Primer dobre prakse med Fakulteto za strojništvo iz Ljubljane in industrijo: Oblikovanje optimalnih proizvodnih planov preko uporabe simulacije diskretnih dogodkov za primer velikoserijske proizvodnje

Izhodišča za raziskave in želeni cilji

V začetnem koraku so bile postavljene smernice za izdelavo modela in podrobno popisane karakteristike proizvodnje surovih ohišij ter lakirnice v proizvodnem sistemu [1]. Poleg tega je bila podrobno popisana tudi predmontaža, s čemer smo zagotovili spremljanje aktualnih zalog v vmesnih skladiščih gotovih lakiranih polizdelkov pred linijami predmontaže.

Bistveni deli opazovanega dela proizvodnje so sledeči (Slika 1):

• stropni verižni transporter, ki zagotavlja gibanje polizdelkov od zalogovnika surovih ohišij preko lakirnice do vmesnih skladišč predmontaže,
• lakirnica s tremi lakirnimi kabinami,
• žgalna peč zagotavlja zaključek barvanja polizdelkov in sušenje,
• deset vmesnih skladišč pred linijami predmontaže, v katera se skladiščijo gotovi lakirani polizdelki glede na šifro in
• štiri linije predmontaže, ki porabljajo gotove lakirane polizdelke iz vmesnih skladišč.

Slika 1: Logična shema pretoka polizdelkov v proizvodnji od zalogovnika surovih ohišij do linij predmontaže.

Parametri delovanja lakirnice in njene specialne karakteristike, ki smo jih zajeli v logičnem modelu, so sledeče [1]:

• obratuje 2 izmeni dnevno (6-14h in 14-22h) brez zaustavitev, 6 dni na teden,
• vsak posamezen polizdelek se lakira v vnaprej določeni lakirni kabini,
• v istem trenutku se lahko izvaja lakiranje le v eni lakirni kabini,
• prva lakirna kabina je namenjena za barvanje v belo barvo, desni lakirni kabini pa za barvanje v vse ostale barvne odtenke (Slika 2),
• pri menjavi barvnega odtenka v lakirnih kabinah za barvne odtenke je potrebno upoštevati čas preureditve lakirne kabine na nov barvni odtenek.

Slika 2: Lakirne kabine v lakirnici in prikaz smeri toka polizdelkov.

Tok polizdelkov v lakirnici je določen preko sledečih proizvodnih parametrov [1]:

• takt procesa lakiranja je odvisen od takta verižnega stropnega transporterja in je 16 s,
• število šifer oziroma število različnih polizdelkov v lakirnici je okrog 250,
• lakira se 5 geometrijsko različnih polizdelkov v 12 barvah,
• na obešalu verižnega stropnega transporterja je lahko različno število polizdelkov – odvisno od geometrijskega tipa polizdelkov,
• v eni izmeni se polakira okrog 1600 obešal oziroma 3600 surovih polizdelkov.

Potrebni koraki za dosego zastavljenih ciljev po spremljanju aktualnih zalog v vmesnih skladiščih pred predmontažo so bili sledeči:

• izdelati model proizvodnega procesa lakiranja preko raziskovalnega dela,
• izvajanje simulacije proizvodnega procesa lakiranja glede na proizvodni plan,
• podjetje Gorenje d.d. je za potrebe raziskav zagotovilo podatke iz dejanske proizvodnje,
• podjetje ITS d.o.o. je za namen raziskav zagotovilo pomoč pri programskem orodju za izdelavo modela in izvajanje simulacije.

Model proizvodnega procesa

Izdelava modela proizvodnega procesa je potekala v več korakih:

• v prvem koraku logična zasnova modela in
• v nadaljnjem koraku računalniški model in struktura podatkov.

Logična zasnova modela

Osnovni in glavni cilj pri raziskavah je bil oblikovanje virtualne tovarne opazovanega dela proizvodnega procesa, ki omogoča in zagotavlja izvajanje načrtovanega proizvodnega plana na enak način, kot se le-ta izvaja v dejanskem proizvodnem procesu ([2], [3]) (Slika 3).

Slika 3: Osnovni princip virtualne tovarne.

Pri gradnji modela lakirnice je bil sam model zasnovan tako, da je omogočena uporaba vhodnih podatkov, ki so v podjetju namenjeni za dejansko proizvodnjo. Model je zasnovan parametrično, s čemer je omogočena uporaba različnih vhodnih podatkov. Hkrati model popisuje dejanski proizvodni proces v taki meri, da so zajete vse bistvene značilnosti dejanskega proizvodnega procesa ([2], [3]). Izpisi o proizvodnih časih v modelu so izdelani za lot, ki je privzet kot osnovni opazovani element materialnega toka v proizvodnem procesu.

Na podlagi predpostavk virtualne tovarne ([2], [3]) smo zasnovali logično shemo modela proizvodnega procesa (Slika 4). Sam simulacijski model lakirnice zajema podmodel lakirnice in podmodel predmontaže (Slika 4).

