SIMULACE VYBRANÉ VÝROBNÍ LINKY KLIMATIZACE JAKO KOMPONENTA DIGITÁLNÍ TOVÁRNY SVOČ – FST 2011 Bc. Jiří Kopenec, Západočeská univerzita v Plzni Tylova 2081, 446 01 Litvínov Česká republika
ABSTRAKT Tématem této práce je seznámení s konceptem digitální továrny, zmapování trhu se softwarovými nástroji a vytvoření rešerše softwarových nástrojů v oblasti digitální továrny a dále úvod do problematiky diskrétní simulace. Praktickým výstupem práce je vytvoření simulačního modelu vybrané výrobní linky klimatizace ve společnosti Daikin Industries Czech republic, s.r.o., přičemţ simulační model je navrţen v softwaru Plant Simulation od společnosti Siemens PLM Software.
KLÍČOVÁ SLOVA Digitální továrna, Delmia, Tecnomatix, Plant Simulation, diskrétní simulace, model.
ÚVOD Vzhledem k současnému turbulentnímu prostředí, dochází k rychlým a neočekávaným změnám na trhu. Podniky se tedy musí snaţit na tyto změny reagovat v co moţná nejkratší době a co nejefektivněji. K tomu jim mohou pomoci nástroje digitální továrny, které se díky obrovskému pokroku v posledních letech v oblasti automatizace, výpočetních, informačních a komunikačních technologií staly výkonnými prostředky. Poskytují podnikům počítačovou podporu pro řešení řady odlišných situací, které mohou nastat v libovolných fázích ţivotního cyklu výrobku. Jedná se tedy o softwarové nástroje, které poskytují podporu napříč celým ţivotním cyklem výrobku (Product Life Cycle Management) a mohou pomoci např. při návrhu nového či optimalizaci jiţ existujícího výrobního pracoviště. Díky těmto nástrojům jsou podniky schopny reálně zachytit např. proces výroby ve virtuálním prostředí včetně všech probíhajících procesů, ke kterým v reálném procesu skutečně dochází. Přínosem nástrojů digitální továrny je moţnost sníţení výrobních nákladů, sníţení času potřebného k uvedení nového výrobku na trh, apod. V tomto okamţiku tedy hovoříme o konceptu digitální továrny. Je tedy chápána jako virtuální obraz reálné výroby, přičemţ jsou zachyceny, modelovány a simulovány jednotlivé procesy, které při výrobě nastávají. Jak jiţ bylo řečeno, nástroje digitální továrny poskytují podporu řady oblastí. Jednou z nich je také simulace. V rámci této diplomové práce je řešena problematika diskrétní simulace. Simulace je ve své podstatě výzkumnou metodou, jejíţ postup je následující. Zkoumaný systém nahradíme jeho tzv. simulátorem a následně ho podrobíme simulačním experimentům, jejichţ cílem je získání informací o původním zkoumaném systému. Diskrétní simulace slouţí k tvorbě modelů řízených diskrétními událostmi. Jedná se tedy o modely, ve kterých se hodnoty stavových proměnných mění většinou asynchronně v mnoţině diskrétních časů. Na rozdíl od spojité simulace vyuţívá diskrétní simulace nejčastěji numerických nástrojů a výpočetních postupů, na jejichţ základě jsou získány numerické výsledky jednotlivých simulačních běhů. Podstatou je tedy imitace chování reálných systémů v čase a jsou sbírány a následně analyzovány výstupní data z modelu. Diskrétní simulace tak zodpovídá otázky typu „Co se stane, kdyţ …?“. Mezi modely řízené diskrétními událostmi patří například modely výrobních systémů, logistických procesů, apod.
DIGITÁLNÍ TOVÁRNA Pojem digitální továrna označuje velmi široké téma a prozatím neexistuje její jednotná definice. Jedná se o dynamicky rozvíjející se koncept, zaloţený na aplikaci digitálních modelů, modelování a simulaci. Přínosy digitální továrny spočívají v obrovském potenciálu pro rychlé, efektivní a konečné řešení výrobků a výrobních systémů. Se softwarovou podporou pro různé části výrobních fází se setkáváme jiţ mnoho let, např. CAD podporují návrh výrobků jiţ přes 20 let. Nicméně o digitální továrně hovoříme aţ od okamţiku, kdy došlo k plné integraci digitálního zpracování a toku informací od vývoje, konstrukci, technologii, výrobu po řízení podniku (viz. Obrázek 1 - Vztah CAD/CAM, MPM a ERP).
