Modelowanie i symulacja systemów produkcyjnych przy … · 2018. 12. 5. · przy wykorzystaniu oprogramowania FlexSim – studium przypadku 7 to 1 600 skrzynek, czyli 38 400 butelek

4

MODELOWANIE I SYMULACJA SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH PRZY

WYKORZYSTANIU OPROGRAMOWANIA FLEXSIM – STUDIUM PRZYPADKU

KRZYSZTOF JURCZYK, ARKADIUSZ WZOREK

Streszczenie

W pracy zaproponowano model symulacyjny linii produkcyjnej napojów bezalko-

holowych. Model został utworzony w programie FlexSim 3d Simulation Software.

W kolejnych akapitach artykułu szczegółowo omówiono zasady działania utworzo-

nego modelu oraz przedstawiono wyniki testów numerycznych, jakie przeprowadzono

w celu identyfikacji nieprawidłowości w funkcjonowaniu analizowanego systemu.

Słowa kluczowe: linia montażowa, modelowanie i symulacja, specjalistyczne pakiety

obliczeniowe, systemy produkcyjne, systemy wspomagania decyzji

Wprowadzenie

Osoby odpowiedzialne za podejmowanie znaczących decyzji dla rozwoju przedsiębiorstwa,

rozpoczynają swoje działania od analizy systemu, a następnie formułują plan optymalizacji. Wtedy

możliwa jest konfrontacja ze skomplikowanymi problemami, w których racjonalne myślenie, czy

proste techniki obliczeniowe, mogą okazać się niewystarczające biorąc pod uwagę dynamikę oraz

losowy charakter zachowania analizowanego systemu. Dlatego też, zostały opracowane metody,

pomagające oceniać i analizować procesy, które znane są pod nazwą systemów wspomagania decy-

zji. Te systemy służą do analizy, na podstawie której, osoby decyzyjne mogą sformułować plan

działania. Przykładem takiego narzędzia może być symulacja.

1. Modelowanie symulacyjne i możliwości symulacji

Symulacja powinna odgrywać znaczącą rolę przy podejmowaniu decyzji przez menedżerów,

jednak menedżerowie muszą zdawać sobie sprawę jak właściwie analizować, zarządzać oraz pro-

jektować system, w którym pracują. Podejmowane decyzje dotyczą rzeczywistych systemów, które

złożone są z wieloelementowych procesów, zawierające elementy współdzielone na przestrzeni ca-

łego systemu, wykazujące zmienność w czasie. Bez zastosowania narzędzi do modelowego

podejmowania decyzji, takich jak symulacja, menedżerowie byliby zmuszeni do zbierania danych

w czasie rzeczywistym, analizy i przetwarzania tych danych oraz podejmowania na tej podstawie

właściwych działań. Symulacja dostarcza gotowych mechanizmów do analizy systemu, którego mo-

del został zbudowany. Pozwala na sprawdzenie różnych możliwych do wystąpienia scenariuszy,

prowadzenie eksperymentów oraz analizę uzyskanych rozwiązań, czego efektem jest zwiększenie

przestrzeni decyzyjnej, bez ingerowania w system rzeczywisty, a także umożliwienie oszacowania

ryzyka zaproponowanych działań. Działania będą bardziej efektywne, kiedy aplikacje komputerowe

służące do modelowania symulacyjnego, zostaną umieszczone w systemach wspomagających de-

cyzje. Ułatwi to umieszczanie danych do modelu, a także poprawi prezentację wyniku [3, 5].

Symulacja umożliwia łatwiejszą identyfikację obszarów, w których możliwa jest redukcja kosz-

tów oraz zwiększenie wydajności. Uzasadnione będzie wykorzystanie jej do analizy ryzyka.

Symulacja umożliwia powiększanie wiedzy na temat układu, a także jego dynamiki oraz interakcji

Krzysztof Jurczyk, Arkadiusz Wzorek

Modelowanie i symulacja systemów produkcyjnych

przy wykorzystaniu oprogramowania FlexSim – studium przypadku

5

zachodzących w nim. Możliwe jest także wskazanie scenariuszy sytuacji, opartych na zewnętrznych

propozycjach [1, 2].

Symulacja może być stosowana przy:

· dostosowywania projektu do określonych wymagań biznesowych,

· doskonalenia systemów,

· współdzieleniu informacji między przedsiębiorstwami,

· badaniu wpływu złożonych zmiennych dynamicznych na system.

Celem symulacji może być także próba uniknięcia niechcianych zdarzeń, albo przygotowanie

się na ich wystąpienie. Mowa tu o zbyt długich czasach przezbrojeń, niedopracowanej harmonizacji

wydajności elementów systemu w stosunku do innych urządzeń, blokadach sieci transportowych,

czy przepełnionych magazynach, a także wiele innych. W systemach logistycznych konieczna jest

synchroniczna praca całego łańcucha dostaw.

