Modelovanie výrobných systémov

1. Modelovanie výrobných systémov doc. Ing. Zdenka Králová, PhD. Ústav riadenia a priemyselnej informatiky FEI STU miestnosť D-311 zdenka.kralova@stuba.sk cvičiaci: Ing. Juraj Švančara, ÚRPI, miestnosť D-304 juraj.svancara@stuba.sk 2010

2. Simulácia výrobných systémovProgramový produkt WITNESS pripravené s využitím materiálov z internetových stránok http://fstroj.utc.sk/journal/sk/papers.htm/ http://www.humusoft.cz/produkty/witness/ knihy: Košturiak – Gregor: Podnik v roce 2001 a i. 2010

3. Simulácia výrobných systémov • Pojem výrobný systém • Pojem simulácia • Význam simulácie • Ukážka analýzy riešenej simuláciou vo Witnesse 2010

4. Význam simulácie v riadení výroby Zvyšovať pružnosť a efektívnosť výroby – rastie zložitosť výrobných systémov. Požiadavka na zmenu technologických či organizačných procesov prináša so sebou určité riziko. Stratégia zmien – akcie smerujúce k zvýšeniu efektívnosti výroby Princíp simulácie - vytvorenie modelu zvoleného procesu, ktorého správanie chceme skúmať, experimentovanie s modelom a vyhodnocovanie dôsledkov zmien. 2010

5. Uplatnenie simulácie pri riešení problémov organizácie výroby o koľko možno zvýšiť kapacitu linky pri nezmenenom počte strojov a pracovníkov? sú pracovníci rovnomerne vyťažení? ako znížiť hladinu zásob rozpracovanej výroby? ako dosiahnuť úsporu výrobnej plochy? ako zvýšiť plynulosť materiálového toku? ako skrátiť priebežný čas výrobku? koľko má byť strojov, manipulátorov, a pracovníkov, aká má byť veľkosť zásobníkov... , aby sa dosiahla požadovaná výrobná kapacita (linky, dielne, závodu)? ako optimalizovať materiálový tok a zosúladiť kapacity, aby nevznikali úzke miesta, hromadenie materiálu, medzioperačné zásoby (=neproduktívne náklady)? 2010

6. Uplatnenie simulácie pri riešení problémov organizácie výroby ktorý variant navrhovaného riešenia je vhodnejší z hľadiska zvoleného kritéria (kritérií)? vyplatí sa investovať do automatizácie danej výrobnej linky? dopad na: výrobnú kapacitu, využitie strojov a pracovníkov, dodacie lehoty, investičné prostriedky, mzdové náklady, prostriedky umŕtvené v zásobách, prietok...., aká má byť veľkosť výrobnej, dopravnej, spracovacej dávky? ako má fungovať systém riadenia výroby? ako ovplyvňuje výsledky výroby nábeh systému? je možné zvýšiť podiel produktívnych činností na priebežnom čase výrobku? existujú nadbytočné činnosti? 2010

7. Možnosti uplatnenia simulácie v iných oblastiach služby • banky a poisťovne, športové a zábavné centrá, supermarkety, veľkogaráže a parkoviská, logistika v nemocniciach • Koľko personálu a v akej skladbe je potrebné pre zabezpečenie prevádzky? • Ako a v akom počte majú byť umiestnené pracoviská, sklady, čakárne a pod . • Aké sú optimálne časy na prevádzku ? • Kde sú úzke miesta a ako sa zvýšia služby resp. zisk pri ich odstránení ? doprava • mestské dopravné siete, dialničné privádzače, križovatky, letiská, železničné trate a vybavovanie vlakov v staniciach, lodná doprava • Ako majú byť rozmiestnené body na dopravnej trati ? • Ako má fungovať riadenie križovatky ? • Ktorý variant diaľničného privádzača je optimálny ? • Aká má byť kapacita odbavovacieho zariadenia na letisku – personál, priestor na čakanie, rýchlosť dopravníka a pod. • Aká je priepustnosť trate a kde sú úzke miesta ? • Ako sa dá zvýšiť priepustnosť systému zvýšením rýchlosti, kapacity stanice, trate a pod. • Ako má byť navrhnuté nakladacie zariadenie v prístave ? iné • nasadenie personálu, veľkosklady, distribučné centrá, počítačové siete, telekomunikačné siete a pod. • Ako optimálne nasadiť posádky na leteckých linkách, v armáde, pri policajných akciách a pod. • Kde umiestniť distribučné centrá a sklady ? • Ako dimenzovať sieť a v akej konfigurácií ? • Ako je vyťažená telefónna ústredňa ? • Kde sú kritické miesta v sieti ? 2010

