Využití simulace procesů v automobilovém průmyslu Jan Daněk, HUMUSOFT s.r.o. Praha,
[email protected] Schopnost efektivního řízení změn procesů je jedním z klíčových faktorů úspěchu v automobilovém průmyslu. Výrobci automobilů i jejich dodavatelé jsou pod soustavným tlakem zkracování průběžných časů a snižování výrobních nákladů. Současně se svyšuje náročnost zákazníků co se týče kvality, rozmanitosti variant a doplňků i dalších souvisejících služeb, což dále zvyšuje komplexitu nejenom výrobních a distribučních systémů, ale i všech ostatních podnikových procesů v celém úzce provázaném dodavatelském řetězci. Mnoho společností proto s cílem zvyšování efektivity a plnění neustále se zpřísňujících podmínek na trhu implementuje techniky moderního řízení výroby, jako jsou JIT a principy štíhlé výroby, jejichž součástí je i soustavné zlepšování procesů. V odvětví, kde je pro zajištění úspěchu na trhu nutné rychle provádět mnoho složitých změn, je vysoké riziko enormních ztrát vyplývajících z chyb při realizaci těchto změn. Jak lze provádět změny a mít přitom jistotu, že povedou k zamýšleným výsledkům, a to již předtím, než je provedeme? Pro mnoho nejúspěšnějších světových výrobců automobilů a jejich dodavatelů je odpovědí využití simulačních nástrojů společnosti Lanner. Simulační program WITNESS napomáhá organizacím predikovat důsledky prováděných změn. Tím, že lze změny vyhodnotit ještě předtím, než jsou realizovány, dochází k výraznému snížení tohoto rizika. Uživatelé programu WITNESS v automobilovém průmyslu dosahují například následující kvantifikovatelné přínosy:
Zkrácení průběžných časů výrobků a časů dodávek materiálů
Zvýšení produktivity pomocí odstraňování úzkých míst a eliminace výpadků výroby způsobených nedostatkem materiálu
Zvýšení výrobních kapacit pomocí zvýšení využití všech zdrojů
Snížení provozních nákladů a kapitálových investic
Simulace ovšem přináší i další, neměřitelné výhody – zvýšení důvěry v navrhovaná řešení, snížení rizika při rozhodování, lepší komunikace v rámci pracovních týmů vedoucí k rychlejší akceptaci navrhovaných změn a podobně. Jednou ze silných stránek programu WITNESS je jeho flexibilita. S pomocí programu WITNESS lze modelovat v podstatě jakýkoliv výrobní, logistický nebo obslužný proces. Je to ideální nástroj pro využití v automobilovém průmyslu, protože v tomto odvětví lze nalézt snad všechny typy podnikových procesů. Uživatelé programu Witness jej využívají například pro:
návrh výrobních systémů plánování a rozvrhování výroby rozmístění výrobních zařízení logistiku dodávek součástí k výrobním a montážním linkám optimalizace výroby pohonných jednotek a dalších komponent optimalizace procesů v lisovnách, svařovnách, lakovnách i při montáži logistika dodavatelských řetězců ověření oprávněnosti kapitálových investic efektivita telefonních obslužných center
Jako příklad využití simulace v automobilovém průmyslu v dalším popíšeme simulační systém FORMAT využívaný ve firmě FORD:
FORMAT – "Ford Material Handling Tool" Modulární systém pro simulaci zavážení materiálu k obráběcím a montážním linkám v motorárně firmy FORD. Tento příspěvek popisuje generický modulární systém FORMAT (Ford Material Handling Tool) pro simulaci vnitrozávodové dopravy materiálu ze skladů na zavážecí místa rozmístěná u obráběcích a montážních linek. Simulační model realizovaný v programu WITNESS je vytvářen automaticky, s využitím CAD layoutu výrobního procesu na pozadí. Všechny údaje potřebné pro tvorbu modelu jsou importovány z uživatelského prostředí programu Excel. Do tohoto uživatelského rozhraní jsou zpět exportovány klíčové výsledky simulace. Za účelem urychlení vývoje modelů a zvýšení jejich spolehlivosti je využita modulární struktura programu WITNESS, který umožňuje skládání simulačních modelů z různých modulů, představujících jednotlivé podsystémy procesu. 1. ÚVOD Systém FORMAT, jehož jméno je akronymem názvu “Ford Material Handling Tool”, je určen pro optimalizaci dodávek materiálu k linkám obrábějícím díly a dále k montážním linkám finálních produktů v motorárně. Systém byl navržen tak, aby umožnil simulaci manipulace s materiálem průmyslovým inženýrům firmy Ford. K tomu bylo nutné splnit následující cíle:
minimalizovat potřebu pokročilých modelářských dovedností v programu WITNESS,
urychlení a usnadnění tvorby a modifikace modelů logistických procesů,
snížení rizika chyb tím, že při tvorbě modelů jsou opakovaně používány prověřené simulační techniky a způsoby zadávání vstupních údajů,
eliminace rizika, že v modelu jsou "zapomenuty" komponenty, které již neodpovídají aktuálnímu stavu procesu tím, že pracovní simulační model je vždy znova generován na základě aktualizované knihovny modulů.
