Optimalizujte návrh výrobní linky pomocí simulačního modelování

Simulace může být výkonným nástrojem v průběhu projektu a umožňuje projektovému týmu vizualizovat mnoho aspektů výrobní linky během fáze návrhu. Chcete‑li naplánovat novou výrobní linku nebo upravit tu stávající, je třeba si odpovědět na mnoho otázek, včetně:

1. Co bude tato linka vyrábět?
2. Jak rychle poběží?
3. Jakou efektivitu linky mohu očekávat?
4. Jak toto zařízení zapadne do mého prostoru?
5. Pokud jsou používány dopravníky, jaká jsou omezení? (Jaká je kapacita dopravníku? Co se stane s linkou během odstávky a jak dlouho bude trvat, než se provoz obnoví? Kde by měly být umístěny vyrovnávací úseky tak, aby byly co nejefektivnější? Lze znovu použít stávající dopravníky nebo provozy jednotky?)

Technologie pro vizualizaci linky a její uvedení do života ještě před vývojem jsou dostupnější než kdy jindy. 3D PDF nebo videa lze prohlížet elektronicky a mnoho softwarových programů se nyní integruje přímo s náhlavními soupravami virtuální reality (VR), což umožňuje zainteresovaným stranám vstoupit do přesného interaktivního uspořádání linek.

Tato vizualizace pomáhá každému lépe pochopit parametry návrhu a dosáhnout konsenzu o finálním designu. Aplikace a náhlavní soupravy pro rozšířenou realitu (AR) umožňují, aby byl 3D model promítán do stávajícího prostoru a poskytl další pohled na linku. Statické nebo dynamické modelování znázorňuje interference a překážky a pomáhá vyhnout se těmto problémům již na začátku projektu.

Dalším způsobem využití vizualizace ve fázi návrhu je zdůraznit dynamiku pohybu výrobku za různých omezení. Simulace umožňuje uživateli nastavit mnoho parametrů provozu linky – rychlosti strojů a dopravníků, délky dopravníků, umístění zařízení, chování řídicích prvků – a sledovat chování systému v těchto různých nastaveních. Animované simulace často odhalují potenciální problémy s návrhem linky, které je obtížné nebo nemožné vidět při pohledu na rozvržení linky nebo tabulku.

Simulace a čas

Důležitost simulace lze ilustrovat na nedávném příkladu stroje, který naplnil čtyři kartony najednou, aby pak všechny čtyři kartony vytlačil ze stroje současně. Ačkoli průměrná rychlost stroje byla 100 kartonů za minutu, skutečný okamžitý výstup stroje byl buď 0, nebo 200 kartonů za minutu. Pokud by dopravník na výstupu stroje neběžel dvakrát rychleji, než je průměrná rychlost, kartony by se při výstupu vracely do stroje a bránily by stroji v plnění nových prázdných kartonů.

Navrhovaný vyrovnávací úsek na lince znázorňuje míru akumulace. Všechny obrázky poskytla společnost Dennis Group

Na papíře vypadaly rychlosti správně, ale stroj byl blokován. Simulační model identifikoval tento problém ve fázi návrhu, takže mohl být před instalací napraven.

Modelování na bázi fyzikálních vlastností je cenným nástrojem, když chcete pochopit interakce produktu v reálném čase na lince. Návrháři mohou vidět, jak se produkty budou pohybovat na dopravníku, a vyladit konstrukci dopravníku tak, aby byla zajištěna kontrola nad výrobkem. Simulace může ukázat, jak se produkty shluknou nebo zablokují v násypce či na akumulačním stole. Příklad simulace ukazuje, jak by se použil vyrovnávací úsek pro zmrazené kuličky těsta.

Dříve by to bylo provedeno pomocí informovaného odhadu nebo náhledu na rozvržení vytvořeného pomocí CAD. Dynamiku pohybu těsta na pásovém dopravníku je však těžké předvídat nebo přesně vizualizovat. Modelování na bázi fyzikálních vlastností je náročné na počítačový hardware. Je možné vytvářet cílené modely. Zkušenosti získané na menších modelech lze aplikovat na větší modely.

Simulační model a interakce tagů PLC pomáhají identifikovat a řešit problémy již dříve v procesu návrhu, což šetří čas a peníze

Výběr zařízení může snížit náklady

I s nejlépe navrženou linkou jsou nevyhnutelné prostoje stroje. Dopad náhodných variabilních prostojů může být velmi obtížné předvídat. Výrobci se mohou zdráhat vytvářet vyrovnávací úseky a akumulační prostory v domnění, že skrývají problémy nebo snižují motivaci operátorů. Některé vyrovnávací úseky mají minimální vliv na výkon z důvodu uspořádání strojů, což vede ke zbytečným investičním výdajům. Simulace může modelovat scénáře a zvážit normální provozní podmínky pro určení optimálního počtu, umístění a kapacity vyrovnávacích úseků, aby se zvýšil výkon linky a zabránilo se zbytečným výdajům.

Dalším důležitým faktorem, v němž může simulace pomoci, je způsob, jakým řídit linku. V rané fázi procesu návrhu, kdy ještě neexistuje žádný programovatelný automat (PLC), umožňuje model konstrukčnímu týmu zvážit řídicí prvky. Umístění fotobuněk a dalších senzorů může být testováno a optimalizováno ještě před zakoupením zařízení.

Asi nejkritičtějším okamžikem pro použití simulace je stav, kdy je program PLC připraven k testování. Některý software pro modelování lze připojit k PLC. Model odesílá signály do PLC ze simulovaných senzorů a reaguje na signály PLC zasílané do simulovaných motorů. Řídící technici mohou ladit řídicí prvky pomocí realistického a reagujícího systému místo toho, aby sledovali kód ručně nebo se pokoušeli o vizualizaci chování pomocí rozhraní HMI. Umístění senzorů může být v modelu doladěno v rámci několika centimetrů optimálního umístění v reálném světě.

S využitím modelu může být společně s PLC testován také program pro rozhraní HMI, a protože model je řízen PLC, tlačítka stisknutá v HMI budou napodobovat scénáře výroby v reálném čase. Použitím simulačního modelu se proto výrazně zkracuje doba potřebná pro uvedení linky do provozu.

Proces propojení simulačního modelu s PLC je přínosný i pro školení. Nový programátor PLC nebo HMI může identifikovat chyby, testovat nové nápady a získat důvěru v prostředí s nízkým rizikem, než dojde k zavedení do reálné výroby. Provozovatelé linek mohou před instalací zkoušet provoz linky a chování nových programů pro PLC.

Objevte potíže dříve

Modelování zmrazených kuliček těsta na bázi fyzikálních vlastností zavádí do modelu klíčové charakteristiky produktu

Simulace má další nepřímé přínosy. Na základě znalostí o dynamice linky si může programátor modelování klást již brzy v procesu návrhu otázky, které by se normálně řešily až v pozdější fázi vývoje. Dalším přínosem je dodržování  harmonogramu. Příliš často dochází k tomu, že linka je navržena a instalována, avšak z důvodu omezení je nutno provádět aktivity při zprovozňování ještě před dokončením programu PLC. Pokud je model testován ještě před zavedením do provozní úrovně, přispěje to k rychlejší validaci programu.

Simulace má své limity. Výstup modelu je pouze tak dobrý jako jeho vstupy nebo předpoklady. Simulace nedokáže předvídat špatné návyky obsluhy, nekvalitní materiál nebo hromadění kondenzace. Je důležité znovu se podívat na model a upravit jej tak, aby odrážel chování a omezení.

Christy Starnerová je ředitelka pro simulace a modelování společnosti Dennis Group. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.