8. Prečo simulovať?Dôvody pre využitie simulácie pri navrhovaní a zdokonaľovaní výrobných systémov existencia náhodných faktorov (poruchovosť zariadení, dodávateľská disciplína, kvalita vstupného materiálu, disciplína a zručnosť pracovníkov...) nutnosť pružne sa prispôsobovať meniacej sa situácii na trhu (ceny surovín, materiálu a konkurenčných výrobkov, dopyt po výrobkoch, individuálne požiadavky odberateľov, postupy konkurencie...) -> rýchlosť, správnosť a predvídavosť v rozhodovaní potreba konkurencieschopnosti z hľadiska nákladov -> optimalizovať priebežný čas výrobku, počet zariadení (stroje, manipulátory, zásobníky, dopravníky, indukčné vozíky...), počet a rozmiestnenie pracovníkov, výšku zásob atď. - bezprostredný dopad na náklady a tým aj na celkový hospodársky výsledok podniku potreba koordinácie paralelných procesov vo výrobe (vyvažovanie kapacít s cieľom synchronizácie výroby) -> vyhľadať a odstrániť úzke miesta 2010

9. Prečo simulovať? nutnosť vyhodnotiť efektívnosť rôznych alternatív zámerov (kúpiť nový stroj - zvýšiť kapacitu existujúcich - zadať práce externej firme, pridať pracovníkov, zaplatiť pracovníkov s vyššou kvalifikáciou...) nepoužiteľnosť iných nástrojov a techník vysoké riziko nesprávneho rozhodnutia potreba tréningu personálu vzniká množstvo alternatív, ktoré treba vyhodnotiť z hľadiska relevantných kritérií a vybrať z nich tie najvhodnejšie problém: ako vyhodnotiť dopad budúcich rozhodnutí? organizačné zmeny vo výrobe pri existencii náhodných faktorov, spätných väzieb - problematické 2010

10. Výhody simulácie • lepšie pochopenie analyzovaných procesov už pri tvorbe modelu (modelovanie - nutná analýza väzieb, štatistická analýza dát...) • zníženie rizika prijatia nesprávneho rozhodnutia vyhodnotením dopadov budúcich zmien na simulačnom modeli • stanovenie slabých a silných stránok systému • možnosť overenia navrhovaných riešení vo veľmi krátkom čase • implementácia riešení, zmena technológií a organizačných procesov bez rizika • vedie k zníženiu prevádzkových nákladov i časovej úspore Vyhneme sa: • narušeniu už existujúceho systému • zničeniu systému počas náročných testov • časovým i finančným stratám 2010

11. Nevýhody potreba kvalitného programového produktu, umožňujúceho vytvoriť naozaj adekvátny model skúmaného procesu, potreba kvalifikovaných pracovníkov, schopných vytvoriť adekvátny model a vykonať na ňom potrebné experimenty nutnosť získať vierohodné údaje o procese, vhodne ich štatisticky spracovať, aby vznikol použiteľný model a dosiahli sa výsledky s dostatočnou výpovednou schopnosťou simulácia nie je všemocná, je to len jeden z nástrojov vhodných na analýzu výrobných systémov, ktorý treba kombinovať s inými metódami (analýza práce a a meranie času, štatistika...) 2010

12. Ako to riešiť v praxi? Možné riešenia pre výrobný podnik (podľa predpokladanej frekventovanosti potreby podobných analýz): zadať analýzu niektorej zo špecializovaných poradenských firiem (na Slovensku napr. IPA Slovakia, v ČR Dynamic Futures, .............) zakúpiť niektorý z existujúcich programových produktov, vhodných na modelovanie výrobných systémov (ARENA, SIMULA, WITNESS) a nechať vyškoliť kvalifikovaných pracovníkov 2010