Modul v našem případě znamená “skupinu simulačních elementů, které spolu reprodukují fuknčnost určitého složitějšího celku” např. místo pro zavážení materiálu k lince. FORMAT se skládá z uživatelského rozhraní v programu Microsoft Excel, knihovny funkčních modulů programu WITNESS a základního simulačního modelu v programu WITNESS. Uživatelské rozhraní obsahuje všechna data potřebná k vytvoření funkčního simulačního modelu a k definici všech jeho parametrů. Knihovna obsahuje sadu modulů, které reprezentující různé podprocesy, které se nacházejí v simulovaném systému. Základní model v programu WITNESS obsahuje parametrizovaný CAD layout výrobního systému a simulační elementy, které umožňují import externích modulů a nastavení parametrů vytvářeného simulačního modelu podle hodnot vstupních parametrů v uživatelském rozhraní. Využití modulů a opakovaně využitelných bloků má následující výhody:
chování a struktura každé kopie knihovního modulu aktivní v simulačním modelu jsou identické s chováním zdrojového modulu,
moduly v knihovně mohou být snadno modifikovány,
změny knihovních modulech lze snadno aplikovat v pracovním simulačním modelu – prostým přegenerováním modelu.
Změny knihovních modulů se provádějí tak, že modul se načte do programu WITNESS, upraví se a opět se vyexportuje ve formě knihovního modulu.
2. MODEL Jako grafické pozadí je využit CAD layout příslušné části výrobního procesu, naimportovaný do galerie obrázků programu WITNESS, kde je uložen ve vektorové formě a zobrazen v jedné grafických vrstev. Tato vrstva je poté uzamčena, aby se zabránilo nechtěným úpravám pozadí.
Obr. 1.: Část simulačního modelu FORMAT – výřez layoutu a některé reporty Pracovní model v programu WITNESS je navržen pro simulaci několika týdnů výroby. Během této doby se na všech modelovaných místech zavážky spotřebovávají součásti. Zavážené položky představují surové bloky motorů dopravované na začátek obráběcí linky, opracované hlavy válců vycházející z linky pro obrábění hlav a velké množství dalších dílů, které jsou montovány k bloku motoru během jeho průchodu montážní linkou. Položky se spotřebovávají vždy, když se započne montážní operace asociovaná s příslušným zavážecím místem. Zásoby dílů u montážní linky se tak snižují, když zásoba poklesne pod určitou úroveň, automaticky je objednána dodávka plných kontejnerů. Dojde-li k vyčerpání zásob, tato situace je zaznamenána, a podle daných rozhodovacích pravidel dojde k zastavení příslušné linky. Díly jsou zaváženy z interního skladu – supermarketu – vozíky, které se pohybují v síti uliček vedoucí ke každému zavážecímu místu. Transportovány jsou v kontejnerech, které mohou obsahovat, v závislosti na velikosti a hmotnosti součástí, od několika málo do několika tisíc součástí. Několik typů dílů může být dopraveno na určitý zavážecí bod současně. Když přijde dodávka, prázdné kontejnery se vymění za plné a odpovídajícím způsobem se aktualizuje zásoba příslušného dílu v zásobnících podél linky. Obsahuje-li dodávka díly, jejichž zásoba byla předtím nulová, může se obnovit montáž. Simulační model průběžně zaznamenává všechny důležité provozní informace a exportuje je zpátky do uživatelského rozhraní. Výsledky simulace mohou být použity k analýze výkonnosti logistického systému, určení robustnosti modelovaného řešení a k zjištění pracovního vytížení řidičů. Jsou navrženy sady experimentů, které umožňují zjistit vztah mezi výkonností systému a počtem pracovníků za určitých provozních podmínek. Tímto způsobem lze prověřovat různé zamýšlené varianty fungování systému a objektivizovat tak rozhodovací proces.