Kończąc rozważania teoretyczne dotyczące symulacji należy wspomnieć o wadach i zaletach

tego narzędzia. Dzięki symulacji możliwe jest rozpoznanie postaci badanego modelu decyzyjnego

poprzez przeprowadzenie bezpośrednich eksperymentów na badanym procesie. Symulacja może

być użyta do rozległych analiz złożonych problemów decyzyjnych, nierozwiązywalnych przy po-

mocy metod analitycznych. Umożliwia szybkie przygotowanie decyzji, przy wykorzystaniu analizy

efektów przeprowadzonych eksperymentów, dla następujących kolejno okresów czasu oraz pozwala

odpowiedzieć na pytania „co, jeśli?” Eksperymenty w symulacji umożliwiają analizę wielu możli-

wości decyzyjnych oraz przeprowadzenie analiz powiązania efektów zmiennych składowych

modelu posiadających wpływ na wybór właściwej decyzji, kiedy panują ekstremalne warunki [3].

Wymienić należy jednak kilka wad symulacji. Aby wykonać rzetelny model symulacyjny po-

trzebne są duże nakłady finansowe, a wykonanie zajmuje dużo czasu, tym bardziej, że zdecydowanie

większa część modeli posiada charakter unikatowy i inne problemy decyzyjne nie mogą być roz-

wiązywane za pomocą modeli wcześniej już zbudowanych. Możliwe jest przygotowanie kilku

alternatywnych rozwiązań decyzyjnych przy przeprowadzeniu dodatkowych eksperymentów, jed-

nak nie będą one stanowiły optymalnego rozwiązania dla wszystkich warunków. Generowane są

odpowiedzi dla konkretnych oraz zmiennych warunków. Osoba decyzyjna odpowiedzialna za pod-

jęcie ostatecznej decyzji musi uwzględnić wszystkie ograniczenia oraz uwarunkowania

analizowanych wariantów [1, 4].

Techniki symulacyjne i oprogramowanie do symulacji zdarzeń dyskretnych – FlexSim – zostały

wykorzystane do modelowania i analizy systemu produkcyjnego przedsiębiorstwa XYZ operują-

cego w branży FMCG.

2. Założenia wstępne do budowy modelu symulacyjnego linii produkcyjnej

Przedsiębiorstwo XYZ jest wiodącym producentem napojów bezalkoholowych. W niniejszej

pracy omówiono model symulacyjny jednej z linii produkcyjnych jakie występują w jednym z za-

kładów produkcyjnych tego przedsiębiorstwa. Realizowany projekt dotyczył linii, na której

wykorzystuje się do produkcji butelki zwrotne.

Analizowana linia produkcyjna działa na zasadzie linii U-kształtnej. Produkcja na linii odbywa

się bezosobowo – operatorzy nadzorują jedynie cały proces produkcyjny i kontrolują go. Jedynymi

osobami, których obecność na linii jest niezbędna są operatorzy wózków widłowych, którzy trans-

portują puste butelki w skrzynkach z magazynu na linię produkcyjną oraz odwożą wyroby gotowe

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management

Nr 87, 2018

6

na magazyn. Marszruta produkcyjna składa się z siedmiu procesów technologicznych wykonywa-

nych kolejno na maszynach: Depaletyzer, Depakowaczka, Myjka, Filler, Etykieciarka, Pakowaczka

i Paletyzer. Linia produkcyjna jest skonstruowana w taki sposób, że wąskim gardłem jest Filler,

natomiast wszystkie maszyny znajdujące się przed i za Fillerem, mają większą wydajność. Wydaj-

ność maszyn wzrasta wraz z odległością od wąskiego gardła, dlatego też Depaletyzer i Paletyzer

mają największą wydajność spośród wszystkich maszyn znajdujących się na linii. Aby produkcja

przebiegała synchronicznie, wydajności wszystkich maszyn dostosowane są do wydajności wą-

skiego gardła. Ma to na celu poprawienie stabilności produkcji, ponieważ maszyny zlokalizowane

przed wąskim gardłem pracowałaby z większą wydajnością, a następnie zatrzymywały się na mo-

ment, ze względu na przepełnione bufory pomiędzy maszynami, natomiast maszyny zlokalizowane

za wąskim gardłem pracowałyby z większą wydajnością, a następnie zatrzymywałyby się ze

względu na brak napełnionych butelek przez Filler, co spowodowane byłoby jego niższą wydajno-

ścią. Ciągłe przestoje maszyn nie wpływają pozytywnie na pracę jakiejkolwiek maszyny,

a w szczególności na pracę takiej maszyny jak Etykieciarka. Montaż etykiet polega na przyklejeniu

etykiety gorącym klejem do czystej butelki. W przypadku braku butelek maszyna nadal musi pozo-

stawać uruchomiona, aby zapewnić odpowiednią płynność kleju. Zatrzymanie maszyny, a następnie

jej gwałtowne uruchomienie mogłyby skutkować nieprawidłowo przyklejoną etykietą na butelce,

co nie spełniłoby przyjętych, restrykcyjnych norm jakościowych. Należy zaznaczyć, że podstawową

jednostką operacyjną na omawianej linii produkcyjnej jest jedna butelka o pojemności 250 ml.

