SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE FABRICACIÓN FLEXIBLE

Transcripción

1 SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE FABRICACIÓN FLEXIBLE 1 INTRODUCCIÓN Las herramientas de simulación y concretamente la que aquí se va a estudiar, pretenden analizar el comportamiento de un proceso o modelo ya sea industrial, físico, matemático o económico y del que resulta difícil su estudio en la realidad, ya sea mediante técnicas analíticas, o bien mediante ensayos. El punto de partida para la simulación arranca en la construcción del modelo o sistema que se desea estudiar (LAYOUT). Aquí resulta importante saber QUÉ queremos obtener de la simulación de nuestro modelo y a QUÉ preguntas relevantes va a contestar éste: coste de fabricación de un producto, volumen de producción, efectividad del sistema, existencia de cuellos de botella, eficiencia de los recursos que intervienen en el modelo, etc. El modelo a construir no tiene porque ser una replica exacta del sistema real; de hecho, NO DEBE SERLO, cuando este es complejo ya que su análisis posterior puede resultar complicado, y el coste empleado en la simulación (tiempo de operación en el computador) elevado. La idea es pues diseñar un modelo tan sencillo como sea posible pero que incluya las características más importantes y relevantes del sistema real y que nos permita obtener de él conclusiones importantes. La construcción del modelo implica conocer a fondo el mismo y disponer de la información suficiente para su posterior simulación, como puede ser: análisis de tiempos de trabajo y de operación (p.e. en máquinas) o capacidades de los recursos empleados. Una buena regla en el diseño del modelo es NO comenzar con la definición completa del mismo, es decir, ir completando el sistema mediante la adición de partes del mismo que funcionan de acuerdo a la definición real del modelo. Acabado este paso sólo queda simularlo para lo cual SIMFACTORY emplea los llamados métodos de simulación discreta. Casi todos los modelos que se pretendan simular (sobre todo los de fabricación) pueden comportarse como procesos discretos, esto es, hay un flujo de material que llega, se procesa y genera otro flujo; la simulación se contempla como una generación de eventos. Esto involucra un importante conocimiento estadístico de los procesos que intervienen de forma que el simulador obtiene así la mayor precisión en sus resultados. 2 RECURSOS DE SIMFACTORY Un modelo a simular en SIMFACTORY está formado por RECURSOS (resources). Recursos son los elementos de los que dispone el modelo que estamos diseñando para su posterior simulación. Estos pueden ser de varios tipos: Estacionarios (Stationary resources). Son recursos que aparecen físicamente en el layout y no se mueven. Pueden ser estaciones (stations), lugares donde se realiza un trabajo, y almacenes (queues)-también llamados colas o buffers- por donde pasa y/o se almacena algo.

2 Libres (Free resources). Son aquellos recursos no visibles que se mueven a través del layout como productos o partes (parts), llegadas (arrivals), interrupciones (interruptions). Móviles (Moving resources). Son aquellos que se desplazan por el layout transportando otros recursos. Pueden ser camiones (trucks), agentes (couriers), AGV. Hay que definir en ellos el recorrido que han de seguir (definition paths). Transportadores (Conveyor resources). Son recursos no móviles que desplazan productos (cintas transportadoras) de un punto a otro del layout. Es necesario definir en ellos el recorrido (path) que llevan los recursos o productos que a él acceden. 3 DEFINICIÓN DE RECURSOS ESTACIONARIOS Los recursos estacionarios son aquellos elementos del modelo que aparecen físicamente en el layout y permanecen fijos. En la parte izquierda de la pantalla aparecen los iconos de los dos principales recursos estacionarios, estaciones y almacenes. Para situar uno de ellos en el layout basta seleccionarlo y pinchar en el lugar de la pantalla de edición donde se desea ubicar éste. Una vez situados los recursos en la pantalla, se pueden seleccionar pinchando sobre ellos para moverlos, borrarlos, copiarlos o editarlos. Es necesario editarlos para definir capacidades del recurso, cantidad de recursos al comienzo, atributos, etc. 4 DEFINICIÓN DE RECURSOS LIBRES Un recurso libre puede ser, p.e., las piezas que llegan a un almacén; o también los productos que éstas producen al pasar por varias etapas de procesado industrial. Son, como ya se dijo, recursos no visibles en el layout los cuales hay que crear. Para ello hay que desplegar el menú ELEMENTS y seleccionar INTERVIEW donde creamos un nuevo recurso de nombre y tipo deseado (arrival, part, etc). Asociado a la creación del recurso hay que definir la forma en que este nuevo recurso accede al modelo y para ello se puede definir, mediante una constante o expresión, el número de recursos al comienzo, o a través de un patrón (pattern) pulsando en Arrival. Si dicho recurso tiene opcionalmente atributos se definirán en Attributes.