3. STRUKTURA MODELOVACÍHO NÁSTROJE 3.1 VSTUPNÍ DATA Vstupní data jsou zadávána uživatelem s pomocí sady připravených formulářů v programu Microsoft Excel (uživatelské rozhraní). Pro kontrolu správného zadání údajů a příslušnou nápovědu jsou využity funkce Excelu. Tato sada formulářů v uživatelském rozhraní obsahuje kompletní informace potřebné k sestavení funkčního simulačního modelu procesu. Tyto informace jsou pomocí maker převedeny do sekundárních tabulek, ve kterých jsou k dispozici ve formátu vhodném pro použití v programu WITNESS.
Obr. 2.: Příklad zadávání údajů prostřednictvím uživatelského rozhraní v programu Excel Nejdůležitější informace pro tvorbu modelu jsou obsaženy v standardním formuláři firmy Ford - tzv. plánu součástí (Plan for Every Part, PfEP). PfEP identifikuje každou položku, která se má dopravovat k obráběcím a montážním linkám. Obsahuje informace o tom, kam se má díl zavézt, metodu zavážení, kapacitu kontejneru a hodinovou spotřebu daného dílu. Části formulářů PfEP jsou zkopírovány do předpřipravených listů, kde se agregují informace o všech součástích. Podobným způsobem se agregují všechny další potřebné informace z různých podnikových informačních zdrojů. V uživatelském rozhraní se rovněž definují přepravní cesty. Cesty, po kterých se mají vozíky pohybovat, jsou vyznačeny na výkresu představujícím 2D rozvržení výrobní / montážní haly. Na každé křižovatce uliček jsou vyznačeny a jednoznačně pojmenovány přepravní body. Daná přepravní cesta je pak definována jako posloupnost přepravních bodů na uzavřeném okruhu mezi supermarketem a několika zavážecími místy. V jednom prostoru je možné definovat více takových okruhů. Na dalším listu uživatelského rozhraní jsou definovány další parametry modelu a údaje, které řídí simulaci – přepínače pro řídicí logiku, operační časy, počty přepravní techniky a její přiřazení na určité typy úkolů a podobně. 3.2 KNIHOVNA MODULŮ Byla vytvořena sada modulů, které reprezentují jednotlivé podsystémy logistického procesu. Knihovna modulů je uložena v podadresáři adresáře, kde jsou uloženy prázdný základní model v programu WITNESS a data programu Excel. Knihovna obsahuje dva moduly pro supermarkety, tři typy zavážecích míst, a jeden typ přepravního bodu. Jsou zde také další moduly, které slouží jako "prohlížeče" pro pohodlné sledování ohromného množství simulačních dat v pracovním simulačním modelu.
