KURZUS: Gyártási folyamatok és szimulációs technikák

MODUL: I. modul: A gyártás szimuláció alapjai

1. lecke: Bevezetés a gyártás szimulációba

| Termelő rendszerek tervezésében és működtetésében egyre nagyobb szerepet játszik az időben dinamikusan változó paraméterek kezelése. Kis és közepes méretű vállalatok gyártási folyamatainak esetében ugyanúgy kritikus jellemzők a gyártás felfutási idő, a vevői megrendelés átfutási ideje, az előállított termék minősége, mint az összetett termékeket előállító multinacionális nagyvállalatok tekintetében. Erre a kihívásra ad megfelelő választ a gyártási folyamatok szimulációs elemzése, melynek módszerei és informatikai eszközei biztosítják az egyidejű tervezés lehetőségét.
Cél: A tananyag célja, hogy a hallgatót bevezesse a gyártás szimuláció világába, megismerhesse a definíciókat és egy gyártó folyamat szimulációjának általános folyamatát.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
saját szavaival megfogalmazni a szimulációs technika elterjedéséhez vezető iparági trendeket, definiálni a szimuláció, modell, rendszer, szimulációs lefutás fogalmát, megfogalmazni, hogy a szimuláció milyen feladatok megoldására nyújt segítséget, saját szavaival megfogalmazni a szimuláció folyamatlépéseit.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
szimuláció, modell, szimuláció lefutás, szimulációs folyamat.
1. Bevezetés a gyártás szimulációba
Figyelje meg és jegyezze meg, milyen iparági trendek vezetnek a szimulációs technika alkalmazásához.
A szimulációs technika egy fontos segédeszköz a tervezésnél, kivitelezésnél és a komplex gyári rendszereknél. Az iparban különböző trendek fedezhetők fel, mint például:
növekvő termék-komplexitás és variáció-sokféleség, növekvő minőségi követelmények a növekvő költségmegszorításoknál, növekvő követelmények a flexibilitást illetően, csökkenő termékélettartam, növekvő konkurenciahatás.
Mindezek rövidülő tervezési ciklushoz és egyre komplexebb rendszerekhez vezetnek. A szimulációknak mindenütt helyük van, ahol egyszerű metódusok már nem adnak használható eredményeket.
Értelmezze és jegyezze meg a rendszer; a modell; a szimulációs lefutás; a kísérlet; és a szimuláció definícióját.
Definíciók
Rendszer (VDI 3633): Egy rendszer egymással kapcsolatban álló komponensek egy meghatározott elrendezéseként definiálható.
Modell (VDI 3633): A modell egy tervezett vagy ténylegesen létező rendszernek - a folyamataival együtt történő- egyszerűsített leképezése egy rendszerbe.
Szimulációs lefutás (VDI 3633): Egy szimulációs lefutás a rendszer magatartásának egy meghatározott időn keresztül történő leképezése egy "lefutásra képes" rendszerben.
Kísérlet (VDI 3633): A kísérlet egy modell viselkedésének vizsgálata az eltérő paraméterváltozatok ismételt szimulációs lefutásával.
Szimuláció (VDI 3633): A szimuláció egy rendszer leképezése dinamikus folyamataival együtt egy olyan modellben, amellyel kísérletezni lehet. Célja olyan eredmények szerzése, amelyek a valóságban felhasználhatók.
A szimuláció alapvetően azt jelenti, hogy egy valóságos, létező vagy egy még nem létező rendszert egy modell segítségével leképezünk, és a modell segítségével a rendszer működésére vonatkozóan vizsgálatokat végzünk, valamint az eredményeket interpretáljuk és következtetéseket vonunk le a valóságos rendszerrel kapcsolatban.
A szimuláció alkalmazási lehetőségei
Minden szimulációs modell tárgyakból, tárgyak közötti kapcsolatokból, logikai és térbeli elhelyezkedésből és attribútumokból - geometriai, teljesítmény, vezérléstechnikai adatokból áll össze. A szimulációs alkalmazásoknál az analóg szimuláció (mechanikai, elektromos, hidraulikus) helyét átvette a digitális szimuláció. Ennek többek között az alábbi okai vannak:
A modellkészítés és szimuláció költségei lényegesen kedvezőbbek, mint egy hasonló kialakítású vizsgálat valós vagy analóg modellekkel. A kísérlet időbeli lefolyása jelentősen csökkenthető. Digitális szimulációval kiterjedt, akár veszélyes rendszerállapot vizsgálata is lehetséges, a vizsgálatot végzők veszélyeztetése nélkül. A megfigyelt rendszertől függetlenül egységes módszertannal és sokoldalúan felhasználható szoftvertermékekkel dolgozhatunk.