Butelki na magazyn trafiają w skrzynkach, a każda skrzynka mieści w sobie 24 butelki. Skrzynka

wypełniona pełnymi butelkami to 1 case [cs]. Jednak skrzynki nie trafiają bezpośrednio na magazyn

– pakowane są na palety. Jedna paleta może pomieścić 48 skrzynek, tj. 1152 butelek.

Kolejnym istotnym aspektem jest właściwe zrozumienie całego procesu produkcyjnego, zacho-

dzącego na linii, od momentu pobrania z magazynu butelki zwrotnej, pochodzącej z rynku wtórnego,

aż do momentu powrotu tej butelki, już w postaci wyrobu gotowego, na magazyn. Poniżej przedsta-

wiono sposób pracy wszystkich maszyn znajdujących się na linii.

Pierwszym etapem jest pobranie, przez operatora wózka widłowego, pełnej palety ze skrzyn-

kami wypełnionymi butelkami. Następnie operator dostarcza paletę na linię produkcyjną,

a dokładnie na automatyczny podajnik, pierwszej maszyny, czyli Depaletyzatora.

Depaletyzator służy do rozpakowywania palet. Palety przesuwane są automatycznym podajni-

kiem, aż do momentu, w którym trafią do skrzynki, która warstwowo rozładowuje paletę. W danym

momencie tylko jedna paleta może znajdować się w miejscu zdejmowania skrzynek. Robot przenosi

kolejne warstwy skrzynek, na pole odkładcze, skąd maszyna przepycha jeden rząd skrzynek na

transporter. W jednej warstwie znajduje się 8 skrzynek ułożonych w dwóch rzędach, co oznacza, że

w jednej chwili maszynę opuszczają 4 skrzynki. Po rozpakowaniu wszystkich skrzynek znajdują-

cych się na palecie, paleta jest transportowana na pole odkładcze, skąd zostanie pobrana, aby

zapakować na niej wyroby gotowe. Jednak wcześniej dokonywana jest kontrola jakości danej palety.

Maksymalna wydajność Depaletyzatora to 34 palety na godzinę, czyli 39 168 butelek.

Skrzynki wypełnione butelkami przemieszczane są w kierunku kolejnej maszyny, czyli Depa-

kowaczki z wykorzystaniem transportera skrzynek.

Depakowaczka składa się z sześciu stanowisk do wypakowywania butelek ze skrzynek.

W skład jednego stanowiska wchodzą 24 „łapy” zaciskowe, służące do wyciągnięcia butelek ze

skrzynek. Fotokomórka jest odpowiedzialna za oddzielenie sześciu skrzynek wchodzących do ma-

szyny – po oddzieleniu fotokomórka daje sygnał do wstrzymania transportera skrzynek. W tym

momencie następuje proces wyciągania butelek. Maksymalna godzinowa wydajność Depakowaczki




7

to 1 600 skrzynek, czyli 38 400 butelek. Po wypakowaniu, butelki trafiają na transporter butelek,

którym zostaną doprowadzone do kolejnej maszyny, jaką jest Myjka butelek, natomiast puste

skrzynki transportowane są prosto do Pakowaczki. W tym samym czasie skrzynki opłukiwane są

z zabrudzeń, wodą odzyskaną z drugiej komory Myjki butelek.

Myjka butelek to najbardziej energochłonna maszyna w całym zakładzie. Mycie odbywa się

w trzech komorach: pierwszej wypełnionej ługiem, drugiej gorącą wodą i trzeciej wodą o tempera-

turze 50°C. Jedna butelka spędza w niej średnio 13 minut. Butelki za pomocą specjalnych korytarzy

umieszczane są w koszach dedykowanych dla tych butelek. Jednorazowo w koszach Myjki umiesz-

czane jest 35 butelek. Maksymalna wydajność Myjki to 37 000 butelek na godzinę. Praca Myjki jest

zsynchronizowana z pracą Fillera – mają dokładnie takie same wydajności w danym momencie,

jeżeli z jakichś przyczyn Filler się zatrzyma, to również zatrzyma się Myjka i odwrotnie. Straty

w Myjce, w postaci stłuczonych butelek to około 0,15% całej produkcji. Czyste butelki po wyjściu

z Myjki trafiają na transporter butelek, znajdujący się już w pomieszczeniu zwanym częścią czystą.

Jest to miejsce o ograniczonym dostępie osób, w którym następuje rozlew i panują najwyższe stan-

dardy jakościowe. Następnie butelki w drodze do Fillera poddawane są dwóm kontrolom jakości.

Pierwsza z nich to kontrola rodzaju butelki – szkło wracające z rynku nigdy nie jest do końca pose-

gregowane, dlatego konieczne jest wykorzystanie tej maszyny do oddzielenia niewłaściwych

butelek, które stanowią około 1% wszystkich butelek. Nieprawidłowe butelki są segregowane

i wkładane do skrzynek przez pracownika. Kolejna kontrola to sprawdzenie jakości butelki. Butelka

jest sprawdzana w siedmiu miejscach. Około 3% wszystkich butelek nie spełnia warunków kontroli.