Každý z těchto modulů může být naimportován do základního prázdného modelu, modifikován a po úpravách uložen zpět do knihovny. Tak se zajistí, že požadovaná změna se provede pouze jednou, ale projeví se na všech místech, kde je v pracovním modelu použit daný modul. 3.3 INICIALIZACE MODELU Na začátku každého běhu simulace, WITNESS importuje data z uživatelského rozhraní. Součástí tohoto procesu je identifikace modulů, které jsou potřeba pro daný model. Nejsou-li tyto moduly přítomny v pracovním modelu, má se za to, že byly aktualizovány a použije se jejich nejnovější verze z knihovny modulů. Všechny moduly se umisťují do CAD layoutu na pozice definované rovněž v uživatelském rozhraní. WITNESS dále importuje všechny další parametry modulů. Načítají se rovněž údaje o alokaci vozíků a jejich drahách. Nakonec se importují globální data modelu – řídíci logika, doba simulace a podobně. 4. PŘEPAVNÍ CESTY Ford využívá pro přepravu materiálu mezi supermarkety a zavážecími místy dva obecné mechanizmy. Nazývají se cesty typu "Card" a cesty typu "Call", jsou obsluhovány dvěmi nezávislými skupinami vozidel a řidičů operujícími z různých supermarketů. 4.1 CESTY TYPU "CARD" Přepravní cesty typu "Card" lze přirovnat standardní autobusové dopravě, kdy se vozíky pravidelně pohybují po předdefinované dráze. Zavážecí místa rozmístěné podél cesty jsou "autobusové zastávky". Vozíky postupně zastavují na všech zastávkách, vykládají plné kontejnery určené pro danou zastávku a nakládají prázdné kontejnery, když jsou k dispozici. Obvykle je na zásobení všech zavážecích míst typu "Card" pro určitou montážní linku potřeba několik takovýchto cest. Čas, který vozíku trvá jeden zavážecí cyklus, závisí na počtu přeložených kontejnerů a dráze ujeté po daném okruhu. Proces nakládky a vykládky na zastávce je popsán níže. 4.2 CESTY TYPU "CALL" Přepravní cesty typu "Call" lze přirovnat taxislužbě, kdy přepravní prostředek zůstává v klidu, dokud není vyvolán, aby obsloužil určité zavážecí místo. Jakmile je vyvolán požadavek na obsluhu (zaslaný elektronicky do supermarketu), vozík vezme ze supermarketu příslušný kontejner a vydá se nejkratší cestou k zavážecímu místu, které vyvlalo požadavek. Tam vymění plný kontejner za prázdný, který vrátí do supermarketu a čeká na další instrukce. Proces nakládky a vykládky na zavážecím místě typu "Call" je popsán níže. 5. SYSTÉMY ZÁSOBOVÁNÍ SOUČÁSTÍ V určitém zavážecím místě se mohou požadovat oba dva typy součástí. V takovém případě k tomuto místu zajíždějí oba dva typy vozíků. Pro jeden typ součásti typu "Card" se na daném místě může nacházet více kontejnerů. Jejich počet závisí na:
počtu součástí v kontejneru,
rychlosti spotřeby dané součásti, a
pojistné zásobě (vyjádřené dobou výroby), která může být držena na tomto místě.
Obvykle se v daném zavážecím místě nachází pouze jeden kontejner pro každou součást typu "Call". Proces objednávání pro součásti typu "Card" a "Call" je různý, jak je popsáno níže.
