RO126509A2 - Metodă şi sistem de simulare a unei unităţi de producţie - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi un sistem de simulare a unei unităţi de producţie, destinate simulării simultane pe calculator a unei linii de producţie şi a unui proces de producţie, în vederea planificării şi realizării unei unităţi de producţie. Metoda conform invenţiei cuprinde folosirea unui program de calculator () de simulare a unor evenimente discrete, cuprinzând o bibliotecă () cu componente de simulare specifice unor modele de flux, pentru a implementa o bibliotecă () de modele de simulare a utilajelor şi echipamentelor existente într-o linie de producţie şi o bibliotecă () de componente de modele de simulare pentru modelarea şi simularea unui proces de producţie, cele două biblioteci () fiind în continuare folosite pentru a construi un model de simulare () a liniei de producţie şi un model de simulare () a procesului de producţie, cele două modele de simulare () fiind interconectate prin comenzi de execuţie şi mesaje de notificare, realizând modelul de simulare () a unităţii de producţie. Sistemul folosit pentru aplicarea metodei cuprinde: un program de calculator () de simulare a unor evenimente discrete, nişte biblioteci () cu componente de modelare şi simulare standard pentru modele de flux de material, cu componente de simulare specifice modelării unui proces de producţie şi, respectiv, cu modele de simulare specifice utilajelor de producţie, precum şi un alt program de calculator dedicat creării noilor modele de simulare.

Description

Invenția se refera la o metoda si un sistem de simulare a unei unitati de producție, destinata pentru simularea simultana pe calculator a unei linii de producție si a unui proces de producție pentru planificarea si realizarea unei unitati de producție.

In faza de proiectare a unei unitati noi de producție este necesara planificarea resurselor folosite in vederea optimizării eficientei de producție. Totodată este necesara definirea proceselor de producție astfel încât sa se utilizeze in mod eficient resursele disponibile in viitoarea unitate de producție. Trebuie sa se ia in considerare factori precum, viteza si capacitatea unitatii de producție, costurile previzibile de întreținere, efectele defectelor ce pot afecta utilajele si produsele. Acești factori pot fi determinați prin realizarea unui model de simulare al unitatii de producție, care poate oferi date despre gradul de eficienta a unitatii planificate. Proiectele unităților noi de producție vor fi astfel definitivate prin realizarea, testarea si analiza repetata ale acestor modele de simulare pe calculator a posibilelor configurații ale unitatii.

O unitate de producție este caracterizata prin doua aspecte: linia de producție care cuprinde totalitatea utilajelor si resurselor folosite in procesul de producție, si procesul de producție care definește pașii de producție si ordinea in care aceștia trebuie executați pentru a realiza un produs.

Or 2 0 0 9 0 1 0 0 0 - 3 0 -11- 2009

Pentru crearea unei simulări cu ajutorul calculatorului in planificarea si realizarea unei unitati de producție se cunosc metode de simulare pe calculator separat pentru linia de producție si separat pentru procesul de producție.

Crearea si analiza modelelor unor astfel de simulări pe calculator prezintă dezavantajul ca:

- procesul de producție se definește doar prin aranajamentul utilajelor si conexiunile intre acestea.

- este imposibil de realizat modele de simulare a unei unitati de producție ce poate sa execute mai multe procese de producție pentru realizarea simultana a mai multor produse.

Modificarea procesului de producție impune modificarea modelului de simularea a liniei de producție, ceea ce conduce la:

- un efort mărit in dezvoltarea si analiza diferitelor procese de producție executate in aceasi unitate de producție

- eficienta scăzută in modelarea si simularea unităților de producție.

- costuri ridicate in execuția proiectelor de modelare a unităților de producție.

O alta metoda de simulare este cea prin analiza matematica a procesului de producție care prezintă dezavantajul ca:

- prin analiza matematica a procesului de producție se creaza modele matematice sau formule ce descriu capacitatea/viteza de producție individuala a fiecărui utilaj folosit in procesul de producție.