3 Para definir el proceso que sigue el recurso creado y como interacciona con otros recursos del layout hay que crear SU lista de comandos (COMMANDS). Es el punto más importante dentro de la simulación ya que con él se determina lo que va a ocurrir en nuestro modelo. La lista de comandos se va creando para los recursos libres que acceden al modelo. Los tres comandos más importantes son : REQUEST, RELEASE y WORK. Con el comando request se solicita un recurso; con release liberamos un recurso o generamos otro; con work definimos el proceso que se desarrolla en una estación, mediante una expresión o función de distribución (normal, poisson, triangular,etc). 5 DEFINICIÓN DE RECURSOS TRANSPORTADORES Este tipo de recurso (CONVEYOR) simula el funcionamiento de una cinta transportadora que desplaza productos de un lugar a otro. Debe definirse entre pads que son puntos del layout a los que accede para recoger o dejar productos; éstos a su vez deben tener definidas las conexiones directas (direct links) con estaciones o almacenes para permitir a la cinta transportadora acceder a esos recursos. Esta conexión no tiene longitud alguna. También hay que definir la ruta de conexión (path link) que la cinta transportadora ha de seguir. En este tipo de conexión hay que definir su longitud. Ambos tipos de conexiones, directas y de ruta, se definen pinchando directamente sobre el pad previamente situado en el layout del modelo. La cinta o conveyor, se edita para definir su capacidad, velocidad y los pads entre los que se define su recorrido (path). 6 CONTROL Y SIMULACIÓN Una vez definido el layout del sistema, los recursos que intervienen y sus listas de comandos, el modelo está listo para ser simulado. Para ello basta definir los parámetros de control desplegando el menú CONTROL donde se definen: Tiempo de precalentamiento (warmup): se define para darle un tiempo de arranque al sistema. Durante este tiempo la simulación no toma datos estadísticos. Tiempo de replicación (replication): tiempo de simulación durante el cual se toman datos estadísticos de la misma. Número de replicaciones: las veces que se simula el modelo con el tiempo definido anteriormente.

4 Durante la simulación se produce, simultáneamente, una animación del modelo que nos permite representar, según seleccionemos, lo siguiente: Reloj de tiempos que se emplean en la simulación. Mostrar movimientos de los recursos. (La velocidad de la animación se puede variar en el menú OPTIONS). Mostrar cambios de color de los recursos. El estado de un recurso (status) se indica mediante el color que presenta en ese momento. Verde indica que el recurso esta ocupado (busy); amarillo que está desocupado u ocioso (idle); rojo que está bloqueado (blocked); un recurso en estado de petición (request) se muestra violeta. Mostrar contadores. Asociado a los recursos estacionarios (estaciones y almacenes) pueden aparecer dos contadores que indican el número de recursos que se están usando en ese momento por los mismos, y el número de productos que han generado. 7 RESULTADOS Para ver los resultados de la simulación, hay que desplegar el menú DISPLAY seleccionando REPORTS. La ventana que aparece nos permite seleccionar el tipo de información que deseamos visualizar, histogramas, diagramas de tarta (pie chart), informe de texto, etc. La información que se visualiza procede de la recolección de datos estadísticos que SIMFACTORY recaba de los recursos que intervienen en el modelo durante la simulación. El diagrama de tarta muestra, en porcentajes de tiempo, el estado de un recurso: ocupado, libre o en solicitud. Se pueden mostrar múltiples diagramas a la vez seleccionando los correspondientes recursos.