Część z nich trafia bezpośrednio na stłuczkę, a część do ponownego sprawdzenia przy następnej

produkcji.

Filler to kolejna maszyna, na którą trafiają wszystkie butelki po pozytywnym przejściu kontroli

jakości. Głównym zadaniem tej maszyny jest napełnienie butelki oraz zakapslowanie, cała czynność

trwa 13,5 sekundy. W jednym momencie Filler napełnia 120 butelek. Jego maksymalna wydajność

to 30 000 butelek na godzinę. Straty wynikające z nieprawidłowego nalewu (wybuchy butelek, nie-

właściwe wejście butelki) wynoszą około 1%. Następnie butelka z kapslem opuszcza strefę czystą

i przechodzi przez kolejną kontrolę – tym razem jest to sprawdzenie poziomu nalewu oraz obecności

kapsla. Na tym etapie występuje około 0,3% strat. Właściwe napełniona i zakapslowana butelka

transportowana jest transporterem butelek do kolejnej maszyny, czyli Etykieciarki. W międzyczasie

następuje osuszanie butelki, aby łatwiej można było umieścić na niej etykietę.

Etykieciarka jest maszyną, której zadaniem jest właściwe umieszczenie etykiety przedniej i tyl-

nej oraz nadrukowanie daty przydatności do spożycia i numeru partii produkcyjnej. Maksymalna

wydajność Etykieciarki wynosi 37 500 butelek na godzinę. W jednym momencie w środku maszyny

znajduje się 70 butelek, a jedna butelka etykietowana jest 8 sekund. Straty wynikające z nieprawi-

dłowo naklejonej etykiety lub jej braku wynoszą około 0,033%. Gotowe butelki transportowane są

w kierunku kolejnej maszyny, którą jest Pakowaczka.

Pakowaczka działa dokładnie odwrotne jak Depakowaczka. Również składa się z 6 stanowisk,

na które trafiają czyste skrzynki. Następnie za pomocą łap zaciskowych butelki wkładane są do

skrzynek. Maksymalna wydajność to 1600 skrzynek, czyli 38 400 butelek na godzinę. Następnie

6 pełnych skrzynek opuszcza maszynę i porusza się transporterem skrzynek w kierunku Paletyzera.

Przed nim następuje ostatnia kontrola jakości – tym razem gotowej skrzynki (sprawdzane jest, czy

w skrzynce znajdują się dokładnie 24 butelki).

Paletyzer działa dokładnie odwrotne jak Depaletyzer. Gotowe skrzynki trafiają do środka Pale-

tyzera po cztery sztuki (oddziela je fotokomórka). Pierwsze cztery sztuki skrzynek tworzą jeden


Nr 87, 2018

8

rząd. Każda warstwa palety składa się z dwóch rzędów, po cztery sztuki. Pierwszy rząd zostaje

przesunięty, następnie zostają wpuszczone do maszyny kolejne cztery skrzynki, tworzące drugi

rząd, który natychmiast zostaje dołączony do pierwszego rzędu. Ta nowoutworzona warstwa prze-

noszona jest za pomocą robota na paletę. Na każdej palecie znajduje się 6 warstw skrzynek.

Maksymalna wydajność maszyny to 34 palety na godzinę, czyli 39 168 butelek. Następnie gotowa paleta owijana jest folią, co trwa około 70 sekund i odbywa się za Paletyzerem, aby on w tym czasie mógł układać kolejną paletę. Owinięta paleta trafia na koniec linii skąd zabiera ją operator wózka widłowego i zawozi na magazyn wyrobów gotowych.

Prędkości wszystkich transporterów zostały zmierzone za pomocą obrotomierza, następnie prędkość kołowa została zamieniona na prędkość liniową i identycznie odwzorowana w modelu. Szerzej zostanie to opisane w kolejnym podrozdziale.

3. Budowa modelu symulacyjnego z wykorzystaniem oprogramowania FlexSim

Pierwszym krokiem przy realizacji modelu symulacyjnego było zaimportowanie planu roz-mieszczenia wszystkich maszyn na analizowanej linii produkcyjnej, wykonanego w programie

AutoCad oraz zastosowanie właściwej skali, tak aby odległości pomiędzy obiektami w modelu były identyczne jak w rzeczywistości (rysunek 1).

Rysunek 1. Plan analizowanej linii produkcyjnej

Źródło: materiały własne firmy XYZ.

Ustalono, że elementem przepływu jaki będzie generowany w modelu będzie skrzynka napeł-niona 24 butelkami zwrotnymi. Na potrzeby modelu założono, że butelki zrotne są cały czas dostępne. Aby wygenerować butelki, skrzynki oraz palety użyto obiektów typu Source. Każde ze źródeł generowało inny rodzaj elementów przepływu.

Następnie na obiektach typu Combiner butelki pakowane są do skrzynek, a w dalszej kolejności skrzynki na palety. Przygotowana w ten sposób paleta jest przesuwana na bufor, z którego jest po-bierana przez wózek widłowy i transportowana na kolejkę przed Depaletyzerem (rysunek 2).




