3_Kampa_Golda.pdf

Modelowanie i symulacja przep³ywu produkcji w zrobotyzowanym gnieŸdzie wytwórczym

Adrian KAMPA, Grzegorz GO£DA

MODELOWANIE I SYMULACJA PRZEP£YWU PRODUKCJI W ZRO-

BOTYZOWANYM GNIE�DZIE WYTWÓRCZYM

1. Wprowadzenie

(2d, 3d), które umo¿liwiaj¹ obserwacjê dzia³ania modelu

podczas symulacji na ekranie komputera [1, 8].

W symulacji systemów wytwórczych stosowane s¹ dwie

metody [5, 8, 10]:

• symulacja ci¹g³a – stosowana jest w przypadku proce-

sów, których parametry zmieniaj¹ siê w czasie w sposób

ci¹g³y np. w przemyœle chemicznym,

• symulacja dyskretna – stosowana jest w przypadku, gdy

parametry procesu zmieniaj¹ siê jedynie w okreœlonych

momentach (tzw. zdarzeniach) np. w przemyœle maszy-

nowym.

Systemy wytwarzania traktowane s¹ zwykle jako systemy

dyskretne, pomimo tego, ¿e operacjê obróbki detalu na ob-

rabiarce mo¿na traktowaæ jako proces ci¹g³y, lecz pocz¹tek

i koniec operacji s¹ zjawiskami dyskretnymi.

W celu odwzorowania systemu wytwórczego w modelu

komputerowym mo¿na zastosowaæ modele deterministycz-

ne lub stochastyczne. W modelu deterministycznym para-

metry symulacji s¹ sta³e i wyniki symulacji s¹ powtarzalne,

natomiast w modelu stochastycznym parametry s¹ zmien-

nymi losowymi, podlegaj¹cymi rozk³adowi prawdopodo-

bieñstwa i w zwi¹zku z tym wyniki symulacji s¹ niepowta-

rzalne [5, 8].

W symulacji komputerowej wykorzystywana jest teoria

obs³ugi masowej, w której analizuje siê kolejkê zg³oszeñ

oczekuj¹c¹ na obs³ugê przed stanowiskiem, np. zlecenia

produkcyjne oczekuj¹ce na wykonanie operacji na stawi-

sku lub ludzie oczekuj¹cy w kolejce do kasy [5]. Istotne

parametry tej metody to czas obs³ugi na stanowisku oraz

czas przed pojawieniem siê nowego zg³oszenia. S¹ to zwy-

kle parametry probabilistyczne. Sposób obs³ugi zg³oszeñ

mo¿e byæ od uzale¿niony od regu³ sterowania (regu³y prio-

rytetu, dyscypliny obs³ugi kolejki). Najczêœciej stosuje siê

regu³ê FIFO (First In, First Out) polegaj¹c¹ na tym, ¿e

pierwsze zg³oszenie w kolejce obs³ugiwane jest w pierw-

szej kolejnoœci.

Symulacja komputerowa znajduje szerokie zastosowania,

poniewa¿ posiada ona wiele zalet takich jak [5, 8, 10]:

• pozwala badaæ z³o¿one obiekty i zjawiska,

• pozwala badaæ procesy d³ugotrwa³e, które w modelu s¹

analizowane w du¿o krótszym czasie,

• umo¿liwia ³atw¹ modyfikacjê modelu komputerowego,

• umo¿liwia wizualizacjê wyników na ekranie komputera.

Wady symulacji s¹ zwi¹zane z:

• niedok³adnoœci¹ odwzorowania z³o¿onych obiektów

i zjawisk,

• trudnoœci¹ budowy modeli z³o¿onych,

• trudnoœci¹ oceny wyników.

W pierwszych symulacjach komputerowych wykorzysty-

wano jêzyki programowania ogólnego przeznaczenia, tj. C,

Pascal, Fortran, ale ich stosowanie wymaga³o budowy mo-

delu od podstaw i by³o d³ugotrwa³e, pracoch³onne i podatne

Z³o¿onoœæ problemów techniczno-organizacyjnych, z któ-

rymi borykaj¹ siê przedsiêbiorstwa wytwórcze, powoduje,

¿e potrzebne s¹ metody i narzêdzia umo¿liwiaj¹ce wspo-

maganie projektowania nowych systemów wytwórczych

jak równie¿ reorganizacjê istniej¹cych systemów wytwór-

czych. Jedn¹ z najszerzej stosowanych metod w ró¿nych

dziedzinach nauki i techniki jest symulacja komputerowa.