5 Los resultados estadísticos de las cintas transportadoras (CONVEYOR) se muestran seleccionando movers-pie chart y movers-text en el menú de Results si, previamente, se habilita. Para ello, hay que editar el recurso correspondiente, pinchar en Stats y marcar la opción de Collect pie chart statistics. El histograma representa el porcentaje de elementos de la simulación que quedan dentro de un determinado intervalo. Se pueden mostrar múltiples histogramas. El informe de texto es el documento que más información detallada aporta de la simulación del modelo. En él aparece identificado el modelo que ha sido simulado y los datos estadísticos del mismo como el coeficiente de variación, y una lista por recursos que muestra datos como la media, mínimo y máximo valor observado, desviación típica, número de observaciones y los intervalos de confianza. 8 EJEMPLO En el siguiente ejemplo, aunque extremadamente sencillo, se describen los pasos ha seguir a la hora de desarrollar la construcción de un modelo, así como las conclusiones que se pueden obtener del análisis de los resultados. Supongamos que se quiere dar apoyo técnico telefónico en un servicio posventa cualquiera, para lo cual se utiliza una centralita telefónica con un determinado número de telefonistas. Se quiere saber cuántos telefonistas se necesitan para que cuando llame un cliente no espere más de cinco minutos. Para responder la pregunta se construirá un modelo, en el cual se variará el número de telefonistas y se analizará el tiempo que tardan en ser atendidas las llamadas. El modelo posee tres tipos de recursos: Llegada de llamadas. (Recurso libre.) Llamadas en espera. (Cola de llamadas.) Número de telefonistas. (Recursos estacionarios.) Para hacer el lay-out seleccionar el icono de almacén o cola (queue) y pinchar donde se desee. Se definirá el nombre del almacén Líneas_en_espera. Seguidamente seleccionaremos Station y dispondremos este recurso al lado del anterior, le denominaremos Telefonistas.

6 Ahora procederemos a definir los parámetros del almacén, seleccionaremos Líneas_en_espera y pulsaremos el botón derecho del ratón, seleccionaremos Edit y aparecerá la siguiente ventana. Tendremos en cuenta el número de elementos al inicio y la capacidad. Los valores a introducir serán 1 y 100 respectivamente. Seguidamente pasaremos a definir el recurso Telefonistas, para lo cual seleccionaremos Elements / Resources, se obtendrá la siguiente ventana. En Count at Start fijaremos el valor a 1, de esta modo indicamos la cantidad de telefonistas que hay en el modelo, posteriormente variaremos este valor. No es necesario introducir más elementos en el modelo. Procedemos a crear las llamadas de teléfono para lo cual se elegirá Elements / Interview, seleccionamos New, y se elegirá Product, el nombre será Llamada como no hay llamadas al principio se introducirá cero en Number at start. Como las llamadas van llegando en cualquier momento es necesario definir un patrón de llegada, para lo cual seleccionamos Arrival y especificamos cual es el patrón de llegada, en nuestro caso será una distribución de Poisson con media 6, de esta forma indicamos que llega una llamada cada 6 minutos pero con una variación elevada. Ahora pasaremos a definir la lista de comandos del producto Llamada para lo cual elegimos Commands en Interview, se abrirá una ventana como la que aparece en la figura 7, seleccionaremos los almacenes y estaciones de trabajo según vayan siendo requeridas. Cuando se seleccione telefonista hay que definir el patrón de tiempo con el que las llamadas son atendidas, se elegirá una distribución triangular de moda 12 y rango 8 a 16. Seguidamente pasaremos a definir los parámetros de ejecución del modelo, para lo cual seleccionaremos Control / Model. Elegimos un tiempo de precalentamiento (warm-time) de 60 minutos, un tamaño de replicación de 480 minutos y 10 replicaciones.

7 Para poner en ejecución el modelo elegiremos Control / Simulate, salvaremos el modelo con un nombre, de esta forma podrá volver a ser utilizado. Durante la simulación se observarán como van variando los contadores encima de los recursos estáticos si se ha seleccionado la opción de mostrarlos, así como la variación del tiempo de simulación en la esquina inferior derecha.

8 Para obtener los resultados de la simulación seleccionaremos Display/Reports. Se obtiene la siguiente ventana de diálogo. Vamos a obtener el tiempo que permanecen las llamadas en espera, para lo cual elegimos Queue-histogram y Show. La gráfica que se obtiene será semejante a : Se puede observar como la gran mayoría de las llamadas están esperando más de 5 minutos. Si aumentamos el número de telefonistas las situación mejorará, seleccionando en el lay out Telefonistas iremos aumentando el número de telefonistas disponibles al principio. Con tres telefonistas se observa que la gran mayoría de las llamadas esperan menos de cinco minutos. Si dispusiéramos cuatro telefonistas el tiempo de espera sería aún menor, sin embargo sería útil saber cuanto tiempo están ocupados, para lo cual seleccionaremos Pie chart en lugar de Queue histogram. Con tres telefonistas no hay tiempo de espera superior a 5 minutos y los telefonistas están ociosos un 32 % del tiempo y atendiendo llamadas el 68 % restante. Con cuatro telefonistas no hay tiempo de espera superior a 5 minutos y los telefonistas están ociosos un 50% del tiempo y atendiendo llamadas el 50 % restante.

