thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt fms (flexible manufacturing system)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.72 MB, 58 trang )
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
SẢN XUẤT LINH HOẠT FMS
(FLEXIBLE MANUFACTURING
SYSTEM)
Sinh viên thực hiện:
Cán bộ hƣớng dẫn:
Huỳnh Thanh Vũ
MSSV: 1110448
Th.s Mai Vĩnh Phúc
Cần Thơ, 11/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
SẢN XUẤT LINH HOẠT FMS
(FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEM)
Sinh viên thực hiện:
Cán bộ hướng dẫn:
Huỳnh Thanh Vũ
MSSV: 1110448
Ngành: Cơ khí chế tạo máy.
Th.S Mai Vĩnh Phúc
Thành viên Hội đồng:
Th.S. Võ Thành Bắc
Th.S. Phạm Ngọc Long
ThS. Phạm Quốc Liệt
Luận văn được bảo vệ tại:
Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ mô Kỹ thuật cơ khí, Khoa Công Nghệ,
Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 19/05/2015.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
1. Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ
2. Website:
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ................................................................................................... iv
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .....................................................................................1
1.1 Giới thiệu hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) ...................................................1
1.2 Thực trạng trong và ngoài nƣớc ........................................................................2
1.2.1 Nƣớc ngoài..................................................................................................2
1.2.2 Trong nƣớc..................................................................................................3
1.3 Mục tiêu .............................................................................................................4
1.4 Phạm vi đề tài ....................................................................................................5
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................5
1.6 Các nội dung chính ............................................................................................5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................6
2.1 Giới thiệu hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) ..................................................6
2.1.1 Bố trí trong hệ thống sản xuất linh hoạt .....................................................6
2.1.2 Các dạng bố trí ............................................................................................7
2.1.3 Hệ thống vận chuyển trong FMS ................................................................8
2.2. Mô phỏng........................................................................................................10
2.2.1. Định nghĩa mô phỏng ..............................................................................10
2.2.2. Xây dựng mô hình hệ thống với Arena ...................................................10
2.2.3 Tổng quan về Arena Master Development (Arena) .................................11
2.2.3.1 Sơ lƣợc các thao tác với Arena ..........................................................13
2.2.3.2 Thanh công cụ Animate .....................................................................14
2.2.3.3 Thanh công cụ Animate Transfer ......................................................15
2.2.4 Phƣơng pháp nhóm máy ...........................................................................15
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG...................................................................18
3.1 Xác định vấn đề ...............................................................................................18
3.2 Mô hình bài toán ..............................................................................................18
3.3. Thiết kế hệ thống FMS ...................................................................................21
3.3.1. Bố trí hệ thống ban đầu ............................................................................21
3.3.2. Bố trí các nhóm máy cho hệ thống ..........................................................26
3.3.2.1 Sơ đồ bố trí dạng đƣờng thẳng (Line) ................................................26
3.3.2.2 Sơ đồ bố trí dạng chữ U (U – Shape) .................................................28
3.3.2.3 Sơ đồ bố trí dạng vòng (Loop) ...........................................................30
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ..........................................................32
4.1 Giới thiệu về mô phỏng hệ thống FMS ...........................................................32
4.2 Mô phỏng hệ thống FMS .................................................................................32
4.2.1 Tỉ lệ sản phẩm ...........................................................................................32
4.2.2 Các bƣớc gia công sản phẩm ....................................................................33
4.2.3 Nguồn lực ở mỗi nhóm máy .....................................................................34
4.2.4 Nhập ma trận chi phí vận chuyển đơn vị cho mỗi dạng bố trí .................37
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
i
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
4.2.4.1 Dạng Line ...........................................................................................38
4.2.4.2 Dạng chữ U ........................................................................................38
4.2.4.3 Dạng Loop ..........................................................................................39
4.2.5 Nhập công thức tính tổng chi phí .............................................................39
4.3 Kiểm tra quy trình sản xuất của sản phẩm ......................................................40
4.4 Kết quả mô phỏng và phân tích .......................................................................41
4.3.1 Dạng đƣờng thẳng (Line) .........................................................................42
4.3.2 Dạng chữ U (U - Shape) ...........................................................................44
4.3.3 Dạng vòng (Loop).....................................................................................45
4.4 Phân tích và so sánh kết quả ............................................................................46
4.4.1 Phân tích kết quả .......................................................................................46
4.4.2 So sánh kết quả .........................................................................................47
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................48
5.1 Kết luận ...........................................................................................................48
5.2 Kiến nghị .........................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................50
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
ii
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Hệ thống FMS .............................................................................................6
Hình 2.2 Bố trí dạng đƣờng thẳng ..............................................................................7
Hình 2.3 Bố trí dạng vòng ..........................................................................................8
Hình 2.4 Bố trí dạng chữ U ........................................................................................8
Hình 2.5 Thiết bị vận chuyển AGVs ..........................................................................9
Hình 2.6 Băng tải. .......................................................................................................9
Hình 2.7 Hệ thống lƣu trữ và thu hồi tự động AS/RS. .............................................10
Hình 2.8 Cửa sổ chƣơng trình Arena .......................................................................13
Hình 2.9 Biểu đồ gia công sản phẩm........................................................................16
Hình 2.10 Khởi động phần mềm PFAST .................................................................17
Hình 2.11 Cửa sổ dữ liệu đầu vào của PFAST.........................................................17
Hình 3.1 Dữ liệu đầu vào. ........................................................................................23
Hình 3.2 Sơ đồ bố trí dạng đƣờng thẳng (line) ........................................................26
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí dạng chữ U.............................................................................28
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí dạng vòng (loop)....................................................................30
Hình 4.1 Cửa sổ khai báo tỷ lệ sản phẩm. ................................................................33
Hình 4.2 Cửa sổ nhập dữ liệu quy trình sản xuất của từng sản phẩm. .....................34
Hình 4.3 Cửa sổ khai báo nguồn lực của từng nhóm máy. ......................................35
Hình 4.4 Cửa sổ khai báo số lƣợng nguồn lực ở mỗi nhóm máy. ............................36
Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống sản xuất linh hoạt FMS .............................37
Hình 4.6 Ma trận chi phí vận chuyển trong mô hình mô phỏng dạng Line. ............38
Hình 4.7 Ma trận chi phí vận chuyển trong mô hình mô phỏng dạng chữ U. ..........38
Hình 4.8 Ma trận chi phí vận chuyển trong mô hình mô phỏng dạng Loop. ...........39
Hình 4.9 Cửa sổ khai báo công thức tổng chi phí ....................................................40
Hình 4.10 Cửa sổ thiết lập mô phỏng chạy một sản phẩm .......................................40
Hình 4.11 Thanh công cụ điểu khiển mô phỏng ......................................................41
Hình 4.12 Mô phỏng chạy một sản phẩm ................................................................41
Hình 4.13 Cửa sổ thiết lập thời gian chạy mô phỏng ...............................................42
Hình 4.14 Mô hình mô phỏng thực thể và kết quả dạng Line. .................................42
Hình 4.15 Biểu đồ và số liệu thể hiện hiệu suất làm việc của từng máy gia công. ..43
Hình 4.16 Mô hình mô phỏng thực thể và kết quả dạng chữ U. ..............................44
Hình 4.17 Biểu đồ và số liệu thể hiện hiệu suất làm việc của từng máy gia công. ..45
Hình 4.18 Mô hình mô phỏng thực thể và kết quả dạng vòng (Loop). ....................45
Hình 4.19 Biểu đồ và số liệu thể hiện hiệu suất làm việc của từng máy gia công. ..46
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
iii
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Số lƣợng các máy gia công đƣợc dùng trong hệ thống sản xuất...............19
Bảng 3.2 Kích thƣớc và số lƣợng của từng loại sản phẩm .......................................19
Bảng 3.3 Quy trình sản xuất từng sản phẩm .............................................................20
Bảng 3.4 Kế hoạch thời gian gia công của sản phẩm. [1] ........................................21
Bảng 3.5 Bố trí hệ thống ban đầu bằng phƣơng pháp thủ công ...............................22
Bảng 3.6 Quy trình gia công sản phẩm trong PFAST. .............................................24
Bảng 3.7 Nhóm máy và tối ƣu sắp xếp. ....................................................................25
Bảng 4.1 Kết quả mô hình mô phỏng của ba dạng bố trí .........................................46
Bảng 4.2 Chi phí thời gian sản xuất trung bình của một sản phẩm ..........................47
Bảng 3.8 Ma trận khoảng cách giữa các máy của bố trí dạng Line (m)…………...27
Bảng 3.9 Ma trận khoảng cách giữa các máy của bố trí dạng chữ U(m)……….....28
Bảng 3.10 Ma trận khoảng cách giữa các máy của bố trí dạng Loop (m)......….29
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
iv
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
LỜI CẢM ƠN
Trải qua 4 tháng thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp “Sử dụng mô phỏng để
thiết kế mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt FMS”, đến nay đề tài cũng đã hoàn
thành. Để có đƣợc kết quả này, đó không phải là công sức của một mình em, mà
còn có sự hỗ trợ hết mình từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Do đó không thể thiếu
những lời cảm ơn chân thành gửi đến những ngƣời “bạn đồng hành” đáng quý này.
Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy Mai Vĩnh
Phúc và thầy Nguyễn Văn Cần đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em trong suốt thời
gian thực hiện đề tài.
Em xin đƣợc gửi lời lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô của bộ môn Kỹ
thuật Cơ khí, quý Thầy cô trong khoa Công nghệ cùng các cán bộ, giảng viên của
trƣờng Đại học Cần Thơ đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức quí báu trong
suốt khóa học.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình cùng các bạn sinh viên đã
tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt khóa học cũng nhƣ trong quá trình thực
hiện đề tài.
Do kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn đề tài còn nhiều sai sót. Em rất
mong nhận đƣợc sự góp ý từ quý thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày 7 tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Huỳnh Thanh Vũ
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
v
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Từ sau thời kỳ hội nhập nền kinh tế của nƣớc ta phát triển vƣợt bậc, song
song đó Công Nghiệp Hoá - Hiện Đại Hoá cũng đƣợc đẩy mạnh. Chính vì thế thu
hút nhiều nhà đầu tƣ nƣớc ngoài vào Việt Nam và rất nhiều công ty, nhà máy, xí
nghiệp có vốn đầu từ ở nƣớc ngoài đƣợc thành lập. Để đáp ứng nhu cầu thị hiếu của
con ngƣời với các sản phẩm đa dạng, chất lƣợng và không ngừng cải thiện. Một hệ
thống sản xuất đa dạng đƣợc các loại sản phẩm thì đòi hỏi quá trình sản xuất phải
linh hoạt nên việc thiết kế một hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS- Flexible
Manufacturing System) là rất quan trọng. Một hệ thống FMS sản xuất đƣợc rất
nhiều loại sản phẩm khác nhau và cho phép thay đổi trình tự xử lý sản phẩm và thay
đổi số lƣợng sản xuất. Kết quả mang lại thành công trong việc nâng cao sử dụng
vốn, lợi nhuận cao hơn, và tăng khả năng cạnh tranh.Tuy nhiên, thiết kế FMS là
phức tạp, do máy móc cần bố trí khác nhau, hệ thống xử lý vật liệu và thời gian sản
xuất của từng sản phẩm.
Mặc dù xuất hiện từ rất lâu đối với các nƣớc phát triển, song với Việt Nam
hệ thống sản xuất linh hoạt FMS còn khá mới mẻ. Chính vì thế tôi thực hiện đề tài:
“Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing
System)” nhằm để cho mọi ngƣời có cái nhìn khách quan hơn với hệ thống sản xuất
linh hoạt.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
iv
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)
Vào giữa những năm 1960, thị trƣờng kinh tế nói chung và công nghệ nói
riêng cạnh tranh trở nên khốc liệt hơn.
Trong suốt những năm 1960 – 1970 chi phí sản xuất là mối quan tâm chính.
Về sau này chất lƣợng mới là thƣớc đo ƣu tiên của sản phẩm. Khi thị trƣờng ngày
càng trở nên phức tạp hơn và tốc độ sản xuất sản phẩm đã trở thành mối lo ngại đối
với nhà sản xuất và riêng đối với khách hàng thì đó là vấn đề hết sức cần thiết. Một
chiến trƣợc mới đã đƣợc xây dựng, các công ty phải thích ứng với điều kiện môi
trƣờng mà họ đang hoạt động sản xuất. Họ cần linh hoạt hơn trong các hoạt động
sản xuất của mình và để đáp ứng đƣợc nhu cầu của thị trƣờng đang thay đổi liên
tục.
Do đó sự đổi mới của hệ thống sản xuất đã trở thành vấn đề quan trọng, nó
giúp cho các nhà kinh doanh sản xuất chiếm đƣợc lợi thế cạnh tranh. Peter Drucker
đã nói: “Khi nghiên cứu FMS, chúng ta phải trở thành nhà quản lý của công nghệ
không chỉ đơn thuần là sử dụng công nghệ”. Từ đó hệ thống sản xuất linh hoạt
(FMS) đƣợc đổi mới liên tục để nó có thể hoạt động với chi phí thấp nhất và có
năng xuất lớn nhất nhằm thỏa mãn điều kiện của khách hàng.
Một nghiên cứu của MIT về năng lực cạnh tranh đã chỉ ra rằng các công ty
Mỹ đã tăng trƣởng gấp hai lần từ việc đổi mới hệ thống sản xuất linh hoạt FMS.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) là một hệ
thống sản xuất đƣợc điều khiển tự động bằng máy tính, có khả năng thay đổi
chƣơng trình điều khiển và sản phẩm một cách linh hoạt trong quá trình sản xuất.
Thông thƣờng, một FMS có thể sản xuất một loạt các sản phẩm khác nhau,
các dây chuyền lắp ráp sản phẩm truyền thống thƣờng sản xuất một số lƣợng lớn
sản phẩm nhƣng bị hạn chế về sự linh hoạt trong sản xuất các sản phẩm mới. Hệ
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
1
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
thống điều khiển trung tâm kiểm soát một số máy gia công cơ khí nối với nhau bằng
một hệ thống xử lý nguyên liệu nhƣ hệ thống vận chuyển vật tƣ (AGVs) hoặc một
hệ thống băng tải.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS cho phép tự động hóa ở mức độ tự động
hóa cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa trên cơ sở áp dụng các máy gia công
cơ khí, các robot công nghiệp để điều khiển, các đồ gá và các dụng cụ, các hệ thống
vận chuyển, tích trữ phôi với mục đích tối ƣu hóa quá trình công nghệ và quá trình
sản xuất. Đặc điểm của hệ thống sản xuất FMS là khả năng điểu chỉnh nhanh các
thiết bị để chế tạo ra sản phẩm mới.
Một hệ thống FMS tốt sẽ cho phép đáp ứng đƣợc sản xuất nhiều loại sản
phẩm khác nhau khi nhu cầu thay đổi. Kết quả giúp rút ngắn thời gian sản xuất sản
phẩm dẫn đến tăng năng suất , lợi nhuận cao hơn và tăng khả năng cạnh tranh. Tuy
nhiên, vấn đề thiết kế một hệ thống FMS là phức tạp, điều quan trọng và gặp khó
khăn lớn là chọn loại bố trí hiệu quả vì hiện nay có nhiều loại bố trí khác nhau.
Luận văn này sử dụng mô phỏng để chọn một dạng bố trí cho một FMS là tốt
với các yếu tố đầu vào đƣợc giả định ban đàu cho hệ thống, thiết kế một mô hình
FMS nhƣ thế nào là tốt. Các dạng bố trí tập trụng vào 3 dạng cơ bản nhất mà các
nghiên cứu trƣớc đó đả đƣa ra bao gồm: dạng đƣờng thẳng (line), chữ U và dạng
vòng (loop). Từ kết quả đầu ra của mô phỏng, dựa trên các thông số hiệu suất, tổng
chi phí sản xuất, tổng thời gian sản xuất sản phẩm để đánh giá sau đó chọn ra dạng
bố trí thích hợp.
1.2 Thực trạng trong và ngoài nƣớc
1.2.1 Nƣớc ngoài
Khái niệm sản xuất linh hoạt đƣợc biết đến lần đầu tiên vào năm 1965 khi
công ty Bristish Firm Molins và công sự đã đƣa ra sản phẩm với tên gọi là System
24. System 24 là một hệ thống FMS thật sự. Tuy nhiên hệ thống này không thể phát
triển thêm đƣợc nữa bởi khi đó công nghệ tự động hóa và công nghệ thông tin còn
chƣa phát triển nên không thể hổ trợ cho sự phát triển của hệ thống này đƣợc. Khái
niệm sản xuất linh hoạt vì vậy bị lãng quên. Nhƣng vào những năm 70 và đầu thập
kỷ 80, cùng với sự phát triển nhảy vọt của công nghệ thông tin và ứng dụng của
công nghệ thông tin trong sản xuất mà sản xuất linh hoạt đã phát triển trở lại với tốc
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
2
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
độ đáng kinh ngạc. Hệ thống sản xuất linh hoạt một lần nữa đƣợc nhấc đến và đƣợc
sử dụng lần đầu tiên ở Mỹ để sản xuất ra ô-tô, máy kéo.
Hiện nay, ứng dụng FMS trong các nhà máy, xí nghiệp và công nghiệp cho
phép nâng cao hiệu quả kinh tế, mà trực tiếp là giải phóng sức lao động của con
ngƣời và tăng khả năng thay đổi công việc của các thiết bị công nghệ.
Không chỉ thế, ở các nƣớc có nền công nghiệp hiện đại thì việc cạnh tranh
với nhau là khá gay gắt và chặt chẽ, hiệu quả và hiệu suất sản xuất là những yếu tố
giúp các công ty nƣớc ngoài đứng vững. Để tiếp cận và giải quyết vấn đề nan giải
của việc cạnh tranh các công ty nƣớc ngoài đã mạnh mẽ thực hiện cải tao hệ thống
sản xuất của họ, tăng mức độ tự động hóa và tin học hóa công nghệ sản xuất. Hệ
thống sản xuất linh hoạt (FMS) là ví dụ về cách tiếp cận nhƣ vậy. Hầu hết các nƣớc
phát triển đều đã sử dụng và không ngừng cải tiến hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
này vì lợi ích nó mang đến là rất lớn.
Ở Nhật bản và các nƣớc Tây Âu, ứng dụng FMS cho phép tăng khả năng
hoàn vốn của các nhà máy lên đến 80 – 120% giảm thời gian phục vụ máy đến 60 –
70% và nhƣ dậy giảm đƣợc thời gian sản xuất và giá thành lao động tới 80%.
Ở các nƣớc có nền kinh tế phát triển nhƣ Mỹ, Nhật, … thì hệ thống sản xuất
linh hoạt đƣợc sử dụng từ rất sớm ví dụ nhƣ công ty sản xuất ổ bi NSK, Ltd của
Nhật hay thƣơng hiệu máy kéo John Deere của Mỹ.
Song song đó việc nghiên cứu phát triển các hình thức bố trí cho hệ thống
FMS cũng đƣợc các nƣớc phát triển đẩy mạnh thực hiện cụ thể là các bài báo cũng
nhƣ là tạp trí đã thể hiện rõ vấn đề này nhƣ: Global Journal of Flexible Systems
Management (Wadhwa, 2005), International Journal Manufacturing Technology
(Chan, 2003), International Journal of flexible Manufacturing Systems (Browne,
1989).
1.2.2 Trong nƣớc
Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt
đóng vài trò hết sức quan trọng. Hiện nay ở nƣớc ta, các khu công nghiệp có rất
nhiều các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS của các tập đoàn kinh tế lớn trên thế giới
nhƣ đã đƣợc đƣa vào sản xuất nhƣ: nhà máy Honda, Toyata Việt Nam.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
3
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Ở Việt Nam việc áp hệ thống sản xuất linh hoạt FMS vẫn còn khá hạn chế
chủ yếu chỉ tập trung ở các công ty có vốn đầu từ nƣớc ngoài nhƣ Honda, Toyota
Việt Nam, …Mới đây nhất Trƣờng Đại học Sao Đỏ (Bộ Công Thƣơng) đã giới
thiệu mô hình tự chế tạo: hệ thống sản xuất linh hoạt.
Qua thực trạng cho thấy việc áp dụng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS vẫn là
một vấn đề mới mẽ và cần đƣợc quan tâm từ việc thiết kế hệ thống sản xuất linh
hoạt cho đến bố trí các hình thức sản xuất. Từ đó, đặt ra một vấn đề hết sức cấp thiết
để thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ở Việt Nam.
Chính vì thế tại các trƣờng đại học, cao đẳng của nƣớc ta đã đƣa môn học
“Sản xuất linh hoạt FMS & tích hợp CIM” vào trƣơng trình đào tạo, riêng đối với
trƣờng Đại học Cần Thơ đã đƣa môn “Tự động hóa” vào chƣơng trình đạo tạo.
Thông qua môn học này, nhà trƣờng trang bị cho các kỹ thuật viên, kỹ sƣ phải có
các kiến thức sâu rộng về hệ thống công nghệ điện tử và tiến tới làm chủ đƣợc
những hệ thống sản xuất linh hoạt này.
Bên cạnh đó việc lập kế hoạch sản xuất và bố trí trang thiết bị là một trong
những lĩnh vực nghiên cứu chính của FMS. Cụ thể là ở nƣớc ta còn thiếu việc
nghiên cứu các kiểu bố trí cho hệ thống sản xuất linh hoạt FMS việc bố trí hợp l sẽ
góp phần nâng cao đƣợc hiệu quả sản xuất, tiết kiệm chi phí và quan trọng hơn là có
thể sản xuất đa dạng các loại sản phẩm theo yêu cầu của ngƣời sử dụng mà không
gặp quá nhiều trở ngại trong quá trình sản xuất.
FMS có năm kiểu bố trí trong đó có ba dạng cơ bản thƣờng sử dụng là dạng
đƣờng thẳng (Line), dạng chữ U và dạng vòng (Loop). Mỗi dạng có một ƣu và
nhƣợc điểm khác nhau, chính vì thế mà việc nghiên cứu về ba dạng bố trí của FMS
là điều cần thiết để có thể tìm ra cách bố trí tối ƣu nhất, phù hợp nhất cho mỗi nhà
máy song song đó cũng sẽ nghiên cứu việc bố trí các máy gia công cơ khí trong dây
truyền nhƣ thế nào để nâng cao hiệu quả sản xuất cũng nhƣ là tiết kiệm đƣợc nguồn
vốn đầu tƣ ban đầu.
1.3 Mục tiêu
- Tính toán thời gian, năng suất của hệ thống sản xuất linh hoạt FMS.
- Thiết kế mô phỏng một hệ thống sản xuất linh hoạt FMS hiệu quả từ việc chọn ra
dạng bố trí phù hợp dựa trên dựa trên tổng chi phí thời gian sản xuất và năng suất từ
việc mô phỏng hệ thống FMS bằng phần mềm Arena.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
4
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
1.4 Phạm vi đề tài
Đề tài tập trung vào xây dựng dữ liệu đầu vào cho hệ thống FMS, thiết kế mô
phỏng cho 3 dạng bố trí: dạng đƣờng thẳng (Line), dạng chữ U ( U-shape)và dạng
vòng (Loop).Không thiết kế hệ thống điều khiển và tính toán các thiết bị vận
chuyển vật tƣ trong hệ thống.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Vận dụng kiến thức đã học với tham khảo sách ở thƣ viện khoa, trung tâm
học liệu cũng nhƣ những tƣ liệu có liên quan, tài liệu internet, báo khoa học, tạp trí
công nghệ của nƣớc ngoài. Song song đó cũng vận dụng những phần mềm bố trí
nhƣ PFAST và phần mềm mô phỏng hệ thống nhƣ Arena.
1.6 Các nội dung chính
Nội dung chính của đề tài gồm: thuyết minh, bản vẽ và mô phỏng hệ thống
FMS bằng phần mềm Arena.
Nội dung chính của thuyết minh đƣợc trình bày qua các phần sau:
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.
Chƣơng 3: Mô hình hệ thống.
Chƣơng 4: Mô phỏng và kết quả.
Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
5
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)
2.1.1 Bố trí trong hệ thống sản xuất linh hoạt
Hệ thống sản xuất linh hoạt đang ngày càng đƣợc sử dụng trong sản xuất vì
lợi thế của nó là tính linh hoạt, chất lƣợng, giảm lao động, và chi phí hàng tồn kho
trong thời đại của những cải tiến liên tục và thƣờng xuyên của các sản phẩm cũng
nhƣ là nhu cầu của con ngƣời. Tuy nhiên nhƣợc điểm chính của FMS là nguồn vốn
đầu tƣ ban đầu cao. Vì lý do này mà việc lập kế hoạch sản xuất và bố trí trang thiết
bị là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của FMS.
Một hệ thống sản xuất linh hoạt nói chung gồm các phần nhƣ sau:
- Các máy gia công và xử lí, các trạm lắp ráp và rô bốt, ...
- Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu ví dụ nhƣ rô bốt, băng truyền, …
- Một hệ thống hệ thống kết nối thông tin.
- Một hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Hình 2.1 Hệ thống FMS
Hệ thống FMS có ba dạng bố trí cơ bản là:
- Dạng đƣờng thẳng (Line).
- Dạng chữ U.
- Dạng vòng (Loop).
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
6
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Mỗi dạng có một ƣu và nhƣợc điểm khác nhau, chính vì thế mà việc nghiên
cứu về ba dạng bố trí của FMS là điều cần thiết để có thể tìm ra cách bố trí tối ƣu
nhất, phù hợp nhất cho mỗi nhà máy song song đó cũng sẽ nghiên cứu việc bố trí
các máy gia công cơ khí trong dây truyền nhƣ thế nào để nâng cao hiệu quả sản
xuất cũng nhƣ là tiết kiệm đƣợc nguồn vốn đầu tƣ ban đầu.
2.1.2 Các dạng bố trí
Việc bố trí hình thức sản xuất của hệ thống sản xuất linh hoạt FMS là hết sức
quan trọng, chọn cách bố trí tối ƣu nhất, phù hợp nhất cho mỗi nhà máy sẽ góp phần
nâng cao hiệu quả sản xuất, tiết kiệm chi phí, cũng nhƣ là tiết kiệm đƣợc nguồn vốn
đầu tƣ ban đầu. Trong thực tế có 3 kiểu bố trí thƣờng dùng là:
Dạng đƣờng thẳng (Line layout): Các máy gia công và hệ thống xử lý đƣợc
bố trí sắp xếp thành một đƣờng thẳng. Đây là dạng đơn giản nhất, các vật liệu đều
đi theo một chiều trong một chuỗi công việc đƣợc xác định rõ ràng, với hình thức
bố trí này thì công việc sản xuất luôn luôn di chuyển theo một hƣớng và không có
chiều ngƣợc lại.
Hình 2.2 Bố trí dạng đƣờng thẳng
Dạng vòng (Loop layout): Các máy gia công và hệ thống xử lý đƣợc bố trí
sắp xếp thành một vòng lặp. Ở dạng bố trí này cửa vào của vật cũng chính là cửa ra
của sản phẩm tất cả sẽ đi theo hình một vòng tròn và có thể lặp lại các bƣớc gia
công để tạo ra sự đa dạng của sản phẩm. Một hình thức khác của kiểu bố trí này là
dạng bố trí hình chữ nhật.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
7
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Hình 2.3 Bố trí dạng vòng
Dạng chữ U (U-shaped layout): Các máy gia công và hệ thống xử lý đƣợc
bố trí sắp xếp thành một hình chữ U. Ở dạng bố trí này cửa vào và cửa ra là nằm
cùng một phía, cho phép điều khiển trực quan và dễ dàng quản lý vật liệu cũng nhƣ
là sản phẩm. Bên cạnh đó còn tạo ra đƣợc sự tƣơng tác giữa các máy gia công cơ
khí. Đây là kiểu bố trí đƣợc sử dụng phổ biến ở các nƣớc trên thế giới.
Hình 2.4 Bố trí dạng chữ U
2.1.3 Hệ thống vận chuyển trong FMS
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS thƣờng có 3 loại thiết bị vận chuyển chính
là:
- AGVs (Automated guided vehicles): AGV đầu tiên đƣợc phát minh bởi Barrett
Electronics trong năm 1953, nhằm tăng hiệu quả và giảm chi phí sản xuất bằng cách
giúp đỡ để tự động hóa một cơ sở sản xuất hoặc kho trong quá trình vận chuyển.
Ngày nay công nghệ đã phát triển hơn nên hệ thống vận tải chủ yếu là LGVs (Laser
Guided Vehicles) nó dùng lazer để dẫn hƣớng.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
8
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Hình 2.5 Thiết bị vận chuyển AGVs
- Băng tải (Conveyors): là thiết bị vận chuyển dựa trên tính cơ học mà vận chuyển
vật liệu từ nơi này đến nơi khác. Băng tải đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng liên
quan đến việc vận chuyển vật liệu nặng hoặc cồng kềnh. Hệ thống băng tải cho
phép vận chuyển nhanh chóng và hiệu quả đối với nhiều loại vật liệu. Băng tải có
nhiều loại đa dạng nhƣ: băng tải xích, cao su, con lăn, băng tải đứng, xoắn ốc,…
Hình 2.6 Băng tải.
- Hệ thống lƣu trữ và thu hồi tự động (AS/RS): thƣờng đƣợc sử dụng ở nơi có một
khối lƣợng sản phẩm lớn, có tải trọng cao đƣợc chuyển ra và vào khỏi kho, hạn chế
về không gian.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
9
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Hình 2.7 Hệ thống lƣu trữ và thu hồi tự động AS/RS.
2.2. Mô phỏng
2.2.1. Định nghĩa mô phỏng
Mô phỏng là sự bắt chƣớc một quá trình hay hệ thống thực theo thời gian.
Mô phỏng đƣợc sử dụng để mô tả và phân tích hành vi của một hệ thống, rút ra kết
luận liên quan đến các đặc tính hoạt động của hệ thống thực, hỗ trợ thiết kế các hệ
thống.
Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình với mục đích phỏng theo các sự vật
thực tế nhằm mục đích phỏng đoán hành vi tƣơng lai của các sự vật. Nói cách khác
mô phỏng là quá trình "bắt chƣớc" một hiện tƣợng có thực với một tập các công
thức toán học.
2.2.2. Xây dựng mô hình hệ thống với Arena
Arena là một phần mềm dễ sử dụng, công cụ mạnh cho phép tạo và chạy
thực nghiệm trên các mô hình hệ thống. Bằng cách kiểm tra trong phòng thí
nghiệm, trên máy tính mà ta có thể dự đoán tƣơng lai một cách tự tin và không làm
ảnh hƣởng môi trƣờng kinh doanh hiện tại.
Arena đƣợc sử dụng dựa trên phƣơng pháp thực thể, lƣu đồ cho mô hình.
Arena là một công cụ lƣu đồ tƣơng thích với Visio. Các thực thể trong một mô hình
Arena đƣợc xử lý thông qua một lƣu đồ trong quy trình và nắm quyền kiểm soát các
tài nguyên khi chúng đƣợc xử lý. Phƣơng pháp lƣu đồ dùng để xây dựng mô hình
rất có ý nghĩa vì nó rất gần gũi với quy trình, dễ xây dựng mô hình và phân tích.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
10
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Phƣơng pháp lƣu đồ trong Arena giúp chúng ta:
Dễ dàng tìm hiểu hơn các công cụ mô phỏng khác
Dễ dàng hơn để kiểm chứng và hợp thức hóa
Dễ dàng hơn trong việc truyền đạt những quá trình phức tạp đến những
ngƣời khác
Dễ sử dụng để phát triển mô hình mô phỏng nhanh chóng.
2.2.3 Tổng quan về Arena Master Development (Arena)
Arena là một phần mềm công cụ để thiết kế, tính toán và mô phỏng trực quan
quá trình vận hành của từng phần tử trong hệ thống sản xuất dịch vụ. Nó đƣợc tạo
ra dành cho lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp và quản lí các dịch vụ, đặc biệt
dùng để thực thi thiết kế, mô phỏng, tính toán và kiểm tra các điều kiện cần thiết.
Để mô hình hệ thống trong Arena, sẽ làm việc tại ba khu vực chính của cửa
sổ của chƣơng trình. Khung Project Bar có các loại chủ yếu của các đối tƣợng sẽ
làm việc là:
Basic Process, Advanced Process, và Advanced Transfer panels: Chứa
các module, mà bạn sẽ sử dụng để định nghĩa quá trình
Reports panel: Chứa những báo cáo để hiển thị kết quả chạy mô phỏng.
Navigate panel: Cho phép hiển thị các điểm khác nhau trong mô hình.
Trong cửa sổ mô hình, có hai khu vực chính. Khu vực flowchart view sẽ
chứa tất cả các biểu đồ mô hình của bạn, lƣu đồ quá trình, hoạt hình, bản vẽ và các
thành phần khác. Khu vực spreadsheet view hiển thị module dữ liệu, nhƣ thời gian,
chi phí, và các thông số khác.
Các module mô hình hệ thống:
- Create Module: Module này là điểm khởi đầu cho các thực thể (entity)
trong mô hình mô phỏng. Các thực thể đƣợc tạo ra sử dụng lịch trình có sẵn hoặc
dựa trên thời gian giữa các lần đến. Sau đó các entity này rời khởi module để bắt
đầu quá trình.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
11
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
- Process module: Dùng mô phỏng các công đoạn mà entity đƣợc gia công,
vận chuyển… Process module thƣờng đại diện cho một công đoạn trong hệ thống
hay dây chuyền đƣợc mô phỏng.
- Assign module: Module này đƣợc sử dụng để gán giá trị mới cho các biến,
các thuộc tính của entity, loại entity, hình ảnh cho entity, hoặc các biến khác của hệ
thống.
- Decide module: Module này thƣờng dùng cho mô phỏng việc phân loại
hay chia đƣờng đi của các entity.
- Batch module: Module này dùng để mô phỏng việc kết hợp hai hay nhiều
entity thành một entity trong dây chuyền.
- Separate module: Module này dùng để mô phỏng việc tách một entity
thành hai hay nhiều entity.
- Record module: Module đƣợc sử dụng để thu thập số liệu hệ thống trong
mô hình mô phỏng.
- Dispose module: Module này đƣợc dùng nhƣ điểm cuối của các entity
trong mô hình mô phỏng, nó cho biết các entity đã đƣợc hoàn thành trong hệ thống
và đi ra khỏi hệ thống. Đồng thời, thống kê các thông số của entity và đƣa vào phần
báo cáo kết quả.
- Entity module: Module dữ liệu này xác định các loại entity và hình ảnh
của chúng trong mô phỏng.
- Queue module: Module này có thể đƣợc sử dụng để thay đổi quy tắc thứ tự
cho xếp hàng.
- Resource module: Module dữ liệu này định nghĩa các tài nguyên trong hệ
thống mô phỏng, bao gồm cả thông tin chi phí và nguồn lực có sẵn.
- Variable module: Module dữ liệu này đƣợc sử dụng để định nghĩa giá trị
ban đầu của một biến. Các biến có thể đƣợc tham chiếu trong các module khác (ví
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
12
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
dụ: Decide module), có thể đƣợc gán lại một giá trị mới với Assign module và có
thể đƣợc sử dụng trong bất kì biểu thức.
- Set module: Module dữ liệu này định nghĩa các kiểu khác nhau của tổ, bao
gồm các nguồn lực.
2.2.3.1 Sơ lƣợc các thao tác với Arena
- Để làm việc với Arena ta nhấp đúp chuột vào biểu tƣợng
của Arena
trên Desktop hoặc khởi động Arena từ trình đơn Start của Windows và hƣớng đến
Programs > Rockwell Software > Arena. Cửa sổ của chƣơng trình Arena nhƣ
hình dƣới đây:
2
3
4
1
5
Hình 2.8 Cửa sổ chƣơng trình Arena
1.Tiêu đề; 2.Trình đơn; 3. Dãy các công cụ khác nhau; 4.Khung Process chứa các
module căn bản; 5.Các Module.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
13
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Ở trên trình đơn Menu có các phần là: File, Edit, View, Tools, Arrange,
Object, Run, Window và Help.
- Trong File có các phần giúp tạo mới một Project, mở hay đóng một Project,
lƣu, in, báo cáo, cho phép chèn vào một bản vẽ, sơ đồ,...
- Edit: cho phép cắt dán, quay lại, xóa, chọn tất cả,... Ngoài ra, Enity Picture
trong Edit cho phép ngƣời dùng xem, chọn và chỉnh sửa thông tin, hình ảnh liên
quan đến các Icon của hệ thống thƣ viện.
- View: có các chức năng phóng to, thu nhỏ, ẩn hiện các chế độ của môi
trƣờng làm việc, các thanh công cụ để thuận tiện cho việc xem và thiết kế mô hình
mô phỏng.
- Run: có chức năng hỗ trợ việc chạy mô hình mô phỏng và thiết lập các
thông số cần thiết cho mô hình mô phỏng nhƣ thời gian chạy, giờ hoạt động trong 1
ngày,...
2.2.3.2 Thanh công cụ Animate
E
A
F
B
C
D
A: Clock – tạo khung thời gian khi chạy mô phỏng.
B: Date – tạo khung ngày, tháng, năm khi chạy mô phỏng.
C: Variable – tạo khung báo cáo kết quả về số lƣợng, chi phí,...
D: Resource – tạo hình ảnh của nguồn lực.
E: Queue – tạo thanh chờ cho nguồn lực.
F: Enity – công cụ thiết kế hoặc chọn hình cho đầu vào.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
14
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
2.2.3.3 Thanh công cụ Animate Transfer
D
B
E
A
C
A: Storage – tạo thanh chờ đầu ra ở kho.
B: Seize – điếm đặt đầu vào ở các nguồn lực.
C: Parking – tạo hệ thống dừng cho hệ thống vận chuyển.
D: Transporter – thiết kế hệ thống vận chuyển.
E: Route, Segment, Distance, Network Link – thiết kế đƣờng đi của đầu vào
theo các điều kiện phù hợp.
2.2.4 Phƣơng pháp nhóm máy
- Công nghệ nhóm (Group Technology): là một phƣơng pháp dùng để cải
tiến hệ thống sản xuất nhằm nâng cao năng suất bằng cách nhóm các máy gia công
và sản phẩm có đặc tính tƣợng tự lại với nhau. Từ đó hình thành một nhóm máy sản
xuất phù hợp với sự đa dạng của sản phẩm.
Nhóm của những sản phẩm tƣơng tự đƣợc gọi là họ sản phẩm và nhóm của
những máy gia công đƣợc gọi là nhóm gia công. Mỗi sản phẩm trong họ sản phẩm
không nhất thiết đƣợc sản xuất ở một nhóm nhóm gia công riêng lẻ mà có thể
chuyển đổi liên tục giữa các nhóm gia công để hoàn thành sản phẩm cũng chính vì
thế mà với công nghệ nhóm có thể giúp cho quá trình sản xuất trở lên linh hoạt hơn.
- Biểu đồ gia công sản phẩm (Multi-product process chart): đây là biểu đồ
dựa trên những quá trình sản xuất có đƣợc từ ban đầu để lập nên biểu đồ và sắp xếp
theo trình từ nhằm hổ trợ cho quá trình nhóm các máy gia công lại với nhau đƣợc
thể hiện rõ với biểu đồ ví dụ sau đây
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
15
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Hình 2.9 Biểu đồ gia công sản phẩm
Trong biểu đồ trên có 12 sản phẩm đƣợc xếp theo hàng dọc và 10 bƣớc gia
công đƣợc xếp theo hàng ngang. Mỗi sản phẩm sẽ có một trình tự sản xuất khác
nhau đây cũng chính là sự đang dạng của sản phẩm vì thế việc nhóm các máy gia
công là hết sức quan trọng.
- Phần mềm PFAST: là chƣơng trình cho phép nhóm các máy gia công dựa
trên những dữ liệu ban đầu là quy trình sản xuất của mỗi sản phẩm (sản phẩm đa
dạng) từ đó tạo thành các nhóm gia công để có thể thiết kế và bố trí sao cho phù
hợp với điều kiện hoạt động của nhà máy.
PFAST đƣợc phát triển tại trƣờng Đại học bang Ohio (Daita, Kotamraju &
Irani ; Zhou & Irani). Nó cho phép nhóm cùng lúc rất nhiều loại máy và không giới
hạn số lƣợng sản phẩm, đây cũng chính là ƣu điểm mà PFAST mang lại cho ngƣời
dùng.
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
16
Thiết kế mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
Hình 2.10 Khởi động phần mềm PFAST
Hình 2.11 Cửa sổ dữ liệu đầu vào của PFAST
SVTH:Huỳnh Thanh Vũ
17