Obrázek 1 - Vztah CAD/CAM, MPM a ERP Dle spolku německých inţenýrů (VDI – Richtlinie 4499) je digitální továrna definována takto: „Digitální továrna je zastřešující pojem pro rozsáhlou síť digitálních metod, modelů a nástrojů (včetně simulace a 3D vizualizace), které jsou integrovány v rámci průběžného datového managementu. Cílem je komplexní a systémové plánování, verifikace a průběžné zlepšování všech důležitých struktur, procesů a zdrojů reálné továrny v souvislosti s jejími výrobky.“ Aplikací nástrojů digitální továrny dochází ke změnám charakteru inţenýrské práce z klasické průběţné přípravy výroby na přípravu výroby s vyuţitím metod paralelního inţenýrství. Na základě změny povahy inţenýrské práce vyplývají přínosy aplikace digitální továrny. PŘÍNOSY DIGITÁLNÍ TOVÁRNY -
čas: rychlost návrhu a jeho analýza probíhá ve virtuálním světě rychleji, jednou digitálně zachycená data je moţné kdykoli opětovně vyuţít, pomocí simulace je moţné získat funkční prototyp mnohem dříve neţ při zkouškách s reálným prototypem, …
-
náklady: vlivem paralelnosti prací dochází ke sniţování nákladů, odpadají náklady na prototypy, moţnost redukce úzkých míst a tím zvýšení průtoku výrobní základny, redukce duplicit v přípravných etapách, …
-
flexibilita: simulací je moţné ověřit varianty ještě před uvedením do provozu nebo dokonce i před vlastním nákupem strojů a zařízení, …
-
kvalita: odstranění tzv. dětských nemocí ve fázi zavádění na trh, efektivnější vyuţití zdrojů a lepší logistika, …
SOFTWAROVÉ NÁSTROJE DIGITÁLNÍ TOVÁRNY V současnosti existuje celá řada softwarových produktů, které více či méně vyuţívají konceptů digitální továrny. Nicméně pokud se zaměříme na systémy, které jsou skutečně integrované a komplexně pokrývají oblast digitální továrny, pak existují pouze dva produkty poskytující komplexní řešení této oblasti. Prvním z nich je DELMIA společnosti 3DS a druhým je Tecnomatix společnosti Siemens PLM Software. V rámci mé diplomové práce je zpracována rešerše těchto dvou produktů včetně charakteristiky jejich jednotlivých submodulů.
DISKRÉTNÍ SIMULACE Pojem diskrétní simulace byl osvětlen jiţ v úvodu, a proto bych se v této části rád zaměřil na přiblíţení praktické části mé diplomové práce, která spočívala ve vytvoření simulačního modelu výrobní linky ve společnosti Daikin Industries CZ. Z tohoto popisu vyplývají jednotlivé fáze simulačních procesů, kterými je obecně nutné projít a kterým je nutné věnovat dostatečnou pozornost. To je důleţité zejména z toho důvodu, ţe výrazným způsobem ovlivňují celkový úspěch simulace. ROZPOZNÁNÍ A DEFINICE PROBLÉMU Úspěch této fáze spočívá ve vzájemné spolupráci s manaţery, mistry a operátory, jelikoţ právě tyto osoby jsou kompetentní a mají přehled o chování simulovaného systému. Předmětem simulace v této diplomové práci je montáţní linka na výrobu dvou druhů základních rámů (staršího typu NW-S2 a novějšího UX-2). V této fázi dochází k seznamování s problematikou systému, jeho rozsahem a na základě tohoto poznání je nutné určit, zda je vhodné úlohu řešit pomocí simulace či jiným způsobem. Nedílnou součástí je také vymezení systému a stanovení cílů. Cílem simulace montáţní linky je vytvoření simulačního modelu, vykonání experimentů, určení úzkých míst a následný pokus o jejich optimalizaci. Dalším cílem je zjištění vytíţenosti jednotlivých pracovišť při náhlé změně výrobního poměru základních rámů.