9 Por tanto se observa que la opción más razonable es disponer de tres telefonistas. En este sencillo ejemplo se puede comprobar como un problema, complicado de resolver a simple vista, queda reducido a establecer diferentes modelos de simulación y a analizar los datos que de él se desprenden. 9 PRÁCTICA En una fábrica se ensamblan dos tipos de motores. Para su montaje se requieren 1 pieza tipo A y 2 piezas tipo B. Las piezas A y B llegan a los almacenes correspondientes A y B los cuales tienen una determinada capacidad de almacenaje. Las máquinas 1 y 2 montan las piezas A y B para hacer el motor. El motor que sale de éstas pasa a un almacén de premecanizado donde esperan para pasar a una estación de mecanizado para terminar el motor. Los motores acabados pasan al departamento de control de calidad. De aquí, un 30 % salen defectuosos (motor NO OK) y un 70 % salen bien (motor OK). Los motores defectuosos pasan a través de un almacén intermedio a la máquina de rectificado y de ahí vuelven al almacén de premecanizado, pasando nuevamente por la estación de mecanizado empleando en ésta menos tiempo que la primera vez. Los motores que pasan el control de calidad van a un almacén previo al departamento de empaquetado, aquí se empaquetan un 60 % motores tipo A y un 40 % motores tipo B. Los motores empaquetados pasan al almacén de entregas listos para salir de fábrica. En una segunda fase, se añade una cinta transportadora desde la estación de empaquetado hasta el almacén de entregas para desplazar los motores tipo A y B. La distancia que cubre la cinta es de 200 metros y desplaza material a una velocidad de 5 metros por minuto. RECURSOS MATERIAS ESTACIONES ALMACENES Pieza A Máquina 1 Almacén A-Capacidad 25 Pieza B Máquina 2 Almacén B-Capacidad 50 Motor Mecanizado Pre-mecanizado-Capacidad 25 Motor OK Empaquetado Pre-empaquetado-Capacidad 25

10 Motor NO-OK Rectificado Pre-rectificado-Capacidad 20 Motor A Control Calidad Entregas-Capacidad 25 Motor B Las piezas A llegan a su almacén con una frecuencia de 7 piezas a la hora. Las piezas B llegan siguiendo una distribución normal de media 18 y desviación típica 5 piezas, a la hora. ACCIONES Máquinas 1 y 2: la operación de montaje de piezas en estas máquinas viene determinada por una distribución triangular de mínimo 15, moda 20 y máximo 25 minutos. Mecanizado: trabaja con una distribución normal de media 15 y desviación típica 2 minutos. Control Calidad: esta operación sigue una distribución exponencial de media 5 minutos, produciendo 30 % de motores NO-OK y 70 % de motores OK. Rectificado: el porcentaje de motores NO-OK se rectifican siguiendo en esta operación una distribución exponencial de media 25 minutos. Estos motores vuelven a la estación de mecanizado empleando ahora un tiempo distinto que sigue una distribución normal de media 5 y desviación típica 1 minuto. Empaquetado: esta operación sigue una distribución triangular de mínimo 20, moda 25 y máximo 30 minutos. 9.1 DEFINICIÓN DEL LAYOUT Mediante el uso de los recursos estacionarios, almacenes y estaciones (queues, stations), se va definiendo el layout de la fábrica de ensamblaje de motores. El aspecto final de la misma puede ser como el de la figura mostrada abajo. 9.2 CREACIÓN DE RECURSOS LIBRES Y LISTAS DE COMANDOS En el menú Elements, seleccionar Interview para definir los siguientes recursos del modelo: Pieza A

11 Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Pieza A. Llegadas (Arrival): tiempo entre llegadas 60 minutos. cantidad 7. request Almacén A request (Máquina 1 or Máquina 2) request 2.0 Pieza B work tri [15.0, 20.2, 25.0, 2 ] release motor request exit La petición de piezas para la Máquina 1 ó Máquina 2 se realiza pulsando Add Group. En las máquinas se ensamblan 1 pieza A con 2 piezas B. Para ello tratamos al recurso Pieza A como principal que demanda Piezas B. La solicitud de Pieza B se realiza con el comando request, editándolo para definir la cantidad de 2. El comando work se edita para definir en time el tipo de función de distribución dada por el enunciado y sus parámetros. Generado el motor con el comando release se abandona el recurso Pieza A puesto que finaliza en las máquinas de ensamblaje (request exit) abandonando así el modelo. Pieza B Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Pieza B. Llegadas (Arrival): editar tiempo entre llegadas para definir la función dedistribución de probabilidad. Llegan según una normal de media18 y desviación típica 5. request Almacén B Sólo es necesario definir la petición al Almacén B puesto que este tipo de piezas ya es demandado previamente por el recurso Pieza A. Aquí no aparece un request exit ya que, de existir, la Pieza B llegaría al Almacén B y finalizaría, saliendo del modelo y no llegando nunca a las máquinas 1 y 2. Motor Nuevo recurso (New), tipo part, nombre motor. request Premecanizado request Mecanizado work nor [15.0, 2.0, 2 ] request Control Calidad work exp [ 5.0, 2 ] release (motor OK or motor NO-OK ) request exit Los porcentajes de 70 % motor OK ó 30 % motor NO-OK se definen editando estos recursos dentro del comando Add Group.