A gyártóegységek és folyamatok szimulációja hatásosan képes támogatni a gyártóegységek elhelyezését, tervezését és programozását. A szimuláció az alábbi feladatokban nyújt segítséget.
Olvassa el és jegyezze meg a szimuláció milyen feladatokban nyújt segítséget.
Meglévő létesítmény optimalizálása
Vezérlési stratégiák optimalizálása Műveleti sorrend optimalizálása Napi teljesítmény tesztelése
Új létesítmény tervezése
Idő és teljesítmény meghatározás Méretezés meghatározása Emberi erőforrásigények felmérése Lehetséges vezérlési stratégiák meghatározása Hibák bekövetkezésének elemzése Különböző változatok kipróbálása
A szimulációt egy gyáregység üzemének és kivitelezésének tervezésében is célszerű használni. Időbeli lefutásának csoportosítása.
Tervezési fázis
A nehézségek, akadályok elemzése és a javítási lehetőségek levezetése A rejtett nem használt potenciálok felfedezése A kihasználás minimalizálása és maximalizálása A különböző tervezési változatok összevetése egymással Paraméterteszt a kapacitásra, a vezérlés hatékonyságára, a teljesítményhatárokra, az akadályokra, az átfutási gyorsaságra, valamint az állapotképzésre vonatkozóan Tervezési változatok vizualizálása a döntés meghozásához
Megvalósítási fázis
Teljesítménytesztek végrehajtása A jövőbeli követelményekhez problémaelemzések, valamint tesztek kivitelezése Rendkívüli rendszerállapotok és balesetek szimulációja Dolgozók betanítása (pl. hiba/üzemzavar-menedzsment) Az induló szimuláció viselkedése
Üzemelési fázis
Vezérlési alternatívák tesztelése A vészstratégiák és az üzemzavar-programok felülvizsgálata Minőségbiztosítás és az üzemzavar-menedzsment felülvizsgálata Új dolgozók eligazítása/oktatása A megbízási tervek és a lehetséges szállítási határidők vizsgálata
A szimuláció segít a kérdések megválaszolásában, mindazonáltal kérdéseket is generál. A komplex rendszerek modellezése és a műszaki rendszerek alkalmazása intenzív tevékenységet jelent. A szimuláció a dinamikus rendszerviselkedés figyelembe vétele mellett képes hozzájárulni a termelési rendszerek valós dimenzionálásához. Tervezés esetén a szimuláció lehetőséget ad arra, hogy a változás hatásait gyorsan tudjuk tesztelni. Ez még hatásosabb abban az esetben, amikor az adott rendszer szimulációs modelljei az előző tervezési fázisból rendelkezésre állnak, és csak az aktuális feladatnak megfelelően kell azokat módosítani.
2. Szimulációs folyamat
A szimulációs vizsgálat elvét egyszerűsítve mutatja a szimulációs körfolyamat (1.ábra). A szimulációs vizsgálatot elvégezhetjük a valós rendszer működését megelőzően vagy azzal párhuzamosan is. Ehhez vagy a valóságos rendszerből kiinduló vagy a tervezett koncepcióval azonos szimulációs modellt képezünk, és a szimulációs szoftverbe implementáljuk. Ezzel a modellel a kísérleteket elvégezhetjük. Az eredményeket kiértékeljük és interpretáljuk, a megszerzett adatokat arra használjuk, hogy a valós vagy tervezett rendszert módosítsuk. Ezt a folyamatot addig ismételjük, amíg a kívánt eredményt elérjük.
Füzetébe rajzolja le a szimuláció körfolyamatát! A feladatot addig ismételje, míg hibátlan ábrát nem készít.
Szimulációs körfolyamat (VDI 3633)
1. ábra
A szimulációs feladat végrehajtásához a következő folyamatlépések szükségesek.
