Bài Giảng Hệ Thống Sản Xuất Linh Hoạt _ www.bit.ly/taiho123

Ở ñây, ñiều quan trọng là cung cấp một sơ ñồbốtrí của các thiết bịgiúp các máy công cụ, các thiết bịvận chuyển có thểdễ dàngñược thiết lập ñểhệthống có thể làm việc theo khái niệm sản xu

 Ví dụ, phương pháp lập kếhoạch có trợgiúp của máy tính

khác rất nhiều so với phương pháp lập kế hoạch bằng tay sử

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Hệthống lập kếhoạch phức tạp có thểsửdụng các biểuñồ,

quy hoạch tuyến tính và quy hoạchñộng, mô phỏng, mạng

lưới Petri, và phương pháp trí tuệnhân tạo

 Thông thường rất khóñểxácñịnh công cụnào có lợiñểsử

dụng trong giải quyết 1 vấn ñề ñưa ra

 Người lập kếhoạch phải truy cập vào tất cảcác dữliệu cần

thiết và cập nhật cơsởdữliệuñể ñảm bảo là thông tin luôn

luôn mới

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Trong nhiều trường hợp, lập kếhoạch là một công việc lặp lại

và các công cụ cơbản thườngñược sửdụng nhiều lần

 Vì vậy, hệthống kếhoạch hóa phảiñược thiết kếtheo môñun,

các môñun có thể ñược tham sốhóa bởi người sửdụng ít

kinh nghiệm

 Cũng có thểcung cấp dạng thưviện các thành phần, từ ñó

thiết lập nên hệ thống lập kếhoạch cho từng mụcñích

Hai công việc lập kế hoạch liên quanñến quá trình sản xuất là

kếhoạch vềtrang bịvà các nguyên công

Trong FMS hai công việc này không ñược phân chia một cách

rõ ràng

Ở ñây, ñiều quan trọng là cung cấp một sơ ñồbốtrí của các

thiết bịgiúp các máy công cụ, các thiết bịvận chuyển có thểdễ

dàngñược thiết lập ñểhệthống có thể làm việc theo khái niệm

sản xuấtảo

Trướcñây ngành công nghiệp xem mô phỏng nhưmột công

cụngoại lai chỉhữu dụng trongñào tạo, do hệthống mô phỏng

khó áp dụng và cần máy tính lớn

Trong những năm gầnñây, tình hìnhñóñã thayñổi Các hệ

thống mô phỏngñãñược tăng lên với thiết kếgiao diện hướng

người sửdụng, và các máy chủcũngñược phát triển Thêm

vàoñó, với việc phát triển của mạng máy tính, cho phép các

máy chủliên kết với nhau tạo thành một mạng máy tính lớn

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Người kỹsưxây dựng mô hình toán hay ñồhọa các quá trình

cần nghiên cứu (với sựmô phỏngñược hỗtrợcủa máy tính)

và quan sát trạng thái, sựlàm việc của nó

Kết quảcủa mô phỏng là các bản ghi hay hìnhảnhñộng trực

quan trên màn hình Vì vậy người kỹsưcó thểkhảo sát các

hoạtñộng sản xuất khác nhau mà không cần setup máy hay

các quá trình gia công thật

Mô hình thường chỉgồm các bộphận thiết yếu của quá trình

cần khảo sát Do ñó, việc xây dựng và thực hiện của mô hình

sẽnhanh

 Nó cho phép khảo sát các quá trình sản xuất khác nhau

nhanh

 Nó cũng cho phépñiều chỉnh tăng tốc hay làm chậm một quá

trình sản xuấtñểcó một cái nhìn tổng quát hay chi tiết về quá

trình sản xuất Ngoài ra có thểthêm các nhiễu loạnñểxem

ảnh hưởng của nó

Mô phỏng cũngñược dùng cho ñiều khiển quá trình sản xuất

Trong trường hợp này, mô hìnhñiều khiển hoạtñộng song

song với hệthống sản xuất

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

2.2 Các phương pháp mô hình hóa

Có các mô hình khác nhau ñểmô hình hóa một nhà máy sản

- Trong mô hình toán học, cácñối tượng của 1 hệ thống sản

xuất và các thuộc tính của nóñược trình bày bằng các biến

- Các hoạtñộngñược mô tảbằng các hàm toán học, ñịnh nghĩa

mối tương quan giữa các biếnñổi trong sản xuất

- Mô hình toán học có thểlà kiểu tĩnh hoặcñộng

- Với kiểu tĩnh, mô hình hệthống trong trạng thái cân bằng;

