Simulace procesů v automobilovém průmyslu Jan Daněk danek@humusoft.cz www.humusoft.cz Trnava, 20.10.2005 Automotive 2005

HUMUSOFT s.r.o. Založeno v r. 1991, sídlo v Praze Produkty a služby v oblasti technických výpočtů, řídicí techniky, simulace podnikových procesů MATLAB, Simulink, Stateflow inženýrské výpočty, simulace dynamických systémů The MathWorks, Inc. WITNESS interaktivní simulace a optimalizace podnikových procesů Lanner Group, Ltd. dSPACE - vývojové systémy dSPACE GmbH. FEMLAB Otevřený systém pro MKP analýzu Comsol AB Vývoj vlastního software & hardware Virtual Reality Toolbox, Real Time Toolbox Měřicí karty Modely pro výuku teorie řízení

SIMULACE Implementace Reálný systém MODEL Experimentování What-if analýzy Stress testy Reakce na poruchy Ověřování návrhů Validace, verifikace Vstupy Výstupy ČAS Implementace Dynamické znázornění reálného systému počítačovým modelem, který se chová (v podstatných rysech) stejně jako systém samotný.

Co uživatelům přináší simulace? Omezení rizika při návrhu, provádění změn a při provozu systémů Existující i plánované systémy a procesy Kvantifikace dynamického chování systémů Uvažování náhodných jevů Analýza v bezrizikovém prostředí Simulační čas <> ? = reálnému času Predikce odezvy systému na určité vstupní podmínky Operativní opatření VČAS Lepší porozumění procesům, kvalitnější a úplnější analýza Snížení nákladů na prototypy / pilotní projekty / výrobu Zkrácení času na vývoj, ověření návrhu a realizaci

Letecká a vesmírná technika dynamika a systémy Co lze simulovat? …vše, co lze popsat matematickým či jiným modelem Komunikační a satelitní systémy Lodní systémy Letecká a vesmírná technika dynamika a systémy Biologické systémy Automobily Finanční systémy

... To jsou všechno “výrobky”. Simulovat je ale možno také... PROCESY Fyzické vlastnosti obvykle sledované u výrobků jsou u procesů nahrazeny měřením klíčových indikátorů výkonnosti procesů (Key Performance Indicators)

Typy simulace dynamických systémů Výrobky Spojité & hybridní systémy Dynamika mech. soustav Řídicí jednotky a systémy Pružnost, pevnost, obtékání Numerické integrační metody, FEM Fyzikální vlastnosti, funkce, kvalita Nástroje: MATLAB, Simulink, Stateflow, RTW FEMLAB Vývojové systémy dSPACE ... Procesy Systémy diskrétních událost Výrobní systémy Logistické systémy Systémy hromadné obsluhy Teorie sítí front KPI, struktura, kvalita Nástroje: WITNESS Suite Optimizer, VR, Miner Vývojový systém SIMBA ...

Úrovně modelů a typy výstupů Modely Matematické Schematické Grafické - 2D, 3D, VR Výstupy Tabulkové 2D, 3D Grafy VR HTML Kód / moduly / postupy použitelné v další fázi inženýrského procesu

Trendy Snadnost použití, flexibilita, opakovatelnost využití System-level design - návrh na úrovni systémů Hierarchické modelování Výsledky (generovaný kód, výrobní plán atd.) k dispozici v produkční kvalitě Integrované vývojové a implementační prostředí Od návrhu k programování řídicích jednotek Od modelu procesu k hierarchickému řízení výroby Emulace Moderní nástroje umožňují tvorbu modelů v „reálně použitelném“ čase Sofistikované nástroje, jejichž použití je relativně snadno zvládnutelné a umožňují řešení donedávna obtížně řešitelných úloh ve zlomku času PRODUKTIVITA

Rapid Prototyping - HIL Simulace (Hardware in the Loop) Tvorba fyzických prototypů nahrazena prací s digitálním modelem fyzikálních vlastností komponent a výrobků V simulované řídicí smyčce je zapojen skutečný hardware Simulační modely pracující v reálném čase, PC vybavené hardwarem pro styk s reálnými komponenty systému umožňují simulaci a testování různých kombinací modelovaných / skutečných subsystémů a řídicích jednotek K dispozici existuje řada upravitelných modelů komponent a interagujících systémů Dynamika vozidla Pohonné jednotky Pneumatiky Okolí, ....