Olvassa el és jegyezze meg a szimuláció folyamatlépéseit.
1. Előkészítés
Probléma meghatározása Célmeghatározás, követelmények Rendszerdefiníció Adatgyűjtés
2. Modellezés
Modellépítés Modell validálás
3. Kísérletezés
Szimulációs kísérleti tervezés Szimulációs futtatások Eredménykiértékelés Rendszervariációk/optimálás
4. Megvalósítás
Szimulációs eredmények gyakorlati alkalmazása Dokumentáció
A folyamat lefolyását tekintve iterációs jellegű, az egyes folyamat lépések kihatással lehetnek a megelőző folyamatra is (visszacsatolási lehetőség).
Szimulációs folyamatábra (VDI 3633)
2. ábra
Probléma meghatározása
A szimulációval szemben támasztott követelményeket a szimuláció megbízójával együtt kell meghatározni (kezdetben a szimulációs technika lehetőségeinek figyelembevétele nélkül). A probléma meghatározás eredménye egy írásbeli megegyezés (pl. követelmény füzet - lastenheft), amiben konkrét problémák vannak meghatározva, amiket a szimuláció segítségével kell megvizsgálni.
A szimulációs képesség vizsgálata
A szimulációs képesség megítéléséhez többek között a következő fő szempontokat kell összegyűjteni:
A matematikai modellek analitikus hibái (sok változó) Nagyfokú komplexitás, sok megfigyelendő hatás Adat-bizonytalanság A rendszerhatárok lépésről-lépésre történő kivizsgálása/mérése A szimulációs modell ismételt alkalmazása
Célmeghatározás
Minden vállalat rendelkezik egy célrendszerrel. Ez rendszerint egy általános célból (pl. jövedelmezőség) áll, amit olyan célok sokaságára szednek szét, amelyek egymással kölcsönhatásban vannak. A célrendszer meghatározása egy fontos előkészületi lépés. Szimulációnál a következőek lehetnek gyakori célok:
Átfutási idő minimalizálása Kihasználás maximalizálás Készletminimalizálás Határidők pontos betartásának növelése
Minden meghatározott célértéket a szimulációs lefutás végén statisztikailag meg kell állapítani, és ki kell értékelni. Ez eredményezi a szimulációs modell szükséges részletezettségi fokát. Ezáltal a szimulációs tanulmány alapvető terjedelme, és ezáltal a projektköltségek meghatározottak.
Adatgyűjtés
A szimulációhoz szükséges adatok a következőképpen tagolódnak:
Rendszerterhelési adatok Szervezési adatok Műszaki/technikai adatok
Modellezés
A modellezés fázisa magába foglalja a használt szimulációs modellhez a modell vizsgálatának felépítését és tesztjét. A modellezés legtöbbször két lépcsőben következik be:
Az elméleti/elképzelt modellből egy szimbolikus/képletes modellt vezetnek le. Ezt a modellt ültetik át egy szoftvermodellbe.
A modellezés első lépése
Mindenekelőtt a szimulálandó rendszert kell általánosságban véve megérteni/felfogni. A vizsgálandó célmeghatározásból kiindulva kell eldönteni a szimuláció részletezettségi fokát. A szimuláció elvárt pontosságából kiindulva kell azokat a döntéseket meghozni, hogy milyen nézőpontokat kell leegyszerűsíteni, vagy melyeket nem kell egyáltalán szemléltetni. Az első modellezési lépcső két tevékenységet foglal magába:
Elemzés (csoportosítás) Elvonatkoztatás (általánosítás)
A rendszerelemzés segítségével az eredeti rendszer komplexitása a vizsgálandó céloknak megfelelően, ésszerűen elemekre bomlik. Az elvonatkoztatáson keresztül a specifikus rendszer-ismertetőjelek annyira lecsökkenek, hogy az eredeti rendszer körülhatárolt/kicsinyített képmásának lényege/magva jön létre. Az elvonatkoztatás tipikus eljárásai a kicsinyítés (elhagyja a nem releváns részleteket) és az idealizáció (leegyszerűsíti az alapvető, szükséges részleteket).