Symulacja jest to przewidywanie przebiegu zjawisk, proce-

sów fizycznych lub dzia³ania pewnych uk³adów i urz¹dzeñ

na podstawie modelu systemu (zjawiska lub obiektu) oraz

zadanych parametrów pocz¹tkowych. Zmiana parametrów

pocz¹tkowych pozwala badaæ zachowanie siê modelu

w ró¿nych warunkach i pozwala wnioskowaæ o zachowa-

niu systemu rzeczywistego [5].

Model stanowi pewne przybli¿one odwzorowanie rzeczy-

wistego systemu, wyra¿one najczêœciej za pomoc¹ funkcji

matematycznych – jest to model matematyczny. Mo¿na

tak¿e wyró¿niæ model fizyczny – jest to obiekt fizyczny,

który odwzorowuje w³asnoœci rzeczywistego obiektu w in-

nej skali (np. model statku lub samolotu) lub zjawisko fi-

zyczne, które rz¹dzi siê podobnymi prawami, np. analogia

mechaniczo-elektryczna, która polega na tym, ¿e zachowa-

nie uk³adów mechanicznych i elektrycznych mo¿na opisaæ

podobnymi formu³ami matematycznymi i za pomoc¹ uk³a-

du elektrycznego mo¿na odwzorowaæ uk³ad mechaniczny

i vice versa. Metoda ta by³a szeroko stosowana w maszy-

nach i komputerach analogowych przed upowszechnie-

niem siê komputerów cyfrowych (binarnych) [5, 11].

Model komputerowy jest to model matematyczny zapisany

w pamiêci komputera za pomoc¹ dedykowanego lub uni-

wersalnego jêzyka programowania [5].

Symulacja komputerowa w ca³oœci odbywa siê na kompu-

terze - polega na utworzeniu komputerowego modelu zja-

wisk lub obiektów i nastêpnie na badaniu wp³ywu parame-

trów (sygna³ów) wejœciowych na zachowanie modelu.

Zwykle przeprowadza siê bardzo wiele symulacji dla ró¿-

nych zestawów wartoœci parametrów wejœciowych i na-

stêpnie szczegó³owo analizuje siê wyniki symulacji. Model

komputerowy odwzorowuje tylko wybrane cechy obiektu

rzeczywistego, które s¹ najbardziej istotne z punktu widze-

nia decydenta, poniewa¿ zbyt szczegó³owy model mo¿e

sprawiaæ problemy z interpretacj¹ danych. Poniewa¿ symu-

lacja komputerowa jest oparta na modelowaniu matema-

tycznym, dane do symulacji wprowadza siê w postaci nu-

merycznej (jako ci¹g liczb) a wyniki symulacji najczêœciej

uzyskuje siê tak¿e w postaci numerycznej i z tego wzglêdu

s¹ one trudne do interpretacji [5, 8]. Dlatego d¹¿y siê do

przedstawienia symulacji komputerowej w postaci ³atwiej-

szej do obserwacji i oceny, wykorzystuj¹c w tym celu ró¿ne

techniki wizualizacji dwuwymiarowej lub trójwymiarowej

Zarz¹dzanie Przedsiêbiorstwem Nr 1 (2009)

Strona 21

Modelowanie i symulacja przep³ywu produkcji w zrobotyzowanym gnieŸdzie wytwórczym

na b³êdy. W celu u³atwienia modelowania zosta³y opracowane

jêzyki programowania umo¿liwiaj¹ce eliminacjê i uprosz-

czenie wielu czynnoœci przygotowawczych zwi¹zanych

z przygotowaniem symulacji komputerowej, np. GPSS,

SIMSCRIPT, SIMULA [5]. Dalszy rozwój oprogramowa-

nia poszed³ w kierunku wizualno-interaktywnych jêzyków

programowania symulacyjnego. Wiele programów jest dedy-

kowanych do konkretnych zastosowañ i problemów, niektóre

z kolei charakteryzuj¹ siê du¿¹ uniwersalnoœci¹ [1, 8, 10].

Obecnie dostêpnych jest wiele pakietów oprogramowania

u³atwiaj¹cych przeprowadzenie symulacji komputerowej,

np. ARENA, ENTERPRISE DYNAMICS, FLEXSIM,

MATLAB SIMULINK, TAYLOR, VENSIM i inne [2, 4, 6,

7, 8, 10]. Programy te oparte s¹ na symbolicznym jêzyku

zapisu i pozwalaj¹ budowaæ model z gotowych predefinio-

wanych obiektów jak z klocków, wymagaj¹ jedynie zdefi-

niowania relacji miêdzy obiektami oraz parametrów po-

cz¹tkowych obiektów.