- Với kiểuñộng, hệthống có thểtrong trạng thái thayñổi liên

tục

- Trong thực tếcả2 kiểuñược sửdụngñểmô tảcác hoạt

ñộng của hệthống sản xuất

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

- Các phương pháp vận trù học cung cấp các công cụcho việc

xây dựng mô hình hệthống sản xuất Các công cụnày có thể

thấy trong mô hình hóa lập kếhoạch, ñiềuñộvàñiều khiển

các chức năng cuảquá trình sản xuất

- Các phương pháp vận trù học bao gồm quy hoạch tuyến tính,

quy hoạchñộng, phân tích mạng, mô hình hàngñợi, và mô

phỏng số

- Các phương pháp vận trù thườngñược áp dụngñể giải quyết

các vấnñềcủa những lĩnh vực khác nhau; chẳng hạn, thuật

toán vận chuyển cho việc phân bốcác chi tiết tới các máy

công cụcó thể ñược áp dụngñểlập kếhoạch thứtựgia công

các lỗtrong một chi tiết kim loại mỏng có hình dạng phức tạp

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Mô hình ñồ họa

Các mô hình ñồh a là các công cụquan trọngñểbiểu diễn

hoạtñộng của hệ thống sản xuất Hoạtñộng sản xuất có thể

ñược hiển thịhóa bằng các biểu tượng hoặc ký hiệu

Các biểu tượng là các công cụlý tưởng cho mô phỏng khi hình

ảnh của chúng giống các thiết bịsản xuất Tuy nhiên xây dựng

thưviện các biểu tượng là công việc buồn tẻvà tốn thời gian

Có nhiều cách khác nhauñểký hiệu hóa một hoạtñộng sản

xuất Các công cụmới gầnñây sửdụng mạng Petri

Mô hình vật lý

Các hoạtñộng sản xuất thườngñược mô hình bằng các mô

hình thửnghiệm hay hoạtñộng thửnghiệm Mụcñích là xây

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

2.3 Các phương pháp mô phỏng

 Nếu một quá trình sản xuấtñược mô phỏng:

