Simulace proces ů v automobilovém průmyslu Jan Daněk danek@ humusoft.cz humusoft.cz

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

2. 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

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

4. Co uživatelům přináší simulace? Omezení rizika při návrhu, prováděnízměn 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

5. 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

6. ... 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)

7. 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 ... Typy simulace dynamických systémů

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

9. 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 Trendy

10. 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, ....

11. 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

12. Zkoušky elektriky a elektroniky vozidla ve fázi vývoje automobilu ŠKODA HILsimulátor Stavba prototypu Diagnostika Zkušební tabule (Breadboard)

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

14. Proměnné (vstupy) 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 SIMULACE

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

16. WITNESS - pracovní prostředí

17. WITNESS - Příklad modelu

18. Výsledky simulace

19. Witness Optimizer

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

21. 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

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

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

24. 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

25. Příklad využití

26. Modelování dodávek materiálu k montážním linkám v motorárnách

27. Simulační strategie firmy FORD Cíl • Simulace by měla být využívána všemi pracovníky odpovědnými za provoz výrobních systémů. • Jednotliví uživateléby 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.

28. Simulační nástroje MASS – Storage Machining to Assembly FIRST – Machining Line FAST – Engine Assembly Lines FORMAT – Material Delivery to Line FOREMOST – All Lines

29. 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.

30. 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.

31. 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.

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

33. 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? …

34. 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

35. 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

36. Pozadí modelů - AutoCAD

37. Zadávání dat – údaje o součástech (PfEP)

38. Model - definice dodávek součástí

39. Cesty zavážení součástí v systému Card

40. Cesty zavážení součástí v systému Call

41. Pracovní směny & Odjezdy „autobusů“

42. Údaje o zavážecích místech

43. Údaje o supermarketu „Card“

44. Údaje o supermarketu „Call“

45. 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

46. Část montážní linky

47. Výsledky

48. Statistika využití vozíků

49. Dodávky součástí v systému CARD

50. Report o nedostatku součástí