#07 Simulácia výrobných systémov
Simulácia výrobných systémov nám pomáha zodpovedať na nasledovné typy otázok:
- Kde sú “úzke miesta” projektu? Kde sú hlavné riziká? Čo sa stane ak ...?”
- Ekonómov zase zaujíma: Kde a čo je v projekte “navyše”?
- Manažér sa pýta: Čo sa stane keď príjimem túto zákazku? Dá sa splniť termín a cena? Prečo mám vyššie náklady ako konkurencia? Máme vysoké zásoby a dlhé priebežné časy? Ale čo je ich príčinou? ...
Veľa ľudí sa v továrňach stretáva s otázkami:
...ako odstrániť problémy v procese, ako inovovať a zlepšiť proces alebo celý výrobný systém či logistický systém?
Existuje množstvo odpovedí na tieto otázky. Avšak problémom najčastejšie býva overenie správnosti rozhodnutí a ich dopad na správanie sa procesu alebo systému po zavedení zmien. Je možné buď hádať, ako to asi dopadne alebo experimentovať. Obe sú však časovo náročné. Prognózovanie takýchto udalostí je možné dosiahnuť využitím softvérovej podpory a to simulačnými programami, ktoré umožňujú predpoklad procesu výroby v krátkom čase. Využitie takéhoto nástroja umožňuje vykonanie experimentov bez priameho zásahu do výroby a overenie správnosti technologických návrhov pred samotnou výrobou.
Vo výrobných systémoch má aj malá zmena vysoký ekonomický dopad.
Simulácia výrobných a logistických systémov je nástroj, ktorý umožňuje zistiť dynamické správanie sa výrobného systému tam, kde statické výpočty už často nestačia. Je k tomu potrebný softvér, ktorý sa však zaplatí z dosiahnutých úspor, väčšinou už pri prvom väčšom projekte. Pri projektovaní a prevádzke komplexných logistických a výrobných systémov vzniká množstvo problémov a rizík. Ak podnik nechce investovať peniaze do simulácie pretože potrebuje spraviť len jeden či dva modely, môže využiť služby univerzít či organizácií, ktoré sa venujú danej problematike. Napríklad na Katedre priemyselného inžinierstva, Strojníckej fakulty, Žilinskej univerzity v Žiline, patrí Modelovanie a simulácia výrobných systémov už desiatky rokov.
Veľký počet variantov a zložitosť ich vyhodnocovania nedávajú pri klasických nástrojoch projektantovi ani riadiacemu pracovníkovi možnosť výberu optimálneho riešenia. Je to tzv. efekt lokálnej optimalizácie, ktorá sa vyskytuje nielen v prevádzke logistických a výrobných systémoch, ale aj pri ich projekte. Uvedený problém je zvlášť zložitý, keďže o optimalizácií by sme sa mali baviť na základe celopodnikových cieľov a nie len na úrovni výrobného systému.
Simulácia je experimentálna metóda, v ktorej nahrádzame reálny systém počítačovým modelom.
Na takomto modeli je možné vykonať množstvo experimentov, vyhodnotiť ich alebo aj optimalizovať a výsledky aplikovať na reálny systém. Neexistuje iná metóda či teória, ktorá by umožňovala experimentovať so zložitým systémom ešte predtým, ako bol uvedený do prevádzky. Neexistuje žiadny iný algoritmus, ktorý by umožňoval za niekoľko minút doslova prehrať na počítači zložité procesy, ktoré reálne trvajú rádovo týždne či mesiace. Je to ideálny nástroj pre podporu rozhodovania na rozličných úrovniach v podniku.
Simulácia je jedným z najviac používaných prevádzkových výskumných nástrojov, ktoré sú v súčasnej dobe k dispozícii. Zároveň je jednou z niekoľkých metód používaných pre hodnotenie, zlepšovanie a optimalizáciu mnohých typov procesov. Aj keď bola simulácia používaná takmer tri desiatky rokov, avšak až posledných desať rokov sme svedkami dramatického nárastu jej používania. Okrem uvedeného aj bežná dostupnosť osobných počítačov a významných vylepšení v oblasti komercializácie softvéru naznačujú, že simulácia bude aj naďalej pokračovať v tom, aby sa stala široko používanou metódou, a to ako pre technických, ale aj menej technických analytikov. Počas výkonu simulácie môže byť množstvo výkonových meraní zaznamenaných pre následné štatistické analýzy. Činnosť tohto procesu môže byť počas simulačného behu taktiež zobrazená na obrazovke počítača, čím ponúka vizuálnu reprezentáciu systému.