 Trước tiên mô hìnhñối tượng mô phỏng phảiñược xây

dựng

 Trong trường hợp lý tưởng, ñối với một quá trình liên tục,

mô hìnhñược xây dựng từcác phương trình toán học mô

tảtrạng thái vật lý củañối tượng

 Tuy nhiên cách này ít khiñược thực hiện cho quá trình sản

xuất bởi vì không thểmô tả ảo các nguyên tắc vật lý bên

 Có nhiều hệthống mô phỏng kết hợp cả2 phương pháp

 Hệthống mô phỏng sựkiện rời rạc phù hợp cho nghiên cứu

dòng lưu thông một hoạtñộng sản xuấtñểxácñịnh khả

năng của nó, xácñịnh các bottlenecks, quan sát sựphân

phôi các chi tiết tới các trạm làm việc Cácñối tượngñược

biểu diễn bằng các biểu tượng hay ký hiệu với mô phỏngñồ

họa

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

 Khi dùng biểu tượng, hệ thống sản xuất có thể ñược hiển thị

ñộng trực tiếp trên màn hình vàñược quan sátởcác mứcñộ

chi tiết khác nhau Nó rất hữu dụng trong việc quan sát dòng

vật liệu, quá trình gia công và lắp ráp sản phẩm

Mô phỏng các sự kiện rời rạc

- Phần lớn các quá trình sản xuất là các sựkiện rời rạc và phải

ñược mô tảnhưnhững sựkiện rời rạc

- Trướcñây các ngôn ngữlập trình bậc cao như Fortran,

Pascal, …ñược sửdụng cho việc mô phỏng các sựkiện này

- Trong quá trình sản xuất các chi tiết riêng biệt, dòng sản phẩm

hay thông tin xảy ra ngẫu nhiên, ví dụcác chi tiết tới các trạm

theo hàm phân bốxác suất Hàm này biết trước vàñược nhập

vào hệthống mô phỏng

- Trong nhiều trường hợp kinh nghiệm từcác quá trình tương tự

và giảsửsựphân bốxác suấtñượcñưa vào tính toán Trong

một sốtrường hợp khác có thểgiảsửhàm hoặc lấy dữ liệu

thực nghiệm từquá trình chạy thử

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

- Mô phỏng thực hiện với ngôn ngữbậc cao có thể ñược bao

gồm khi dòng vật liệu phảiñược mô tả, vì lý do này các ngôn

ngữriêngñã ñược phát triểnñể nghiên cứu các sựkiện rời

rạc

- Các hệthống mô phỏng sựkiện rời rạc như: GPSS

(general purpose simulation system), SIMULA (simulation

language),…

- Có các chương trình mô phỏng sản xuấtñặc thùñơn giản hóa

các hoạtñộng của nhà máy, như: Witness, Promod,

STARCELL,…

Mô phỏngñồhọa có thể ñược phân thành 3 phương pháp:

 Mô phỏng dùng biểu tượng (icons)

- Với kiểu mô phỏng này, cácñối tượng của hệthống sản xuất

ñược biểu diễn bằng các hìnhảnhñơn giản (biểu tượng) và

lưu trong cơsởdữliệuñồhọañược cấu trúc nhưcác lớpñối

tượng

- Cácñối tượng có thểlà máy công cụ, xe tựhành, robot, …

- Khi hoạt ñộng của hệthống sản xuấtñược mô phỏng, cácñối

tượngñượcñọc ra từcơsởdữliệu vàñược cấu hìnhñểthiết

lập hoạt ñộng

Mô phỏng ñồ họa

- Mô hình biểu tượng cũng phù hợp cho lựa chọn các thành

phần của hệthốngñể thiết lập hệthống Trong trường hợp

này các biểu tượngñược lắp cho cácñối tượng khác nhauñể

mô phỏng

- Các biểu tượng có thể ñược hiển thịtrên màn hình và hệ

thống sẽ ñưa ra một mẫu cầnñiền cho người sửdụngñể ñịnh

nghĩa sựhoạtñộng củañối tượng

của các thiết bịtrên màn hình với sựtrợgiúp của các ký hiệu,

các ký hiệu này có thểtô màu

Mô phỏng sử dụng các ký hiệu logic

- Với phương pháp này, ñối tượngñược mô tảbằng một biểu

vài lầnñến khi nhậnñược giải pháp có thểchấp nhậnñược.

Trong rất nhiều trường hợp dữliệu cơsở ñểmô phỏng không

ñủ, và dữ liệu thực nghiệm có thểphải nhận từchạy sản xuất

thử

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

2.5 Công cụ mô phỏng toàn bộ

Công cụmô phỏng một nhà máy sẽbao gồm một sốmôñun

cho các thành phần của toàn bộhệthống

Không sẵn có một hệ thống mô phỏng cho tất cảcác mụcñích

mà người sửdụng phải tự liên kết các công cụ mô phỏng

Thông thường các hệthống mô phỏng cơbản nhưGPSS,

SLAM có thểmua, tuy nhiên rất nhiều quá trình trong nhà máy

là cácứng dụngñặc thù, vì vậy người sửdụng phải tựxây

dựng các mô ñun

Hệthống mô phỏng toàn bộsẽrất phức tạp bởi vì không dễ

dàng liên kết các môñun cùng nhau thành một khối và vấnñề

là thời gian chạy của máy tính sẽdài

 Cũng không có sựbảoñảm là các môñun có thểtích hợp

thành một hệthống hiệu quả

 Trong nhiều trường hợp, hệthống mô phỏng bao gồm vài

môñun, với cấu trúc nhập/xuất riêng và có thểcó cơsởdữ

liệu riêng cho từng môñun

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Cácñơn vịsản xuất có thểbao gồm các máy công cụ, các