9

Rysunek 2. Widok na generator palet podczas symulacji

Źródło: opracowanie własne.

Maksymalna pojemność kolejki przed Depaletyzerem to 4 palety. Z kolejki palety podawane są automatycznie na Depaletyzer, który w modelu został odwzorowany za pomocą obiektu rozdziela-cza – Separator. Rozładunku dokonuje robot, który jest przypisany do tego stanowiska. Pusta paleta trafia na transporter pustych palet, który prowadzi do ostatniej maszyny na linii, czyli Paletyzera.

W danym momencie, na maszynie może znajdować się tylko jedna paleta. Jeżeli transporter pustych palet jest pełny, palety chwilowo są magazynowane na piętrowej kolejce, aby nie spowodowało to zatrzymania pracy Depaletyzera (rysunek 3).


Nr 87, 2018

10

Rysunek 3. Widok na stanowisko rozpakowywania palet


Kolejnym etapem było odwzorowanie logiki działania transportera skrzynek od Depaletyzera do Depakowaczki. Maksymalna szerokość transportera pozwala na transport jednego szeregu skrzy-

nek. Skrzynki transportowane są ze stałą prędkością równą 0,44 m/s na całej długości transportera (rysunek 4).

Rysunek 4. Widok na transporter skrzynek





11

Z transportera skrzynki trafiają na kolejkę, która imituje działanie fotokomórki. Maksymalnie

może pomieścić 6 skrzynek, czyli dokładnie tyle ile jest stanowisk pracy na Depakowaczce. Sześć

skrzynek to jedna partia, która jest równo rozdzielana na wszystkie stanowiska Depakowaczki, za

pomocą algorytmu Round Robin. Zapewnia to równomierne obciążenie maszyn.

Depakowaczka została zaprogramowana w modelu z wykorzystaniem sześciu rozdzielaczy,

które odtwarzają działanie sześciu stanowisk wyciągania butelek. Skrzynki trafiają na obiekt w tym

samym czasie, a proces wypakowywania całej zawartości trwa 11 sekund. Następnie puste skrzynki

trafiają na transporter skrzynek, a puste butelki na transporter butelek.

W dalszej części cyklu, puste skrzynki poruszają się po transporterze skrzynek o stałej prędko-

ści wynoszącej 0,37 m/s. W międzyczasie skrzynki te są myte. Po dojeździe do kolejnej maszyny –

Pakowaczki – skrzynki oczekują na napełnione butelki. Przy rozpoczęciu produkcji, skrzynki przed

dojazdem do Pakowaczki są wyciągane ręcznie przez operatorów lub są przepuszczane puste, bez

butelek w środku, ponieważ bufor pustych skrzynek jest za krótki i zostałby on zapełniony, co skut-kowałoby zatrzymaniem rozpakowywania butelek (rysunek 5).

Rysunek 5. Wizualizacja zablokowania transportera pełnych butelek


Puste butelki trafiają z kolei na transporter butelek, co w programie zostało odwzorowane za pomocą specjalnego transportera butelek. Początkowo butelki poruszają się w 4 rzędach, z prędko-

ścią 0,19 m/s. W dalszej części transporter poszerza się do 6 rzędów oraz zwalnia do 0,14 m/s, aby

ułatwić akumulowanie się butelek. Na końcu transporter osiąga szerokość 9 rzędów butelek oraz

prędkość 0,09 m/s.

Kolejny obiekt modelu to kolejka, która służy do odwzorowania bufora znajdującego się przed

Myjką butelek – za pomocą odpowiednich korytarzy butelki umieszczane są w myjce. W celu do-

pasowania wydajności Myjki, w tym przypadku, aktywne jest tylko 29 z 35 korytarzy,

w ustawieniach kolejki możliwe jest odwzorowanie tego poprzez stworzenie 29-elementowych par-

tii. Bufor ten mieści 350 butelek.

Następna maszyna, czyli Myjka butelek została odtworzona za pomocą procesora. Maksymalna

pojemność Myjki to 8 400 butelek. Każda butelka w środku Myjki spędza 720 sekund. Wyjście


Nr 87, 2018

12

butelek ma rozkład procentowy, 99,85% butelek trafia na kolejny element linii produkcyjnej, czyli

transporter czystych butelek, reszta natomiast trafia do spływu – są to butelki, które uległy znisz-czeniu podczas procesu mycia.

Głównym zadaniem transportera czystych butelek jest doprowadzenie butelek do Fillera.

Butelki trafiają na transporter o prędkości 0,73 m/s i szerokości 9 butelek. Następnie transporter się zwęża do 6 rzędów i zwalnia do 0,51 m/s, aby ułatwić akumulowanie się butelek. W kolejnej części transporter zwęża się ponownie, tym razem do szerokości jednej butelki i stałej prędkości 0,66 m/s,

w celu ustawienia odpowiednich przerw pomiędzy butelkami (rysunek 6).