5.1 SYSTÉM ZÁSOBOVÁNÍ SOUČÁSTMI TYPU "CARD" Zásobovací systém typu "Card" využívá jako mechanizmus pro objednávání položek karty umístěné na kontejnerech. Když operátor vyjme z kontejneru poslední díl, přesune prázdný kontejner na místo připravené ke vrácení do supermarketu a na jeho místo dá plný kontejner. Objednávací kartu z plného kontejneru umístí tak, aby byla viditelná projíždějícími vozíky. Vozík, určený pro zásobování daného místa v systému "Card" vezme při každém průjezdu kolem všechny takovéto karty (může jich být i více) a vrátí je, spolu s kartami, které vzal na všech zastávkách na svém okruhu, do supermarketu. V supermarketu vrácené karty znamenají požadavek na naložení plných kontejnerů. Karta se umístí na příslušný plný kontejner připravený k odvozu na dané zavážecí místo. Je samozřejmě důležité, aby vozíky rozvezly plné kontejnery na zastávky dříve, než se tam vyčerpá zásoba daného dílu. Proto je v každém zavážecím místě povoleno držet pojistnou zásobu (vyjádřenou počtem hodin výroby). Tento čas diktuje nejdelší možnou obrátku, z čehož dále vyplývá požadavek na maximální délku daného okruhu a počet potřebných vozíků a řidičů. Dále je třeba vzít do úvahy následující faktory:
ergonomické požadavky na řidiče – počet zvedacích cyklů a hmotnost kontejnerů vyzvednutou za určitou dobu,
bezpečnou kapacitu vozíků, a
prakticky použitelný počet vozíků v zásobovacím "vláčku". 5.2 SYSTÉM ZÁSOBOVÁNÍ SOUČÁSTMI TYPU "CALL"
Zásobovací systém typu "Call" vyžaduje, aby operátor, jakmile zásoba určitého dílu poklesne pod definovanou úroveň, stisknul tlačítko, které vyvolá požadavek na přepravu plného kontejneru. Je-li k dispozici volný vozík, je na něj naložen příslušný plný kontejner a vozík jej po co nejkratší cestě dopraví k danému zavážecímu místu. Tam se plný kontejner vymění za prázdný a aktualizuje se zásoba dílů na daném místě. Vozík se nejkratší cestou vrátí do svého supermarketu, kde vyloží prázdný kontejner. Jestliže je vozíku přiřazen další požadavek, jede rovnou provést další zásobovací cyklus, jinak je zaparkován a čeká na další vyvolání. Součásti distribuované v rámci systému "Call" jsou obvykle rozměrné, takže jeden kontejner obsahuje malé množství součástí. V jednom místě může být rovněž několik různých modifikací těchto součástí, každá modifikace má svůj kontejner. Tudíž je obvykle praktické, aby na daném místě u montážní linky byl pouze jeden kontejner se součástmi daného typu. V rámci systému "Call" je tedy důležité nejen to, aby se zásoba součástí nikdy nevyčerpala, ale i to, aby nedocházelo k předčasným dodávkám, kdy se v zavážecím místě ještě vyskytuje dostatečný počet součástí. V případě předčasné dodávky musí buď řidič počkat, než se vyprázdní právě spotřebovávaný kontejner anebo je potřeba přeložit zbylé součásti; obě řešení jsou časově náročná a nejsou tudíž žádoucí. Zjištění správných úrovní pro objednávání dodávek tak, aby se zabránilo výpadkům i předčasným dodávkám, je velmi náročný úkol, zvláště v případech, kdy se je třeba vypořádat se skutečností, že není k dispozici žádný vozík. Simulační model zde sehrává důležitou roli při stanovení úrovní zásob pro objednávání materiálu a porozumění jaké jsou důsledky rizika, že se vyčerpá zásoba určitého typu součástí v různých provozních podmínkách, jako jsou počet řidičů, umístění supermarketů a priority v uspokojování požadavků na přepravu.
6. VYUŽITÍ A PŘÍNOSY SYSTÉMU “FORMAT” FORMAT je využíván v několika závodech podniku Ford pro simulaci zásobování obráběcích linek pro komponenty a montážních linek motorů. Modely jsou využity zejména pro:
určení metody a zdroje zásobování pro každou součást,
zjištění požadavků na počet vozíků a pracovníků a jejich rovnoměrné vytížení,
určení způsobu řízení supermarketů,
určení jízdního řádu vozíků,
zjištění potřebných kapacit vozíků,
měření ergonomických parametrů práce u pracovníků, kteří zvedají břemena.
Simulační systém má následující přínosy:
možnost přesného nastavení výše uvedených parametrů, které pak v reálném procesu zajišťují jeho správnou funkci,
objektivní zhodnocení vztahu mezi množstvím použitých zdrojů a kvalitou fungování logistického systému umožňuje lepší rozhodování vedoucích pracovníků,
možnost identifikace úzkých míst v systému a jejich citlivost na vstupní parametry,
snadnost modifikace simulačních modelů důležitá pro jejich využití do budoucna,
podpora projektů soustavného zlepšování procesů Ford 6 Sigma.