HIL Simulace ve ŠKODA-AUTO a.s. Příklad HIL Simulace ve ŠKODA-AUTO a.s. Vývoj elektrického / elektronického vybavení vozu Testování řídicích jednotek (motor, ESP, ABS, …) Analýza vzájemné komunikace řídicích jednotek Funkční zkoušky elektroniky celého vozu HIL Simulátor: Virtuální přístrojová deska

Zkoušky elektriky a elektroniky vozidla ve fázi vývoje automobilu ŠKODA HIL simulátor Stavba prototypu Diagnostika Zkušební tabule (Breadboard)

Příklad DLR: Rapid Control Prototyping + Virtuální Realita Steer-by-Wire experiment Steering Wheel Actuator SbW Controller Target Processor AMD Athlon Steering Wheel Angle SWA Force Feedback Visualization Data Vehicle FWA Steering Force / Position Rack Position / Force ve-DYNA Target Processor AMD Athlon Road Wheel Reaction Rack Position Front Wheel Actuator Brushless DC with DLR Planetary Roller Spindle

SIMULACE Proměnné (vstupy) Statistika (výstupy) Rozvržení technologie Materiálové toky Operační časy Pracovní síla Řídicí logika Pracovní postupy Pracovní směny Poruchovost Statistika (výstupy) Výkonnost systému Využití zařízení Rozpracovanost Nároky na obsluhu Vytížení skladů Úroveň zásob Reakce na poruchy

WITNESS Suite Sada nástrojů pro zlepšování podnikových procesů Simulace Optimalizace Vizualizace CAD Import Dokumentace modelů Data Mining

WITNESS - pracovní prostředí

WITNESS - Příklad modelu

Výsledky simulace

Witness Optimizer

WITNESS VR Příklad 3D modelu vytvořeného automaticky na základě schematického 2D modelu systému dopravníků

VISIO Simulation Solution Modelování procesů s využitím standardních metodik Jednoduchý způsob vyhodnocení nákladů Příklad modelu v programu VISIO 1. Speciální vzorník IDEF3 2. Vzorník simulačních prvků 3. Vzorník BPMN 4. Vzorník diagram procesu Simulace modelů v programu WITNESS Viewer ( Lanner BPMViewer ) Optimalizace: Modul Optimizer

BPMN – příklad modelu Sequence flows – uvnitř organizací _________ Message flows – B2B _ _ _ _ _ _

Miner - Data Mining Vizuální programování toku zpracování dat KDD - Knowledge Discovery in Databases

Výsledky ve formátu HTML, XML,... WITNESS Miner Výsledky ve formátu HTML, XML,... If Věk < 23 and Objem motoru >1.9 l THEN Zákazník programu Premium Insurance If Objednávka = VýrobekA and Výrobní linka = Linka 6 THEN Test=SELHÁNÍ (Přesnost 55%) If Věk > 45 and Metoda = Typ C and Nemocnice = A THEN Diagnóza = TRUE

Příklad využití

Modelování dodávek materiálu k montážním linkám v motorárnách “FAST is a new way to build WITNESS models quickly when there is a broad similarity in the type of model being regularly constructed.” “We have developed an interface that allows models to be built automatically from information stored in an Excel spreadsheet.” Switch to WITNESS, UG_FAST.MOD and press RUN. Watch the model build Point out the OPs, conveyors, diverts Explain the directionality and the calculation of conveyor distance (time along conveyor and number of platens allowed on at any time. Point out the auto generation of work according to the Build Schedule in Excel. Point out routing logic - different for different part types.

Simulační strategie firmy FORD Cíl Simulace by měla být využívána všemi pracovníky odpovědnými za provoz výrobních systémů. Jednotliví uživatelé by měli být schopni tvořit a pracovat se simulačními modely podle svých potřeb. Modely, které se týkají souvisejících částí procesů by měly být schopny spolupracovat tak, jak je tomu ve skutečnosti. Jak jej dosáhnout? Všechny vyvíjené simulační nástroje musí být generické, modulární, snadno konfigurovatelné a musí být založeny na společném simulačním stroji. Reduced effort to build and change models. Widens the potential for modelling. Parameters largely set in Excel so easy to change. A range of automated logic changes mean you don’t need to be a WITNESS practitioner.

Simulační nástroje MASS – Storage Machining to Assembly FIRST – Machining Line FAST – Engine Assembly Lines FORMAT – Material Delivery to Line FOREMOST – All Lines Will show the modules later. Will show the spreadsheet later.

FORMAT FORMAT umožňuje uživatelům snadnou tvorbu aktualizovaných modelů zavážky součástí z místních skladů do míst na linkách, kde jsou montovány. Skládá se z předpřipraveného „prázdného“ generického modelu programu WITNESS, který je základem pro pracovní model procesu, který je automaticky generován na základě údajů zadávaných prostřednictvím uživatelského rozhraní realizovaného v programu Excel. Široké využití umožněno i díky školení a podrobné uživatelské příručce FORMAT je v současné době s úspěchem využíván provozními inženýry v motorárnách.

