3.1. Sterowanie systemem przepływu informacji, komunikatów i materiałów na hali produkcyjnej

Celem tej części projektu jest przedstawienie koncepcyjnego modelu wdrażania systemu informacyjnego sterowania gniazdem produkcyjnym – SFCIS (z ang. Shop Floor Control Information System) w produkcji. Omawiane zagadnienia obejmują przepływ informacji i komunikatów oraz decyzje dotyczące sterowania. System stworzony został w celu kontroli dyspozycyjności maszyn i urządzeń oraz procesu wyznaczania przebiegu pracy.

Przepływ informacji został opisany za pomocą metody IDEF0. Poprzez podejście zorientowane na obiekt „Object-Oriented” (O-O) opis IDEF0 został rozszerzony do diagramu prezentującego chronometraż przepływu komunikatów, podobny do modelu specyfikacji komunikatów produkcji – MMS (z ang. Manufacturing Message Specification) wykorzystywanego do reprezentowania komunikacji w gnieździe produkcyjnym. Przedstawiony również został przykład ilustrujący proponowaną procedurę rozwoju SFCIS.

Będąc ciągle pod presją zmniejszenia kosztów produkcji, poprawy jakości i szybkiego reagowania na zmienne potrzeby rynku, przemysł na całym świecie wprowadza szeroko pojętą automatyzację w produkcji. Automatyzacja wymaga dużo więcej niż tylko sekwencyjnej kontroli procesu produkcyjnego. Wymaga przede wszystkim bardzo wysokiego stopnia koordynowania działań produkcyjnych już w samym gnieździe produkcyjnym oraz śledzenia statusu przebiegu produkcji, dlatego też SFC jest niezmiernie istotnym elementem we współczesnych systemach produkcji.

Zadania wykonywane przez SFC to głównie wykonywanie harmonogramu pracy, monitorowanie postępów, raportowanie o stanie prac i wykonywanie działań korygujących. Pozwala przez to na sterowanie procesem pracy w czasie rzeczywistym. Jednakże zachowanie systemu produkcyjnego, które jest sumą statusów w określonym czasie, w dużym stopniu zależy od struktury systemu sterowania, klasyfikacji funkcji sterowania i podziału kontroli na różne jej poziomy (tj. podział sterowania). Innymi słowy, zintegrowane badania
funkcji sterowania, struktury i działań powinny być wykonane już na pierwszym etapie projektowania systemu sterowania. Ponadto, system kontroli przepływu komunikatów to kolejny bardzo ważny problem, który nie może zostać zignorowany, gdyż jest niezbędny do realizacji decyzji sterujących.

Modelowanie SFCIS wymaga wszechstronnego podejścia, gdyż system ten zajmuje się zbieraniem, klasyfikacją, zarządzaniem, analizą oraz wysyłaniem komunikatów
w gnieździe roboczym. Musi współpracować z systemem kontroli, aby wyegzekwować działania produkcyjne, dostarczenie decyzji z wyższych szczebli oraz monitorować stan produkcji, aby zakończyć wymaganą pracę w określonym czasie. Model SFCIS rozwija podstawowe zadania związane z kontrolą, informacją i komunikacją.

Gwałtowny rozwój technologii stworzył szeroki zasób możliwości projektowania struktur (architektury) sterowania. Literatura podaje nam 4 podstawowe możliwości projektowania struktury kontroli:

- scentralizowana – jeden centralny (główny) komputer bądź sterownik do zarządzania oraz generowania raportów ze wszystkich działań planowania i przekazywania informacji. Wszystkie maszyny wykonują polecenia pochodzące z centralnego komputera i przekazują do niego także informację zwrotną.

- hierarchiczna – opiera się na regule „sztywnej relacji” pomiędzy urządzeniami sterującymi tj. komunikacja urządzeń sterujących na tym samym poziomie jest niedozwolona, sterownik może wydawać polecenia tylko obiektom bezpośrednio mu podlegającym.

- hierarchiczna zmodyfikowana – w odróżnieniu od struktury hierarchicznej występuje relacja „luźniejsza” pomiędzy poziomami sterowania, zleceniodawca może kierować zadania na dowolny poziom, a jego podwładny może uzupełnić/skorygować zadanie wysłane do niższego poziomu.

- heterarchiczna – główną funkcją tej struktury jest śledzenie całej lokalnej autonomii oraz kooperacyjne podchodzenie do podejmowania globalnych decyzji.

W 1994 roku, O. K. Ngwenyama i D. A. Grant wykorzystali metodę O-O do rozwinięcia modelu systemu CIM (z ang. Computer Integrated Manufacturing) – systemu produkcji zintegrowanej komputerowo. Opisali oni konieczne techniki i kroki od etapu rozwijania do realizacji. W powiązaniu do ich prac, lokalizacja SFC powinna znajdować się na poziomie operacyjnym, a nie na poziomie planowania. Analiza informacji SFC powinna skupiać się na koniecznych rodzajach danych, kierunku przepływu informacji i relacji pomiędzy różnymi typami informacji w gnieździe produkcyjnym.

Rok przed propozycją Ngwenyama i Granta, C. Kim także rozwinął model przepływu informacji skupiając się głównie na etapie analizy i projektowania. Rysunek 1 przedstawia diagram funkcyjny wykorzystany do przedstawienia dekompozycji systemu produkcyjnego na trzy zadania: funkcje, dane oraz operacje, w celu uformowania finalnego diagramu przepływu informacji.

Rysunek 1: Kolejność rozwoju trzech zadań (źródło: C. K. Yep, S. H. Boey, J. Goh „information flow modeling of a flexible cel controller”, 1993)

SFC wymaga pewnych standardów do zapewnienia pełnej sprawności przepływu danych do właściwych miejsc. Urządzenia, maszyny wykorzystywane na hali produkcyjnej mogą pochodzić od różnych producentów, dlatego też, aby zintegrować ich działania została stworzona norma ISO 9506. Narzuca ona producentom pewne warunki, dzięki którym urządzenia różnego pochodzenia mogą zostać skorelowane z systemem produkcyjnym.

Modelowanie sterowania systemem przepływu informacji, komunikatów i materiałów na hali produkcyjnej wymaga poczynienia pewnych założeń. Wiadomo, że system produkcyjny otrzymuje obiekt wejściowy (np. surowiec), który następnie przekształca w obiekt wyjściowy (np. produkt) poprzez zbiór operacji produkcyjnych. Materiał jest przemieszczany pomiędzy tymi operacjami przez system transportowy lub transportery.

Założenia modelu systemu są następujące.

• Założenie 1: System produkcji jest systemem nie dającym się poznać w stu procentach (system częściowo dyskretny).

• Założenie 2: Maszyny posiadają specjalnie wyznaczone lokalizacje, w których następuję przetwarzanie części. Dodatkowo może występować bufer bezpośrednio poprzedzający lub następujący po maszynie (tzw. bufer wejścia i wyjścia).

• Założenie 3: Możliwości każdej maszyny, tj. zestaw typów operacji, które mogą być wykonywane przez tę maszynę, są znane.

• Założenie 4: Każde zadanie ma plan procesu, który jest sekwencją wszystkich wymaganych operacji koniecznych do wykonania tego zadania.

• Założenie 5: Istnieją trzy rodzaje decyzji sterowania (Han i McGinnis 1989):

- pobieranie – przyjmowanie nowych zleceń w jednostce kontroli;

- nadawanie – wybieranie z zestawu zleceń jednego, który będzie przetworzony lub transportowany; oparty na prostych decyzjach, takich jak „pierwszy przyszedł – pierwszy zostanie obsłużonych” (FRFS – first-come-first-serve);

- wyznaczanie trasy – wybieranie z zestawu dostępnych, alternatywnych miejsc docelowych tego, do którego zadanie ma być wysłane następnie.

• Założenie 6: System rozdysponowania z góry określonymi zasadami lub przepisami stosuje się do podejmowania decyzji. Dlatego maszyny, podobnie jak transportery współpracują i podążają za procesem rozdysponowania zadań, aby wykonać operacje produkcyjne.

• Założenie 7: Inne równoległe sytuacje komunikacyjne są obsługiwane w oparciu
  o zasadę „tie-break”, tzn. dana kwestia MUSI zostać rozstrzygnięta, operacja nie może pozostać bez podjętej decyzji działania.

Tworząc system sterowania gniazdem produkcyjnym musi określić pewne wymagania, czyli jakie cechy powinien posiadać:

- szybkość,

- elastyczność,

- niezawodność,

- tolerancyjność na pomyłki,

- możliwość regulowania, dostosowywania do aktualnych potrzeb produkcyjnych,

- możliwość aktualizacji.

Wszystkie te aspekty związane są z utrzymaniem procesu produkcyjnego w ciągłej gotowości, bez ryzyka kosztownych przerw związanych z błędami czy awariami. Wymogi te stanowią też odpowiedź na ciągle zmieniające się potrzeby rynku. Dzięki elastyczności takiego systemu przedsiębiorstwo jest w stanie bardzo szybko przestawić się na inny rodzaj produkcji, co pozwala uniknąć strat.

W 1987 roku, S. A. Melnyk i P. L. Cartera określili 5 funkcji sterowania gniazdem produkcyjnym:

1) ocena zamówienia / zwolnienie;

2) szczegółowe harmonogramowanie;

3) gromadzenie danych / monitorowanie;

4) sterowanie / sprzężenie zwrotne;

5) dyspozycja zlecenia.

Ponadto, kontrola zadań operacyjnych w systemie produkcyjnym skupiona jest w dwóch warstwach: koordynacja przedsiębiorstwa (FC – Factory Coordination) oraz sterowanie działalnością produkcyjną (PAC – Production Activity Control). FC posiada trzy moduły - harmonogramowanie, dyspozytornia i monitorowanie - aby koordynować przepływ pracy pomiędzy różnymi komórkami. PAC zawiera dwa dodatkowe moduły – realizacji i transportu - do wykonywania operacji na materiale i magazynowania go wymaganego między tymi operacjami.

Z punktu widzenia przepływu części, trzy decyzje sterowania zapewniają pełny scenariusz ukazujący wynik przetwarzania modelu. Zlecenia w zakresie materiałów lub części otrzymanych od systemu planowania (np. system MRP) są koordynowane i wprowadzane do gniazda produkcyjnego jako decyzja wywołania. Przetwarzanie części może być wykonane
w alternatywnych miejscach. Decyzja dotycząca wyznaczenia trasy jest konieczna i ustalana jest dynamicznie na drodze negocjacji. Jednak, kiedy mamy opcję FCFS użytą do wyboru części do obróbki, decyzje dysponowania stają się zbędne. Dysponowanie maszyny i decyzje dotyczące wyznaczania trasy są związane lub czasem nawet zostają zawieszone. Na przykład, różne decyzje dotyczące wyznaczenia trasy mogą gromadzić różne zestawy części przed maszyną, a następnie doprowadzić do sekwencji różnych procesów rozdysponowania na tej maszynie. Aby zmniejszyć stopień skomplikowania sterowania można uprościć rodzaj decyzji poprzez założenie z góry zasady „first-come-first-serve”.

Integracja metod IDEF0 i O-O zapewnia pełny obraz systemu produkcyjnego obejmującego fizyczne obiekty, funkcje, decyzje i informacje. W heterarchialnej architekturze, wychodzące decyzje odpowiadają na przetwarzanie funkcji kontrolnych dotyczących obiektów. Obiekty te są zazwyczaj definiowane i klasyfikowane na podstawie wymagań realnego systemu.

Każdy obiekt ma agenta odpowiedzialnego za przetwarzanie informacji o tym obiekcie. Agent może być postrzegany jako „kontroler” obiektu. Trzy rodzaje agentów są bezpośrednio związane z fizycznym przepływem części:

• Agent części: jest tworzony raz na część i wprowadzany od razu do systemu. Poza odpowiadaniem za określoną część, śledzi również jej stan oraz zapewnia zaktualizowanie informacji o niej.

• Agent wytwórczy: odpowiada urządzeniu (maszynie), w razie potrzeby może być również narzędziem bądź funkcją.

• Agent przenośnika: wskazuje robota, przenośnik lub zautomatyzowany pojazd. Może zawierać informacje, takie jak miejsca pracy, drogi podawania, szybkości lub cel.

Ponadto, w celu realizacji procesu wywoławczego jest wymagane także istnienie dwóch innych typów agentów, to jest:

• Agent kontrolujący: śledzi stan domeny globalnej. Trzy cele tego czynnika:

1) kontrola przepływu informacji;

2) gromadzenie i analiza przepływu lokalnego informacji, w celu określenia dokładnych danych globalnych;

3) dostosowanie zasad ustawczych i polityki
z widoku globalnego, oraz jeśli jest to wymagane, zwiększenie wydajności całego systemu.

• Agent bazy danych: działa jak zwykła baza danych, jest
  w stanie przechowywać dane historyczne globalnego systemu i gromadzić dane globalne, takie jak zasady ustawiania, które są wykorzystywane przez inne czynniki.

Do zaprezentowania systemu przepływu informacji, komunikatów i materiałów na hali produkcyjnej wykorzystany został zmodyfikowany IDEF. Model IDEF SFCIS (z ang. Shop Floor Control Inforamation System) kompleksowo ukazuje wszystkie funkcjonalne relacje zachodzące w szerokorozumianym procesie produkcyjnym. W szczególności może ukazywać drogę przepływu materiałów i informacji.

W celu włączenia koncepcji O-O w diagram przepływu komunikatów naniesiono pewne modyfikację na standardowy model IDEF0. Mianowicie zastąpiono oryginalne wejścia
i wyjścia trzema różnymi rodzajami linii symbolizującymi przepływy różnych obiektów. Linia pogrubiona wskazuje na materiał, cienka linia jest odzwierciedleniem informacji, a linia przerywana oznacza komunikat. Zgodnie z klasycznymi założeniami metody IDEF0 wyjście
z jednego bloku może stać się ograniczeniem innego bloku. Jednakże, komunikat może przechodzić tylko pomiędzy wejściem i wyjściem dwóch różnych bloków. Mechanizmy, strzałki w górę, intuicyjnie reprezentują zasoby wykorzystane do wykonania zadania zamieszczonego w danym bloku.

Aby stworzyć model SFCIS IDEF0, najistotniejsze bloki są w pierwszej kolejności uporządkowywane z perspektywy przepływu produkcyjnego danej części. Pogrubione linie identyfikujące materiał są następnie wyciągane. Potem, linie przepływu informacji są umieszczone tam, gdzie informacje kontrolne muszą być przekazywane.
Następnie, linie przepływu komunikatów są dodawane w celu wspomagania przekazywania wiadomości razem z agentami obiektów, którzy mają wskazywać z kim dana relacja się odbywa. Na rysunku 3 przedstawiony został model IDEF0.

Głównym celem niniejszej pracy jest ukazanie systematycznego podejścia, które ułatwia budowę modelu SFCIS (z ang. Shop Floor Control Information System). Materiał został tak dobrany, aby pokazać, jak to działa, bez zbędnego wchodzenia w wyższe stopnie szczegółowości. Na schemacie pokazano także minimalny, ale wystarczający do zrozumienia działania procesu, udział przepływu komunikatu. Jak widać na rysunku 3, zlecenia zadań są wyjściem dla bloku „Założenia systemu produkcyjnego”, który jest czynnikiem zewnętrznym i pozostaje poza obrębem naszego systemu. Jednocześnie te zlecenia są wejściem dla bloku „Inicjacja zadania” (blok A1). Ogłoszenie komunikatu zapowiedź przez agenta części rozpoczyna procedurę doboru maszyny (blok A2 – „Wybór maszyny”). Gdy agent wytwórczy przypisany do konkretnej maszyny zostanie wytypowany, informacja przenośnik_dostępny jest inicjatorem procesu wyboru dostępnego przenośnika. Następnie wiadomość PrzeniesienieCzęści jest transmitowana dalej do bloku „Wyboru przenośnika i dostawy” (blok A3), skąd po zakończeniu tych dwóch akcji wysyłana jest informacja o zakończeniu ruchu przenośnika i komunikat ProcesRozpoczęty rozpoczynający proces „Przetwarzanie zadania” (blok A4) oznaczający wykonywanie zleconej operacji np. toczenia bądź wiercenia. Po zakończeniu tej czynności agent części wysyła informację część_zakończona aktualizując także dane o tej części. Zostaje również wysłany komunikat WyjścieCzęści, który inicjuje funkcję „Wyboru przenośnika i przewiezienie części” (blok A4). Następnie komunikat Potwierdzenie wysyłany jest do bloku A2 w celu realizacji nowego zadania bądź gdy już wszystkie operacje zostały zakończone do bloku A5 – w celu skontrolowania stanu zasobów, ilości pozostałych operacji do przeprowadzenia itd.

Legenda:

• linia pogrubiona - przepływ materiałów (przykładowo: Materiał)

• linia ciągła - przepływ informacji (przykładowo: przenośnik_dostępny)

• linia przerywana - przepływ komunikatów (przykładowo: PrzeniesienieCzęści)

Analizując przepływ informacji w modelowanym systemie, należy rozważyć konieczność rozwoju procedur kontrolnych funkcji sterowania, aby pozyskiwać od poszczególnych agentów tylko konieczne dane lub informacje niezbędne do realizacji procesu. W przypadku, gdy część przybywa do komórki produkcyjnej, jej agent powinien generować dane: identyfikacyjne, stanu, procesu i priorytetu, i aktualizować je w przypadku każdego procesu, któremu zostanie poddana dana część. Wykreuje się dzięki temu swoista historia części komórek, dzięki której uzyskać można dane, gdzie część mogła ulec uszkodzeniu
w przypadku uszczerbków jakościowych itp.

W przypadku wywołania maszyny do wykonania działania, agent bazy danych powinien wysłać do tej maszyny pliki NC z programem obróbkowym. Ważne jest też, aby w procesie wyboru maszyn i przenośników mogły uczestniczyć tylko dostępne urządzenia, które w danej chwili nie mają zleconego żadnego zadania. Tworząc model należy pamiętać, że jest on tylko pewnym wzorcem realnego systemu, innymi słowy, nie oddaje w pełni wszystkich procesów w nim zachodzącym. Model jest pewnym uproszczeniem analitycznym, reprezentującym dany system. W procesie modelowania dokonujemy rezygnacji z pewnych skomplikowanych funkcji spełnianych przez system, czynimy pewne założenia ułatwiające zrozumienie jego funkcjonowania.

Model IDEF systemu sterowania gniazdem produkcyjnym zaproponowany przez Gonga odzwierciedla podejście systemowe do problemu sterowania. Model ten proponuje uwzględnienie trzech czynników: informacji, komunikatów i materiału, które są niezbędne do zautomatyzowania procesu produkcji. Takie rozwiązanie niesie wiele wymiernych korzyści. Po pierwsze jest rozwiązaniem skutecznym, eliminującym błędy czynnika ludzkiego. Po drugie system ten zapewnia zwiększenie wydajności produkcyjnej poprzez niemal pełne wykorzystanie maszyn i urządzeń. Dzięki czemu oszczędzamy czas, minimalizujemy braki
i straty. System ten ma również pewną wadę jest kosztowny i wymaga wyspecjalizowanej kadry, która będzie dostosowywała system do aktualnych potrzeb przedsiębiorstwa. Jednak zalety tego systemu dominują nad jego wadami, dzięki czemu rozwijanie i wprowadzanie go na hale produkcyjne jest opłacalne.

Źródła:

• Gong Dah-Chuan, Hsieh Yueh-Wen: „Conceptual design of a shop floor control information system”, International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 1997, Nr 1, str. 4-16

• Ngwenyama O.K., Grant D.A.: „Enterprise modeling for CIM information systems architectures: an object-oriented approach”, Computers Ind. Eng., 1994, Nr26,
  str. 279-293