VYTVOŘENÍ KONCEPTUÁLNÍHO (POJMOVÉHO) MODELU Konceptuální model poskytuje základní představu o simulovaném systému. Je vytvářen před začátkem programování počítačového modelu. Nabízí se čtyři moţné způsoby k jeho vytvoření, a to verbální, schematický, matematický popis nebo vývojový diagram. POPIS VÝROBY NA MONTÁŽNÍ LINCE SF Výroba na montáţní lince SF probíhá ve 2 směnném provozu. Tok materiálu je na této lince, ostatně jako v celém podniku, řízen pomocí integrovaného kanbanového systému. Všechen materiál je uskladněn v tzv. parts centru a na základě poţadavků z výroby je následně dopravován na výrobní linku, přičemţ kaţdý materiál má jasně definováno své umístění v kanbanových regálech okolo pracoviště. Schéma montáţní linky je patrné z následujícího obrázku (viz. Obrázek 2 - Analýza materiálových a informačních toků montážní linky SF). Montáţní linka se skládá z předpřípravných pracovišť, kde jsou některé komponenty připravovány pro následnou montáţ na hlavní montáţní lince. Hlavní montáţní linka se skládá z 15 pracovišť, přičemţ posledními pracovišti jsou dvě pozice kontroly, pozice provozních testů a pozice opravy. Na lince se vyrábí 2 druhy základních rámů, které do výroby vstupují vţdy po 15 kusech. Hotové základní rámy jsou ukládány do dopravních vozíků a po jejich naplnění jsou dopravovány na další výrobní linky.
Obrázek 2 - Analýza materiálových a informačních toků montážní linky SF SBĚR DAT Další fází, která výrazným způsobem ovlivňuje výsledek simulačního procesu, je sběr dat. Pro zajištění úspěchu je nutné mít k dispozici správná data, která musí splňovat základní poţadavky např. relevantnost, přesnost a jednoznačnost informací (dat). V rámci této fáze jsem sbíral data o trvání jednotlivých činností v rámci montáţní linky SF, jako jsou např. doby montáţních operací, délky zásobovacích cyklů, analýzy materiálových a informačních toků, apod. Pro stanovení trvání doby montáţních operací jsem kaţdé pracoviště podrobil výběrové chronometráţi, jejíţ výsledky pro konkrétní pracoviště jsou patrné z následující tabulky (viz. Tabulka 1 - Formulář pro výběrovou chronometráž pozice č.1 základního rámu UX-2). Výslednými daty, pouţitými v simulaci, jsou průměrný čas a směrodatná odchylka.
Tabulka 1 - Formulář pro výběrovou chronometráž pozice č.1 základního rámu UX-2 VYTVOŘENÍ SIMULAČNÍHO MODELU Tato fáze spočívá v převedení konceptuálního (pojmového) modelu do počítačové reprezentace. Nyní budou ukázány části simulačního modelu a postup jejich nastavení. V rámci simulačního modelu bylo nutné nastavit řadu parametrů, některé manuálním způsobem a řadu dalších naprogramovat pomocí tzv. metod. Tyto metody v rámci programu Plant Simulation resp. v rámci objektového programování řídí tok materiálu. Metody v mém simulačním modelu řídí například nakládku a vykládku zboţí na poţadovaných místech, objednávají materiál, apod. Celý model je zpravidla moţné rozdělit do několika základních částí, které společně tvoří komplexní model. Konkrétně se jedná o vznik a definici výrobků, výrobní pracoviště a zánik výrobků. Nyní tedy následuje částečná ukázka jednotlivých částí simulačního modelu. VZNIK A DEFINICE VÝROBKŮ Vstupní část simulačního modelu obecně v tomto případě tvořena následujícími prvky (viz. Obrázek 3 - Detail místa vzniku výrobků a jejich dopravy): -
SourceP1, SourceP2, …
Vstup materiálu do výroby