Simulácia výrobných systémov nám pomáha zodpovedať na nasledovné typy otázok:
- Kde sú “úzke miesta” projektu? Kde sú hlavné riziká? Čo sa stane ak ...?”
- Ekonómov zase zaujíma: Kde a čo je v projekte “navyše”?
- Manažér sa pýta: Čo sa stane keď príjimem túto zákazku? Dá sa splniť termín a cena? Prečo mám vyššie náklady ako konkurencia? Máme vysoké zásoby a dlhé priebežné časy? Ale čo je ich príčinou? ...
Princíp simulácie
Prvým krokom pri simulácii je zostavenie simulačného modelu reálneho systému. V ďalšom kroku sa vykonávajú so simulačným modelom experimenty, na základe ktorých sa dosiahnu výsledky, ktoré je potom potrebné správne interpretovať a použiť pre zlepšenie systému (Obrázok 1). Simulácia je teda experimentálna metóda, pri ktorej sa experimentuje s modelom výrobného systému v počítači.
Každý simulačný model obsahuje nasledujúce typy objektov:
- Statické trvalé objekty - nepohyblivé časti systému, ktoré v ňom trvalo pôsobia - stroje, sklady a pod.
- Dynamické dočasné objekty - pohyblivé prvky, ktoré vstupujú do systému, pohybujú sa medzi statickými časťami systému a na niektorom mieste systém opúšťajú - súčiastky, palety.
- Prvky prepojenia s okolím - miesta, kde vstupujú dynamické objekty do systému a kde systém opúšťajú.
Viac článkov z oblasti priemyselného inžinierstva nájdeš TU.
Prečo sa rozhodnúť pre simuláciu:
- Prínosy, ktoré budú dosiahnuté aplikáciou simulácie by mali byť väčšie ako náklady potrebné na realizáciu simulácie a zlepšení v rôznych systémoch. Rozhodujúcim kritériom preto, aby simulácia mohla byť v praxi využitá je predovšetkým prínos z jej využitia. Prínosy môžeme rozdeliť na kvantitatívne a kvalitatívne. Pri rozhodovaní o simulačnom projekte bude platiť jednoduché pravidlo: simulácia bude opodstatnená len v prípade, ak sú priame prínosy zo simulácie väčšie, než náklady na simuláciu. V mnohých prípadoch nie je cieľom simulácie priamy ekonomický efekt. Dodávateľ výrobných alebo dopravných systémov môže s pomocou simulácie napríklad dokazovať ich funkčnosť, výkon alebo spoľahlivosť, čo môže zlepšiť jeho pozíciu na trhu. Na to, aby bol efekt simulácie maximálny do značnej miery vplýva čas, kedy je simulácia realizovaná.
- Simulácia by mala byť použitá už v počiatočných fázach spracovania projektu, pretože, najväčšie potenciály pre zlepšovanie parametrov systému je možné dosiahnuť v počiatočných fázach, pričom aj náklady s tým spojené sú práve v týchto fázach najnižšie. V procese realizácie a prevádzky zostáva už len málo stupňov voľnosti pre zmeny a zlepšovanie a väčšina takýchto zlepšení je spojená s vysokými dodatočnými nákladmi, ktoré častokrát môžu prevyšovať prínosy zo zlepšenia. Z toho vyplýva, že správne a včasné rozhodnutia majú neporovnateľne vyššie prínosy ako optimalizácia v následných etapách projektu.
Na základe princípu, ktorý je využitý pri zostavení simulačného modelu rozlišujeme nasledovné typy simulácie: 
- Diskrétna simulácia - nazýva sa aj udalostne orientovanou simuláciou. Z pohľadu simulácie sa v tomto prípade simulujú len tie časové okamihy resp. udalosti, v ktorých dochádza ku zmene stavových veličín nejakého systému. Klasickým príkladom diskrétnych systémov je väčšina výrobných a logistických systémov.
- Spojitá simulácia – v tomto druhu simulácie sa hodnoty stavových premenných menia spojito v určitom časovom intervale. Hodnoty stavových premenných sú určované riešením diferenciálnych rovníc. Tieto rovnice popisujú správanie sa simulovaného systému, vo veľmi krátkych časových krokoch. Príkladom takéhoto spojitého systému je pohybujúce sa lietadlo a vybrané ukazovatele, ako napr. jeho výška, rýchlosť, tlak vzduchu, spotreba paliva a pod. Tieto ukazovatele sa menia spojito počas letu.
- Kombinovaná simulácia - obsahuje prvky diskrétnej i spojitej simulácie (obrázok 2). Aj pri simulácii výrobných systémov, kde dominujú diskrétne procesy, sa niekedy kombinujú princípy diskrétnej a spojitej simulácie. Niektoré chemické alebo tepelné procesy sa vo výrobe menia spojito. Ale aj mnohé diskrétne procesy v hromadnej výrobe ako napr. dopravníky, linky s veľkým množstvom plynulo sa pohybujúceho materiálu, sa častokrát s úsporných dôvodov zobrazujú ako spojité procesy.
Ako všetko, tak aj simulácia má svoje výhody aj nevýhody. Za výhody možno pokladať:
- Experimentovanie v komprimovanom čase – simulačný model prebieha na počítači, t.j. simulácia sa vykonáva v komprimovanom čase. To možno pokladať za veľkú výhodu, pretože niektoré procesy v systéme môžu trvať minúty, hodiny, dni, mesiace či roky. Pomocou simulácie sa dajú tieto procesy odsimulovať za niekoľko sekúnd, nanajvýš minút. Vďaka tomu sa dajú analyzovať zdĺhavé procesy, ktoré v minulosti boli ťažko či nemožné analyzovať.
- Znížené analytické požiadavky – predtým než začala existovať počítačová simulácia, bolo treba používať iné, analyticky náročnejšie nástroje. Dokonca aj potom mohli byť analyzované len jednoduché systémy, ktoré obsahovali pravdepodobnostné prvky. Zložité systémy však boli výhradne len doménou matematikov či analytikov operačného výskumu. Okrem toho sa to dalo analyzovať len statickým prístupom v danom čase. No príchodom simulačných metodológií bolo možné študovať systém v reálnom čase počas simulačných cyklov.
- Ľahko demonštrované modely – simulačné softvéry umožňujú dynamicky animovať prevádzku modelu. Pomocou animácie sa môže vyladzovať model a preukazuje sa funkčnosť modelu. Ladenie umožňuje používateľovi ľahšie sledovať chyby v modelovanej logike. Použitie animácie počas prezentácie pomáha vytvoriť dôveryhodnosť modelu.
Simulácia má však aj nevýhody, ktoré nie sú priamo spojené s modelovaním a analýzou systému, avšak majú dopad s očakávaniami spojenými so simulačnými projektmi:
- Simulácia nedokáže poskytnúť správne výsledky, pokiaľ sú vstupy nepresné. Za najťažšiu časť simulačného procesu, sa považuje zhromažďovanie údajov. Napriek tomuto poznatku, je na zhromaždenie údajov vynaložené minimálne množstvo času. Tento problém je zapríčinený tým, že používatelia radšej vytvárajú simulačný model, než by zhromažďovali dôležité údaje. Najväčší problém bolo použitie externých údajov, čo predstavovalo základ neúspechu modelu.
- Simulácia nedokáže poskytnúť jednoduché odpovede na zložité problémy. Je to z toho dôvodu, že pre zložité odpovede sú potrebné. Ak je analyzovaný systém má veľa komponentov a interakcií, tak najlepšou alternatívou operatívnej, alebo zdrojovej politiky, je zvážiť každý jeden prvok v systéme.
- Samotná simulácia nedokáže vyriešiť problémy. Simulácia však poskytuje manažmentu potencionálne riešenia a pohľady na určitý problém. Z tohto dôvodu je pre používateľa výhodné, aby sa do projektu zapojil manažment alebo zákazníci. Až príliš často sa stáva, že potencionálne riešenia už sú, ale nedôjde k ich implementácií, prípadne je ich implementácia zle vykonaná na základe organizačných či politických problémov.
Autor: Ing. Miroslav Fusko, PhD.
Zdroj:
- Bučková, M. – Grznár, P.: Modelovanie a simulácia, Vysokoškolské skriptá, 1. vyd. - Žilina : Žilinská univerzita v Žiline, 2020. - 143 s.
- Gregor, M. a kol. 2006. Digitálny podnik. Žilina : Slovenské centrum produktivity, 2006. 139 s. ISBN 80-969391-5-7.
- Košturiak, J. – Gregor, M. – Mičieta, B. – Matuszek, J.: Projektovanie výrobných systémov pre 21. storočie. Vyd. 1. - V Žiline : Žilinská univerzita, 2000. - 397 s., ISBN 80-7100-553-3.
- Martinkovič, M.: Počítačová simulácia pri posudzovaní variantov novej výroby. Diplomová práca, Katedra priemyselného inžinierstva – Strojnícka fakulta – Žilinská univerzita v Žiline, 2018.
- Pedan, M.: Optimalizačný model oddelenia urgentného príjmu zdravotníckeho zariadenia. Dizertačná práca, Katedra priemyselného inžinierstva – Strojnícka fakulta – Žilinská univerzita v Žiline, 2017.
- Obr.: https://sk.pinterest.com