-prin folosirea acestor modele se obține capacitatea/viteza totala de producție a unitatii de producție, fara a putea lua insa in considerare interacțiunile directe sau indirecte intre utilaje.

-folosind aceasta metoda, se aplica regula: capacitatea/viteaza totala de producție a unitatii de producție este egala cu capacitatea/viteaza de producție a utilajului cel mai puțin performant.

Analiza matematica a procesului de producție este inexacta deoarece nu reda efectele rezultate in urma interacțiunilor dintre utilaje, folosind doar modele matematice idealizate a producției, ^2009-01000-3 0 -11- 2009 astfel incat, in cele mai multe cazuri, analiza matematica indica capacitate/viteza de producție mai ridicata decât cea obtinuta in unitatea de producție reala.

Pentru realizarea modelului de simulare a unei linii de producție , in mod curent se folosește metoda de simulare a evenimentelor discrete cu ajutoarul careia se construiesc modele de flux al materialelor.

Metoda de simulare a evenimentelor discrete este o metoda bine cunoscuta si se refera la faptul ca simularea efectiva se realizează prin înșiruirea si executarea in ordine cronologica a evenimentelor ce marcheaza schimbările de stare in modelul de simulare.

In modele de simulare a evenimentelor discrete timpul este un parametru scalar al evenimentelor care este folosit numai in ordonarea cronologica a evenimentelor. Astfel, timpul simulării poate sa avanseze mult mai repede decât timpul real. Aceasta caracteristica permite sa se execute in doar cateva minute simulări ce cuprind acțiunile unui întreg an.

Modele de flux al materialelor simulate cu metoda simulării evenimentelor discrete, reprezintă o rețea de cai de transport al materialelor si conțin noduri de procesare a materialelor. Nodurile din reateaua de flux de materiale au porturi de intrare si porturi de ieșire prin care circula materialele iar procesarea in noduri este modelată prin timpul petrecut de la momentul in care materialul intra in nod pana in momentul in care materialul poate sa iasa din nod.

Materialele care circula prin rețeaua modelului de flux sunt definite ca fiind obiecte - entitati de programare pe calculator-ce conțin date caracteristice ale materialelor pe care le reprezintă.

Fig. 1 este o schema bloc al unei linii de producție simple. Se pot identifica 6 utilaje: UI, U2, U3A, U3B, U3C, U4; 8 noduri de rutare a materialelor NI - N8, si linii de transport uni- sau bidirecționale.

Se presupune ca produsul finit conține un singur subansamblu si pentru ca produsul sa fie finalizat este necesar ca subansamblul sa parcurgă următoarea secvența de procesare: Utilaj UI -> Utilaj U2 -> Utilaj U3A sau Utilaj U3B sau Utilaj U3C -> Utilaj U4.

χ-1 Ο Ο 9 - Ο ΐ Ο Ο Ο - 3 Ο -11- 2009

In funcție de utilajul ales pentru a 3-a operație se pot identifica 3 produse: ProdusA, ProdusB si ProdusC. Cantitatea produsa din fiecare produs este determinata de regula care decide utilajul folosit in pasul al 3-lea.

Linia de producție se poate modela cu un model de flux al materialelor si cu simularea evenimentelor discrete după cum urmeaza:

1. Se definește entitatea de material ce va circula prin modelul de simulare

2. Se creaza modelel de flux al utilajelor UI - U4. Modele utilajelor au un singur port de intrare si un singur port de ieșire al materialelor. Timpii de procesare a fiecărui utilaj raman parametri variabili ai materialelor si astfel se permite experimentarea diferitelor configurații.

