Влияние времени установки на оптимизацию планирования магазина

Понимание времени установки в расписании Flow Shop

Планирование рабочего времени является основной задачей в производстве, где несколько рабочих мест должны быть обработаны на серии машин в том же порядке. Цель состоит в том, чтобы найти последовательность, которая минимизирует общее время завершения, известное как макиспэн, или другие показатели производительности. Среди многих переменных, которые влияют на оптимальное планирование, время установки выделяется как критический, но часто недооцениваемый фактор.

Время установки относится к периоду, необходимому для подготовки машины к обработке новой работы. Это включает в себя такие мероприятия, как смена режущих инструментов, перенастройка джегов и приспособлений, загрузка новых программ, очистка остатков и настройка температуры или давления. В некоторых отраслях время установки может составлять до 30% от общего времени производства, что делает их управление необходимым для эффективности.

Типы времени установки

Время установки может быть классифицировано на основе их зависимости от последовательности работы. Последовательности-независимые времена установки являются постоянными для данной работы независимо от предыдущей работы. Например, очистка смесителя после любой партии может занять то же время. Последовательности-зависимые времена установки варьируются в зависимости от порядка работы. Переход от светлого цвета к темному цвету на печатном прессе может потребовать меньшей очистки, чем наоборот. Последовательности-зависимые установки более сложны для моделирования и оптимизации, но они отражают реальные условия во многих производственных средах.

Измерение времени установки

Точные измерения являются первым шагом на пути к улучшению. Компании используют исследования времени и движения, автоматизированный сбор данных от контроллеров машин и ручное наблюдение для записи длительности установки. Эти измерения вписываются в алгоритмы планирования и помогают выявить узкие места. Общие показатели включают среднее время установки на работу, время установки в процентах от общего времени обработки и соотношение внутренних (выполненных в то время, когда машина остановлена) к внешним (выполненным во время работы машины) действия установки.

Влияние времени установки на эффективность планирования

Игнорирование времени установки в расписании магазина потока может привести к неоптимальным последовательностям, которые увеличивают время простоя, удлиняют срок и увеличивают затраты. Когда настройки длинные, планировщик должен сбалансировать компромисс между группировкой аналогичных рабочих мест, чтобы уменьшить настройки и сроки удовлетворения для разных клиентов.

Влияние на пропускную способность и Makespan

В магазине потоков, MakeSpan - это время от начала первой работы до завершения последней работы на последней машине. Высокое время установки раздувает MakeSpan напрямую. Более того, если настройки зависят от последовательности, неэффективная последовательность может вызвать каскад задержек. Например, работа, требующая длительной установки на первой машине, отодвинет все последующие рабочие места на этой машине, потенциально холостые вниз по течению машины. Исследования показывают, что пренебрежение время установки может увеличить MakeSpan на 15-40% в практических магазинах потока.

Влияние на производственные затраты

Более длительное время установки означает, что машины не являются производительными в течение длительных периодов времени. Это снижает эффективную способность магазина, заставляя компании инвестировать в дополнительные машины или сверхурочную работу для удовлетворения спроса. Затраты на рабочую силу также растут, потому что операторы могут простаивать во время установки или требовать премиальную оплату за переходы в нерабочее время. Косвенные затраты включают увеличение буферов запасов для покрытия неопределенности планирования. Сокращая время установки и включая их в оптимизацию, производители могут значительно снизить затраты на единицу продукции.

Влияние на время выполнения заказа и удовлетворенность клиентов

Время выполнения заказа охватывает все время от размещения заказа до доставки. Расширенное время установки увеличивает изменчивость времени выполнения заказа, затрудняя определение точных дат поставки. Поздние поставки наносят ущерб доверию клиентов и могут повлечь штрафы. Эффективное планирование, учитывающее настройки, помогает стабилизировать время выполнения заказа, позволяя компаниям предлагать конкурентоспособные, надежные обещания доставки. В условиях заказа это особенно важно.

Математическое моделирование времени установки в расписании магазина потока

Для оптимизации магазина потоков с настройками задача должна быть формализована математически. Классическая модель магазина потоков предполагает только время обработки. С временем установки модель становится более сложной, особенно когда настройки зависят от последовательности.

Время установки, зависящее от последовательности (SDST)

В SDST-магазине время установки на машине зависит от только что завершенной работы и следующей работы, которая будет обработана. Это может быть представлено матрицей S , где элемент ij является временем установки, когда работа i j . Проблема оптимизации становится вариантом задачи коммивояжера (TSP) для каждой машины, с дополнительным ограничением последовательного порядка работы на машинах. Это NP-твердый, и точные методы могут решать только небольшие экземпляры.

Модели линейного смешанного числа (MILP)

Формулировки MILP для планирования потокового магазина с установками используют двоичные переменные для представления последовательностей заданий и непрерывных переменных для начала и конца времени. Ограничения обеспечивают, чтобы каждая работа обрабатывалась один раз, чтобы машины обрабатывали задания в одном порядке (магазин потока перестановок), и чтобы установка на машине происходила до начала работы. Объективные функции обычно минимизируют растяжение или полную опоздание. Коммерческие решатели, такие как CPLEX или Gurobi, могут обрабатывать проблемы среднего размера, но для крупных промышленных случаев необходимы эвристические подходы.

Алгоритмы оптимизации учета времени установки

Учитывая сложность, исследователи и практики разработали множество алгоритмов — от точных до приблизительных — для решения планирования потокового магазина с помощью настроек.

Расширение правил Джонсона

Для двухмашинного магазина без настроек правило Джонсона обеспечивает оптимальную последовательность. Расширения, которые включают в себя небольшие сроки установки, существуют, но они ограничены. Один подход рассматривает время установки как часть времени обработки или использует измененные правила ранжирования. Для крупных магазинов потока правило Джонсона редко применяется непосредственно.

Эвристика NEH с настройками

Эвристика NEH является одним из наиболее эффективных конструктивных методов планирования магазина перестановок. Она начинается с сортировки рабочих мест по общему времени обработки, затем вставляет рабочие места по одному в лучшую позицию. Для учета настроек стоимость вставки рассчитывается с использованием общего времени (обработка + настройка) для каждой частичной последовательности. Было показано, что вариации NEH, которые рассматривают настройки, зависящие от последовательности, быстро производят высококачественные решения. Внешний ресурс: NEH эвристика в Википедии .

Метаэвристика: генетические алгоритмы и симуляционное отжиг

Метаэвристика широко используется для больших проблем с потоком SDST. Генетический алгоритм кодирует последовательности вакансий в качестве хромосом и использует кроссовер и операторов мутаций для исследования пространства решения. Функция фитнеса вычисляет пространство макияжа, включая время установки. Имитация отжига итеративно возмущает последовательность и принимает лучшие решения, а также некоторые худшие, чтобы избежать локального оптимизма. Оптимизация роя частиц и поиск табу также распространены. Эти методы могут обрабатывать сотни рабочих мест и машин и производить почти оптимальные графики в разумные сроки.

Стратегии для минимизации времени настройки

Помимо оптимизации, сокращение времени физической настройки является мощным рычагом. Более короткие настройки облегчают планирование и улучшают гибкость магазина.

SMED (одноминутный обмен смертью)

Разработанный Shigeo Shingo для Toyota, SMED стремится сократить время установки до менее десяти минут. Он различает внутреннюю настройку (выполняется при остановке машины) и внешнюю настройку (сделано во время работы машины). Метод преобразует внутренние шаги во внешние, упорядочивает оставшиеся шаги и стандартизирует процедуры. Компании сообщили о сокращении настроек на 50-90% с использованием SMED. Дополнительную информацию можно найти на SMED в Википедии .

Группировка рабочих мест и клеточное производство

Группировка рабочих мест по сходству в инструментах, материалах или процессах уменьшает необходимость в крупных изменениях. В клеточном производстве машины располагаются в ячейках, предназначенных для семейств частей. В ячейке установки между членами семьи минимальны. Этот подход в сочетании с планированием, которое обрабатывает целые семьи вместе, резко сокращает общее время установки.

Автоматизация и стандартизация

Автоматизированные средства смены инструментов, быстро меняющиеся устройства и программируемые контроллеры машин уменьшают вовлеченность и продолжительность установки человека. Стандартизированные рабочие инструкции и обучение операторов обеспечивают согласованность. Системы сбора данных могут отслеживать время установки и выделять области для улучшения.

Тематическое исследование: сокращение времени установки в автомобилестроительной компании

Автомобильный поставщик компонентов двигателя управлял магазином потока с пятью машинами с ЧПУ. Время установки было зависимым от последовательности, в среднем 25 минут на переключение. Анализ показал, что установки составляли 35% общего времени сдвига. Компания реализовала SMED, преобразовав 60% внутренних шагов установки во внешние (например, инструменты предварительной постановки, предустановочные смещения). Они также сгруппировали рабочие места по требованиям к классу материала и инструментам. Новый планировщик на основе NEH включал уменьшенную матрицу установки. За шесть месяцев среднее время установки сократилось до 11 минут, Makespan снизился на 22%, а своевременная доставка улучшилась с 78% до 96%. Используемое программное обеспечение было построено на принципах, описанных в исследовании SDST по оптимизации магазина потока Ribas et al. [FLT: 1]].

Заключение

Время установки является решающим фактором в оптимизации планирования потока магазинов. Они влияют на сроки изготовления, затраты, время выполнения заказа и удовлетворенность клиентов. Производители должны сначала измерить и понять свои шаблоны установки - особенно зависимости от последовательности - затем применить соответствующие математические модели и алгоритмы оптимизации для эффективного планирования. В сочетании с физическими методами сокращения, такими как SMED, группировка и автоматизация, компании могут достичь значительного увеличения пропускной способности и отзывчивости. Интеграция данных о времени установки в системы планирования производства не является опциональной; это основа для конкурентоспособного производства в условиях высокой смеси, малом объеме.