A modellezés második lépése
A szimulációt felépítése és tesztelése. A modellezés végeredménye a modell dokumentációban áll össze, hogy a későbbi változtatásokat majd végre lehessen hajtani a szimulációs modellben. A gyakorlatban ezt a lépést gyakran elhanyagolják, így a modellt a működés hiányzó dokumentációja miatt már nem tudják használni. Ajánlatos már a programozás alatt a modelleket és a forráskódokat belsőleg megfelelően kommentálni, hogy a legtöbbször a programozás után összeállított dokumentáció, a működés magyarázata még rendelkezésre álljon.
A szimuláció lefuttatásának végrehajtása
A jellegtől való erős függőségben és a szimulációs tanulmány célmeghatározásában viszik véghez egy felállítandó kísérleti terv segítségével a kísérletet. A kísérleti tervben az egyes kísérletek kimeneti adatait, a modell paramétereit és az elvárt/tervezett eredményeket, illetve a kísérleti célokat őrzik meg. Ezen kívül az is fontos, hogy a tesztfutásokból nyert ismeretek alapján a szimulációs kísérletnek egy időkeretet kijelöljünk. Nem számítanak ritkaságnak a több óráig tartó számítógép-futások vagy a gyakori kísérlet ismétlések a statisztikai biztosítás esetében. Ebben az esetben át kell vizsgálni, hogy mennyire ésszerű egy saját programmodulon keresztül a kísérlet vezérlése (Batch-futás). A bemeneti és kimenti adatokat, valamint a szimulációs modell alapul szolgáló paramétereit minden kísérletnél dokumentálják.
Az eredmény elemzése és értelmezése
A szimulációs eredményből kell levezetni azokat az intézkedéseket, amiket modellezett rendszer megváltoztat. A szimulációs eredmények helyes értelmezése lényegesen befolyásolja ez által a szimulációs tanulmány sikerét. Azoknál az eredményeknél, amik ellentmondanak a követelményeknek, elemezést kell végrehajtani, hogy mely befolyások/hatások felelősek a nem várt eredményért. Azt is figyelembe kell venni, hogy a komplex rendszer gyakran felfutó fázisban van. Ez a valóságban és a szimulációban különbözőképpen folyik le. A felfutó fázis alatt megállapított eredmények gyakran nem alkalmazhatóak a modellezett rendszerben, és a kiértékelésbe sem szabad belevenni. (kivétel: ha az eredeti rendszer felfutó magatartása teljesen modellezhető). A hetedik lépésben ezen kívül el kell dönteni, hogy mennyire kell a szimulációs tanulmánynak kiterjedni, illetve részletezni azt. Részletezés esetén újra kell kezdeni a folyamatot a célmeghatározástól.
Dokumentáció
A szimulációs elemzéseknek a dokumentációját projektjelentés formájában ajánlott elkészíteni. Ennek egy áttekintést kellene adnia a tanulmány időbeli lefolyásáról, és a végre hajtott feladatokat kell dokumentálnia. Érdekes ebben az összefüggésben a rosszul sikerült felépítés dokumentációja is, hogy ezt a valóságban el tudjuk kerülni. A szimulációs eredmény egy követelményfüzet orientált szemléltetésének kellene a projektjelentés magját képezni. Ésszerű a tanulmányból az eredményes intézkedési javaslatokat a modellezett rendszeren is felvenni az eredménydokumentációba. A szimulációs modellt a felépítésében és a funkcionalitásában a projektjelentéshez függelékként/csatolmányként kell leírni.

| Önellenőrző kérdések
1. Sorolja fel milyen iparági trendek vezettek a szimulációs technika alkalmazásának elterjedéséhez!
2. Definiálja a szimuláció fogalmát!
3. Definiálja a modell fogalmát!
4. Csoportosítsa és sorolja fel a szimuláció milyen feladatok megoldásához ad segítséget!
5. Füzetébe rajzolja le a szimuláció körfolyamatát!
6. Csoportosítsa a szimuláció folyamatlépéseit, mely fázishoz tartoznak! 1. Előkészítési 2. Modellezési 3. Kísérletezési 4. Megvalósítási Probléma meghatározása Szimulációs futtatások Szimulációs eredmények gyakorlati alkalmazása Célmeghatározás, követelmények Rendszerdefiníció Eredménykiértékelés Adatgyűjtés Rendszervariációk/optimálás Modellépítés Modell validálás Szimulációs kísérleti tervezés Dokumentáció