13. Ekonomické aspekty simulácia stojí rádovo 100 000 EUR ročne dobrý simulačný systém stojí 50 000 EUR simulácia prináša jednorazovo 5-10x vyššie efekty než sú náklady na ňu vynaložené typické prínosy z projektu predstavujú cca 100 000 EUR návratnosť investície do simulácie je 6 mesiacov - 1 rok trvanie simulačného projektu - niekoľko týždňov / dní Prameň: Košturiak – Gregor: Podnik v roce 2001 2010

14. Využitie simulácie kozmické lety vojenské operácie urbanistické systémy počítačové systémy logistické a výrobné systémy biologické systémy ekológia a životné prostredie finančné a ekonomické analýzy atď. 2010

15. Presnejšie: • na reálnom objekte zavádzamesystém (abstrahujeme od nepodstatného) • zostrojíme model systému • experimentovaním s modelom analyzujeme systém • navrhujeme a na modeli overujeme vplyv zmien • aplikujeme zmeny na reálnom objekte Princíp simulácie 2010

16. Model výrobného systému obyčajne pozostáva z nasledovných typov objektov • Statické trvalé objekty (nepohyblivé časti systému, ktoré v ňom trvalo pôsobia - stroje, sklady a pod.). • Dynamické dočasné objekty (pohyblivé prvky, ktoré vstupujú do systému, pohybujú sa medzi statickými časťami systému a na niektorom mieste systém opúšťajú - súčiastky, palety). • Prvky prepojenia s okolím (miesta, kde vstupujú dynamické objekty do systému a kde systém opúšťajú). Po preskúšaní modelu sa vykonávajú experimenty, v ktorých sa hľadajú rôzne možnosti vylepšenia systému a overuje sa ich vplyv na modelovaný systém. Simulácia nie je nástroj, ktorý umožní získať priamo optimálne riešenie. Je to skôr podporný nástroj, ktorý pomáha projektantovi testovať efekty svojich rozhodnutí na simulačnom modeli. 2010

17. Možnosti uplatnenia simulácie v riadení výroby 2010

18. Ako aplikovať simuláciu v praxi? K simulácii je potrebné pristupovať ako k projektu s nasledujúcimi krokmi: Analýza systému a definovanie problému, formulácia cieľov simulácie. Zber a spracovanie informácií z procesu, odhady parametrov a typov rozdelení náhodných veličín. Vytvorenie abstraktného logického modelu. Zostavenie modelu na počítači. Overovanie a testovanie modelu – verifikácia a validácia. Plánovanie a príprava simulačných experimentov. Realizácia simulačných experimentov. Vyhodnotenie a spracovanie výsledkov experimentovania, záverečná správa. Aplikácia výsledkov na reálny objekt. 2010

19. Simulácia pri rozhodovaní Pri tvorbe a validácii modelu sme nútení lepšie porozumieť študovaný proces. Pri vyhodnotení variantov možných zmien systému ide vlastne o testovanie hypotéz - nespoliehame sa len na skúsenosti či intuíciu. Pri vyhodnotení úspešnosti implementovaného riešenia môžeme okrem splnenia primárnych cieľov sledovať i ďalšie parametre. 2010

20. Príčiny neúspešných aplikácií simulácie v praxi nedostatočné zváženie efektov z modelovania (prínosy sú nižšie než náklady) simulácia časti procesu bez nadväznosti na celok nekvalifikované spracovanie výsledkov experimentov (interpretácia výsledkov, štatistické spracovanie...) problém kvantitatívne vyhodnotiť jednotlivé varianty nedostatočné kompetencie či komunikačné schopnosti analytika pri prenose výsledkov simulácie do praxe 2010

