Üretim sistemlerinde otomasyon
Automation in production systems
Yazar: NARTHAN CEMAL SAADET
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Matematik = Mathematics ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Akış tipi üretim = Flow shop production ; Benzetim = Simulation ; Gecikmeli diferensiyel denklemler = Delay differential equations ; Kararlılık = Stability ; Kontrol mühendisliği = Control engineering ; Sürekli sistemler = Continuous systems ; Üretim denetim sistemleri = Production control systems ; Üretim denetimi = Production control ; Üretim planlaması = Production planning

Özet:
Uzun yıllardır araştırma konusu olan üretim sistemleri ve montaj hatları hakkında gerek fiziksel yapıları gerekse oluşturulma düzenleri konusuda oldukça fazla miktarda çalışma bulmak mümkündür. Mevcut sistemler geliştirilirken aynı zamanda bu sistemleri incelemek üzere kullanılan metodlarda giderek gelişmiştir. Yapılan bu çalışmada kullanılan metodlara farklı bir çözüm getirmek için eski modelleme metodlarında aynı sürekli zaman modellerine zaman gecikmesi kontrolü uygulanarak sistemin kararlılık noktalarının belirlenmesine çalışılmıştır.Çalışmanın birinci bölümünde üretim sistemlerinin tarihine göz atılmış ve bu çalışmanın amacı anlatılmıştır.İkinci bölümde ise üretim kelimesinin anlamından başlanarak bilinen bütün üretim sistemleri ve alt dalları anlatılmıştır. Üretim sistemleri birçok farklı şekilde sınıflandırılmış olmakla birlikte temelde geleneksel ve çağdaş üretim sistemleri olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu ayrım yapılırken üretimin nasıl yapılacağı büyük önem taşımaktadır. Üretimin stoğa veya siparişe göre mi yapılacağı varsa sipariş miktarları ve sıklığı gözönünde bulundurulmalıdır.Geleneksel üretim sistemleri kendi içinde ürüne uygulanan stok politikasına göre, ürün çeşidi ve miktarına göre ve üretim sürecine göre olmak üzere üç çeşittir.Stok politikasına göre üretim sistemleri stok için üretim, sipariş için üretim ve siparişe göre son işlemler olmak üzere üçe ayrılır. Stok için üretimde genelde standart parçalar işlenmekte olup müşterinin ihtiyacını kısa sürede karşılamak için kullanılır. Sipariş için üretimde sadece müşterinin isteği oluştuktan sonra ürün yapılmaya başlanır. Siparişe göre son işlemlerde ise mevcut bir ürün üzerinde müşteri istekleri üzerine değişiklikler yapılır.Ürün çeşidi ve miktarına göre sınıflandırmada yine kendi içinde dörde ayrılır ve proje tipi üretim, parti tipi üretim, kitle tipi üretim ve proses tipi üretim şeklindedirler.Proje tipi üretimde üretilecek olan ürünler genelde sadece bir kereye özgü olarak yapılan ve müşteri üzerine üretilen ürünler için kullanılır. Parti tipi üretim ve kitle tipi üretim birbirine benzemekle beraber aralarında önemli bir farklılıklar vardır. Parti tipi üretimde ürün çeşidi fazla olup her üründen üretilen miktar sayısı sınırlıdır. Kullanılan makine teçhizat genel amaçlı olup koordineli ve programlı çalışmayı gerektirir. Kitle tipi üretimde ise benzer özelliklere sahip olan ürünler büyük sayılarda üretilirler. Parti tipi üretimde çeşit fazla adet az iken kitle tipi üretimde çeşit az ancak sayı fazladır. Proses tipi üretim ise ürün çeşidi az olup üretim aşamaları birbirine benzer olan ürünlerdir. Bu açıdan kimya sanayinde sıklıkla kullanılırlar.Üretim sürecine göre sınıflandırma sipariş tipi, akış tipi ve sabit konumlu atölye olmak üzere üçe ayrılır. Sipariş tipi atölyelerde kullanılan makineler genel amaçlı olup kalifiye işçilik gerektiriler. Özellikle depolama ve ara stok bölmeleri problem oluşturur. Akış tipi atölyede makineler genellikle tek amaçlıdır ve birbiri ardına dizilmiştirler. Sabit konumlu atölye tipinde ürün değil ürünü oluşturacak olan makine ve ekipman hareket eder.