3. Se creaza modelul de flux al nodurilor de rutare NI - N8. Se presupune ca este necesar un timp de operare pentru repoziționarea materialului, iar la fel ca si in cazul utilajelor, acest timp va fi un parametru al modelului

4. Se creaza legaturile de transport intre utilaje si noduri de rutare

5. Deoarece este necesara cate o regula de rutare a materialelor in nodurile N2, N3, N6 si N7, aceaste reguli se implementează ca parte integranta a modelelor de simulare aferente. Astfel se poate spune ca: nodul de rutarea N2 trimite fiecare al 3*K meterial in sus, fiecarea al 3*K+1 material in jos, si fiecare al 3*K + 2 material in dreapta; nodurile N3 si N6 trimit fiecare material in dreapta iar nodul N7 trimite fiecare material in sus.

6. Folosind modele de simulare mai sus definite se constituie modelul de simulare a liniei de producție.

Fig. 2 prezintă arhitectura unui sistem de simulare pe calculator a unităților de producție ce aplica metoda definita anterior. In schema, se utilizează un motor de simulare a evenimentelor discrete A4 cu ajutoarul caruia sa implementează o biblioteca pentru componentele standard folosite in construcția modelelor de flux A3. Folosind componentele standard de model de flux A3, se realizează modelele tuturor utilajelor si resurselor A4 din cadrul unitatii de producție ce se dorește modelat. Modelele utilajelor si a resurselor A2 trebuie sa conțină regulile de rutare a

Ο Ο 9 - Ο 1 Ο Ο Ο - 3 Ο -11- 2009 materialelor. In final modelul de simulare al unitatii de producție Al este realizat prin conectarea modelelor utilajelor si a resurselor A2.

Se poate observa ca regula de rutarea din nodul N2 definește raportul dintre cantitatile produse pentru cele 3 produse. Aceasta metoda de modelare si simulare a acestei unitati de producție, prezintă dezavantajul ca regula ce reglementează cantitatile produse din fiecarea produs face parte din modelul de simulare A2 a unui nod de rutare al materialului, fapt care îngreunează înțelegerea procesului de producție si totodată face imposibila definirea si simularea producției unor produse noi fara ca modelele unor utilaje sau noduri de rutare sa fie modificate. Totodată se poate spune ca modelul astfel dezvoltat nu se poate folosi pentru realizarea unor procese de producție mai complexe.

Sa presupunem ca se dorește modificarea procesului de producție al produsului C astfel incat înainte ca produsul sa fie procesat pe utilajul U3C, trebuie sa fie procesat pe utilajul U3A, iar din motive tehnologice pasul de producție pe utilajul U3A poate fi reluat in mod repetat daca se constata ca procesarea materialului a fost defectuoasa.

Fig. 3 reprezintă cele 3 procese de producție definite pentru cele 3 produse. ProdusulA - Pl si ProdusulB - P2 sunt definite conform modelului inițial, iar ProdusulC este înlocuit cu ProdusulAAC - P3 aplicând modificările mai sus menționate. Pentru a defini si mai exact procesul de producție a produselor in afara de pașii de prelucrare pe utilaje U1-U4 se introduc si pașii corespunzători operațiilor de transport.

Se poate constata ca acesta modificare relativ simpla a procesului de producție P3 impune efort foarte ridicat, chiar inacceptabil, in aplicarea metodei de modelare si simulare prezentate anterior.

Problema pe care o rezolva invenția de fata, este aceea de a modelare si simulare a unităților de producție in asa fel incat sa permită modelarea si simularea detaliata a liniei de producție si totodată modelarea si simularea mai multor procese de producție fara a fi necesara modificarea modelului de simularea a liniei de producție, astfel facilitând experimentarea eficienta a diferitelor combinații de produse si/sau procese de producție ale aceluiași produs.

_fc7 0nq-0-n?(!-3 0 -11- 2009 7 7

Metoda si sistem de simulare a unei unitati de producție, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

1. Realizează simultan printr-un singur model de simulare pe calculator a unui sistem pentru o linie de producție cat si a procesului de producție ținând cont de toti factorii importanți pentru planificarea si realizarea unei eficiente unitati de producție.