21. Problémy v priebehu tvorby modelu a experimentovania nedostupnosť či nekvalita (nepresnosť, nedostatočné množstvo) dát o procese softvér, ktorý neumožňuje namodelovať špecifické črty daného systému príliš hrubý či príliš detailný model (rozhodujúci je cieľ, ktorý sa sleduje) nedostatočné plánovanie procesu modelovania a experimentovania - nevyužitie projektového prístupu podcenenie faktoru času - tvorba modelu a vykonanie experimentov je časovo náročná 2010

22. Vývojové etapy simulačných systémov 2010

23. Aplikácie na našom trhu • ARENA simulačný jazyk Siman + animačný systém Cinema • SIMPLE++ programovací jazyk Simtalk automaticky generuje model z SAP/R3 optimalizačný modul s evolučnými a genetickými algoritmami • WITNESS – 6. generácia 2010

24. Programový produkt WITNESS - 1. časť 2010

25. CharakteristikaWITNESSu Efektívny nástroj na modelovanie, analýzu a optimalizáciu dynamických udalostných systémov. Umožňuje simulovať chod systému so zohľadnením náhodných vplyvov pre potreby rozhodovania v praxi. Modelovanie a vizuálna interaktívna simulácia výrobných, obslužných a logistických systémov. Testovanie rôznych variantov zmien systému a vyhodnotenie ich dopadu na chovanie procesu. Modelovanie udalostných systémov, v ktorých čas beží len ako evidenčná veličina, ale procesy sú závislé len od výskytu určitých udalostí, ktoré spôsobia vznik iných udalostí. Witness vyvinula britská spoločnosť AT&T, dnes Lanner Group, (distribútor pre SR a ČR je Humusoft Praha, s.r.o.). Zákazníkmi spoločnosti Lanner Group sú: British Steel, Kawasaki, Mobile Oil, General Motors, Ford, Fiat, Rover Group, Michelin, Yamaha, Sony, IBM, Fuji, British Airports Authority, Aeroporto di Torino, BBC atď. 2010

26. Aplikačné možnosti WITNESSupri zdokonaľovaní výrobných systémov • Overenie využitia moderných metód riadenia výroby - JIT, KANBAN, DBR, CONWIP • Optimálne rozmiestnenie výrobných celkov • Analýza materiálového toku - určenie optimálnych dávok - kapacitné plánovanie - riadenie zásob - vyvažovanie výrobných liniek • Identifikácia a odstraňovanie úzkych miest • Predikcia dôsledkov operatívnych zásahov • a iné 2010

27. Ukážky prostredia 2010

28. 2010

29. Možnosti systému • neobmedzená veľkosť modelu • model sa dá kedykoľvek modifikovať • postupná tvorba a overovanie modelu • integrovaná animácia - okamžitá spätná väzba o chovaní sa modelu • modelovanie diskrétnych aj spojitých procesov • možnosť modelovania výrobných aj obslužných procesov • tvorba interaktívnych dialógov medzi modelom a užívateľom • komfortné používateľské prostredie pre tvorbu modelov, plánovanie a realizáciu experimentov bez nutnosti kompilovania, organizácie numerických operácií a pod. • knižnica štandardných prvkov = objekty, pri ktorých sa nastavujú vlastnosti 2010

30. Charakteristika WITNESSu možnosť hierarchickej výstavby modelu možnosť tvorby rozsiahlych modelov (model môže obsahovať desiatky tisíc prvkov) možnosť zohľadnenia rôznych typov zariadení, nastavovacích časov, smennosti pracovníkov, pracovného času strojov i pracovníkov, programovanie riadiacej logiky s využitím štandardných vstupno-výstupných pravidiel pre jednotlivé prvky modelu, ako aj riadiacich pravidiel, ktoré možno vytvoriť v jednoduchom programovacom jazyku s využitím logických podmienok, skokov, cyklov a pod. možnosť využitia používateľom definovaných premenných na vyhodnocovanie variantov možnosť automatického hodnotenia variantov a plánovania experimentu, ak je k dispozícii kriteriálna funkcia a modul Optimizer 2010 30 / 8