Rysunek 6. Wizualizacja transporterów za Myjką


W następnej kolejności sprawdzany jest kształt butelki, który został zaprojektowany za pomocą procesora. Czas jaki spędza jeden element przepływu w procesorze to 0,79 sekundy. Na podstawie

danych historycznych przyjęto stosunek butelek wstępnie spełniających normy jakościowe do bute-lek wadliwych w relacji 99% do 1%.

Prawidłowe butelki trafiają ponownie na transporter o stałej prędkości 0,66 m/s i szerokości jednej butelki, który doprowadza je do kolejnego procesora, który odpowiada za sprawdzenie jako-ści czystej butelki. Butelki spełniające wszystkie normy jakościowe stanowią 97% wszystkich butelek, reszta z nich trafia na transporter do ponownej kontroli lub bezpośrednio na stłuczkę. Kon-trola jednej butelki trwa 1,75 sekundy.

Następna maszyna – Filler – została odwzorowana również w postaci obiektu typu procesor. Jedna butelka jest napełniania i kapslowana w ciągu 13,5 sekundy, a w jednym momencie maksy-

malnie na maszynie może znaleźć się 120 butelek. 99% prawidłowo napełnionych butelek trafia na transporter, a reszta kierowana jest do spływu.




13

Transporter o prędkości 0,66 m/s prowadzi butelki do kolejnej kontroli – poziomu napełnienia

i obecności kapsla – która również została odwzorowana za pomocą procesora, w którym jedna

butelka przebywa średnio 0,32 sekundy. 0,3% butelek jest odrzucanych, reszta – poprawnie napeł-

nione – trafia z powrotem na transporter.

W kolejnym etapie transporter rozszerza się do 6 rzędów butelek i zwalnia do prędkości równej

0,09 m/s, aby ułatwić akumulowanie się butelek oraz ciągłą pracę kolejnej maszyny, czyli Etykie-

ciarki. Przed Etykieciarką transporter ma szerokość jednej butelki i prędkość wynoszącą 0,86 m/s.

Etykieciarka została odwzorowana przy użyciu procesora: w jednym momencie może pomie-

ścić 50 butelek, a czas etykietowania jednej butelki wynosi 8 sekund (rysunek 51). 0,03% butelek

trafia do spływu, z powodu błędów w etykietowaniu, reszta natomiast trafia na transporter butelek.

Transporter butelek o szerokości jednej butelki i prędkości 1 m/s rozszerza się, w celu akumu-

lacji butelek do szerokości 6 butelek i prędkości 0,1 m/s (rysunek 53). Następnie zwęża się do

szerokości 4 butelek i prędkości 0,2 m/s i w tej postaci doprowadza butelki do Pakowaczki.

Aby właściwie odwzorować działanie Pakowaczki, z której 6 skrzynek (144 butelki) zjeżdża

średnio co 18 sekund, konieczne było wykorzystanie siedmiu kolejek. Pierwsza kolejka, na którą

bezpośrednio trafiają wszystkie butelki z transportera ma maksymalną pojemność 288. Gdy na ko-

lejce znajdują się 144 butelki, tworzona jest z nich jedna partia, która następnie jest przesyłana do

kolejnych sześciu kolejek (na każdą z nich trafiają 24 butelki). Jest to możliwe z wykorzystaniem

wbudowanego algorytmu Round Robin.

Każda z sześciu kolejek ma dokładnie taką samą logikę działania: tworzone są 24-elementowe

partie, które przesyłane są na obiekt typu Combiner, z wykorzystaniem funkcji First Available.

Pakowaczka została odwzorowana za pomocą sześciu obiektów typu Combiner (jeden obiekt

odpowiada za jedno stanowisko pakujące). Dzięki właściwemu odwzorowaniu prędkości transpor-

terów, jedyną konieczną modyfikacją na tym obiekcie było zdefiniowanie czynności pakowania,

polegającej na pakowaniu 24 butelek z portu numer 2 do skrzynek z portu numer 1.

Następnie skrzynki trafiają na transporter skrzynek o szerokości jednej skrzynki i prędkości

0,35 m/s. Kolejny element to procesor sprawdzający czy skrzynka jest pełna. 0,1% skrzynek jest

odrzucanych w tym procesie.

Skrzynki wracają na transporter skrzynek o stałej prędkości 0,35 m/s, który kieruje je na Pale-

tyzer. Do właściwego zaprojektowania pracy maszyny, konieczne było użycie dwóch kolejek, aby

poprawnie imitowały układanie warstw skrzynek na palecie.

Pierwsza kolejka ma pojemność czterech skrzynek i jeżeli jest pełna, skrzynki przenoszone są

na drugą kolejkę, o pojemności ośmiu skrzynek. Jest to możliwe dzięki użyciu wielkości partii rów-

nej 4. Gdy na drugiej kolejce znajdzie się 8 skrzynek, skrzynki zostaną przeniesione na obiekt typu

Combiner odpowiadający za Paletyzer. Paletyzer pobiera puste palety z kolejki pustych palet, a na-

stępnie przenosi kolejno 6 warstw skrzynek na palety. Proces transportu palety do owijania trwa 10

sekund (rysunek 7).