Wizualizacja symulacji ma wiele zalet i pozwala na m.in.

[8, 10]:

• lepsze zrozumienie modelu,

• ³atwiejsz¹ weryfikacjê modelu,

• prostsze wprowadzanie modyfikacji,

• wiêcej mo¿liwoœci prezentacji wyników,

•· ³atwiejsz¹ interpretacjê wyników.

Rys. 1. Widok biblioteki – Basic modeling

(obiekty podstawowe)

Tworzenie modelu symulacyjnego w ED polega na wybo-

rze obiektów z biblioteki i rozmieszczeniu ich na planie

modelu (model layout) oraz zdefiniowaniu powi¹zañ po-

miêdzy obiektami. Do ³¹czenia obiektów modelu wykorzy-

stywane s¹ wejœcia i wyjœcia obiektów oraz kana³y (chan-

nels) (rys. 2). Nastêpnie nale¿y dokonaæ edycji parametrów

obiektów oraz dokonaæ ewentualnych poprawek. Parame-

try (atrybuty), którymi opisane s¹ obiekty, mog¹ mieæ po-

staæ sta³ej, rozk³adu statystycznego lub wyra¿enia zapisa-

nego w jêzyku programowania 4DScript [2, 3].

Najprostszy model sk³ada siê w z wejœcia (source), bufora

magazynowego (queue), maszyny (server) oraz wyjœcia

(sink), co pokazano na rysunku 2. Do po³¹czenia obiektów

w modelu stosowane s¹ kana³y (channels) ³¹cz¹ce wejœcia i wyj-

œcia obiektów i steruj¹ce przep³ywem produkcji w modelu.

2. Modelowanie w Enterprise Dynamics

W badaniach dotycz¹cych modelowania i symulacji prowa-

dzonych w Instytucie Automatyzacji Procesów Technolo-

gicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania Poli-

techniki Œl¹skiej, wykorzystuje siê programy TAYLOR II

oraz Enterprise Dynamics.

Enterprise Dynamics (ED)

jest to pakiet oprogramowania

wizualno-symulacyjnego,

posiadaj¹cy wiele predefi-

niowanych obiektów symu-

lacji oraz funkcji pozwalaj¹-

cych na symulacjê procesów

dyskretnych, np. wytwarza-

nie, transport, magazyno-

wanie, kontrola i komuni-

kacja [2, 3, 10]. Pakiet ED

jest wyposa¿ony w we-

wnêtrzny jêzyk programo-

wania 4DScript pozwalaj¹cy na programowanie w³asnych

funkcji, budowê nowych obiektów oraz tworzenie interfej-

su u¿ytkownika.

W bibliotece obiektów zawarte s¹ predefiniowane obiekty

symulacji (nazywane w programie ED atomami) podzielo-

ne na 16 grup. Podstawowe obiekty dostêpne s¹ w grupie

Basic Modelling, która zawiera nastêpuj¹ce atomy (rys. 1):

• Product – produkt,

• Source – wejœcie generuj¹ce produkty,

• Queue – kolejka, bufor magazynowy,

• Server – stanowisko pracy, maszyna,

• Sink – wyjœcie,

• Node – wêze³ transportowy,

• Container – pojemnik do transportu produktów.

Rys. 2. Model systemu jednomaszynowego

Na postawie wyników symulacji, przedstawionych w po-

staci raportów oraz wykresów generowanych przez ED,

mo¿na oceniæ dok³adnoœæ odwzorowania procesów rzeczy-

wistych w modelu. Mo¿na wprowadzaæ zmiany parametrów

modelu i obserwowaæ zmiany zachodz¹ce w kolejnych sy-

mulacjach i na tej podstawie mo¿na zbudowaæ model cha-

rakteryzuj¹cy siê najlepsz¹ efektywnoœci¹ procesów.

3. Model zrobotyzowanego gniazda wytwórczego

Analizowano model zrobotyzowanego gniazda tokarskiego

do obróbki wa³ów z³o¿onego z czterech zautomatyzowanych

obrabiarek CNC i dwóch robotów obs³uguj¹cych obrabiarki,

stanowiska roz³adunku palet transportowych z robotem

Strona 22

Zarz¹dzanie Przedsiêbiorstwem Nr 1 (2009)

Modelowanie i symulacja przep³ywu produkcji w zrobotyzowanym gnieŸdzie wytwórczym

portalowym, stanowiska kontroli technicznej, za³adunku ob-

robionych przedmiotów na palety i wózka AGV transportuj¹-

cego wykonane przedmioty do magazynu. Zadaniem robota

obs³uguj¹cego obrabiarkê jest pobranie pó³fabrykatu z bufora

wejœciowego i nastêpnie umieszczenie go w uchwycie obra-

biarki. Po zakoñczeniu programu obróbki robot musi pobraæ

przedmiot z obrabiarki i przenieœæ go do bufora poœredniego.