31. Ovládanie modelu • zmeny zadané užívateľom sú ihneď zahrnuté do funkčného interaktívneho modelu • systém výziev vedie užívateľa k použitiu správnej syntaxe • ovládanie pomocou myši • prepracovaný systém ponúk 2010

32. Postup analýzy výr. systému zber údajov a informácií -> simulačný model (adekvátny reálnemu procesu) spustenie simulácie -> štatistické ukazovatele činnosti systému (priemerné % využitia či blokovania strojov a zariadení, priemerný čas spracovania, priemerný priebežný čas výrobku, priemerný počet dokončených výrobkov...) analýza výsledkov simulácie -> úzke miesta a rezervy návrh zmien a postupnosť experimentov -> plán experimentu odsimulovanie zmien -> zlepšený chod modelu prenesenie výsledkov do praxe -> zlepšený chod procesu 2010

33. STROJE (MACHINES)- spracovávajú súčiastky DOPRAVNÍKY (CONVEYORS)- premiestňujú súčiastky PRACOVNÍCI (LABORS)– obsluhujú zariadenia (spracovanie, nastavovanie, údržba...) ZÁSOBNÍKY (BUFFERS)- zhromažďujú sa v nich súčiastky (pasívne prvky) SÚČIASTKY (PARTS) - reprezentujú fyzické komponenty výrobku - prechádzajú modelovaným systémom - aktívne alebo pasívne VOZÍKY a TRATE – na modelovanie prepravných procesov PREMENNÉ (VARIABLE) - zaznamenávajú kvantitatívne údaje o prvkoch, počtoch dielcov medzi jednotlivými operáciami nebo o čase simulácie FUNKCIE (FUNCTION) Základné prvky modelu 2010

34. Rozdelenie stavebných prvkov Simulačné elementy sa delia do nasledujúcich základných skupín: diskrétne – fyzické dielec, súčiastka, osoba part zásobník, front buffer stroj, činnosť machine pracovník, obsluha labor pásový dopravník conveyor dráha track vozík vehicle logické atribút atribute premenná (používateľská) variable pravdepodobnostné rozdelenie distribution funkcia (používateľská) function zmena shift grafy časový graf timeseries kruhový graf pie chart histogram histogram 2010

35. Detail - okno vlastností prvku 2010

36. Zobrazenie aktuálneho (aj východiskového) nastavenia modelu zobraziť Element Selector (zoznam prvkov - View / Element Selector) zaškrtnúť Simulation v zozname prvkov (alebo len vybraných prvkov) Reports / Summary listovať pomocou tlačidla s dvojitou šipkou možnosť skopírovať tabuľku aj s legendou do MS Excel (Ctrl C, Ctrl V), alebo exportovať v požadovanom formáte cez Reports / Output 2010

37. Ikony reprezentujúce stavy zariadení modelu (diskrétne procesy) Farby zelená(v činnosti), biela(mimo smenu), žltá(nečinné), modrá(čaká na obsluhu), fialová(blokovanie), červená (v poruche). 2010

38. Zobrazenie výsledkov simulácie V Element Selectore označíme objekty, ktoré nás zaujímajú (alebo zaklikneme check-box Simulationna zobrazenie všetkých objektov) Výsledky simulácie nájdeme v Reports / Statistics Zobrazia sa štatistické ukazovatele priemerného využitia strojov a zariadení, priemerných prestojov, počtu spracovaných súčiastok a hotových výrobkov, priemerné priebežné časy, stav rozpracovanej výroby atď. 2010

39. 2010 MRVS 2008

40. Grafické zobrazenie výsledkov simulácie Grafy (Timeseries) Zobrazujú počet súčiastok v nejakom mieste, kde sa zhromažďujú, napríklad v zásobníku v závislosti od času. Zaznamenávanie sa spúšťa príkazom NPARTS (/názov prvku/) v okne Details Histogramy (Histograms) Zobrazujú požadovaný priebeh simulácie v podobe stĺpcových diagramov. Do Actions On Finish vpíšeme príkaz RECORD TIME in /názov histogramu/. Kruhové diagramy (Pies) Zobrazujú priebeh simulácie (jednotlivé stavy prvku) v kruhovom diagrame. Pri položke Element States je potrebné uviesť meno prvku (vybrať zo zoznamu) a kliknúť na Display Element States. 2010