Nr 87, 2018

14

Rysunek 7. Wizualizacja Paletyzera


Owijanie palety folią trwa 70 sekund. W jednym momencie owijana może być tylko jedna pa-leta. W programie zostało to zaimplementowane poprzez użycie procesora. Następnie paleta trafia na kolejkę, skąd odbiera ją wózek widłowy i przewozi na magazyn. Widok kompletnego modelu zamieszczono na rysunku 8.

Rysunek 8. Widok kompletnego modelu analizowanej linii produkcyjnej





15

3. Analiza wyników symulacji

Po przeprowadzeniu symulacji trwającej 30 000 sekund otrzymano następujące wyniki. Na ma-

gazyn trafiło 180 palet (207 360 butelek). Podczas rzeczywistego cyklu produkcyjnego na magazyn

trafiło 187 palet. Świadczy to o odwzorowaniu procesu produkcyjnego na poziomie 96,3%. Różnica ta jest spowodowana głównie tym, że w modelu zostały zastosowane dane historyczne dotyczące błędów produkcyjnych, natomiast w odwzorowywanym cyklu, błędy były na bardzo niskim po-

ziomie, ponieważ był to bardzo stabilny bieg produkcyjny. Poniżej zostały omówione zachowania

poszczególnych maszyn odwzorowanych w modelu. W przypadku Depakowaczki (rysunek 9) blokady były spowodowane przez przepełniony trans-

porter skrzynek jaki był za nią zlokalizowany. Puste skrzynki nie mogły opuszczać Depakowaczki, butelki nie mogły być wypakowywane do momentu zwolnienia transportera skrzynek.

Rysunek 9. Wykres obciążenia Depakowaczki


W przypadku Myjki butelek (rysunek 10), można zauważyć, że produkcja przebiegała stabilnie, a jedynym problemem była blokada butelek na wejściu spowodowana ograniczeniem dotyczącym maksymalnej liczby butelek znajdujących się w Myjce w jednym momencie.


Nr 87, 2018

16

Rysunek 10. Wykres obciążenia Myjki butelek


Filler (rysunek 11), jako wąskie gardło systemu powinien być obciążony w 100%. Jego zatrzy-mania spowodowane są przez przepełniony transporter wyjściowy, przez co butelki nie mogą opuszczać maszyny oraz przez nieodpowiednią pracę Etykieciarki.

Rysunek 11. Wykres obciążenia Fillera





17

Analizując obciążenie Etykieciarki (rysunek 12) można dojść do błędnego wniosku, iż stanowi ona wąskie gardło systemu. Wydajność teoretyczna Etykieciarki jest wyższa od wydajności Fillera, jednak podczas produkcji ich wydajności są sobie równe, aby zapewnić ciągłą pracę Etykieciarki. W czas przetwarzania Etykieciarki wliczone są konieczne regulacje, co dodatkowo obniża jej wy-dajność, a ponadto bufor pomiędzy Fillerem a Etykieciarką nie jest wystarczający, aby zapewnić ciągłą jego pracę.

Rysunek 12. Wykres obciążenia Etykieciarki


W przypadku Pakowaczki (rysunek 13) jej bezczynność spowodowana jest brakiem butelek, uniemożliwiającym ciągłość produkcji. Jest to związane z tym, że Pakowaczka dysponuje wyższą wydajnością niż Etykieciarka. Nie ma to jednak wpływu na pracę całej linii.

Rysunek 13. Wykres obciążenia Pakowaczki



Nr 87, 2018

18

Na rysunku 14 przedstawiono wykres zajętości poszczególnych buforów w czasie.

Rysunek 14. Wykres zajętości buforów w czasie


Czerwoną linią oznaczono zajętość pierwszego transportera butelek pomiędzy Depakowaczką

a Myjką butelek. Początkowo bufor jest zapełniony w prawie 80%, jednak później ta wartość oscy-

luje w okolicach 60%. Powodem tego jest przepełniony transporter skrzynek, uniemożliwiający pracę Depakowaczki. Zieloną linią oznaczono zajętość drugiego transportera butelek pomiędzy

Myjką butelek, a fotokomórką sprawdzającą rodzaj butelki. Jego pojemność jest wykorzystywana

w 95%, co świadczy o optymalnej wielkości tego bufora. Potwierdzeniem tego jest również wykres

pracy Myjki butelek (brak blokad na wyjściu) i Fillera (brak blokad na wejściu). Różową linią uka-

zano zajętość transportera za Fillerem a przed Etykieciarką. Bufor ten jest wykorzystywany

praktycznie od samego początku w 100%, czego potwierdzeniem są blokady na wyjściu Fillera.

Brązową linią zobrazowano z kolei zajętość transportera za Etykieciarką a przed Pakowaczką. Bufor

ten jest wykorzystywany w około 80%, co potwierdza bezczynność Pakowaczki.

