Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I P O Z N AŃSKIEJ Nr 6 Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 2007 OLAF CISZAK KOMPUTEROWO WSPOMAGANE MODELOWANIE I SYMULACJA PROCESÓW PRODUKCYJNYCH W pracy przedstawiono metodę komputerowego modelowania i symulacji procesów technologicznych stosowaną w przemyśle maszynowym. Omówiono podstawowe etapy opracowywania modelu symulacyjnego tego procesu z uwzględnieniem niezbędnych informacji i danych wejściowych. Zaproponowano do tego celu współczesne komputerowe programy symulacyjne wspomagające te działania. Słowa kluczowe: proces produkcyjny, modelowanie, symulacja 1. WPROWADZENIE Proces produkcyjny obejmuje wszystkie fazy przetwarzania surowców, materiałów i półwyrobów w wyroby końcowe o założonej jakości finalnej. Obejmuje on procesy technologiczne i pomocnicze związane bezpośrednio (np. obróbka, montaż) i pośrednio (np. przygotowanie surowca, magazynowanie, transport, pakowanie) z nadawaniem wyrobowi cech, od których zależy jego jakość końcowa. Jest więc oczywiste, że projektowanie procesu produkcyjnego, będące działaniem wieloetapowym, ma decydujący wpływ na cenę oraz jakość wyrobów. Odpowiednio zaprojektowane procesy produkcyjne wymagają więc między innymi połączenia we właściwych proporcjach, w czasie i przestrzeni, procesów podstawowych i pomocniczych, przygotowania produkcji i sterowania, a także racjonalnej organizacji zapewniającej ciągłość i rytmiczność produkcji poprzez eliminowanie wszelkiego typu zakłóceń. Do zadań racjonalizacji i optymalizacji procesów produkcyjnych należy więc podchodzić indywidualnie, uwzględniając specyfikę przedsiębiorstwa, rodzaj wyrobów, potencjał ludzki, możliwości finansowe i wiele innych czynników. Przedsiębiorstwa, które chcą odnosić sukcesy w swojej branży, pozyskiwać nowych klientów, zwiększać asortyment (nowe konstrukcje i wersje wyrobów) i efektywność produkcji (skrócenie serii produkcyjnych i reakcja na zapotrzebowanie rynku), zobligowane są do stosowania systemów komputerowych do modelowania i symulacji
40 O. Ciszak procesów produkcyjnych, w tym do ich planowania i do sterowania nimi CAPP (ang. Computer Aided Production Planning). Proces technologiczny, będący częścią procesu produkcyjnego tej samej części lub wyrobu może być wykonywany według różnych wariantów, różniących się między sobą między innymi wykorzystywanym wyposażeniem technologicznym (maszyny, urządzenia, oprzyrządowanie), pracochłonnością, kosztem, skomplikowaniem ruchów montażowych, kolejnością czynności, zabiegów i operacji, co w konsekwencji często prowadzi do ich lepszej lub gorszej jakości użytkowej. W niniejszej pracy przedstawiono współczesne metody modelowania i symulacji z wykorzystaniem komputerowych systemów wspomagających te działania, które umożliwiają wyznaczenie różnych wariantów procesu oraz ich ocenę pozwalającą ustalić najkorzystniejszy z nich. Duża liczba możliwych wariantów procesu wymaga opracowania modeli komputerowych oraz symulacji działania, co w konsekwencji powinno prowadzić do wyboru najkorzystniejszego wariantu z punktu widzenia przyjętych kryteriów. 2. MODELOWANIE I SYMULACJA SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH Metody modelowania i symulacji stosuje się wtedy, gdy uzyskanie rozwiązania metodami analitycznymi jest zbyt skomplikowane lub niemożliwe, a bezpośrednie eksperymentowanie na praktycznym (fizycznym) modelu jest zbyt pracochłonne, niebezpieczne i kosztowne. Modelowanie stosuje się także wtedy, gdy inne metody nie dają wymaganego poziomu pewności, że rzeczywisty system wytwórczy będzie zachowywał się zgodnie z przyjętymi założeniami modelu teoretycznego (wirtualnego). Modelowanie i symulacja procesów wytwarzania, w tym także montażu, umożliwia ich analizę oraz prześledzenie funkcjonowania wybranego obiektu (stanowiska, operacji, zabiegu, czynności, transportu, stanu magazynów, zakłóceń itd.), trwającego niekiedy wiele lat, w ciągu zaledwie kilku minut. Pozwala przeprowadzić weryfikację przyjętych założeń przed ich zastosowaniem w praktyce, a także określić nieprawidłowości, jakie mogą wystąpić w czasie eksploatacji, w tym szczególnie słabe punkty projektowanego lub realizowanego systemu produkcyjnego [3]. Modelowanie i symulacja procesu produkcyjnego polega na tworzeniu komputerowego wirtualnego modelu rzeczywistego systemu wytwórczego, na którym przeprowadza się szereg eksperymentów. W wyniku symulacji uzyskuje się zestawy raportów, dzięki którym opracowuje się dalsze działania, np. dokonuje się wyboru formy organizacyjnej stanowisk produkcyjnych (szeregowa, równoległa, szeregowo-równoległa) lub rodzaju i liczby środków transportowych, w tym także programu zmian, jakich można dokonać w istniejącym systemie, aby uzyskać założony efekt (np. wydajność produkcji, skrócenie cyklu produkcyjnego). Badany model systemu produkcyjnego można udoskonalić i przeprowadzać kolejne symulacje dla różnych jego wariantów i ustawień (nowe maszyny lub stanowiska montażowe, różna liczba wielowariantowych wyrobów, pojemność magazynów międzystanowi-