FORMAT - Struktura Využívá princip, které si firma Ford vyzkoušela u předchozích nástrojů (FAST) – princip automatického generování modelů s využitím relativně malé knihovny specializovaných modulů programu WITNESS. Využívá CAD layout výrobního systému jako pozadí simulačního modelu. Všechny vstupní údaje jsou zadávány pomocí rozhraní v programu Excel. K sestavení funkčního modelu není nutná znalost „programování“ v programu WITNESS.

Dodávky materiálu ve firmě FORD Pro správnou funkci montážní linky je nutné zajistit, aby všechny potřebné součásti byly k dispozici v místě jejich spotřeby u linky, v čase, kdy jsou zapotřebí. Složitost procesu je vysoká: Na jedné lince mohou být montovány různé typy motorů. Každý motor má několik variant. Každá varianta má jiný kusovník. Výsledkem je, že v určitém místě spotřeby je potřebné mít zároveň několik kontejnerů s alternativními součástmi. Prostorová omezení si v některých případech vyžadují dodávky v režimu JIT.

Zlaté pravidlo Montážní linka se nesmí zastavit z důvodu nedostatku součástí.

Řešené problémy Jaká řídicí pravidla mají být zavedena? Jaké úrovně mají signalizovat zavážku dalších součástí? Kolik vozíků / pracovníků potřebujeme? Jsou správně vyváženy jednotlivé zásobovací cesty? Odpovídá pracovní zatížení pracovníků platným normám? …

Metody zavážení materiálu Pro dopravu kontejnerů se součástmi z místních skladů – supermarketů k linkám jsou využívány vozíky (s přívěsy). Kontejnery jsou zaváženy systémem: CARD CALL SEQUENCE

Klasifikace systémů dodávky CARD pravidelná „autobusová“ doprava, která sbírá karty v zavážecích místech a na tato místa dopravuje plné kontejnery CALL „taxislužba“, jejíž činnost je spouštěna poklesem úrovně součástek pod určitou hodnotu, vozík veze na místo určení pouze jeden kontejner s jedním typem součástí SEQUENCE „taxislužba“, jejíž činnost je spouštěna poklesem úrovně součástek pod určitou hodnotu, vozík veze na místo určení kontejner s namíchanou (seřazenou) sekvencí součástí

Pozadí modelů - AutoCAD Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Zadávání dat – údaje o součástech (PfEP) Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Model - definice dodávek součástí Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Cesty zavážení součástí v systému Card Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Cesty zavážení součástí v systému Call Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Pracovní směny & Odjezdy „autobusů“ Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Údaje o zavážecích místech Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Údaje o supermarketu „Card“ Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Údaje o supermarketu „Call“ Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Tvorba modelu Inicializace “prázdného modelu” na základě zadaných dat :- Vytvoření modulů představujících supermarkety, zavážecí místa, přepravní uzly. Automatické umístění těchto modulů do připraveného CAD layoutu. Vytvoření přepravních cest a prostředků Výpočet počátečních úrovní v skladech a v místech spotřeby Výpočet všech přepravních vzdáleností a časů

Část montážní linky Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Výsledky Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Statistika využití vozíků Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Dodávky součástí v systému CARD Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Report o nedostatku součástí Manual, Semi-Automatic and Automatic operations Conveyors, Diverts, Turntables Cross gang-way Shuttles Elevators / Lowerators Head / Block / Engine transfer between assembly lines

Využití modelu Eliminace nedostatku součástí pomocí:- Určení operativních pravidel a signálních úrovní Stanovení potřebného počtu vozíků a pracovníků Vyvažování vozíků a pracovníků Určení kapacit vozíků

Využití modelu Měření důsledků změn :- Přidání / zrušení / přemístění supermarketů Změna v sortimentu součástí obsluhovanými jednotlivými supermarkety Změna přiřazení řidičů / operátorů supermarketů Zřízení / zrušení skladových kapacit přímo u linek Přidání / změna přepravních cest Změna přiřazení zavážecích míst do určitých cest Změna klasifikace určitého typu součásti (Card, Call, Sequence) …

Závěr FORMAT je využíván jako základní prostředek pro plánování vnitropodnikové logistiky pro zavážení montážních linek v motorárnách. Plánuje se jeho využití i pro dodávky materiálu k obráběcím linkám.

Nabídka firmy Lanner Group v oblasti analýzy a zlepšování procesů … … od mapování procesů přes simulace procesů až k digitálnímu podniku