Çağdaş üretim sistemleri özellikle rekabetin arttığı ve sadece teknik değil aynı zamanda yönetim anlayışlarınında imalata uygulandığı tekniklerdir. Kendi içinde hücresel, tam zamanında ve esnek üretim sistemleri olmak üzere üçe ayrılırlar. Hücresel üretim sistemlerinde benzer parçaların birbiri ardına belli bir sıra gözetmeksizin arda arda işlenebilmesi esasına dayanır. Malzeme akışı ve makine teçhizatın yerleşimi de buna uygun olarak yapılır. Tam zamanında üretim sistemlerinde stokların azaltılabilmesi için satın almadan ürünün müşteriye ulaştırılmasına kadar olan bütün süreçler optimize edilmeye çalışılır. Esnek üretim sistemlerinde ise bilgisayarların esnekliğinden üretim alanında maksimum seviyede yararlanılmaya çalışılır.Bir üretim sistemini oluşturan birçok parça ve alt sistem olmakla beraber içlerinde en önemli olan bileşen ve mevcut çalışmanın konusu olan montaj hatlarının tarihçesi milattan önceki yıllara rastlar. Binlerce yıldan beri üretimin ayrılmaz bir parçası olan bu sistemler kendi içlerinde seri, U tipi, paralel istasyonlar, paralel hatlar ve iş istasyonları olmak üzere beş ayrı gruba ayrılırlar. Montaj hatları tek başına makine ve insandan oluşabileceği gibi sadece insan ve sadace makine sistemlerinden de oluşabilmektedir. Tüm bu sistemlerin ortak noktası bir bütünü oluşturacak olan paraçaların tek tek birleştirilerek işlemlerin daha hızlı, eksiksiz ve her açıdan istenen şekilde olmasını sağlamaktır.Çalışmanın üçüncü kısmında montaj hatlarının modellenmesi yer almaktadır. Montaj hatlarının öneminin artması ile işletmelerin rekabet kapasitelerini arttırmaları ve rakiplerinin önüne geçebilmeleri bu sistemleri daha etkin kullanabilmelerine bağlı hale gelmiştir. Bu sebeple montaj hatlarının daha analitik ve bilimsel şekilde analzinin yapılması gerekmiştir. Bu amaçla zaman içerisinde dört adet modelleme tekniği üzerinde durulmuştur. Sürekli zaman modelleri tekniği diferansiyel denklemlere dayalı bir teknik olup genellikle kontrol teorisini kullanan ararştırmacıların ilgi alanına girmektedir. Bu yöntem modellemenin ve çözümün hızlı olması avatajı oluşurken gerçek hayatta oluşabilecek olan gecikmelerin etkisi gösteremezler.Kesikli zaman modelleri yine sürekli zaman modelleri gibi diferansiyel denklemlere bağlı olup benzer yapıya sahiptirler. Ancak kesikli yapıları doğası ile gerçek hayatta oluşabilcek olan gecikmeleri modele yansıtabilirler. Kesikli olay simülasyonu modelleri belli bir matematiksel denklem kalıbına bağlı olmayıp modellemeyi yapan kişinin deneyimlerine ve algoritma oluşturabilme yeteneğine bağlıdırlar. Yöneylem araştırması tekniklerinde ise herşey çoğunlukla deterministik olarak bir denklem ile ifade edilir. Birçok farklı yöntemi barındırmaktadır.Montaj hatlarının sürekli zaman yöntemi ile modellenmesi ellili yıllardan beri üzerinde çalışılan bir konudur. Sürekli zaman modellemesi yönteminin esası montaj hattının bir sıvı akışkan sistemine benzetilmesi şeklinde özetlenebilir. Burada hattın bir ucundan diğerine doğru akan ürünler, sıvının bir borunun bir ucundan diğer ucuna akış hareketine benzetilir. Ürünlerin ara stok bölgeleri ise sıvı deposuna benzetilerek modellenir.Çalışmanın dördüncü bölümünde sürekli zaman modellerinin zaman gecikmeleri karşısında kararsızlığının incelenmesinde kullanılacak olan genişletilmiş kronecker toplama metodu anlatılmaktadır. Bu metod ile doğrusal zamanla değişmeyen sistemlerin diferansiyel modellerinin çıkartılması ile bir veya daha çok sayıda sayıda gecikmenin sistem üzerindeki etkisi incelenebilir. Bu yöntem denklemi verilen bir sistemin karakteristik köklerinin mevcut veya olması muhtemel zaman gecikmeleri karşısında kompleks düzlemin sağ yani kararsızlık bölgesinde olup olmadığı araştırılır. Burada asıl yapılmaya çalışılan sağ düzlemde bulunan köklerin bulunması değil gecikmeler karşısında imajiner ekseni kesen değerlerin bulunmasıdır.Beşinci bölümde genişletilmiş kronecker toplama metodu ile karasızlık bölgeleri bulunacak olan montaj hattı sisteminin modellenmesi yer almaktadır. İncelemesi yapılacak olan sistem üç ayrı montaj hattından oluşmakta olup iki hat birbirine paralel üçüncü bir hat ise diğer ikisine seri olarak çalışmaktadır. Paralel hatlardan gelen ürünler üçüncü hatta birbirine monte edilmektedir. Yapılan araştırma sonucunda görülmüştür ki literatürde bu yönde yapılmış bir çalışma yoktur.Çalışmanın son bölümünde yapılan işlemlerin ve deneylerin sonuçları yeralmaktadır. Genişletilmiş kronecker toplama metodu ile ede edilen sonuçlar endüstride oldukça yaygın şekilde kullanılan ARENA programının sonuçları ile karşılaştırılmış ayrıca ek olarak modellenen sistemin bir benzeri gerçek dünyada oluşturulmuş ve tüm sonuçların birbiri ile örtüştüğü görülmüştür.