7. VYUŽITÍ MODULÁRNÍHO SIMULAČNÍHO SYSTÉMU Systém FORMAT plně využívá modulární filozofii programu WITNESS - možnost opakovatelně využít knihovní moduly v standardním modelu programu WITNESS. Proces importu knihovního modulu do programu WITNESS za účelem jeho modifikace a poté zpětného exportu do knihovny je snadný a rychlý. Implementace změn modulů v simulačním modelu je rovněž snadná:
aktualizujeme příslušný knihovní modul
v simulačním modelu smažeme jeho starší verzi
restartujeme simulační model.
Vše ostatní se z uživatelského hlediska děje automaticky a je přitom zaručena konzistence s posledními verzemi všech použitých modulů. Tento modulární přístup také znamená minimální nároky na pracnost při úpravách modelu. Obvykle stačí určitou změnu procesu zanést pouze na jedno místo v určitém modulu - změna se pak v simulačním modelu projeví všude, kde je potřeba. Tím se na minimum snížilo riziko zanesení chyb a nekonzistencí do modelu. Opakované využití prověřených modulů minimalizuje potřebu testování celého velkého simulačního modelu. Sada reportů vytvořená v simulačním modelu umožňuje uživatelům ověření parametrů systému a u některých parametrů rovněž jejich porovnání s hodnotami kontrolovanými v rámci uživatelského rozhraní. To maximálně usnadňuje verifikaci simulačního modelu - ověření, že se model chová správně. Uživatel se tak může soustředit na validaci modelu - zajištění, že model má správnou strukturu, která odpovídá reálnému procesu.
Modulární konstrukce simulačního systému se rovněž ukázala jako výhodná i z hlediska srozumitelného a strukturovaného přístupu k zadávání a zobrazování informací patřících k určitému podprocesu v rámci uživatelského rozhraní a výstupních statistik. 8. ZÁVĚR Vývoj a využití nástroje FORMAT urychlilo tvorbu, usnadnilo aktualizaci a zvýšilo přesnost simulačních modelů. Těžiště práce při vývoji modelů nyní spočívá v zadávání co nejúplnějších a nejpřesnějších údajů v přehledném uživatelském rozhraní. Relativně méně času je potřeba věnovat vytváření, testování a verifikaci vlastního simulačního modelu, což jsou obvykle nejnáročnější činnosti v rámci simulačních projektů. Systém FORMAT splnil očekávání, se kterými byl vyvíjen, proto je nyní nasazen k širšímu využití v rámci firmy Ford. Šlo zejména o následující kritéria:
automatizace a opakované využití na kvalifikaci nejnáročnějších částí modelů umožnila využití systému i pracovníkům, kteří nejsou simulační experti,
riziko, že méně kvalifikovaný uživatel vytvoří model, který neodpovídá skutečnosti, je minimalizováno důslednou kontrolou vstupních parametrů v uživatelském rozhraní a využitím prověřených modulů pro stavbu modelů,
vytvoření modelu určitého procesu je nyní možné v tak krátkém čase, že je toho schopen i inženýr, který má v rámci společnosti i jiné pracovní povinnosti - tento aspekt je klíčový pro úspěšné využití simulace v praxi,
speciální statistické reporty vytvořené simulačními odborníky uživatelům maximálně usnadňují verifikaci modelů,
interpretace výsledků je usnadněna tím, že uživatelé mají výsledky simulace k dispozici ve srozumitelné a ucelené formě jak v prostředí programu WITNESS, tak v uživatelském rozhraní.
Literatura: [1]
J. Andrew Emmerson, Lanner Group Limited; John Ladbrook, Ford Motor Company: Modeling The Internal Delivery Of Materials To Engine Machining And Assembly Lines In Ford Motor Company Using Component Based Simulation.