robot, và các xe vận chuyển vật liệu Hệthốngñược xây dựng

từ5 môñun: mô hình hóa, mô phỏng, lập trình, mô phỏng và

ñồhọa Dữliệu ñược lưu trong cơsởdữliệu mô phỏng

- Môñun này chứa tất cảcác môñun cần thiết cho mô phỏng,

bao gồm sản phẩm, các máy công cụ, robot, xe vận chuyển

vật liệu

- Các mô hình mô tảthuộc tínhñộng học cũng như ñộng lực

học, ứng sửcủañối tượng nghiên cứu

- Mô hình nhà máyñược sửdụng cho việc cấu hình hoạtñộng

của toàn bộnhà máy Có một môñun cho sensor và một mô

ñun cho ñiều khiển vòng lặpñểkhảo sát cácứng sửcơbản

của các thành phần

 Mô ñun mô hình hóa

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

- Môñun mô phỏngñược sử dụng cho việc trình diễn hoạtñộng

của thiết bịsản xuất và các thành phần của nó

- Motion planning ñược thực hiện cho tất cảcác thiết bịdi

chuyển nhưrobot, máy công cụ, hệthống vận chuyển

- Các môñun sensor vàñiều khiển cho phép mô phỏng cáchño

vàñiều khiển các hoạtñộng Cũng có các môñun cho việc ra

quyếtñịnh và các chiến lược kếhoạch hóa

 Mô ñun mô phỏng

- Các robot, máy công cụ, …ñược lập trình nhờnhững môñun

này

- Việc lập trình có thể ñược thực hiện theo dạng text, ñồhọa,

hay hướng nhiệm vụ

- Bộthông dịch là giao tiếp giữa hệthống lập trình và mô phỏng

Mã chương trìnhñược biên dịch và sauñó hiển thịnhưcác

biểu tượngñộng trên màn hình

 Mô ñun lập trình

- Môñun này bao gồm tất cảcác công cụmáy tính cần thiết cho

việc mô hình hóa và mô phỏng

3 Sơ ñồ mạng Petri Nets

3.1 Giới thiệu

Trong quá trình sản xuất, cácñối tượng nhưdòng vật liệu

trong nhà máy có thểdi chuyển: tuần tự, không tuần tựhoặc

song song

- Ởmỗi trạm gia công, các công việcñược thực hiện vớiñối

tượng, như: cắt vật liệu, xửlý nhiệt, lắp ráp, v.v

- Mỗi công việc (hay gọi là một sựviệc) ñược thực hiện bởi

các nguồn lực sản xuất (cácñối tượng sản xuất) – các máy

công cụ, robot, công nhân,…

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Năm 1964, Carl A Petri giới thiệu mô hình Petri nets:

 Mô hình Petri nets sauñóñãñược phát triển rộng rãiñể

nghiên cứu cấu trúc, ñiều khiển của các hệthốngñồng thời

và song song

 Lúcñầu nóñượcứng dụng chủyếu trong các hệthống máy

tính và giao thức mạng, sauñó Petri nets ñượcứng dụng

trong các hệthống sản xuất

Petri net ñã chứng minh rất hữu dụng trong mô hình hóa, kiểm

tra, phân tích, vàñiều khiển các hệthống sản xuất, vì nó có

thểthu thập hay bắt giữ (capture) cácñặc tính chủyếu của

- Sựxungñột do việc dùng chung các nguồn lực sản xuất

(các máy có thểthực hiện các công việc khác nhau)

- Các quá trình rời rạc (các quá trình sản xuất có thể ñược

xem nhưsựnối tiếp của các sựkiện rời rạc)