2. Delimitează cu exactitate modelul liniei de producție B3 de modelul procesului de producție B2.

3. Se permite folosirea a mai multor procese de producție in aceeași linie de producție pentru realizarea simultana a mai multor produse.

4. Rezultatele obținute sunt mai exacte deoarece se folosesc modele de simulare detaliate ale utilajelor.

5. Eficienta ridicata in aplicarea metodei.

6. Riscuri reduse in planificarea si realizare unităților de producție.

7. Timp si costuri reduse pentru planificarea si optimizare unităților de producție.

Caracteristicile, obiectivele si avantajele prezentei invenții devin mai clare din descrierea detaliata de maj jos când sunt luate in combinație cu desenele in care pârtiile identice sunt identificate prin numere de referința identice si unde:

- fig. 1 este o schema bloc al unei linii de producție simple

- fig. 2 reprezintă structura uzuala folosit in modelarea si simularea unităților de producție

- fig. 3 este un exemplu de procese de producție

- fig. 4 reprezintă Structura modelului de simulare a unităților de producție

- fig. 5 este schema algoritmului de control al procesului de producție.

Prezenta invenție rezolva problemele prezentate anterior prin aceea ca:

ίΧ-2 Ο Ο 9 - Ο 1 Ο ^{0 0} ’ 3 Ο -11- 7009 metoda si sistem de simulare a unei unitati de producție, conform invenției, este realizat dintr-un model de simulare a unitatii de producție Bl care se constituie din doua modele de simulare separate B2 si B3, unul pentru modelarea liniei de producție B2 fara a include aspecte specifice procesului de producție si altul pentru modelarea liniei de producție B3.

Modelul liniei de producție B3 este alcătuit din modele detaliate specifice utilajelor si resurselor de producție si transport. Modelele utilajelor de producție pot modela pe langa timpii necesari producției si aspecte legate de defecțiunile echipamentelor sau dependente de alte resurse. Modelele utilajelor de transport modelează operațiile necesare transportării materialelor si pot include modele si algoritmi de planificare avansata a operațiilor de transport.

Pentru ca cele doua modele de simulare B2 si B3 sa se execute simultan este necesara sincronizarea acestora, astfel o entitate de producție - material, subansamblu, etc - este reprezentata de doua entitati de simulare: entitate de simulare ce reprezintă entitatea fizica si entitatea de urmărire si control ce este reprezentata o entitate logica ce urmareaste procesul de producție.

Astfel, metoda si sistem de simulare a unei unitati de producție , este constituit din:

1. Un program de calculator de simulare a eventimentelor discrete A4, cuprinzând o biblioteca cu componente de simulare specifice modelelor de flux cu simularea evenimentelor discrete A3.

2. Biblioteca de modele de simulare a utilajelor si echipamentelor B5 existente in linia de producție si o biblioteca de componente de modele de simulare pentru modelarea si simularea procesului de producție B4, ambele fiind construite folosind componentele de simulare predefinite in biblioteca A3 atașata programului de simulare a evenimentelor discrete.

3. Modelul de simulare a liniei de producție B3, modelând doar funcționarea si capacitatile de prelucrare a utilajelor si echipamentelor, realizat din modelele utilajelor definite in biblioteca modelelor de simulare a utilajelor.

4. Modelul procesului de producție B2, prin care se specifica pașii de producție, logica de control ce reglementează cantitatea de produse sau materiale aflate in producție, si ev-2 O O 9 - O ' 2 9 - 3 ti -11- MO!) ‘ÎF coordonează producția subansamblelor si a meterialelor prime, realizat din com ponentele definite in biblioteca componentelor de simulare pentru modelarea si simularea proceselor de producție.

5. Un model de simulare a unitatii de producție Bl compus din modelul de simularea a liniei de producție B3 si modelul de simularea a procesului de producție B2.