12 Motor OK Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Motor OK. Motor NO-OK request Preempaquetado request Empaquetado work tri [20.0, 25.0, 30.0, 2 ] release ( motor A or motor B ) request exit Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Motor NO-OK. Motor A request Prerectificado request Rectificado work exp [ 25.0, 2 ] request Premecanizado request Mecanizado work nor [5.0, 1.0, 2 ] request Control Calidad work exp [ 5.0, 2 ] release motor OK request exit Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Motor A. Motor B request Almacén Entregas request exit Nuevo recurso (New), tipo part, nombre Motor B. request Almacén Entregas request exit

13 9.3 SIMULACIÓN Y RESULTADOS Bajo el menú CONTROL entrando en MODEL, seleccionamos los siguientes tiempos de simulación: Warmup length : 20 minutos Replication length : 200 minutos Replication count : 5 Poner en minutos las unidades de reloj. La velocidad de la animación se puede modificar en el menú OPTIONS SPEED. En la primera simulación puede elegirse una velocidad media para poder ver como se desplazan los recursos que intervienen en el modelo. Los resultados de la simulación se obtienen en el menú DISPLAY REPORTS. Seleccionando, Template: pie chart Selections type: stations, se obtienen los diagramas para las Máquinas 1, 2, y Mecanizado abajo indicados. Se observa que el porcentaje de ocupación de esos recursos es casi del 100 %. Seleccionando, Template: queue-histogram Selections type: queue, se obtienen los histogramas de los almacenes del modelo abajo indicados.

14 Para relajar el tiempo de ocupación de los recursos Máquina 1, Máquina 2, podemos disponer de más máquinas que ensamblen motores. Modificando, por ejemplo el nº de Maquinas 1 al comienzo a 4, se obtienen los siguientes resultados: Y los histogramas de almacenes se modifican de la siguiente forma,

15 Pueden realizarse más simulaciones para ver que ocurre en el modelo si las llegadas de piezas se incrementan. 9.4 DEFINICIÓN DEL LAYOUT CON CINTA TRANSPORTADORA El layout de este nuevo modelo se modifica incluyendo dos pads y una cinta (conveyor). Un pad con conexión directa a la estación de empaquetado; el otro con el almacén de entregas. La cinta se define entre estos dos pads. Entre éstos hay que definir, además, la ruta de conexión. Layout con cinta transportadora. 9.5 DEFINICIÓN DE PADS, CONEXIONES Y LISTAS DE COMANDOS Situar dos pads en el layout. Definir sus conexiones pinchando sobre los mismos y seleccionando en el menú que aparece links; a continuación, pinchar el recurso del modelo con el que hay que conectar dicho pad. Uno de ellos se conectará a la estación de empaquetado, el otro al almacén de entregas. De esta forma aparecerán dos nuevas conexiones en azul que indican que son directas (direct links); pinchar sobre las mismas para definir la dirección adecuada. Para definir la ruta de conexión de la cinta (path link) hay que crear una nueva conexión entre los dos pads; definir su dirección y editar la conexión. Aparecerá una ventana donde se definirá la longitud de la misma a 200. El recurso cinta (conveyor) se sitúa en el layout eligiendolo en el menú que se despliega al pulsar el botón derecho del ratón. Al editarlo, aparecerá como recurso tipo conveyor; pulsar sobre el botón de Pads para definir aquellos entre los que ha de desplazarse la cinta. Sobre el botón de Attributes, editar la velocidad y colocarla en 5. Las listas de comandos para los recursos motor tipo A y B se modifican de la siguiente manera: Motor A request cinta to Almacén entregas request Almacén Entregas

16 release cinta request exit Motor B request cinta to Almacén entregas request Almacén Entregas release cinta request exit El uso del recurso cinta hay que liberarlo cada vez que se transporta un producto (en este caso, en los motores A y B). Los resultados estadísticos de este nuevo recurso se muestran en el diagrama de tarta adjunto.