Komputerowe wspomagane modelowanie i symulacja procesów produkcyjnych 41 skowych (tzw. buforów), przewidywane zakłócenia i przerwy związane np. z konserwacją i remontami maszyn oraz ich awaryjnością itd.). W analizach można ponadto uwzględniać koszty wytwarzania lub inwestycji dla wszystkich lub wybranych wariantów systemu, co z kolei pozwala na szybką analizę efektywności ekonomicznej. Wybrane współczesne programy i systemy komputerowe służące do modelowania i symulacji procesów produkcyjnych, w tym montażu, przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Wybrane współczesne programy do modelowania i symulacji procesów produkcyjnych [5] Choosen of contemporary software for production processes modeling and simulation [5] Nazwa programu Producent programu Główne przeznaczenie System operacyjny em-plant Simulation Software Studio Flexsim Lean MAST Plant Simulation ShowFlow 2 SIMUL8 Professional Systemflow 3D Animator Tecnomatix Technologies Inc. Production Modeling Corporation Incontrol Flexsim Software Products, Inc. CMS Research Inc UGS Incontrol GmbH SIMUL8 Corporation Systemflow Simulations Inc. analiza i weryfikacja procesów produkcyjnych, harmonogramowanie i szeregowanie zadań, wyrównoważenie linii produkcyjnych, transport wewnętrzny i międzystanowiskowy materiałów, logistyka dystrybucja i łańcuchy dostaw, symulacja procesów biznesowych procesy produkcyjne analiza, weryfikacja i optymalizacja oprogramowanie zorientowane obiektowo do analizy procesów produkcyjnych i biznesowych procesy produkcyjne, logistyka, transport międzystanowiskowy i międzyoperacyjny, magazynowanie, wysyłka i dystrybucja towarów analiza przepływu materiałów w procesie produkcyjnym obiektowo zorientowany program do symulacji, wizualizacji i optymalizacji dyskretnych procesów produkcyjnych optymalizacja procesów produkcyjnych (organizacji, wydajności i cyklu produkcji, robót w toku) zarządzanie przepływu materiałów w procesach wytwórczych i jego analiza animacja i wizualizacja 3D dyskretnych procesów produkcyjnych 98/ 9x/ XP/2000 2000 lub nowszy Win9x/Me/ 9X/ME/NT4/ lub nowszy
42 O. Ciszak 3. DANE WEJŚCIOWE DO MODELOWANIA PROCESÓW PRODUKCYJNYCH Do opracowania modelu systemu produkcyjnego niezbędne są informacje i dane wejściowe charakteryzujące się odpowiednim poziomem jakości, formy i ilości. Jest to etap wstępny, umożliwiający uzyskiwanie pewnego poglądu na rozwiązanie problemu, w tym informacji o nowych metodach, które mogą być zastosowane do jego rozwiązania [1]. Ponadto dane wejściowe pozwalają na opracowanie modelu procesu o odpowiedniej szczegółowości według zasady minimalnej liczby obiektów, wymaganych do osiągnięcia celów projektu w sposób jak najprostszy [6]. Do podstawowych informacji o budowanym modelu systemu wytwórczego w przemyśle maszynowym można zaliczyć: informacje o obiektach systemu (rodzaj i liczba obrabiarek, środków transportu i plany ich remontów, liczba pracowników, organizacja i rozmieszczenie stanowisk produkcyjnych), wydajność systemu (plan produkcyjny na analizowany okres, wielkość partii, asortyment wyrobów), liczba i pojemność magazynów wejściowych i wyjściowych oraz międzyoperacyjnych, tzw. wąskie gardła, proces technologiczny (tzw. marszruta technologiczna) oraz pracochłonność operacji (czasy t j i t pz ), kolejność wykonywania zleceń produkcyjnych, liczbę i kwalifikacje pracowników (operatorów, nastawiczy itd.), czas przezbrojenia produkcji na inny typ wyrobu, koszty materiałowe, robocizny bezpośredniej, stanowiskowe, narzuty itd. hipotezy dla pewnych aspektów problemu, szczególnie gdy brakuje konkretnych danych, które będą weryfikowane na drodze eksperymentalnej, system sterowania system produkcyjnym. 4. ETAPY BUDOWY MODELU I SYMULACJI SYSTEMU PROCESU PRODUKCYJNEGO Budowa symulacyjnego modelu procesu jest zadaniem wieloetapowym. Model procesu i eksperymenty wymagają usystematyzowanego podejścia do projektu, tak aby osiągnąć założone cele. Na podstawie analizy literatury oraz własnych doświadczeń autora został opracowany algorytm postępowania przy budowie, testowaniu i badaniach eksperymentalnych modelu symulacyjnego procesu produkcyjngo (rys. 1).