-
BufferVstup
Neomezený zásobník pro polotovary
-
SourceTrain
Vytvoření zásobovacího vláčku
-
Track
Cesta pro zásobovací vláček
Obrázek 3 - Detail místa vzniku výrobků a jejich dopravy Zboţí je tedy vytvořeno na základě poţadavků z výroby pomocí jednotlivých kanbanových zdrojů, přičemţ u kaţdého zdroje jsou nastaveny entity, které bude vytvářet. V okamţiku vstupu jakékoli entity do zásobníku BufferVstup dochází ke spuštění mnou naprogramované metody, která dané entity zařadí do poţadavků na dopravu. Následně dojde k vygenerování dopravního vozíku a v okamţiku, kdy vozík přijede k tomuto zásobníku, dojde ke spuštění další naprogramované metody řídící proces nakládky. Tato metoda načte entitu, zjistí z tabulky zakázky na dopravu cílovou destinaci a entitu naloţí na zásobovací vozík. METODA NAKLÁDKA (sensorID : integer; Front : boolean) is currPart, nextPart, Vozik : object; Preprava : table; CisloVoziku : object; Vyrobek : object; n : integer; do inspect @.name –- načte jméno entity, která spustila metodu when "Tractor" then -- pokud je jméno entity Tractor, vykonají se následující příkazy for local j := 1 to 3 loop Preprava := Vehicle["PrepravovaneDily",j]; for local i := 1 to 4 loop -- nacteme si prvni zakazku ze seznamu k doprave if not TransportOrders.empty then currPart := TransportOrders.pop; -- do tabulky k voziku si ulozime jakou zakazku budeme prepravovat Preprava.writeRow(1,i,currPart); -- zastavime vozik .MUs.Train:1.stopped := true; -- nalozime zakazku na vozik currPart.move(Vehicle["Vozik",j]); -- vozik se znovu rozjede .MUs.Train:1.stopped := false; else .MUs.Train:1.stopped := false; end; next; next; end; end;
Zboţí je touto metodou naloţeno na dopravní vozík, který jej dopravuje z parts centra do kanbanových regálů umístěných podél montáţní linky. Zásobovač má přesně určenou trasu a místa vykládek jednotlivých dílů. Materiál vykládá na třech různých stanovištích a z tohoto důvodu bylo nutné naprogramovat další metody, které řídí vykládku.
Tyto metody jsou opět spuštěny senzorem umístěným na cestě dopravního vozíku a v okamţiku, kdy přes něj vozík přejede, dojde k vykonání jednotlivých příkazů. ČÁST METODY VYKLÁDKA1 (sensorID : integer; Front : boolean) is currPart : object; Preprava : table; KB_Target : object; Row : integer; do inspect @.name -- prochází jméno výrobky when "Tractor" then –- pokud je jméno výrobku “Tractor” vykoná následující příkazy for local j := 1 to 3 loop –- pro 3 zásobovací vozíky Preprava := Vehicle["PrepravovaneDily",j]; -- načte přepravované díly z vozíku for local i := 1 to Preprava.yDim loop –- cyklus pro kapacitu vozíků if Vehicle["Vozik",j].occupied then -- jestliže je obsazen, pak vykonává příkazy currPart := Preprava["Vyrobek",i]; -- načte přepravovanou součást if currPart = void then -- pokud se na místě nic nenachází, vymaže řádek tabulky Preprava.cutRow({"Vyrobek",i}); elseif currPart.KB_Target =.Models.Frame.BufferVelkyPol1P199121_1 then currPart.move(.Models.Frame.Buffer2); -- vyloží materiál .MUs.Train:1.stopped := true; Preprava.delete({"Vyrobek",i}); elseif currPart.KB_Target = .Models.Frame.BufferTes3P209973_2 then currPart.move(.Models.Frame.Buffer2); .MUs.Train:1.stopped := true; Preprava.delete({"Vyrobek",i}); elseif currPart.KB_Target = .Models.Frame.BufferTes3P209973_3 then currPart.move(.Models.Frame.Buffer2); ... ...
