Harmonogramowanie (procesy produkcyjne)

Harmonogramowanie to proces organizowania, kontrolowania i optymalizowania pracy i obciążeń w procesie produkcyjnym lub procesie produkcyjnym . Harmonogramowanie służy do alokacji zasobów maszyn i urządzeń, planowania zasobów ludzkich , planowania procesów produkcyjnych i zakupu materiałów.

Jest to ważne narzędzie w produkcji i inżynierii , gdzie może mieć duży wpływ na produktywność procesu. W produkcji celem planowania jest dotrzymywanie terminów klientów, a następnie minimalizowanie czasu i kosztów produkcji poprzez informowanie zakładu produkcyjnego, kiedy ma produkować, z jakim personelem i na jakim sprzęcie. Harmonogramowanie produkcji ma na celu maksymalizację wydajności operacji, maksymalne wykorzystanie dostępnych zasobów i redukcję kosztów.

W niektórych sytuacjach planowanie może obejmować losowe atrybuty, takie jak losowe czasy przetwarzania, losowe terminy, losowe wagi i stochastyczne awarie maszyn. W tym przypadku problemy z szeregowaniem są określane jako „ szeregowanie stochastyczne ”.

Przegląd

Harmonogramowanie to proces organizowania, kontrolowania i optymalizowania pracy i obciążeń w procesie produkcyjnym. Firmy wykorzystują planowanie wstecz i do przodu do alokacji zasobów maszyn i urządzeń, planowania zasobów ludzkich, planowania procesów produkcyjnych i zakupu materiałów.

• Planowanie z wyprzedzeniem to planowanie zadań od daty udostępnienia zasobów w celu określenia daty wysyłki lub terminu realizacji.
• Planowanie wsteczne polega na planowaniu zadań od daty zakończenia lub daty wymaganej w celu określenia daty rozpoczęcia i/lub wszelkich wymaganych zmian wydajności.

Korzyści z planowania produkcji obejmują:

• Redukcja przezbrojeń procesu
• Redukcja zapasów, niwelacja
• Zmniejszony wysiłek związany z planowaniem
• Zwiększona wydajność produkcji
• Wyrównywanie obciążenia pracą
• Dokładne wyceny terminów dostaw
• Informacje w czasie rzeczywistym
• Dokładnie mierz godziny wykorzystanego personelu/sprzętu

Narzędzia do planowania produkcji znacznie przewyższają starsze ręczne metody planowania. Zapewniają one planistom produkcji potężne interfejsy graficzne, których można używać do wizualnej optymalizacji obciążenia pracą w czasie rzeczywistym na różnych etapach produkcji, a rozpoznawanie wzorców umożliwia oprogramowaniu automatyczne tworzenie możliwości planowania , które mogą nie być widoczne bez wglądu w dane. Na przykład linia lotnicza może chcieć zminimalizować liczbę wymaganych bramek na lotnisku dla swojego samolotu, aby obniżyć koszty, a oprogramowanie do planowania może pozwolić planistom zobaczyć, jak można to zrobić, analizując rozkłady lotów, wykorzystanie samolotów lub przepływ pasażerów.

Kluczowe pojęcia w harmonogramowaniu

Kluczową cechą planowania jest produktywność, relacja między ilością nakładów a ilością wyników. Kluczowe pojęcia to:

• Nakłady: Nakłady to zakłady, robocizna, materiały, oprzyrządowanie, energia i czyste środowisko.
• Produkty wyjściowe: Produkty wyjściowe to produkty wytwarzane w fabrykach dla innych fabryk lub dla końcowego nabywcy. Zakres, w jakim jakikolwiek produkt jest wytwarzany w jednej fabryce, zależy od kosztów transakcyjnych .
• Produkcja w fabryce: Produkcja dowolnego obszaru roboczego w fabryce jest wejściem do następnego obszaru roboczego w tej fabryce, zgodnie z procesem produkcyjnym. Na przykład wynik cięcia jest wejściem do pomieszczenia gięcia.
• Produkcja dla następnej fabryki: Tytułem przykładu, produkcja papierni jest wkładem do drukarni. Produkcja zakładu petrochemicznego jest wsadem do wytwórni asfaltu, fabryki kosmetyków i fabryki tworzyw sztucznych.
• Produkcja dla nabywcy końcowego: produkcja fabryczna trafia do konsumenta za pośrednictwem firmy usługowej, takiej jak sprzedawca detaliczny lub firma zajmująca się układaniem nawierzchni asfaltowej.
• Alokacja zasobów: Alokacja zasobów polega na przypisaniu wejść do produkcji. Celem jest maksymalizacja produkcji przy danych nakładach lub minimalizacja ilości nakładów w celu wytworzenia wymaganej produkcji.

Algorytmy planowania

Główny artykuł: Planowanie sklepu z ofertami pracy

Zobacz też: Planowanie algorytmów genetycznych

Planowanie produkcji może wymagać znacznej mocy obliczeniowej, jeśli istnieje duża liczba zadań. Dlatego stosuje się szereg algorytmów skrótów ( heurystyki ) (znanych również jako reguły wysyłania ):

• Algorytmy stochastyczne: ekonomiczny problem planowania partii i ekonomiczna wielkość produkcji
• Algorytmy heurystyczne: Zmodyfikowana heurystyka planowania terminów i heurystyka przesuwania wąskich gardeł

Harmonogramowanie produkcji seryjnej

Tło

Planowanie produkcji seryjnej to praktyka planowania i harmonogramowania procesów produkcji seryjnej. Zobacz Produkcja seryjna . Chociaż planowanie może dotyczyć tradycyjnie ciągłych procesów, takich jak rafinacja, jest szczególnie ważne w przypadku procesów wsadowych, takich jak farmaceutyczne składniki aktywne, procesy biotechnologiczne i wiele specjalistycznych procesów chemicznych. Planowanie produkcji wsadowej ma podobne koncepcje i techniki jak planowanie ograniczonej wydajności, które zostało zastosowane do wielu problemów produkcyjnych. Specyficzne kwestie planowania procesów produkcji seryjnej wzbudziły duże zainteresowanie przemysłu i środowiska akademickiego.

Planowanie w środowisku przetwarzania wsadowego

Proces wsadowy można opisać za pomocą receptury, która zawiera zestawienie materiałów i instrukcje obsługi opisujące sposób wykonania produktu. Standard kontroli procesu wsadowego ISA S88 zapewnia ramy do opisu receptury procesu wsadowego. Norma zapewnia hierarchię proceduralną dla receptury. Receptura może być zorganizowana w serię procedur jednostkowych lub głównych kroków. Procedury jednostkowe są zorganizowane w operacje, a operacje można dodatkowo podzielić na fazy.

Poniższy podręcznikowy przepis ilustruje organizację.

• Załadować i wymieszać materiały A i B w ogrzewanym reaktorze, ogrzać do 80°C i reagować przez 4 godziny, aby utworzyć C.
• Przenieś do zbiornika do mieszania, dodaj rozpuszczalnik D, mieszaj 1 godzinę. Wytrąca się ciało stałe C.
• Wirować przez 2 godziny, aby oddzielić C.
• Suszyć w suszarce tacowej przez 1 godzinę.

Uproszczona organizacja proceduralna przepisu w stylu S88 może wyglądać następująco:

• Procedura jednostkowa 1: Reakcja
  • Operacja 1: ładowanie A i B (0,5 godziny)
  • Operacja 2: Mieszanie / Podgrzewanie (1 godzina)
  • Operacja 3: Trzymaj w temperaturze 80 ° C przez 4 godziny
  • Operacja 4: Przepompuj roztwór przez chłodnicę do zbiornika mieszania (0,5 godziny)
  • Operacja 5: Czyszczenie (1 godzina)
• Procedura jednostkowa 2: Mieszanie opadów
  • Operacja 1: Odbierz roztwór z reaktora
  • Operacja 2: Dodaj rozpuszczalnik, D (0,5 godziny)
  • Operacja 3: Miksuj przez 2 godziny
  • Operacja 4: Pompuj do wirówki przez 2 godziny
  • Operacja 5: Sprzątanie (1 godzina)
• Procedura jednostkowa 3: Wirowanie
  • Operacja 1: Wirować roztwór przez 2 godziny
  • Operacja 2: Oczyść
• Procedura jednostkowa 4: Tote
  • Operacja 1: Odbierz materiał z wirówki
  • Operacja 2: Załaduj suszarkę (15 min)
• Procedura jednostkowa 5: Suszenie
  • Operacja 1: Załaduj
  • Operacja 2: Suszenie (1 godzina)

Należy zauważyć, że organizacja tutaj ma na celu uchwycenie całego procesu planowania. Receptura dla celów kontroli procesu może mieć węższy zakres.

Większość ograniczeń i ograniczeń opisanych przez Pinedo ma zastosowanie w przetwarzaniu wsadowym. Różne operacje w recepturze podlegają ograniczeniom czasowym lub pierwszeństwa, które opisują, kiedy się rozpoczynają i/lub kończą względem siebie. Ponadto, ponieważ materiały mogą być łatwo psujące się lub niestabilne, oczekiwanie między kolejnymi operacjami może być ograniczone lub niemożliwe. Czas trwania operacji może być stały lub może zależeć od czasu trwania innych operacji.

Oprócz sprzętu procesowego, czynności związane z procesem wsadowym mogą wymagać robocizny, materiałów, narzędzi i dodatkowego wyposażenia.

Analiza czasu cyklu

W niektórych prostych przypadkach analiza receptury może ujawnić maksymalną szybkość produkcji i jednostkę ograniczającą szybkość. W powyższym przykładzie procesu, jeśli ma być wyprodukowana pewna liczba partii lub partii Produktu C, przydatne jest obliczenie minimalnego czasu między kolejnymi uruchomieniami partii (czas cyklu). Jeśli zezwolono na rozpoczęcie partii przed zakończeniem partii poprzedniej, minimalny czas cyklu określa następująca zależność:

${\ Displaystyle CT_ {\ min} = \ max _ {j = 1, M} \ lbrace \ tau _ {j} \ rbrace}$

Gdzie CT _min to najkrótszy możliwy czas cyklu dla procesu z M procedurami jednostkowymi, a τj _to całkowity czas trwania j-tej procedury jednostkowej. Procedura jednostkowa o maksymalnym czasie trwania jest czasami nazywana wąskim gardłem. Zależność ta ma zastosowanie, gdy każda procedura jednostkowa ma jedną dedykowaną jednostkę sprzętową.

Jeżeli nadmiarowe jednostki wyposażenia są dostępne dla co najmniej jednej procedury jednostkowej, minimalny czas cyklu wynosi:

${\ Displaystyle CT _ {\ min} = \ max _ {j = 1, M} \ lbrace \ tau _ {j} / N_ {j} \ nawias klamrowy }$

Gdzie N _j to liczba urządzeń nadmiarowych dla procedury jednostkowej j .

Jeśli sprzęt jest ponownie używany w ramach procesu, minimalny czas cyklu staje się bardziej zależny od konkretnych szczegółów procesu. Na przykład, jeśli procedura suszenia w bieżącym przykładzie zostanie zastąpiona inną reakcją w reaktorze, minimalny czas cyklu zależy od polityki operacyjnej i względnych czasów trwania innych procedur. W poniższych przypadkach wydłużenie czasu przetrzymania w torbie może zmniejszyć średni minimalny czas cyklu.

Wyobrażanie sobie

Różne wykresy pomagają planistom w wizualnym zarządzaniu harmonogramami i ograniczeniami. Wykres Gantta to wyświetlacz przedstawiający czynności na poziomym wykresie słupkowym, na którym słupki przedstawiają czas czynności. Poniżej znajduje się przykład wykresu Gantta dla procesu w przykładzie opisanym powyżej. Inny wykres czasowy, nazywany czasem wykresem Gantta, pokazuje czas, w którym kluczowe zasoby, np. sprzęt, są zajęte. Poprzednie rysunki przedstawiają ten wykres Gantta w stylu obłożenia.

Zasoby, które są zużywane na podstawie stawki, np. energia elektryczna, para lub siła robocza, są generalnie wyświetlane jako wykresy szybkości zużycia w funkcji czasu.

Metody algorytmiczne

Gdy sytuacje planowania stają się bardziej skomplikowane, na przykład gdy dwa lub więcej procesów współdzieli zasoby, znalezienie najlepszego harmonogramu może być trudne. Szereg powszechnych problemów związanych z planowaniem, w tym wariacje na temat opisanego powyżej przykładu, należy do klasy problemów, które stają się bardzo trudne do rozwiązania w miarę wzrostu ich rozmiaru (liczby procedur i operacji).

Do planowania procesów wsadowych zastosowano wiele różnych algorytmów i podejść. Wczesne metody, które zostały zaimplementowane w niektórych systemach MRP zakładały nieskończoną pojemność i zależały tylko od czasu wsadu. Takie metody nie uwzględniały żadnych zasobów i generowałyby niewykonalne harmonogramy.

programowania matematycznego polegają na sformułowaniu problemu szeregowania jako problemu optymalizacyjnego, w którym pewien cel, np. całkowity czas trwania, musi zostać zminimalizowany (lub zmaksymalizowany) z zastrzeżeniem szeregu ograniczeń, które są ogólnie określane jako zbiór nierówności i równości. Cel i ograniczenia mogą obejmować zmienne zerowe lub jedno (całkowite), jak również zależności nieliniowe. Do wynikowego problemu programowania liniowego lub nieliniowego programowania liczb całkowitych mieszanych (MILP/MINLP) stosuje się odpowiedni solver. Podejście to teoretycznie gwarantuje znalezienie optymalnego rozwiązania, jeśli takie istnieje. Wadą jest to, że algorytm solvera może zająć nieracjonalnie dużo czasu. Praktycy mogą stosować uproszczenia specyficzne dla problemu w formułowaniu, aby uzyskać szybsze rozwiązania bez eliminowania krytycznych elementów modelu planowania.

Programowanie z ograniczeniami to podobne podejście, z tą różnicą, że problem jest formułowany tylko jako zestaw ograniczeń, a celem jest szybkie osiągnięcie wykonalnego rozwiązania. Za pomocą tej metody możliwe jest wiele rozwiązań.

Modelowanie agentowe opisuje proces wsadowy i konstruuje wykonalny harmonogram przy różnych ograniczeniach. Dzięki połączeniu z programowaniem na liczbach mieszanych lub metodami optymalizacji opartymi na symulacjach podejście to może zapewnić dobrą równowagę między wydajnością rozwiązania a wydajnością harmonogramu. Nowe opracowanie i ramy dotyczą sposobu wykorzystania agregacji kilku cyfrowych bliźniaków reprezentujących różne zasoby fizyczne i ich autonomicznego podejmowania decyzji, wraz z globalnym cyfrowym bliźniakiem, w celu optymalizacji planowania produkcji.

Zobacz też

• Zaawansowane planowanie i harmonogramowanie
• Wykres Gantta
• Kanban
• Zarządzanie procesem produkcyjnym
• Sieć zasobów i zadań
• Harmonogramowanie dla jednej maszyny
• Harmonogram (zarządzanie projektem)
• Planowanie (przetwarzanie)
• Planowanie stochastyczne

Dalsza lektura

•   Blazewicz, J., Ecker, KH, Pesch, E., Schmidt, G. i J. Weglarz, Planowanie procesów komputerowych i produkcyjnych, Berlin (Springer) 2001, ISBN 3-540-41931-4
• Herrmann, Jeffrey W., redaktor, 2006, Podręcznik planowania produkcji, Springer, Nowy Jork.
• McKay, KN i Wiers, VCS, 2004, Praktyczna kontrola produkcji: przewodnik przetrwania dla planistów i planistów, J. Ross Publishing, Boca Raton, Floryda. Opublikowane wspólnie z APICS.
• Pinedo, Michael L. 2005. Planowanie i harmonogramowanie w produkcji i usługach, Springer, Nowy Jork.
•   Conway, Richard W. , Maxwell, William L. , Miller, Louis W., Theory of Scheduling, Dover Publications, czerwiec 2003, ISBN 978-0486428178
•   Brucker P. Algorytmy planowania . Heidelberg, Springer. wyd. piąte. ISBN 978-3-540-24804-0