Za³o¿ono, ¿e jeden robot obs³uguje dwie obrabiarki pracuj¹ce

równolegle, czyli pierwsza para obrabiarek wykonuje tak¹

sam¹ operacjê obróbki zgrubnej i kszta³tuj¹cej jednej strony

wa³u, a nastêpnie druga para obrabiarek obs³ugiwana przez

drugiego robota wykonuje obróbkê zgrubn¹ i kszta³tuj¹c¹ dru-

giej strony wa³u. Sposób pracy gniazda mo¿na przedstawiæ na

schemacie pokazanym na rysunku 3.

Na tej podstawie zbudowano model gniazda w Enterprise

Dynamics, przedstawiony na rysunkach 4. oraz 5.

3.1. Parametry modelu

Za³o¿ono, ¿e na wejœciach do systemu losowo pojawiaj¹ siê

palety transportowe zawieraj¹ce przedmioty nale¿¹ce do piê-

ciu typów symbolizowanych przez ikony w ró¿nych kolorach.

Przyjêto nastêpuj¹ce dane wejœciowe – parametry obiektów

modelu [7, 9, 10, 11]:

- piêæ wejœæ generuj¹cych piêæ ró¿nych podtypów produk-

tów – czas pomiêdzy zg³oszeniem siê do systemu kolej-

nych palet jest losowy (Inter-arrival time) = NegExp(300)

– rozk³ad wyk³adniczy ok. 300 sekund,

Rys. 3. Schemat zrobotyzowanego gniazda produkcyjnego

Rys. 4. Model zrobotyzowanego gniazda w systemie Enterprise Dynamics

Rys. 5. Ten sam model z uwidocznieniem po³¹czeñ pomiêdzy obiektami (channels)

Zarz¹dzanie Przedsiêbiorstwem Nr 1 (2009)

Strona 23

Modelowanie i symulacja przep³ywu produkcji w zrobotyzowanym gnieŸdzie wytwórczym

- robot portalowy – wymiary 12x9 m, prêd-

koœæ 1 m/s,

- roz³adowanie palet – czas roz³adunku

(cycle time) = negexp(9) ok. 9 sekund, par-

tia (batch) wejœciowa 1 szt., partia wyj-

œciowa 2 szt.,

- roboty 1, 2 – prêdkoœæ 90°/s, czas za³adun-

ku (load time) = 5 s, czas roz³adunku

(unload time) = 5 s,

- obrabiarki CNC 1, 2 – czas obróbki (cycle

time) = label(Time1,i) zdefiniowany dla

ka¿dego produktu w zmiennej Time1, czas

przygotowawczy (setup time) = 5 s,

- obrabiarki CNC 3, 4 - czas obróbki (cycle

time) = label(Time2,i) zdefiniowany dla

ka¿dego produktu w zmiennej Time2, czas

przygotowawczy (setup time) = 5 s,

- kontrola – czas operacji (cycle time) = 90 s,

1% produktów wadliwych (braki),

- paletyzacja – czas operacji (cycle time)

= Normal(10,2) – rozk³ad normalny czas

œredni 10 s z odchyleniem standardo-

wym 2 s,

- wózek AGV – prêdkoœæ (speed) = 1 m/s,

czas za³adunku (load time) = 5 s, czas roz-

³adunku (unload time) = 5 s.

Ka¿dy typ produktu charakteryzuje siê inny-

mi czasami wykonania operacji obróbko-

wych (tab. 1).

Rys. 6. Parametry wejœcia 1

Tab. 1. Czasy wykonania operacji

na obrabiarce CNC 2. Nastêpnie robot 1 czeka na zakoñ-

czenie cyklu pracy obrabiarek. Gdy pierwsza obrabiarka

zakoñczy operacjê, robot 1 pobiera przedmiot i przenosi go

do bufora poœredniego nr 3. Nastêpnie pobiera obrobiony

przedmiot z obrabiarki nr 2 i tak¿e transportuje go do bufo-

ra poœredniego nr 3. Na tym koñczy siê cykl pracy robota

1 i zaczyna siê oczekiwanie na kolejne przedmioty do

obróbki (rys. 7).

