Folyamat-szimuláció alkalmazási példa egy egyedi-, vagy kis szériás célgép gyártó esetében

Napjainkban az Ipar 4.0 keretében egyre nagyobb szerephez jut a különféle gyártástámogató rendszerek alkalmazása, melyek közül vitathatatlanul az egyik leghatékonyabb és legtöbb információval szolgáló eszköz, a gyártási folyamatok szimulációja. A folyamatmérnökök, gyártástámogató mérnökök, és termelés vezetők egy digitális gyártási környezetben (digitális ikerpár) tervezhetik meg a számukra legoptimálisabb működési rendszert. Tehetik mindezt anélkül, hogy közben a tényleges gyártási folyamatot bármilyen módon akadályoznák.

A gyártási folyamatok szimulációjával kapcsolatban gyakori tévhit, hogy csak a nagysorozatú tömeggyártással foglalkozó cégek tudják kihasználni a benne rejlő lehetőségeket. A módszer kifejlesztése kétségtelenül ebben a szegmensben gyökerezik, de a hosszú átfutási idejű, egyedi termékeket gyártó cégek is hamar felfedezték. A folyamat-szimuláció kiválóan alkalmazható a nagyszámú alkatrészt és komplett részegységeket beépítő, sok műveletes, összetett szerelési folyamatok hatékonyságának feljavítására, vagy optimalizálására is.

A jelen írásban bemutatott példa kiválóan szemléltet egy további érdekes alkalmazási lehetőséget.

Az Adient egy hazánkban is több telephellyel rendelkező vállalat csoport, a világ vezető gépjármű ülések fejlesztője és gyártója, autóipari beszállító. Világszerte 34 országban, 238 telephelyet üzemeltet. Ezek zöme nagy sorozatú széria gyártásban szerel össze komplett üléseket, és készít ülésmozgató rendszereket, amely hátterében ott állnak azok a célgép tervező és gyártó kisebb vállalatai, ahol viszonylag hosszabb átfutási idővel egyedileg, vagy kis szériában állítják elő az ülések gyártásában használt speciális gépeket és egyéb berendezéseket. A példában bemutatott, ebbe a körbe tartozó magyar tagvállalat sem végez maga nagy sorozatú gyártást. Ugyanakkor, hozzáadott szolgáltatásként a megrendelők számára testre szabottan kidolgozza az általa előállított célgépek adott rendszerbe állításához és későbbi hatékony üzemeltetéséhez szükséges optimális feltétel rendszert, amihez a WITNESS folyamat-szimulációt használja.

A példában szereplő konkrét esetben a feladat egy több ellenőrző állásból (járatók: ST500/ST550/ST600/ST700) álló bonyolult egyedi gyártóberendezés (gyártócella) teljes üzemelési környezetének és kapcsolódásainak az előzetes megtervezése és validálása volt. Meg kellett határozni az üzemeltető által minimálisan elvárt kibocsátás teljesítésének a feltételeit, illetve a lehetséges maximális kibocsátást is.

A járatók azonos működési feltételek mellett, azonos ütemidőkkel dolgoznak, így a teljes cella kialakításánál a legnagyobb gondot a járatók kiszolgálása, illetve a befejezett termékek továbbítása jelenti.

  1. ábra: Egyedi gyártó berendezés optimális üzemi környezetének kialakítása.

Elvben a gyártócella optimális működése akkor valósulna meg, ha az összes létező termék és alkatrész egyedi továbbítással, zavarmentes saját útvonalon haladhatna, amely mindig az aktuális gyártási szituációhoz igazodna. Nem lennének ütközések és az anyagmozgatáson konkuráló helyzetek. A valóságban a járatók be/kilépési pontjai (P1/P2/P3/P4) olyan PLC vezérelt lokális váltók, amelyek egy előre megírt, de rögzített vezérlő szabály, vagy vezérlő program szerint működnek. Sajnos ezekkel az egyedi termék útvonalak nem valósíthatók meg. Nehezíti a dolgot, hogy az anyagmozgató konvejor pályarendszer bizonyos szakaszai a terhelhetőség miatt le vannak korlátozva. Egy-egy szakaszon egyazon időben nem lehet az előírtnál több terméket szállító paletta.

Könnyen belátható, hogy a gyártócella egészének a működése szempontjából döntő jelentősége van a váltókban alkalmazott vezérlő rendszernek. A kérdés tehát az, hogy az adott üzemben, az adott korlátozó feltételek között mi lenne a leghatékonyabb működést eredményező vezérlő rendszer, amely mellett a lehető legnagyobb lehet a napi kibocsátás?

A projekt során, a WITNESS folyamat-szimuláció segítségével a fejlesztő csapat ötletei alapján kipróbálása kerültek az elvileg lehetséges vezérlési logikák, illetve ezek kombinációi is. A vezérlések nagy részének már a működőképességével kapcsolatban is alapvető problémák jelentkeztek, ami alapján ki lehetett zárni őket a további, alaposabb bevizsgálásból. A végső elemzés két viszonylag könnyen programozható és a gyakorlatba is egyszerűbben átültethető vezérlő logikára (V1/V2) szűkült le, amelyek biztosították a gyártócella megfelelő működőképességét is.

A szimulációs modell segítségével mind a két vezérlési módszer bevizsgálásra és finomhangolásra került, különféle vezérlő paraméter beállítások segítségével. Mivel mindkét vezérlés esetén lehetséges volt olyan paraméter beállítás, amikor alapvetően mindkettő teljesítette a minimális darabszám elérésére vonatkozó elvárást, a legfőbb kérdés az lett, hogy mennyire érzékenyek az egyes beállítási paraméterekre, illetve hogy milyen egyéb üzemi feltételeket kell feltétlenül biztosítani a működésükhöz?