41. Ukážky 2010

42. WITNESS - 2. časť Modelovanie riadiacej logiky Modelovanie náhodných procesov Modul Optimizer 2010

43. Konštrukcia modelu Vytvorenie prvku prebieha v 3. krokoch: Define  Detail  Display (Definovať prvok  Popísať vlastnosti  Zobraziť) definovanie prvkov modelu pomocou prehľadných formulárov nie je nutné kompilovanie modelu do spustiteľnej formy 2010

44. Definovanie prvkov • z hlavného menu (Element / Define) • pomocou knižnice elementov • pomocou ikony v paneli nástrojov (Element Toolbar) 2010

45. Display – nastavenie zobrazenia prvku modelu 1. Aktivácia vybranej položky. 2. Mazanie vybraných položiek. 3. Voľba zobrazovacej hladiny. 4. Zámka na zviazanie zobrazených položiek daného prvku. 5. Umiestňovanie zobrazovaného prvku pomocou rastra. 6. Nápoveď. 7. Potvrdenie vybraného zobrazenia prvku. 2010

46. Vytvorenie väzieb medzi prvkami Označíme prvok, ktorému chceme vytvoriť väzbu (Select Box). Vyberieme pravidlo prepojenia tlačidlom na hornej lište (Visual Rules) - PULL, PUSH, PERCENT... Označíme druhý prvok, s ktorým chceme vytvoriť väzbu. Zobrazí sa tak vzniknutá väzba. Witness umožňuje použiť aj nasledovné výstupy: SHIP - expedícia, SCRAP - odpad atď. 2010

47. Praktické ukážky prínosov analýzy vo WITNESSe (GB, prameň: Humusoft, staršie zdroje) • Skokové zvýšenie objemu produkcie o 33 percent behom 7 dní – firma 3M • Zdôvodnenie potreby nákupu nového žeriavu – British Aerospace • Zníženie investičných nákladov na projekt o 48 percent - Glaxo Wellcome • Úspora nákladov 1,4 mil. £ na novú výrobnú halu, ktorá na základe analýzy a optimalizácie nemusela byť postavená – Massey Ferguson • Úspora investičných výdavkov o 150 000 £ - Motorola Europe • Zvýšenie výkonu linky o 30 percent – TRW • Zníženie prevádzkových skladových zásob na polovicu – BAe Systems • Zníženie nákladov spôsobených neplnením termínov o 80-100000 £ – Barclays Bank Merchant Services 2010

48. Práca so súbormi Čítanie knižníc ikon z iných modelov Obrázky nachádzajúce sa na obrazovke sa dajú jednoducho vytlačiť na tlačiarni Čítanie a zápis externých dátových súborov s výrobnými postupmi Čítanie dát z MS Excel a ich zápis Komunikácia prostredníctvom OLE komunikácie s inými programami Demo-modely vo Witnesse v adresári, kde je Witness nainštalovaný, v podadresári DEMO a EXAMPLES (=ukážky použitia jednotlivých prvkov) štúdium a inšpirácia demo-verziaWitness 2004 má len 4 demo-modely 2010

49. Praktické odporúčania pre prácu s modelom Zobraziť všetky väzby medzi prvkami: ViewElement Flow Nastaviť rýchlosť pohybu elementov v modeli: Model / Options / Walk Speed Vytvoriť pravidlo: na hornej lište sú disponibilné len tlačidlá s ikonami pravidiel , ktoré sú vhodné pre danú situáciu Poznámka: Pre každý prvok nie je možné predpísať priamo vstupno-výstupné pravidlo alebo pravidlo pre pracovníka 2010

50. Ukážky • Demo / Tutorial / MultiMachine - súčiastka pasívna / aktívna - pracovník - viacfázový stroj (Multi-stage machine) - monitorovanie udalostí (tlačidlo Step) - nastavenia modelu (Model / Options) - layout (cez Designer Elements) - modelovanie náhodných procesov - popis demo-modelov – Window / Notes 2010