Slika 4: Logična shema simulacijskega modela.

Podmodel lakirnice popisuje proces lakiranja, pri čemer input predstavlja proizvodni plan za lakirnico, output lakirnice pa so gotovi lakirani polizdelki. Podmodel predmontaže popisuje odjem gotovih lakiranih polizdelkov iz vmesnih skladišč predmontaže glede na proizvodni plan predmontaže.

Z logično povezavo obeh podmodelov smo vzpostavili zasledovanje ažurnega stanja gotovih lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih predmontaže.

Na osnovi logične sheme modela smo izdelali računalniški simulacijski model lakirnice in predmontaže.

Računalniški model in struktura podatkov

Računalniški model smo v okviru raziskovalnega dela izdelali v programskem paketu Tecnomatix Plant Simulation (Siemens) (Slika 5). V modelu so enostavne logične odvisnosti proizvodnega procesa popisane preko standardnih objektov programskega paketa, zahtevnejše logične odvisnosti pa so popisane preko metod oziroma podprogramov v programskem jeziku SimTalk ([4], [5], [6]).

Slika 5: Izgled računalniškega modela v Tecnomatix Plant Simulation.

Potrebni vhodni podatki v računalniški model, ki jih je zagotovilo podjetje Gorenje d.d. iz dejanske proizvodnje, so zapisani v tabelah in so sledeči:

• vhodni podatki za proces lakiranja (Proizvodni plan lakirnice na Sliki 4, Preglednica 1),
• vhodni podatki za proces predmontaže (Proizvodni plan predmontaže na Sliki 4, Preglednica 2) in
• vhodni podatki o začetnih zalogah v vmesnih zalogovnikih predmontaže (Začetna zaloga lak. izd. v skladiščih na Sliki 4, Preglednica 3).

Preglednica 1:   Primer podatkov za proizvodni plan lakirnice.

Preglednica 2:   Primer podatkov za proizvodni plan predmontaže.

Preglednica 3:   Primer podatkov za začetno zalogo lakiranih polizdelkov.

Vhodni podatki za proces lakiranja (Preglednica 1) zajemajo vse bistvene podatke o barvanju polizdelkov v posameznem lotu: ID oznako, količino polizdelkov v lotu, število kosov na obešalo, oznako lakirne kabine, oznako vmesnega skladišča in čas transporta od lakirne kabine do vmesnega skladišča.

Vhodni podatki za proces predmontaže (Preglednica 2) zajemajo vse bistvene podatke o procesu predmontaže posameznega hladilnika: šifra hladilnika, količina serije ter za vsak sestavni del, ki se vgradi v posamezen hladilnik: šifra, število in skladišče lakiranega polizdelka.

Začetno zalogo v posameznem skladišču pred začetkom izvajanja simulacije vnesemo v preglednico Začetna Zaloga Predmontaže (Preglednica 3).

Zadnji korak pred izvajanjem simulacije je nastavitev začetnega časa simulacije ter nastavitev parametrov o režimih dela tako za lakirnico kot predmontažo oziroma nastavitev delovnih koledarjev za vsako posamezno izmeno.

Izvajanje simulacije modela

Z izvajanjem simulacije modela proizvodnega procesa smo pridobili naslednje podatke:

• izhodne podatke za proces lakiranja (Rezultati simulacije lakirnice na Sliki 4, Preglednica 4),
• podatke o aktualnih zalogah gotovih lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih pred predmontažo (Trenutna zaloga lak. izd. v skladiščih na Sliki 4, Preglednica 5); na podlagi teh podatkov sta izdelana še
• izpis aktualne zaloge gotovih lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih predmontaže neposredno preko izpisov v zaslonskem oknu ter
• izpis aktualne zaloge gotovih lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih predmontaže preko grafa (Slika 6).

Preglednica 4:   Izhodni podatki simulacije o procesu lakiranja.

Preglednica 5:   Primer tabele s podatki o aktualnih zalogah v skladiščih.

Slika 6: Izpis aktualne zaloge preko grafa.

V tabeli o rezultatih simulacije za proces lakiranja (Preglednica 4) so zbrani podatki o času začetka lakiranja posameznega lota ter o času uskladiščenja posameznega lota v vmesno skladišče gotovih polizdelkov. Ta pridobljen čas nam daje podatek, kdaj so posamezni polizdelki pripravljeni za vgradnjo na linijah predmontaže. Proizvodne čase spremljamo v dveh različnih zapisih: absolutno ter relativno glede na čas začetka izvajanja simulacije in so pripravljeni za nadaljnje analize.

V tabeli o aktualnih zalogah v skladiščih (Preglednica 5) so zbrani podatki o aktualnem številu gotovih lakiranih polizdelkov v posameznem vmesnem skladišču pred predmontažo. Obenem so v tej tabeli zbrani tudi podatki o aktualnem številu izdelanih gotovih lakiranih polizdelkov od začetka simulacije in podatki o aktualnem številu porabljenih gotovih lakiranih polizdelkov od začetka simulacije.