Ennek megválaszolására mindkét vezérlési móddal számos scenariót lefuttattak, amelyek mindegyikéről mindenre kiterjedő, részletes statisztikai adatokat nyújtott a WITNESS, és vizuálisan is szemléltette az egyes paraméterek hatásait. Ezen túlmenően pontos információt szolgáltatott az egyéb olyan fontos üzemi feltételekről is, mint például a folyamatos működés fenntartásához szükséges segédeszközök száma, amelyek biztosítása egyébként sem elhanyagolható költség tényező.

Az eredményekből (2. ábra) kitűnik, melyik vezérlési logika, milyen vezérlő paraméterekkel biztosítja a gyártócella stabilabb működését. Azáltal, hogy a grafikon jobb oldalán látható V2 vezérlési változat jóval szélesebb paraméter tartományok között is tartható (színezéssel kiemelt darabszám kibocsátás oszlopok), sokkal kiszámíthatóbb gyártást és megbízhatóbb járatást tesz lehetővé.

2. ábra: A V1/V2 vezérlések különböző beállításai (scenariók) esetében kihozható gyártási mennyiségek, és az adott esetben a kihozatalhoz szükséges paletták minimális száma.

Az oszlop diagramra (2. ábra) szemléltetésként rá van vetítve az egyik legfőbb, és leginkább kérdéses segédeszköz mennyisége, a berendezések folyamatos és akadálymentes kiszolgálásához szükséges paletták minimális száma. Ez biztosítja, hogy ne legyenek fölösleges várakozások és üresjáratok.

Az egyes scenariók esetén látható a WITNESS által szolgáltatott egy másik fontos jellemző (3. ábra), a berendezések teljes eszköz hatékonyság mutatója (OEE), amely a leginkább reprezentálja az egyes vezérlés beállítások által a járatók működésére gyakorolt összhatást.

3. ábra: A járató rész berendezéseinek OEE eredmény táblázata a V1/V2 vezérlési változatok esetében.

Mind a tervező mérnökök, mint a leendő üzemeltetők számára további, nemcsak a járatási részre, hanem az egész telepített gyártócellára vonatkozó fontos jellemző, hogy a járató részen áthaladó termékek milyen ütemben tudják kiszolgálni, az azt követő technológiai szakaszt. Mint az a két vezérlési változat működésének alábbi eredmény grafikonjából (4. ábra) kiolvasható, a V2 vezérlés többféle paraméter beállítása esetén is, sokkal egyenletesebben követik egymást a kibocsátott és továbbhaladó termékek. A V1 változatnál - lényegében paraméter beállítástól függetlenül - gyakorta bekövetkező állapot, hogy nincs egyetlen továbbhaladó paletta sem, melynek következtében a további technológiai folyamat nem tud a saját ütemében haladni. Többnapos gyártási időszakot figyelembe véve, jelentős lesz a várakozással eltöltött idő.

4. ábra: A követő technológiai lépések kiszolgálásának folytonossága a V1/V2 vezérlési változatok esetében.

A szimulációs modell működése, valamint a végrehajtott scenariók által szolgáltatott termék kihozatali és egyéb statisztikai eredmények kiértékelése alapján egyértelműen megállapíthatóvá vált, hogy az adott gyártócellába programozott és szimulációval finoman hangolt V2 vezérlési logika alkalmazásával, egy olyan komplett gyártó berendezés (gyártócella) kerül telepítésre a megrendelőnél, amellyel a kitűzött gyártási célokat maradéktalanul teljesíteni tudják majd. Fontos körülmény, hogy mindez a megrendelő részére is előre szemléletesen bemutatható és bizonyítható, illetve elkerülhetők a telepítés utáni helyszíni próbálkozások az optimális anyagáramlás vezérlés beállítására. Továbbá a szimuláció által szolgáltatott részletes eredmények alapján lehetőség nyílik a befektetés megtérülésének (ROI) pontos kalkulációjára is.

A projektben megmutatkozott a WITNESS folyamat-szimuláció egy másik nagy előnye is. A mindenre kiterjedő részletes statisztikai adatok szolgáltatása és a legjobb beállítás meghatározása mellett, a projekt munkában elengedhetetlen kommunikációt támogató szemléletes vizualizáció. A gyártórendszer működése és az anyagáramlás vizuálisan is pontosan nyomon követhető. Nem csak felderíthetők, hanem láthatóvá is tehetők a szűk keresztmetszetek és egyéb dinamikus jellemzők. Továbbá az ajánlott „optimális” rendszer könnyen értelmezhető módon a megrendelő számára is látványosan bemutatható. Megtehető ez akár egy mérnöki gondolkozásmódhoz közeli sematikus üzemi layout alapján, vagy akár 3D vizualizált megjelenítési formában is.

Legyen szó akár gyártási, logisztikai, vagy üzleti folyamatról, egyedi termék-, vagy sorozatgyártásról, a WITNESS folyamat-szimulációs rendszer segítségével könnyen és gyorsan alkothatunk olyan modelleket, amelyekkel a lehető leghatékonyabbá tudjuk tenni a mindennapi működési folyamatainkat, az adott feltétel rendszerben. Ezzel minden vállalat Időt, energiát és legfőképpen pénzt spórolhat meg, függetlenül a cég méretétől, terméktől, technológiától.