na dopravníku s vozíky a poslední sekcí je kontrola kvality a expedice. V první části se polotovary přepravují transportní linkou nejdříve na lis, odkud pokračují na soustruhy. První typ disku je opracováván na soustruhu A, druhý typ na soustruhu B. Materiálový tok navazuje na sklad rozpracované výroby, ze kterého se osoustružené disky naloží do dvou přepravních jednotek a jsou transportovány po dopravníku k sekci kontroly jakosti a expedice. Kapacita každé dopravní jednotky je dvanáct disků. Potom jsou disky vizuálně zkontrolovány, vadné výrobky jsou uloženy do skladu zmetků a kvalitní kusy jsou expedovány. Na obr. 1 je ukázáno rozložení výrobního systému.

Bylo vytvořeno několik variant simulačního modelu. Reálné změny vyplývají z podrobné analýzy současného výrobního systému, jež byla provedena simulací. Na základě této analýzy bylo zjištěno několik úzkých míst systému, proto byla v jednotlivých variantách modelu zahrnuta opatření k jejich odstranění. Jedním z opatření bylo přidání dalšího soustruhu A, jenž byl shledán úzkým místem na základě analýzy využití zdroje, které bylo téměř 100% (obr. 2), a tvorby fronty před soustruhem. Dále byl zkoumán vliv změny kapacity transportních jednotek, reorganizace dopravníkového systému, navýšení počtu transportních jednotek atd.

Na základě simulace alternativ modelu a analýzy výsledků byla zjištěna optimální konfigurace výrobních a transportních zařízení. Simulovaná výrobnost se oproti původnímu výrobnímu systému zvýšila o více než 30 %.

Simulační model transportu polotovarů na mořicí lince

Druhým realizovaným projektem byl transport polotovarů na mořicí lince. Na simulačním modelu mořicí linky lze zkoumat mnoho vstupních parametrů v několika variantách modelu. Ve výsledku jsou nalezeny optimální parametry mořicí linky. Cílem tvorby modelu mořicí linky může být např. optimalizace transportních dob, hledání vhodného převěšovacího místa, optimalizace využití strojů (obr. 3) a parametrů transportu atd.

Mořicí linka (obr. 4) byla transformována do simulačního modelu, tzn. že byla vytvořena co nejpřesnější počítačová reprezentace linky se všemi komponentami a vazbami. Do modelu byly zaneseny mořicí vany, transportní systém s jeřáby, vstupní a výstupní dopravník a další nezbytné prvky. Tyto prvky byly také propojeny logickými vazbami a vztahy jako v reálném výrobním systému.

Jedním z takových vstupů byly receptury, podle kterých jsou polotovary zpracovávány. Každý polotovar může mít svou vlastní recepturu. Příslušnost polotovaru k receptuře se potom vyhledává pomocí primárního klíče v matici receptur (tab. 1). V tomto případě bylo záměrem simulovat mořicí linku, do které vstupují různé polotovary s různými recepturami. Simulační model byl vytvořen pro různé struktury mořicích plánů.

Dalším vstupem byla kapacita mořicí linky za hodinu. Po simulaci namodelované linky byla zjištěna dosažitelná výrobnost (tzn. produktivita mořicí linky za hodinu) pro kombinaci různých mořicích plánů.

Výstupem není jen samotný simulační model a měřitelné výsledky, ale i výrobní protokol pro polotovar. Ten je uložen v databázi a je zpětně dohledatelný pro další použití. Model je možné propojit i na úroveň plánování výroby a řízení zakázek.

Simulační software

Pro tvorbu simulačních modelů výroby byly použity softwarové nástroje z řady APS – Advanced Planning and Scheduling (pokročilé plánování a rozvrhování). Systémy pro pokročilé plánování a rozvrhování se odkazují na proces řízení výroby, kde jsou optimálně přidělené zdroje a výrobní kapacity pro uspokojení poptávky.

Projekt transportu polotovarů na mořicí lince byl realizován v softwaru Syteline APS. Tento systém poskytuje různé možnosti modelování, které lze použít k reprezentaci fyzického výrobního procesu. Z důvodu modernizace softwarového vybavení byly další projekty, včetně simulačního modelu transportu disků, implementovány v simulačním softwaru Tecnomatix Plant Simulation od firmy Siemens [2]. Plant Simulation je simulační nástroj pro modelování diskrétních událostí, ve kterém lze vytvořit digitální modely logistických systémů. Tyto digitální modely umožní spouštět experimenty a scénáře what-if. Obsahuje také rozsáhlé analytické nástroje, jako jsou statistické analýzy a grafy, pomocí kterých lze vyhodnotit různé výrobní scénáře. Tecnomatix Plant Simulation má také modul Interface Package pro napojení na reálné systémy řízení PLC a HMI prostřednictvím OPC (obr. 5).

Literatura:

[1] BANKS, J.: Discrete Event Simulation. Initially published in the Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference (ed. P. A. Farrington, H. B. Nembhard, D. T. Sturrock, G. W. Evans) pp. 7–13. Dostupné na <www.telecom.otago.ac.nz/tele302/ref/Banks_DES.pdf>, [cit. 24. 4. 2013].

[2] Plant Simulation. Siemens, 2013. Dostupné na <www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/plant_design/plant_simulation.shtml>, [cit. 24. 4. 2013].

Ing. Ivana Simeonovová, Ing. Robert Hofman, Taurid Ostrava s. r. o.

Obr. 1. Schéma výrobního systému na výrobu disků – počáteční model

Obr. 2. Využití soustruhu A ve všech alternativách modelu

Obr. 3. Využití jeřábu linky

Obr. 4. Model mořicí linky s jeřáby a vanami

Obr. 5. Propojení simulačního nástroje se simulačním serverem prostřednictvím rozhraní OPC

Tab. 1. Matice receptur a polotovarů

kód oceli

XC65

WH17

SK34

SK71

TR25

XC63

AW88

VS01

FA91

receptura

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

×

×

 

 

 

 

 

22

 

 

 

 

 

×

 

 

 

23

 

 

 

 

 

 

×

 

 

24

×

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

 

 

×

 

 

 

 

26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

 

 

 

 

 

 

 

×

 

28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

 

×

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

 

 

 

 

×

31

 

 

 

×

 

 

 

 

 

31

 

 

 

 

×