Prikaz v grafu aktualnih zalog gotovih lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih pred predmontažo (Slika 6) se obnavlja ob vsakem zaključku lakiranja posameznega lota. Glavni namen grafa v simulacijskem modelu je uporabniku čim bolj nazorno predstaviti gibanje zalog v vmesnih skladiščih.

Ugotovitve

Preko rezultatov raziskovalnega dela smo v prispevku pokazali prednosti in možnosti, ki jih nudi izdelan model in izvajanje simulacije. V strnjeni obliki nam omogoča sledeče:

• imamo možnost nastavitve različnih delovnih koledarjev tako za lakirnico kot za predmontažo,
• imamo možnost nastavitev različnih režimov odmorov za delavce v posameznih izmenah tako za lakirnico kot za predmontažo,
• imamo možnost nastavitve različnih začetnih zalog v vmesnih skladiščih gotovih polizdelkov pred linijami predmontaže,
• imamo možnost hitrega izvajanja različnih proizvodnih planov tako za lakirnico kot za predmontažo,
• imamo možnost hitrega spreminjanja velikosti lotov v proizvodnih planih,
• imamo možnost nastavljanja hitrosti izvedbe simulacije oziroma jo lahko izvajamo po korakih,
• z enostavnimi dograditvami imamo možnost izdelave dodatnih izpisov o poteku simulacije.

Predstavljen simulacijski model smo testirali na podatkih iz dejanske proizvodnje in s tem dokazali njegovo uporabnost. Model je v primerjavi s preračuni napovedovanja proizvodnega procesa mnogo bolj uporaben, ker upošteva zaporedje izvajanja posameznih operacij lakiranja ob pogoju, da se posamezna operacija lakiranja lahko izvede šele takrat, ko so izpolnjeni vsi pogoji za njen začetek.

Meritve porabljenega časa za izvedbo simulacije so v fazi testiranja modela pokazale, da porabimo po opravljenih začetnih nastavitvah približno 15 sekund za izvedbo simulacije proizvodnega procesa za cel delovni dan (dve izmeni), kar je bistveno hitreje od preračunov napovedovanja.

Sama zgradba simulacijskega modela, ki je sestavljen iz funkcionalnih podmodelov, v našem primeru podmodela lakirnice in podmodela predmontaže, se je izkazala za zelo uporabno. Preko podmodela lakirnice sprotno zasledujemo število izdelanih gotovih lakiranih polizdelkov, preko podmodela predmontaže zasledujemo število porabljenih gotovih lakiranih polizdelkov, z ustrezno povezavo obeh podmodelov pa sprotno zasledujemo ažurno stanje lakiranih polizdelkov v vmesnih skladiščih predmontaže v kateremkoli trenutku v časovnem obdobju, ki ga simulacija zajema.

Izdelan model je obenem zelo uporabno orodje za izobraževanje načrtovalcev proizvodnje, saj lahko načrtovalci sprotno testirajo različne scenarije proizvodnih planov v zelo kratkem času ob predpostavki, da s tem ne posegajo v delovanje dejanskega proizvodnega sistema.

Na splošno pa je glavna in bistvena prednost virtualne proizvodnje preko izdelave modelov in izvajanja simulacije v primerjavi z dejansko proizvodnjo ta, da se pri njenem izvajanju ne porablja nič materiala, nič energije in se ne uporabljajo proizvodna sredstva, ampak se obdelujejo le podatki.

Preko predstavljenega modela smo pokazali, da je na željo naročnika možno postaviti simulacijski model proizvodnega procesa ali njegovega segmenta za katerikoli tip proizvodnje. Preko izvajanja simulacije pa zasledujemo tiste parametre proizvodnega procesa, ki so za naročnika pomembne.

Literatura

[1] Podatki o podjetju Gorenje d.d. – interno gradivo, Velenje, 2012

[2] Debevec M.: Modeliranje strege orodij pri obdelavi v digitalnem okolju, Doktorska disertacija, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2010

[3] Debevec M., Herakovič N.: Virtualna proizvodnja v virtualni tovarni za primere maloserijske proizvodnje, Posvet Avtomatizacija strege in montaže 2011 - ASM '11: zbornik posveta, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2011

[4] Bangsow S.: Manufacturing simulation with Plant Simulation and Simtalk: Usage and Programming with Examples and Solutions, Heidelberg: Springer, Berlin, 2010

[5] eM-Plant: Reference Manual, Tecnomatix Technologies GmbH & Co. KG, 1998

[6] eM-Plant: Objects Manual, Tecnomatix Technologies GmbH & Co. KG, 1998

Avtor novice:

Mihael Debevec, Laboratorij za strego, montažo in pnevmatiko, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani

Kontaktni naslov: miha.debevec@fs.uni-lj.si