Fig. 4 reprezintă structura unui sistem de simulare conform invenției. Motorul de simulare al evenimentelor discrete A4 si biblioteca pentru componentele standard folosite in construcția modelelor de flux A3 fac parte din stadiul tehnicii si sunt cele prezentate anterior. Acestea sunt folosite pentru a crea doua biblioteci de componente de modele de flux specifice pentru definirea proceselor de producție B4 si definirea modelelor liniilor de producție B5. Folosind aceste biblioteci B4 si B5 se realizează cele doua modele de simulare componente modelului de simulare al unitatii de producție Bl: Model de simulare al procesului de producție B2 si Model de simulare al liniei de producție B3.

Modelul de simulare al procesului de producție B2 trimite comenzi de execuție către modelul de simulare al liniei de producție B3 care după executarea comenzii recepționate trimite înapoi către modelul de simulare mesaje de notificare al execuției.

Biblioteca cu componente de modele de flux pentru definirea procesului de producție B4 conține, dar nu se limitează la următoarele componente:

1. Nod de start proces de producție - componenta pentru a crea si a porni in fluxul procesului de producție entitati noi de urmărire si control.

2. Nod de stop proces de producție - componenta pentru notificare sfârșitului unui proces de producție si pentru distrugerea entităților de urmărire si control.

3. Pas de proces - componenta pentru generarea si executarea unei comenzi de execuție asociat unui pas de proces. Se aplica algoritmul de control specificat in fig. 5.

4. Nod de decizie - componenta pentru implementarea ramificărilor condiționate iri procesul de producție.

Λ- 2 Ο Ο 9 - Ο 1 Ο Ο Ο - 3 Ο -11- 2009

Algoritmul conform caruia se realizează comunicarea intre modelul de simularea al procesului de producție B2 si modelul de simulare al liniei de producție B3 este prezentat in fig.

5. In momentul in care o entitate de urmărire si control intra in componenta de pas de producție al modelului procesului de producție B2, se lanseaza procedura de comunicare CI:

C2 - se generează comanda de execuție aferenta pasului de producție; C3 - se transmite comanda de execuție generata către modelul liniei de producție B3; C4 - se recepționează comanda de către modelului liniei de producție B3; C5 - Se procesează comanda si se transmite mai departe modelului utilajului B5 responsabil cu execuția acesteia; C6 - se planifica comanda de execuție si se suspenda execuția procedurii pana când, conform planificării, se poate executa comanda; C7 - se executa comanda; C8 - Odata comanda executata, se trimite mesaj de notificare către modelul procesului de producție B2; C9 - modelul procesului de producție B2 recepționează mesajul de notificare si marcheaza sfârșitul pasului de producție C1O. După execuția unui pas de producție, entitatea de urmărire si control poate sa paraseasca componenta corespunzătoare pasului de producție.

Pașii din algoritmul prezentat anterior sunt executați prin evenimente de simulare discrete astfel ca, execuția algoritmului nu este continua si atomica si poate fi intercalata cu alti pași de execuție al altor pași de producție.

Claims (12)