Komputerowe wspomagane modelowanie i symulacja procesów produkcyjnych 43 START Określenie problemu do rozwiązania (cel projektu) etap 1 Zbieranie danych i informacji wejściowych etap 2 Weryfikacja danych wejściowych (dokładność i jakość informacji jest ważniejsza niż ich ilość) etap 3 Budowa modelu symulacyjnego (określenie szczegółowości modelu, wybór obiektów, ich liczby oraz wzajemnych powiązań) etap 4 Opracowanie w programie symulacyjnym modelu systemu produkcyjnego (plan rozmieszczenia obiektów, opis ich modelu, zdefiniowanie przepływu materiałów oraz ustalenie kolejności operacji etap 5 Weryfikacja modelu procesu z wynikami obliczeń wstępnych etap 6 Przeprowadzenie kolejnych eksperymentów symulacyjnych przy zmianie wybranych parametrów systemu etap 7 Sformułowanie wniosków (ocena wyników) etap 8 Modyfikacja modelu systemu etap 9 Symulacja końcowa (animacja wraz z komentarzami i wynikami z przeprowadzonych eksperymentów etap 10 Nie Czy wyniki są zadowalające? Tak KONIEC Rys. 1. Uproszczony algorytm postępowania przy opracowywaniu symulacyjnego modelu procesu produkcyjnego [opracowanie własne na podstawie 1, 2, 6] Fig. 1. The small claims algorithm of the main steps of developing a simulation model of production process [prepared by the autor on the basis of 1, 2, 6]
44 O. Ciszak Algorytm składa się z kilku głównych faz: zbieranie danych wejściowych, modelowanie wstępne, weryfikacja wyników, modelowanie zasadnicze oraz przeprowadzenie eksperymentów i ich ocena końcowa. Przykładowe modele symulacyjne linii montażowych, opracowane i testowane w wybranych programach, przedstawiono na rys. 2. a) b) Rys. 2. Przykładowe modele linii montażowych wykonane w programie: a) ShowFlow firmy Incontrol GmbH, b) Flexsim firmy Flexsim Software Products Inc. [1, 2] Fig. 2. Example of assembly line models prepared in: a) ShowFlow of Incontrol GmbH, b) Flexsim of Flexsim Software Products Inc. [1, 2] 5. PODSUMOWANIE W czasach dominującej na rynku konkurencji oraz ciągłego dążenia przedsiębiorstw do obniżenia kosztów produkcji, stosowanie komputerowych technik modelowania i symulacji jest jedną z metod przyczyniających się do znacznie szybszego projektowania nowych i weryfikacji istniejących systemów wytwór-
Komputerowe wspomagane modelowanie i symulacja procesów produkcyjnych 45 czych, w tym montażu. Umożliwia ona nie tylko skrócenie czasu opracowywania projektów, ale także pozwala wykonywać eksperymenty na wielu wariantach wirtualnego procesu produkcyjnego jednocześnie oraz śledzić skutki wprowadzonych zmian przed podjęciem ostatecznych decyzji. Zmniejsza to ryzyko niepowodzenia, które, co oczywiste, może być bardzo kosztowne. Wpływa ponadto na podniesienie wskaźników jakościowych, zarówno opracowywanej jak, i stosowanej w przyszłości technologii umożliwiając wybór najkorzystniejszego wariantu w rzeczywistych warunkach aplikacyjnych. LITERATURA [1] Ciszak O., Modelling and Simulation of the final assembly using the Flexsim software, in: 3 th International Conference Virtual Design and Automation VIDA, Innovation in Product and Process Development, 28 29.06.2007, Poznań, Polska, materiały konferencyjne: summary s. 25, full paper on CD. [2] Ciszak O., Żurek J., Balancing of vertical milling centre final assembly line, ATMiA, 2006, Vol. 26, No. 2, s. 239 245. [3] Ćwikała G., Gołda G., Modelowanie i symulacja jako narzędzie poprawy wydajności produkcji wyrobów wielkogabarytowych, w Komputerowo zintegrowane wytwarzanie, red. R. Knosala, Warszawa, WNT 2005, s. 235 245. [4] Łunarski J., Szabajkowicz W., Automatyzacja procesów technologicznych montażu maszyn, Warszawa, WNT 1993. [5] Sawin J. J., Simulation Reloaded (http://lionhrtpub.com). [6] Zdanowicz R., Modelowanie i symulacja procesów wytwarzania, Gliwice, WPŚ 2002. Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Żurek COMPUTER AIDED MODELLING AND SIMULATION OF PRODUCTION PROCESSES S u m m a r y The paper describes the present method of computer modelling and simulation using in the machine industry. The basic stages of designing a simulation model of the production process with consideration of input data and information with utilization of present-day software for modelling and simulation is presented. Key words: production process, modeling, simulation dr inż. Olaf CISZAK Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, Zakład Projektowania Technologii, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań, tel. (061) 665 21 62, e-mail: olaf.ciszak@put.poznan.pl.