Ποσοτική ανάλυση αξιοπιστίας, ποιότητας και απόδοσης αυτοματοποιημένων συστημάτων παραγωγής

Abstract

A traditional, wide-spread form of organizing large-scale, narrow-scope industrial production is the automated production line. In an automated production line, all materials visit the same workstations in series, thus simplifying material handling. All the workstations are integrated in a unified system with a common automated transfer mechanism and a common control system and are synchronized so that they can begin their work simultaneously. Since automated production lines are capital intensive, it is particularly important to ensure their uninterrupted operation. A stoppage in a production line, due to a failure, causes a drop in production performance as well as possible quality problems on the products. The objective of this dissertation is to develop quantitative models for the reliability analysis and production evaluation of automated production lines, particularly concerning the quality and output rate of the manufactured products. Initially, we present a statistical analysis of failure data of a real automated production line, covering a period of four years. The analysis includes the computation of the most important descriptive statistics of the failure data, the identification of the most important failures, the computation of the parameters of the theoretical distributions that best fit the failure data, and the investigation of the existence of autocorrelations and cross correlations in the failure data. Based on the analysis of the reliability data, we then study the problem of determining the frequency of quality control inspections in a production line. We develop a simple model of a quality inspector who must set the frequency of his visits to the workstations of the production lines under his responsibility, so as to minimize the total production time of undetected, defective products produced at the lines. Finally, we develop a model of a failure-prone, bufferless, paced, automatic transfer line, with continuous processing throughout the length of each workstation. When a workstation fails, it stops operating and so do all the other workstations upstream of it. The quality of the material trapped in the stopped workstations deteriorates with time. If this material remains still in the same place for a long enough time, its quality becomes unacceptable and must be scrapped. We develop analytical expressions for important system performance measures for two variants of the model, under the assumption that the workstation uptimes and downtimes follow "memoryless" distributions. We then use these expressions to study the effect of system parameters on system performance. To evaluate the memoryless assumption, we compare the performance of the original model with that of a modified model, in which the workstation downtimes do not follow memoryless distributions. The performance of the modified model is obtained via simulation.

Μια παραδοσιακή, ευρέως διαδεδομένη μορφή οργάνωσης της βιομηχανικής παραγωγής μεγάλης κλίμακας και μικρού εύρους είναι η αυτοματοποιημένη γραμμή παραγωγής. Σε μια αυτοματοποιημένη γραμμή παραγωγής, όλα τα υλικά επισκέπτονται τους ίδιους σταθμούς εργασίας εν σειρά, απλουστεύοντας έτσι την διακίνηση υλικών Όλοι οι σταθμοί εργασίας είναι ολοκληρωμένοι σε ένα ενιαίο σύστημα με έναν κοινό, αυτοματοποιημένο μηχανισμό μετακίνησης και ένα κοινό σύστημα ελέγχου και είναι συγχρονισμένοι έτσι ώστε να μπορούν να ξεκινούν τις εργασίες τους ταυτόχρονα. Επειδή οι αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής είναι συστήματα έντασης κεφαλαίου, είναι ιδιαίτερα σημαντική η εξασφάλιση της απρόσκοπτης λειτουργίας τους. Μία στάση σε μια γραμμή παραγωγής λόγω βλάβης, πέρα από την μείωση της απόδοσης παραγωγής, μπορεί να επιφέρει και ποιοτικά προβλήματα στα παραγόμενα προϊόντα. Αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη ποσοτικών προτύπων για την ανάλυση αξιοπιστίας και την εκτίμηση απόδοσης αυτοματοποιημένων γραμμών παραγωγής, κυρίως όσον αφορά την ποιότητα και τον ρυθμό των παραγομένων προϊόντων. Αρχικά, παρουσιάζουμε μια στατιστική ανάλυση δεδομένων αξιοπιστίας μιας πραγματικής αυτοματοποιημένης γραμμής παραγωγής, που καλύπτει μια περίοδο τεσσάρων ετών. Η ανάλυση περιλαμβάνει τον υπολογισμό των σημαντικότερων περιγραφικών στατιστικών στοιχείων βλαβών, τον προσδιορισμό των σημαντικότερων βλαβών, τον υπολογισμό των παραμέτρων κατανομής και την διερεύνηση για την ύπαρξη αυτοσυσχέτισης και συσχέτισης στα στοιχεία βλαβών. Βασιζόμενοι στην ανάλυση των δεδομένων αξιοπιστίας, στην συνέχεια μελετάμε το πρόβλημα του καθορισμού της συχνότητας επιθεωρήσεων ποιοτικού ελέγχου σε μια γραμμή παραγωγής. Αναπτύσσουμε ένα απλό μαθηματικό πρότυπο ενός επιθεωρητή ποιότητας που πρέπει να καθορίσει την συχνότητα των επισκέψεων του στους σταθμούς εργασίας των γραμμών παραγωγής που βρίσκονται υπό την ευθύνη του, με σκοπό να ελαχιστοποιηθεί ο συνολικός χρόνος παραγωγής των μη-ανιχνευθέντων, ελαττωματικών προϊόντων που παράγονται στις γραμμές. Τέλος, αναπτύσσουμε ένα μαθηματικό πρότυπο μιας υποκείμενης σε βλάβες αυτόματης γραμμή παραγωγής, χωρίς ενδιάμεσους χώρους αποθήκευσης, με συγχρονισμένη, βηματική κίνηση και συνεχή ροή της επεξεργασίας κατά μήκος κάθε σταθμού εργασίας. Όταν ένας σταθμός εργασίας πάθει βλάβη, σταματά, με αποτέλεσμα όλοι οι σταθμοί εργασίας που βρίσκονται στα ανάντη από αυτόν να σταματούν επίσης. Η ποιότητα των προϊόντων που είναι παγιδευμένα στους σταματημένους σταθμούς εργασίας επιδεινώνεται με τον χρόνο. Εάν τα προϊόντα αυτά παραμείνουν ακινητοποιημένα στην ίδια θέση περισσότερο από ένα κρίσιμο χρονικό όριο τότε η ποιότητα τους γίνεται μη αποδεκτή και πρέπει να απορριφθούν. Αναπτύσσουμε αναλυτικές εκφράσεις για σημαντικά μέτρα απόδοσης του συστήματος για δύο διαφορετικές εκδοχές του προτύπου, υπό την παραδοχή ότι οι χρόνοι βλάβης και επισκευής των σταθμών ακολουθούν κατανομές «χωρίς μνήμη». Στην συνέχεια, χρησιμοποιούμε αυτές τις εκφράσεις για να μελετήσουμε την επίδραση των παραμέτρων του συστήματος στην απόδοση του. Για να αξιολογήσουμε την παραδοχή της έλλειψης μνήμης, συγκρίνουμε την απόδοση του αρχικού προτύπου με αυτήν ενός τροποποιημένου προτύπου, στο οποίο οι χρόνοι επισκευής δεν ακολουθούν κατανομές χωρίς μνήμη. Η απόδοση του τροποποιημένου προτύπου εκτιμάται μέσω προσομοίωσης.