1. REVENDICĂRI

   1. Metoda de simulare a unei unitati de producție, cuprinzând:

   crearea modelelor de simulare specifice utilajelor de producție (B5) crearea modelului de simulare a liniei de producție (B3) folosind modelele specifice utilajelor de producție (B5) crearea componentelor de modele de simulare pentru definirea procesului de producție (B4) crearea modelului de simularea a procesului de producție (B2) folosind componentele de modele de simulare pentru definirea procesului de producție (B4) crearea modelului de simulare a unitatii de producție (Bl),prin conectarea modelului liniei de producție (B3) si a modelului procesului de producție (B2), folosid comenzi de execuție si mesaje de notificare
2. 2. Metoda conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, modelele de simulare specifice utilajelor de producție (B5) sunt realizate folosind un program de calculator dedicat simulării evenimentelor discrete (A4) si folosind o biblioteca cu componente de modelare si simulare standarde pentru modele de flux de material (A3).
3. 3. Metoda conform revendicării 1 si 2, caracterizata prin aceea ca, modelele de simulare specifice utilajelor de producție (B5) modelează si simulează doar aspecte tehnice a utilajelor excluzând aspecte specifice procesului de producție si a logicii de control.
4. 4. Metoda conform revendicării 1... 3, caracterizata prin aceea ca, modelul de simulare a liniiei de producție (B3) este compusa din modele de simulare a utilajelor (B5), astfel incat modelul de simulare a liniei de producție (B3) poate sa primească si se execute din exterior comenzi de execuție specifice operațiilor de prductie.

   δΝ^ 2009~01 000-3 Ο Ί1- 2009
5. 5. Metoda conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, componentele de modele de simulare pentru definirea procesului de producție (B4) sunt realizate folosind un program de calculator dedicat simulării evenimentelor discrete (A4) si folosind o biblioteca cu componente de modelare si simulare standard pentru modele de flux de material (A3).
6. 6. Metoda conform revendicării 1 si 5, caracterizata prin aceea ca, modelul de simulare a procesului de producție (B2) este realizata folosind componentele de modele de simulare pentru definirea procesului de producție (B4), astfel incat prin simularea procesului de producție sa se genereza comenzi de execuție necesare, iar rata si ordinea generării comenzilor de execuție sa fie coordonata de mesajele de notificare a execuției comenzilor
7. 7. Metoda conform revendicării 1 si 7, caracterizata prin aceea ca, secvența comenzilor de execuție este creata de modelul de simulare a procesului de producție (B2) si transmis către modelul de simulare a liniei de producție (B3), iar modelul de simulare a liniei de producție (B3) creaza si trimite mesaje de confirmare a execuției comenzilor spre modelul de simulare a procesului de producție (B2).
8. 8. Metoda conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, in modelul de simularea a unitatii de producție (Bl), fiecare produs, material sau subansamblu este reprezent prin doua entitati de simulare: entitatea de urmărire si control si entitatea materialului, unde entitatea de urmărire si control parcurge modelul de flux definit prin modelul de simulare a procesului de producție (B2), iar entitatea materialului parcurge modelul de flux definit prin modelul de simularea a liniei de producție (B3).
9. 9. Sistem de simulare a unei unitati de prodcutie pentru aplicarea metodei definite in revendicarea 1, care cuprinde:

   program de calculator dedicat simulării evenimentelor discrete (A4) biblioteca cu componente de modelare si simulare standard pentru modele de flux de material (A3) biblioteca cu componente de simulare specifice modelării procesului de producție conținând componentele: Nod de start proces de producție; Nod de stop proces de producție; Pas de proces; Nod de decizie. (B4) biblioteca cu modele de simulare specifice utilajelor de producție (B5)

   CV 2 Ο Ο 9 - Ο Ο ο ο - 3 Ο -11- 20(19 un program de calculator dedicat creării noilor modele de simulare
10. 10. Sistem conform revendicării 9, caracterizat prin aceea ca, programul de calculator dedicat simulării evenimentelor discrete (A4) si biblioteca cu componente de modelare si simulare standard pentru modele de flux de material (A3) sunt realizate intr-un limbaj de programare orientata pe obiecte.
11. 11. Sistem conform revendicării 9, caracterizat prin aceea ca, programul de calculator dedicat simulării evenimentelor discrete (A4) permite crearea si simularea unui număr nelimitat de biblioteci de componente si modele de simulare, folosind un limbaj de programare orientata pe obiecte.
12. 12. Sistem conform revendicării 9, caracterizat prin aceea ca, programul de calculator dedicat creării noilor modele asigura un mediu vizual si un editor grafic, pentru crearea noilor componente si modele de simulare.