Εφαρμογή θεωρίας περιορισμών στον προγραμματισμό και έλεγχο παραγωγής: ανάλυση με τεχνικές θεωρίας δυναμικής συστημάτων

Abstract

This research is on the short-term Production Planning and Control (PPC) for make-to-order / flow-shop manufacturing systems. In particular, it proposes a novel dynamic PPC system (DBR-PPC system), which integrates the Drum-Buffer-Rope (DBR) approach of Theory of Constraints (TOC) into a System Dynamics (SD) model. In the first step of the thesis, a thorough literature review revealed that the incorporated time buffer in DBR-PPC systems is considered as an exogenous constant parameter defined by production managers. However, this empirical approach ignores the continuously changing external and internal environment of manufacturing. In the second step of the thesis, the proposed DBR-PPC model is developed by means of SD methodology. The innovative element of this model is on developing an endogenous dynamic control mechanism for continuously tuning the time buffer (Production Time Buffer - PTB). This control mechanism, practically, monitors the dynamic demand changes and the operational disturbances of the manufacturing system itself (existence of limited material, capacity constraint resource (CCR) shutdown due to worker absence or machine breakdown). This model reflects the operation of a typical make-to-order / flow-shop manufacturing system with a CCR. The typical system produces a single product and purchases one type of raw material. The main operational assumptions include normal distribution for demand and stochastic processing times. The proposed model is a non-linear, dynamic, mathematical model of twelfth degree and it is developed by means of the simulation software Powersim® 2.5c. Its effectiveness is evaluated by ten indices. In the third step of the thesis, the behavior of the DBR-PPC system is simulated under various sets of value of its seven control parameters (five control parameters of the external and internal environment and two control parameters of the PTB value). The PTB control parameters are the parameter K1 calculating the PTB increase and the parameter K2 calculating the PTB decrease. The effect of various PTB planning policies (parameters K1 and K2) on the effectiveness of the manufacturing system is examined by extensive numerical investigation under various levels of the rest control parameters. For this purpose, a thorough sensitivity analysis was conducted based on three groups of simulation runs and Analysis of Variance (ANOVA) of the simulation results was conducted in each group. The results of the sensitivity analysis revealed that, there is no meaning to track a specific combination of K1 and K2 - inside their definition limits - in order to optimize the manufacturing process indices. The PTB control mechanism is revealed to be robust to changes of external environment (demand) and internal environment (operational disturbances of the manufacturing system itself). In the fourth step of the thesis, the effectiveness of the proposed DBR-PPC system was compared to that which assumes different operational assumptions.

Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή εξετάζεται ο βραχυπρόθεσμος Προγραμματισμός και Έλεγχος Παραγωγής (ΠΕΠ) σε συστήματα παραγωγής συνεχούς ροής (flow-shop) που παράγουν για ικανοποίηση παραγγελιών (make-to-order). Διαμορφώνεται ένα σύστημα ΠΕΠ (DBR Σύστημα ΠΕΠ) που εφαρμόζει την προσέγγιση Drum-Buffer-Rope (DBR) της Θεωρίας Περιορισμών (Theory of Constraints - TOC). Για πρώτη φορά το DBR Σύστημα ΠΕΠ αναπτύσσεται σύμφωνα με τις αρχές της Θεωρίας Δυναμικής Συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο στάδιο της διατριβής διεξήχθη μια εκτενής βιβλιογραφική επισκόπηση που αποκάλυψε ότι η τιμή του χρονικού αποθέματος που χρησιμοποιείται στα DBR Συστήματα ΠΕΠ ορίζεται ως σταθερή εξωτερική παράμετρος του συστήματος παραγωγής από τους υπεύθυνους παραγωγής χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το συνεχώς μεταβαλλόμενο εξωτερικό και εσωτερικό περιβάλλον του συστήματος παραγωγής. Στο δεύτερο στάδιο της διατριβής αναπτύχθηκε το δυναμικό πρότυπο του DBR Συστήματος ΠΕΠ. Στο πρότυπο αυτό η τιμή του χρονικού αποθέματος (Production Time Buffer - PTB) διαμορφώνεται από έναν ενδογενή δυναμικό μηχανισμό ελέγχου που παρακολουθεί τις δυναμικές αλλαγές της ζήτησης και τις λειτουργικές διαταραχές του εσωτερικού περιβάλλοντος του παραγωγικού συστήματος (ύπαρξη περιορισμένων πρώτων υλών, διακοπή λειτουργίας της θέσης περιορισμού λειτουργίας (CCR) λόγω απουσίας εργατοτεχνίτη ή βλάβης εξοπλισμού παραγωγής). Το πρότυπο προσομοιώνει με ικανοποιητική προσέγγιση τη λειτουργία ενός τυπικού παραγωγικού συστήματος με περιορισμό λειτουργίας που απεικονίζει παραγωγή συνεχούς ροής για ικανοποίηση παραγγελιών ενός τελικού προϊόντος χρησιμοποιώντας ένα είδος πρώτης ύλης. Η ζήτηση θεωρείται ότι ακολουθεί κανονική κατανομή και οι χρόνοι κατεργασίας είναι στοχαστικοί. Το πρότυπο είναι ένα μη γραμμικό, δυναμικό, μαθηματικό πρότυπο δωδεκάτου βαθμού και διαμορφώθηκε και επιλύθηκε με τη χρήση της ειδικής προσομοιωτικής γλώσσας Powersim® 2.5c. Η αποτελεσματικότητά του μετράται με δέκα δείκτες. Στο τρίτο στάδιο προσομοιώθηκε, με τη χρήση του προτύπου, η συμπεριφορά του παραγωγικού συστήματος κάτω από εναλλακτικές τιμές των επτά μεταβλητών ελέγχου του (πέντε μεταβλητές ελέγχου του εξωτερικού και εσωτερικού περιβάλλοντος και δύο μεταβλητές ελέγχου της τιμής PTB). Ως μεταβλητές ελέγχου της τιμής PTB ορίσθηκαν η παράμετρος υπολογισμού της αύξησής της (μεταβλητή Κ1) και η παράμετρος υπολογισμού της μείωσής της (μεταβλητή Κ2). Η επίδραση των διαφορετικών πολιτικών PTB (τιμές Κ1 και Κ2) στην αποτελεσματικότητα του παραγωγικού συστήματος προέκυψε από τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του συστήματος κάτω από εναλλακτικές τιμές των υπόλοιπων μεταβλητών ελέγχου του. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε μια εκτενής ανάλυση ευαισθησίας σχεδιάζοντας τρεις ομάδες στατιστικών πειραμάτων και έγινε ανάλυση μεταβλητότητας (ANOVA) των αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, δεν υπάρχει σκοπιμότητα αναζήτησης - εντός των ορίων που μελετήθηκαν - του συνδυασμού των μεταβλητών ελέγχου Κ1 και Κ2 που βελτιστοποιεί τους δείκτες αποτελεσματικότητας της παραγωγικής διαδικασίας. Ο μηχανισμός ελέγχου PTB αποδεικνύεται στιβαρός σε αλλαγές του εξωτερικού περιβάλλοντος (ζήτηση) και του εσωτερικού περιβάλλοντος (λειτουργικές διαταραχές στην παραγωγή). Στο τέταρτο στάδιο έγινε συγκριτική αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του προτεινόμενου DBR Συστήματος ΠΕΠ στην περίπτωση αλλαγής των λειτουργικών υποθέσεων που το χαρακτηρίζουν.