Z powyższych analiz można wyciągnąć istotne wnioski. Aby uniknąć przestojów Fillera, ko-

nieczne jest zwiększenie wydajności Etykieciarki, co może skutkować niepożądanymi przestojami

na Etykieciarce lub możliwe jest powiększenie bufora pomiędzy tymi dwoma maszynami, tak aby

pomieścił on więcej butelek, zapewniając ciągłą pracę wąskiego gardła. Innym usprawnieniem nie-

wpływającym na poprawę wydajności wąskiego gardła jest powiększenie transportera pustych

skrzynek, który wpływa na przestoje na Depakowaczce, a dodatkowo przy rozruchu linii konieczne

jest manualne wyciąganie skrzynek z tego transportera. Jednak to usprawnienie nie wpłynie na po-

prawę maksymalnej wydajności linii.




19

4. Podsumowanie

Dzięki wykorzystaniu programu FlexSim, możliwe było zbudowanie modelu 3D oraz zaimple-

mentowanie cech behawiorystycznych, całej linii produkcyjnej, co umożliwiło przeprowadzenie

analizy obciążenia maszyn podczas produkcji oraz buforów zlokalizowanych pomiędzy maszynami.

Zbudowany model umożliwia sprawdzanie różnych rozwiązań produkcyjnych oraz testowanie po-

tencjalnych możliwości rozwiązywania problemów.

Z przeprowadzonej symulacji można wyciągnąć istotne wnioski, które mogą posłużyć uspraw-

nieniu analizowanego procesu.

Praca Etykieciarki musi zostać zweryfikowana, a bufor przed nią zlokalizowany powinien zo-

stać zwiększony o 3% wydajności Fillera, tak aby wąskie gardło pracowało bez nieplanowanych

przestojów. Takt produkcyjny wynosi 0,14 sekundy, a więc w odniesieniu do symulacji, bufor po-

winien zostać powiększony o około 750 butelek. Na podstawie danych historycznych, uzyskanych

z przedsiębiorstwa, dotyczących przestojów Fillera, spowodowanych przez blokady na wyjściu,

większy bufor pozwoliłby na zredukowanie przestojów wąskiego gardła o około 50 godzin w ciągu

całego roku. Uwzględniając redukcję tych przestojów, inwestycja zakupu dodatkowego transportera

buforowego zwróciłaby się już po 18 miesiącach.

Innym możliwym usprawnieniem, które nie wpłynie na poprawę maksymalnej wydajności linii,

lecz jedynie na poprawę pracy poszczególnych maszyn oraz operatorów jest powiększenie transportera

pustych skrzynek. Głównym ograniczeniem tej linii jest powierzchnia oraz jej brak. Jedyną możliwo-

ścią jest zastosowanie transportera piętrowego oraz windy, która będzie pobierać rząd skrzynek

z transportera i wstawiać je na odpowiedni poziom transportera piętrowego. Jest to usprawnienie po-

prawiające pracę całej linii, ale nie jej wydajność.

Podsumowując niniejszą pracę należy ponadto zaznaczyć, że zakładany na wstępie cel jakim było

zbudowanie modelu symulacyjnego linii produkcyjnej przy wykorzystaniu oprogramowania FlexSim

3D Simulation Software oraz przeprowadzenie na tej podstawie odpowiednich analiz został osiągniety.


Nr 87, 2018

20

Bibliografia

[1] Beaverstock M., Greenwood A., Nordgren W.: Applied Simulation: Modeling and Analysis

using FlexSim. 5th Edition. FlexSim Software Products, Inc., Orem, USA 2017.

[2] Banks J. (1993). Software for Simulation. Proceedings of the 1993 Winter Simulation

Conference, 1993, s. 24–33.

[3] Karkula M., Modelowanie i symulacja procesów logistycznych. AGH, Kraków 2013.

[4] Noche B., Wenzel S., Marktspiegel Simulationstechnik in Produktion und Logistik. Verlag

TUV, 1991.

[5] Robinson S. Simulation: The practice of model development and use. John Wiley & Sons

Ltd, Chicester 2004.

MODELING AND SIMULATION OF PRODUCTION SYSTEMS

IN FLEXSIM SOFTWARE – A CASE STUDY

Summary

The paper proposes a simulation model of a production line system of non-alco-

holic beverages. The model was created in FlexSim 3D Simulation Software. The

following paragraphs of the article detail the principles of operation of the created

simulation model and the results of the numerical tests that have been carried out to

investigate potential irregularities in the functioning of the analyzed system.

Keywords: assembly line, modeling and simulation, advanced technical computing environments,

production systems, decision support systems

Praca realizowana w ramach grantu dziekańskiego nr 15.11.200.329.

Krzysztof Jurczyk

Arkadiusz Wzorek

Wydział Zarządzania

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

ul. Gramatyka 10, 30-067 Kraków

e-mail: [email protected]

Documents

Modelowanie i symulacja systemów produkcyjnych przy … · 2018. 12. 5. · przy wykorzystaniu oprogramowania FlexSim – studium przypadku 7 to 1 600 skrzynek, czyli 38 400 butelek