Aby uzyskaæ taki sposób pracy w modelu gniazda wprowa-

dzono nastêpuj¹ce parametry pracy robota (rys. 8) i obra-

biarek CNC (rys. 9).

W obiekcie robot ustawiono cztery kana³y wejœcia i dwa

wyjœcia. Zastosowano strategiê sterowania wejœciami (in-

put strategy) – round robin – polegaj¹c¹ na tym, ¿e wejœcia

otwierane s¹ cyklicznie w kolejnoœci 1, 2, 3, 4. Wejœcia 1 i 2

robota po³¹czone s¹ z wyjœciami 1 i 2 bufora 2. Natomiast

wejœcia 3 i 4 robota po³¹czone s¹ z wyjœciami obrabiarek.

Do rozdzielenia przedmiotów przed obróbk¹ i po obróbce

przez robota zastosowano strategiê wyjœciow¹ send to: by

label value – wg wartoœci etykiety produktu i numer wyj-

œcia odpowiada wartoœci etykiety. Jest to zwi¹zane ze

zmian¹ etykiety produktu po zakoñczonej obróbce na to-

karce CNC – wykonywane jest zdarzenie (trigger on

exit) – zmiana wartoœci etykiety stage z 1 na 2 komend¹

setlabel([stage],2,i).

Robot podczas przesy³ania produktu do wyjœcia sprawdza

wartoœæ etykiety stage bie¿¹cego produktu. Tak wiêc nie-

obrobione przedmioty, dla których stage=1 trafiaj¹ przez

Do zdefiniowania tych czasów w modelu zastosowano

funkcjê jêzyka 4DSCRIPT – label (etykieta) i utworzono

etykiety Time1 oraz Time2, w których zapisano czasy ob-

róbki ka¿dego produktu. Dla produktu 1 – zapis odpowied-

nich komend przedstawiono poni¿ej (rys. 6):

Do (setlabel([Time1],120,i),

setlabel([Time2],160,i),

setlabel([stage],1,i).

Natomiast etykieta stage wykorzystana zosta³a do sterowa-

nia przep³ywem produkcji przez robota.

Robot portalowy transportuje dostarczone do gniazda pale-

ty na stanowisko roz³adunku palet, gdzie zdefiniowano par-

tiê (batch) B=2 oraz regu³ê sterowania (bath rule – 1 in, B

out). W rezultacie stanowisko opuszczaj¹ dwa przedmioty i

trafiaj¹ do bufora 2. Nastêpnie robot 1 pobiera pierwszy

przedmiot z bufora 2 i umieszcza go na obrabiarce CNC 1,

a potem pobiera drugi przedmiot z bufora 2 i umieszcza go

Strona 24

Zarz¹dzanie Przedsiêbiorstwem Nr 1 (2009)

Modelowanie i symulacja przep³ywu produkcji w zrobotyzowanym gnieŸdzie wytwórczym

Rys. 7. Cyklogram pracy robota i obrabiarek CNC

Rys. 8. Parametry robota

Rys. 9. Parametry obrabiarki

kana³ wyjœciowy nr 1 do wêz³a (node), który rozdziela je na

obrabiarki w ten sposób, ¿e pierwszy przedmiot trafia na

CNC 1 a drugi na CNC 2. Po obróbce przedmioty wracaj¹

do robota przez wejœcia 3 i 4, poniewa¿ po obróbce maj¹

zmieni¹ etykietê stage=2 to trafiaj¹ tym razem przez wyj-

œcie nr 2 do bufora poœredniego nr 3. Po tym cykl pracy

robota 1 siê powtarza – pobiera on dwa nowe przedmioty

i transportuje je kolejno na obrabiarki nr 1 i 2, nastêpnie

czeka na zakoñczenie obróbki przedmiotów i obrobione

przedmioty transportuje do bufora 3. Robot nr 2 wykonuje

podobny cykl pracy.

Po zakoñczeniu obróbki przeprowadzana jest kontrola

techniczna. Za³o¿ono, ¿e ok. 1% przedmiotów mo¿e byæ

wadliwych. Zastosowano tu regu³ê sterowania wyjœciami,

okreœlaj¹c¹ procent produktów kierowanych do poszcze-

gólnych wyjœæ (by percentage – 99% of products go to Cha-

nel 1 and remaining percentage go to Channel 2). Za³o¿ono

rozk³ad równomierny i ok. 1% braków (rys. 10).

Zarz¹dzanie Przedsiêbiorstwem Nr 1 (2009)

Strona 25

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: