Modelovanie výrobných procesov s podporou simulačného nástroja Tecnomatix Plant Simulation

Miera aktuálnosti využívania moderných metód modelovania, simulácie a riadenia v moderných organizačných, riadiacich architektúrach výrobných procesov je veľmi vysoká, pretože tvorí dominantnú a neoddeliteľnú súčasť rozvoja priemyslu deklarovanú vo výzve Industry 4.0. Industry 4.0 (Priemysel 4.0) predstavuje realizáciu a pomenovanie rozsiahlych zmien prudko vstupujúcich do súčasného priemyslu. Nositeľom týchto zmien je najmä digitalizácia, automatizácia, mechatronizácia a integrácia IKT na všetkých úrovniach riadenia podnikových procesov a služieb.

Článok sa opiera o metodiku Industry 4.0, ktorá je postavená na týchto paradigmách:

• Interoperabilita je možnosť a schopnosť inteligentných strojov a ľudských bytostí spolu komunikovať cez internet vecí (IoT) a internet služieb (IoS).
• Virtualizácia je možnosť a schopnosť vytvárať virtuálny model (resp. kópiu) inteligentnej továrne. Pri virtualizácii sa používajú reálne údaje získané predovšetkým zo snímačov strojov, ktoré sa aplikujú na model inteligentnej továrne.
• Decentralizácia je možnosť a schopnosť každého stroja realizovať operácie a riadenie decentralizovane (autonómne) a realizovať maximálne kvalifikované rozhodnutia smerujúce k optimalizácii výroby.
• RT činnosť – pre inteligentné riadenie výroby je nevyhnutné dáta zbierať a analyzovať v reálnom čase. Na základe zozbieraných informácií bude možné v reálnom čase prostredníctvom inteligentných metód riadenia a rozhodovania rekonfigurovať výrobu, zohľadniť poruchy a nájsť optimálne riešenia, napríklad pri poruchách prvkov a zariadení, resp. presúvaní výroby a pod.
• Orientácia na služby – komunikácia a výmena informácií cez internet, poskytovanie informácií iným stranám, služby spoločnosti.
• Modularita a rekonfigurovateľnosť – schopnosť inteligentného podniku pružne sa adaptovať vo výrobe zmenou SW a HW modulov, zdieľaním modulov a rekonfiguráciou procesov.

Článok využíva teoretické a praktické výsledky dosiahnuté pri výučbe a zabudovávaní moderných interdisciplinárnych predmetov do výučby (modelovanie podnikových systémov a riadenie procesov) a výskumu v oblasti modelovania a riadenia priemyselných procesov na Fakulte informatiky PEVS v Bratislave. Na konkrétnom príklade ukazujeme metodiku modelovania a optimalizácie priemyselných výrobných procesov s poukázaním na základné funkcionality a možnosti využitia moderného simulačného prostredia Tecnomatix Plant Simulation (TPS) pri modelovaní a simulácii vybraného výrobného procesu (výrobe papiera). Napriek zaužívaným predstavám možno výrobu papiera označiť za mimoriadne komplexný problém, pri ktorom dochádza k využitiu prírodných i umelých materiálov, ľudskej pracovnej sily a rovnako prvkov automatizácie. Dôležitou súčasťou výrobného procesu je aj samotná logistika.

Prvým krokom modelovania je analýza cieľového procesu. Na základe dostupných informácií agregovaných z rôznych zdrojov dochádza k vytvoreniu slovného opisu výrobného procesu. Nasleduje analytická fáza, ktorá získané informácie využíva na identifikáciu kľúčových súčastí výrobného procesu a ich znázornenie vo forme dvoch vysokoúrovňových grafických modelov – modelu výrobného procesu a modelu transformácie materiálu. Nasleduje fáza počítačového modelovania v programovom prostredí TPS, počas ktorej je vytvorený model zodpovedajúci vysokoúrovňovému návrhu. Prostredie TPS poskytuje bohaté možnosti na tvorbu simulácií a optimalizáciu procesov. Ako to býva zvykom pri využití rôznych softvérov, práca vyžaduje oboznámenie sa s novým programovým prostredím, jeho výhodami a nevýhodami. V prípade TPS možno na proces štúdia prostredia využiť bohatú dokumentáciu výrobcu a rozsiahle množstvo online vzdelávacích videonávodov. V závere článku je uvedené kvalitatívne a kvantitatívne zhodnotenie vytvoreného modelu a zhrnutie poznatkov a skúseností získaných počas práce so simulačným prostredím TPS s cieľom ich ďalšieho využitia v aplikáciách modelovania procesov.

Opis výrobného procesu – viacúrovňová architektúra modelu

Cieľom tohto článku je modelovanie výrobných liniek v procese výroby papiera. Na výrobu papiera je okrem dreva potrebné materiálovo-technické vybavenie vyhovujúce rôznym medzinárodným štandardom. Ako bolo uvedené už v úvode článku, výroba papiera predstavuje mimoriadne komplexný problém, ktorý možno zjednodušiť logickou dekompozíciou do menších blokov so špecifickou funkcionalitou alebo geografickým umiestnením. Z pohľadu geografického členenia proces rozlišuje tri kľúčové pracoviská:

• les ako zdroj primárneho výrobného materiálu,
• drevosklad ako miesto na skladovanie a prvotnú úpravu materiálu,
• celulózku, v ktorej dochádza ku kľúčovej transformácii dreva na papier.

V rámci týchto pracovísk možno na základe rovnakej metodiky vykonávané činnosti rozdeliť do samostatných logických celkov. Všetky kľúčové celky sú v rámci slovného opisu zvýraznené podčiarknutím textu. Ich grafické znázornenie zachytáva vysokoúrovňový model procesu výroby na obr. 1.

Nakoľko kritickým elementom pri výrobe papiera je drevo, pri aplikovaní dostatočnej miery abstrakcie možno konštatovať, že výrobný proces sa začína v lese. LES je základom výroby papiera a na zabezpečenie kontinuálneho procesu výroby je potrebné dostatočne sa oň starať výrubom vhodných stromov. V záujme zachovania lesa pre budúce generácie je zvykom za každý zoťatý strom vysadiť niekoľko nových stromčekov. Lesníci starostlivo selektujú stromy vhodné na výrub – selekcia. Poznatky z botaniky potvrdzujú, že stromy vyprodukujú najviac kyslíka počas svojho rastu. Z toho dôvodu sú na výrub vyberané staré a veľké stromy produkujúce menej kyslíka. Nasleduje opracovanie dreva, kde vznikajú konáre, kmene vhodné na výrobu nábytku, papiera alebo ako palivové drevo. Po opracovaní dochádza k jednoduchej klasifikácii; rovné kmene smerujú na pílu, pokrivené na výrobu papiera a vetvy na kúrenie. Drevo vhodné na výrobu papiera sa naloží na nákladné autá. Nasleduje logistický proces; drevo určené na výrobu papiera sa odvezie do závodu, kde sa po vyložení uloží na mieste zvanom DREVOSKLAD, kde dochádza k jeho ďalšiemu mechanickému opracovaniu. Nasleduje proces odstránenia kôry, ktorú možno následne použiť pri sušení papiera. Kôra je premiestnená do SKLADU PODPORNÝCH SUROVÍN. Odkôrnené drevo sa poseká na štiepky, ktoré sa skladujú na kopách podobných tým na obrázku. Odtiaľ sú prostredníctvom dopravných pásov dopravené do CELULÓZKY. V celulózke sa z nich varením vyrobí celulóza. Drevené štiepky sa varia vo varákoch s chemikáliami pri vysokom tlaku a teplote, kde sa drevo rozvarí na jednotlivé vlákna používané na výrobu papiera.

Prvým krokom je odstránenie živice (lignínu), ktorá spája jednotlivé vlákna v dreve, pomocou varenia vo varnom lúhu a vzniká uvarená celulóza. Varný lúh je potrebné po procese varenia odstrániť tzv. praním a vzniká vypratá celulóza. Následne dochádza k procesu bielenia, pretože vlákna majú hnedú farbu. V rámci firemnej politiky orientovanej na kvalitu životného prostredia treba minimalizovať použitie bielidiel na chlórovej báze, keď vzniká vybielená celulóza.

Vypraté a vybielené vlákna sa ešte v tekutom stave dopravia na PAPIERENSKÝ STROJ, kde dochádza k výrobe papiera. Predtým ako sú vlákna dopravené na papierenský stroj, dochádza k pridaniu prísad (glejidlo, škrob, plnidlo). Papier sa vyrába sušením celulózy, ktorá v tenkej vrstve prechádza vysokou rýchlosťou pomedzi valce. Na konci stroja sa navíja do obrovského kotúča, tzv. materského kotúča alebo tambora. Z materského kotúča sa narežú menšie kotúče, ktoré sa zabalia a dajú do skladu, alebo putujú na sekačky. Sekačka z kotúčov naseká papier na hárky, ktoré sa na baličke balia do pačky. V jednej škatuli je zabalených päť pačiek a každá z nich obsahuje 500 ks papiera.

V tomto bode dochádza k ukončeniu procesu výroby a balenia papiera a nasleduje jeho DISTRIBÚCIA. Papier zabalený v škatuliach sa nakladá na paletu, ktorá je prostredníctvom vysokozdvižného vozíka naložená do kamióna. Kamión následne distribuuje výrobok smerom k spotrebiteľom.

Na základe slovného opisu možno pristúpiť k analytickej fáze, ktorá získané informácie využíva na identifikáciu kľúčových súčastí výrobného procesu a ich znázornenie vo forme dvoch vysokoúrovňových grafických modelov – modelu výrobného procesu (obr. 1) a modelu transformácie materiálu (obr. 2). Na uvedených modeloch sú zelenou farbou označené zdroje materiálu, žltou miesta agregácie materiálu a červenou operácie súvisiace s logistikou materiálu. Vysokoúrovňové pohľady majú mimoriadny význam počas modelovania v softvérových simulačných prostrediach, nakoľko ich kvalita priamo determinuje kvalitu samotnej simulácie a možnosti optimalizácie procesov.

Simulačný softvér Tecnomatix Plant Simulation

Článok využíva softvérový balíček Technomatix Plant Simulation (TPS), prostredníctvom ktorého možno efektívne modelovať kritické elementy prítomné v moderných podnikových a priemyselných systémoch súčasnosti: výrobné systémy, ich vnútorné procesy, priebeh logistických operácií a analýza toku dostupného materiálneho vybavenia. Samotné modelovanie prebieha v diskrétnom čase a možno prostredníctvom neho navrhnúť rôzne scenáre výrobných procesov, z ktorých sa na základe výstupov simulácie vyberá najvhodnejší z pohľadu celkovej optimalizácie spotreby materiálu a prevádzkových nákladov.

Softvér TPS možno charakterizovať v dvoch rovinách:

• Prvá rovina zastrešuje informatický pohľad. Systém vytvára hierarchické objektovo orientované modely, umožňuje správu knižníc a objektov, automatickú analýzu výsledkov simulácie či dokonca tvorbu reportov v celosvetovo rozšírenom formáte HTML.
• Druhá rovina kvantifikuje hlavné prínosy pre samotný manažment výrobného procesu. Podľa údajov uvádzaných na stránke výrobcu a podľa projektovej dokumentácie možno dosiahnuť až 20 % zvýšenie produktivity existujúcich systémov, optimalizovať spotrebu a opakované použitie materiálu a výrobných prostriedkov, znížiť zásoby o 60 % alebo vykonať celkovú optimalizáciu výrobného systému s cieľom znížiť spotrebu elektrickej energie.

Produkt TPS obsahuje široké spektrum nástrojov, z ktorých možno na modelovanie priemyselných procesov vybrať dve kritické súčasti: plánovanie (Process Designer), simuláciu a optimalizáciu (Process Simulate). Hlavným cieľom výrobných podnikov súčasnosti je vytvorenie efektívneho výrobného procesu, ktorý prostredníctvom dostupných zdrojov podniku (napr. pracovníci, stroje) transformuje produkty (napr. materiál) na výrobky vyhovujúce rôznym kvalitatívnym štandardom na národnej i medzinárodnej úrovni. Na tento proces vo všeobecnosti vplývajú rôzne kvalitatívne i kvantitatívne činitele, napr. množstvo, priestorová lokalizácia strojov alebo časové normy. Na plánovanie samotnej výroby a uvedených procesov v prostredí TPS slúži nástroj Process Designer, ktorého výstup predstavuje vstup mocného simulačného nástroja Process Simulate. Process Simulate umožňuje prostredníctvom počítačového modelu analyzovať návrh konceptov výrobného procesu, ich realizovateľnosť v reálnom výrobnom prostredí či dokonca overovať rôzne programy určené pre roboty v rámci IIoT. Softvér navyše obsahuje množstvo nástrojov zameraných na optimalizáciu procesov, z ktorých možno ako príklad uviesť analyzátor úzkych bodov a tzv. diagram Sankey, ktorým možno prehľadne a efektívne znázorniť tok materiálu v rámci analyzovaného modelu.

Z existujúcich aplikácií a literatúry, ktorá skúma možnosti využitia TPS, navyše vyplynula zaujímavá skutočnosť, a to že využitie nástroja TPS nie je obmedzené len na modelovanie výrobných procesov, ale možno ho použiť aj na všeobecné modelovanie procesov, napr. simuláciu „spracovania“ pacientov lekármi.

Implementácia modelu výroby papiera v prostredí TPS

Ako bolo uvedené v predchádzajúcich častiach článku, z pohľadu modelovania je najdôležitejšia práve fáza implementácie vysokoúrovňových modelov prostredníctvom nástrojov a funkcionalít zvoleného nástroja počítačovej simulácie. V prostredí TPS sú jednotlivé nástroje a objekty definované v rámci Class Library. Jednotlivé objekty sú agregované do nasledujúcej logickej štruktúry:

• materiálové jednotky (Material Units – MUs),
• objekty toku materiálu (Material Flow – MF),
• objekty informačného toku (Information Flow – IF),
• objekty používateľského rozhrania (User Interface – UI),
• nástroje (Tools – T).

Materiál

TPS rozlišuje tri základné kategórie MU:

– entity reprezentujúce jednotlivý materiál,

– kontajnery slúžiace na hromadenie materiálu (napr. palety),

– transportéry zodpovedné za logistický prenos.

V rámci simulácie boli vytvorené MU „stromVysadbaStredny, stromVelkyStary, drevoKonarePalivo, drevoNabytok, drevoPapier, stiepky, kora a drevo“. V záujme dosiahnutia realistickej úrovne simulácie materiálových jednotiek prostredie TPS umožňuje vytvorenie vlastnej grafickej reprezentácie jednotlivých druhov materiálu prostredníctvom ikon pre normálny i blokovaný stav materiálu. Tab. 1 obsahuje zoznam použitých objektov TPS a ich význam pri procesnom modelovaní.

Tab. 1 Objekty prostredia TPS použité počas simulácie a ich význam

Logické celky

V rámci TPS možno jednotlivé objekty zlučovať do samostatných celkov modelu, tzv. Frame a SubFrame. Modelovaný proces bol v záujme zvýšenia celkovej prehľadnosti a demonštrácie možností využitia modulárneho dizajnu dekomponovaný na tri SubFramy zodpovedajúce jednotlivým pracoviskám („les“, „drevosklad“ a „celulozka“), ktoré boli identifikované počas analytickej fázy. Aby bolo možné SubFramy použiť v rámci celkového modelu, treba pre ne definovať V/V rozhrania prostredníctvom objektu Interface.

Spracovanie materiálu

Prostredie TPS poskytuje pokročilé funkcie, napr. modelovanie spätného toku materiálu, špecifikáciu požiadaviek pri chybovosti zariadení alebo použitie náhodných procesov na simuláciu obsadenosti a zaťaženia objektov a strojov. Vytvorený model však neuvažuje so spätným tokom materiálu. Tento krok možno zdôvodniť vysokoúrovňovým modelom transformácie materiálu (obr. 2), z ktorého je zrejmé, že dochádza k deštruktívnym operáciám (napr. rezaniu dreva, odkôrneniu alebo vareniu celulózy), dekompozícii materiálu na čoraz menšie jednotky a ich doprednému šíreniu v rámci modelu. Náhodné procesy sú definované v SubFrame „drevosklad“, ktorý predstavuje model operácií prebiehajúcich v rámci pracoviska DREVOSKLAD. Subframe obsahuje tri objekty typu DismantleStation („odkornenie1“, „odkornenie2“ a „sekanie“). Náhodné procesy sú použité na generovanie atribútu „Processing Time“, vyjadrujúceho množstvo času, ktoré daný objekt potrebuje na vykonanie svojej funkcionality. Čas spracovania pre uvedené objekty je modelovaný prostredníctvom Gaussovho (normálneho) rozdelenia. Pri všetkých zariadeniach v subframe DREVOSKLAD boli špecifikované požiadavky na chybovosť. Aby sa zabezpečila kontinuálna výroba, bola stanovená požiadavka na 95 % dostupnosť zariadení. Objekty typu Method boli použité na simuláciu jednoduchého klasifikátora, ktorý na základe typu MU umožnil jeho smerovanie na príslušné miesto v rámci experimentálneho modelu. Použité boli základné príkazy vetvenia programu, logické operátory na vytváranie komplexných podmienok a vybrané atribúty MU (.name,. send). Vzhľadom na obmedzený priestor článku autori uvádzajú len model pracoviska LES (obr. 3).

Prehľadnosť modelu

Aby sa zvýšila prehľadnosť modelu, prostredie TPS umožňuje vkladanie komentárov a využitie grafických prvkov. Na pochopenie elementárnych procesov prebiehajúcich v rámci objektov obsahuje vytvorený model početné objekty typu Display, prostredníctvom ktorých možno znázorniť rôzne atribúty jednotlivých objektov. Vzhľadom na skutočnosť, že počas výroby papiera dochádza na viacerých miestach modelu k transformácii (dekompozícii) MU, objekty Display možno využiť na detailnejšie pozorovanie týchto procesov.

Prehľadnosť modelu zvyšuje aj grafické oddelenie logicky samostatných častí, realizované kombináciou Vector Graphic a objektov typu Comment (obr. 4). Zo záložky Vector Graphics bol použitý objekt Filled Rectangle, pre ktorý bola nastavená farba vyplnenia s gradientným prechodom zhora dole. Menovky jednotlivých graficky oddelených blokov sú realizované opäť prostredníctvom objektov Comment.

Analýza a optimalizácia modelu

Navrhnutý model bol optimalizovaný z hľadiska efektívnosti využitia dostupných materiálnych a technických zdrojov. Zariadenia a jednotlivé pracovné stanice po optimalizácii majú priemerné prestoje (Waiting), prípadne blokovanie (Blocked) menšie ako 25 %. Počas optimalizácie bolo z bohatého portfólia programu TPS využité jednoduché zobrazenie štatistík vybraných strojov cez grafy a pokročilé nástroje Report, BottleneckAnalyzer, SankeyDiagram.

Logistické operácie

Vzhľadom na skutočnosť, že modelovaný proces výroby prebieha na troch pracoviskách (obr. 4), z ktorých minimálne jedno je geograficky vzdialené od ostatných (pracovisko LES), kľúčovou súčasťou výrobného procesu sú logistické operácie simulujúce prepravu materiálu na väčšie vzdialenosti. V rámci modelu výroby papiera boli zrealizované tri nezávislé, graficky oddelené logistické operácie. Prvá, označená komentárom „LOGISTIKA DREVOSKLAD“, je kľúčová pre simulovaný proces výroby, nakoľko jej úlohou je prevoz MU „drevoPapier“ z pracoviska LES na pracovisko DREVOSKLAD, kde dôjde k jeho ďalšiemu spracovaniu. Zvyšné dve vetvy znázorňujú prúdenie ostatného materiálu a sú oddelené od prvej, lebo majú simulovať logistické operácie vykonávané iným subjektom (napr. nábytkáreň a mesto). Na modelovanie transportnej operácie boli použité špeciálne objekty typu Track a TransferStation.

Záver

Cieľom článku bolo prezentovať teoretické vedomosti a praktické skúsenosti autorov v oblasti modelovania a simulácie výrobných procesov prostredníctvom softvérového simulačného nástroja Technomatix Plant Simulation. Článok aplikuje všeobecnú metodológiu modelovania výrobných procesov na príklade modelovania procesu výroby papiera pomocou softvéru TPS. Vzhľadom na celkovú komplexnosť zvoleného procesu a z dôvodu obmedzenia celkového počtu prvkov v akademickej licencii programu TPS boli z vysokoúrovňového znázornenia namodelované len pracoviská les, drevosklad a logistické operácie medzi nimi.

Text opisuje prácu s jednotlivými objektmi a skúma možnosti pokročilých nástrojov slúžiacich na optimalizáciu procesov, z ktorých treba zdôrazniť rôzne prístupy, od jednoduchého zobrazovania kvantitatívnych údajov zariadení prostredníctvom objektov Display a globálnych konštánt, grafického znázornenia obsadenosti a stavu zariadení až po sofistikované funkcie analyzátora úzkych bodov a tzv. diagramu Sankey.

Na úplný záver treba skonštatovať, že kľúčovým elementom modelovania moderných podnikových výrobných procesov naďalej zostáva človek a jeho analytické myslenie, ktorého možnosti priamo rozširuje využitie sofistikovaných simulačných softvérov, napr. Tecnomatix Plant Simulation. Súčasné trendy v oblasti modernizácie priemyselnej výroby vo svete a v Európe potvrdzujú, že ľudská spoločnosť sa v súčasnosti nachádza v tzv. digitálnej ére, ktorú možno charakterizovať digitalizáciou procesov a intenzívnym využívaním informačných a komunikačných technológií (IKT) v rôznych oblastiach ľudského života, od každodenných administratívnych úkonov až po komplexné výrobné procesy rôznych odvetví priemyselnej výroby. Spoločným menovateľom všetkých uvedených oblastí je rýchly rozvoj inteligentných informačných technológií s cieľom ich využitia na identifikáciu, analýzu a optimalizáciu kľúčových súčastí priemyselných procesov a získania konkurenčnej výhody.

Cieľom článku bolo tiež poukázať na možnosti zavádzania moderných modelovacích podporných systémov priamo do výučby v nadväznosti na široké spektrum priemyselnej výroby na Slovensku.

Literatúra

[1] Dokumentácia k programu Tecnomatix Plant Simulation

[2] MES, R. K.: Simulation Modelling using Practical Examples: A plant Simulation Tutorial. University od Twente 2017.

[3] BANGSOW, S.: Manufacturing Simulation with Plant Simulation ans SimTalk. Usage and programming with Examples and Solutions. Springer 2010. ISBN 978-3-642-05073-2.

Katarína Zavodová, Bc.

prof. Ing. Štefan Kozák, PhD.

Fakulta informatiky
Paneurópska vysoká škola, Bratislava