VÝROBNÍ PRACOVIŠTĚ Po vyloţení materiálu je tok materiálu řízen pomocí kanbanových zásobníků, které si ţádají materiál od svých dodavatelů. Materiál se tak dostane postupně na hlavní montáţní linku. Tok materiálu je primárně řízen kanbanovými zásobníky, avšak bylo nutné naprogramovat i další metody. Funkcí těchto metod je například objednávat materiál na základě výrobních postupů pro jednotlivé montáţní pozice (metody DodejMaterial, DodejMaterial1). Další významnou metodou je ta, která načítá doby trvání montáţních operací z výrobních postupů (metoda ZjistiVyrobniCas). METODA DODEJMATERIAL is VyrPostup Pozadavky Vyrobek dil pocet j k i Celkem zdroj destination Krok AssemblyTable
: : : : : : : : : : : : :
table; table; string; string; integer; integer; integer; integer; integer; object; object; integer; table[integer,integer];
do Vyrobek := @.name; -- načte výrobek, který zavolal metodu Krok := @.Krok; -- načte výrobní krok Krok := Krok +1; -- zvýší výrobní krok o 1 @.Krok := Krok; VyrPostup := Postupy["Postup",Vyrobek]; -- načte tabulku výrobních postupů pozadavky := VyrPostup["krok",krok]; -- načte požadavky na materiál celkem := 0; -- vynuluje množství AssemblyTable.create; -- vytvoří montážní tabulku
for j := 1 to pozadavky.YDim loop – prochází tabulku požadavků dil := pozadavky["Nazev",j]; -- načte daný díl pocet := pozadavky["Pocet",j]; -- načte množství celkem := celkem + pocet; zdroj := pozadavky["Dodavatel",j]; -- načte dodavatele zdroj.requestParts(dil,pocet); -- určí dodavatele next; -- opakuje cyklus destination := VyrPostup["pracoviste",krok]; -- načte místo zavolání metody AssemblyTable.writeRow(1,1,2,celkem); -zapíše do montážní tab. č. dodavatele a dodané množství destination.assemblyList := AssemblyTable; -- @.move; end;
Obrázek 4 - Detail hlavní montážní linky
Obrázek 5 - Detail místa vykládky 2
VERIFIKACE A VALIDACE SIMULAČNÍHO MODELU Výsledky simulačních úloh se pouţívají například jako podklad pro rozhodování o plánovaných investicích. Z tohoto důvodu musí mít zadavatel projektu jistotu, ţe vytvořený model a výsledky simulace jsou správné. Nejprve je tedy nutné prokázat, ţe vytvořený model v počítači byl technologicky správně vytvořen. To znamená, ţe byl správným způsobem převeden konceptuální model (verifikace). Poté následuje validace, která prokazuje celkovou správnost modelu. PROVEDENÍ EXPERIMENTŮ Účelem experimentů je například snaha o nalezení úzkých míst, jejich následné odstranění. Z toho plynou přínosy jako zkrácení doby výroby, sníţení nákladů, atd. Účelem experimentů bylo také zjištění vytíţenosti jednotlivých pracovišť. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Aplikace konceptu digitální továrny či jejích komponent (např. simulace) se bude do budoucna rozšiřovat i do dalších oblastí lidského ţivota, a tudíţ je účelné věnovat této problematice dostatečnou pozornost. Z této práce vyplývají přínosy digitální továrny, se kterými nám její komponenty mohou pomoci. Rešerše softwarových nástrojů poskytuje přehled o jednotlivých programech a jejich modulech. V práci se seznámíte s diskrétní simulací, jejími zásadami a z této části následně vychází tvorba vlastního simulačního modelu. Výsledkem tohoto simulačního modelu je totoţné chování s reálným systémem, kterým je montáţní linka ve společnosti Daikin Industries CZ a nyní je zde prostor pro jeho optimalizaci. PODĚKOVÁNÍ Rád bych vyjádřil poděkování všem těm, kteří mi s přípravou mé diplomové práce pomáhali. Zejména děkuji panu doc. Ing. Václavu Votavovi, CSc. za odborné vedení práce a také pánům Ing. Zdeňkovi Ulrychovi, Ph.D. a Ing. Petru Kazdovi za pomoc při konzultacích mé diplomové práce. LITERATURA [1] LEEDER, Edvard. Digitální fabrika. Plzeň, 2006. 124 s. VV report. ZCU [2] GREGOR, Milan, et al. Digitalný podnik. Prve vydanie. Ţilina : Slovenske centrum produktivity, 2006. 148 s. ISBN 80-969391-5-7 [3] BANKS, J., CARSON, J.S., NELSON, B.L., NICOL, D.M. Discrete Event Systém Simulation. Prentice Hall, 2005. ISBN 0-13-144679-7 [4] VOTAVA, V., ULRYCH, Z., HÁN, J., HOREJŠÍ, P., RAŠKA, P. Kurz simulace ve stroj.renstv.. CD. Plzen: ZCUKPV,2005 [5] Technomatix : Plant Simulation Basics Student Guide. USA : Siemens, 2009. 476 s.