Abstract:
Production systems and assembly lines have been an area of study for a long time and it is possible to find numerous research about from their physical construction to order of placement. While existing systems are in progress of development, methods which are used to examine those systems are developed too. In this study, to offer a new solution for existing methods, time delay control method is applied to a continuous time model to predict unstability regions of the system.In the first chapter of this study historical development of production systems and purpose of this work is explained.In the second chapter of the study, entire production systems and their sub systems are mentioned starting from the meaning of production. Although production systems are categorized in numerous different types, they are seperated in two main groups which are traditional and modern production systems. How the production is made carries an important role in categorization. Whether production is made for inventory or coming orders and if it is made for orders amount and regularity of the orders have to be considered.Traditional production systems are categorized as, according to their inventory policy, amount and variety of products, production process.Production systems according to their inventory level is also categorized in three groups as production for order, production for inventory and final process for order. Production for inventory systems are used where customer orders have to be met immediately. Production for order system is used when a production facility works only after customer order. Final process for order systems are used where a standart product is changed with customer needs.In amount and variety of products categories have sub-categories as project type, batch type, mass type and process type.Products which are built with project type production systems, are manufactured for once and only after customer order. Although batch type and mass type production systems seems like each other they have important differences. In batch type production amount of product is limited but variety of products is excessive. With this type of systems machines used in the production area have to be versatile and fast resposive, it also requires coordination and delicate production planing. In mass type systems variety of products is limited but number of goods produced from different type of products are more than batch type production. Process type systems are used where required processes for different products are similar and follows the same sequence. This method is mostly used in chemical industries.Production process type category also has sub categories as order type, flow type and fixed placed shop. Order type systems have to have general purpose machinery and skilled work force. Especially inventory and storage areas cause a lot of problems. Flow type production systems have single purpose machinery and they mostly queued one after another. This type of machinery requires a lot of capital investmen but very little skilled worker. Fixed placed shop systems are only used when the product is too bir to move. In those systems machinery moves around the product.Modern production systems techniques are developed due to competition and need to apply not only technical but also managerial consepts into production systems. Cellular, just in time and fleksible production systems are gathered under modern production systems title. Celluar production systems are based on processing similar products together without distinction of process sequence. Material flow and machine placement is planned according to products.In just in time systems for minimizing inventory levels all processes from purchasing to customer delivery are optimized. Fleksible production systems use the adventage of computers in the manufacturing area and by connceting field and management control of production gets easier.There are many subsystem and components inside of a production system but the most important of all is assembly lines which dates back to B.C. Assembly lines have been an inseperable part of production systems for thousands of years and they are categorized as serial, U type, paralel stations, paralel lines and workstations.Assembly lines can exist only one machine and a worker or without any workers or machines. All the common feature of these systems is, parts that will form the product mounted piece by piece and every stage of assembly is assured to have the required quality level for every aspect.In the third chapter, modeling of assembly lines is explained. With the growing importance of assembly lines, to stay competitive and to take over their competitors, companies become dependent on using assembly lines more effectively and efficiently. That?s why assembly lines had to be analized with more analytic and scientific methods.Those researches led us into four different type of modeling. Continuous time modeling uses differential equations and used heaviliy by researchers who use control theory. This method gives fast solutions and easy to model but it lacks to reflect the effects of time delay that may occur in real systems.Discrete time models also use differential equations like continuous time models and have similar construction. But their discrete nature gives them ability to reflect real world time delays into the model. Discrete event simulation models does not have a mathematical representation that?s why they heavily depend on modeler?s experience and ability to construct algortihm. Operation research techniques are mostly deterministic and involves many different techniques.Modeling of assembly lines using continuous time modeling method have been used and researched since 1950?s. The main feature of this technique is that it uses an analogy between fluid flow and assembly systems.In this analogy fluid flow represents material flow just like fluid flows from inlet to the outlet of a pipe materials move from one process to another. Stock areas between the stations and finished goods are represented by a fluid depot.In the fourth chapter, CTCR method is presented. This method is used to examine a systems behaviour against time delays and find their unstability regions, those systems must be modeled with continuous time. This method can be used to model linear time invariant systems and to examine the effects of single or multi time delays on the system. This method investigates if the given systems characteristic roots lies on the right hand side of the complex plane when the system is exposed to time delays or to find the numerical values of time delays that can cause the system to become unstable. What is actually done in this method is not finding roots which lays on the right side of the plane, its purpose is to find roots which is crossing imaginary axis when exposed to time delays.In the fifth chapter, the assembly line which exposes to time delays is modeled. The assembly line consist?s of three different lines. First and second lines are paralel to each other while third line is serial to those two. Paralel lines are upperstream assembly lines and they are thought to be never starved and the demand for the finished goods never becomes zero. To find these system unstability regions Extended Konecker Summation Method is used. Literature research on this subject confirms no such systems modeling and stability control has done by others.The last chapter presents results of this study. Results gathered by the system?s model?s solution using extended kronecker summation method is compered to ARENA simulation program which is widely used in this area and a real world application is presented which all confirms the results of the solution gathered by Extended Kronecker summation method.