ðặc tính vềthời gian Petri nets rất hữu dụng trong nghiên cứu

sựthực hiện của các hệ thống FMS ñểthu nhận các thông tin

nhưnăng suất, khảnăng khai thác máy của hệthống, v.v

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

3.2 Lý thuyết về Petri nets

3.2.1 Các thuật ngữvà khái niệm cơbản

3.2.1.1 Cấu trúc của Petri nets

Cấu trúc của một Petri net là mộtñồthịhướng 2 phần, bao

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

3.2.1.2 Ma trận liên thuộc

Cấu trúc của Petri net có thể ñược mô tảbằng ma trận liên

thuộc của các places và transitions:

A = [ aij ]nm

Trongñó:

( ) ( )ij

t2

t3

Ma tr ậ n liên thu ộ c c ủ a mô hình Petri net trong ví d ụ trên nh ư sau:

-1 -1 +1

t3

+1 +1

P3

0 +1

P2

-1 -1

- Gán một sốkhông âm của các token (ký hiệu bằng dấu chấm

màuñen) cho mỗi vịtrí (place) của mạng Petri

- Một vịtrí (place) piñượcñánh dấu nếu M(pi) ≠0

- Ký hiệu M0là dấu ban ñầu (initial marking)

GV: TS Trần đức Tăng Ờ Khoa HKVT

Vắ dụ về ựánh dấu ban ựầu (Initial marking)

0

1 0

2 0

Trongựó thành phần thứi tươngứng vớiựánh dấu của vịtrắ

(place) thứi (i = 1,Ầ,n)

3.2.1.4 Nguyên tắc firing (firing rules)

- đánh dấu (marking) có thểthayựổi bởi firing transitions (thể

hiện tắnhựộng trong Petri nets)

- Một transition tựược gọi là fireable bởiựánh dấu M nếu và chỉ

nếu mọiựầu vào p ∈Input (t) chứa ắt nhất một token, nghĩa là

M(p)>0

- Mọi transition ựược khởiựộng bởiựánh dấu M có thểfiring

- Khi một transitition t nàoựó firing, một token ựược loại bỏkhỏi

input place, và một token ựược thêm vào các output place của

nó => Tạo ra một sự ựánh dấu mới của mạng Petri nets

- t1và t2có khảnăng firing bởiñánh dấu ban ñầu M0, tuy nhiên t3

không có khảnăng (ñầu vào của (p 2 ) không có token)

- Firing của t1loại một token từ ñầu vào p1, thêm một token cho

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

t1và t2trong trường hợp thứ2 gọi là xungñột với nhau Vì vậy

cần phải lựa chọn transition mà sẽfiring.

Sựtiến triển tiếp của các mạng Petri có thểkhác nhau, phụ

thuộc vào transition nàoñược chọnñểfiring.

Petri net không yêu cầu sốtoken cần phải bảo tồn, do tổng số

của token có thểthayñổi sau mỗi lần firing Trong trường hợp

thứnhất của ví dụtrên, firing của t1loại bỏmột token nhưng

tạo ra 2 token, vì vậy tăng tổng số của token thêm 1

3.2.1.5 Các thuộc tính cơ bản của Petri net

Firing của một transition trong thực tếcó thể ñược diễn giải

nhưsự xảy ra của một sựviệc (event), nó tiêu tốn một nguồn

lực và tạo ra các nguồn lực khác

Token biểu diễn các nguồn lựcởmột trạng tháiñã biết, ñược

thểhiện bởi các places

Sựtồn tại của một hay nhiều các token chỉra sựsẵn sàng của

các nguồn lực, vì vậy có thể làm cho các sựviệc (event) có thể

xảy ra; ngược lại nếu không có token nghĩa là các nguồn lực

chưa sẵn sàng

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Token cũng có thể ñược xem nhưcácñiều kiện, ñược trình

bày bởi các places Phụthuộc vào cácñiều kiện có thỏa mãn

hay không mà một sốsựviệc (event) xảy ra, nó sẽlàm cho

ñiều kiện cũmấtñi và tạo ra các ñiều kiện mới (mô tả bởiñánh

dấu mới)

Trong môi trường sản xuất:

 Các tokens biểu diễn các nguồn lực như: máy, chi tiết, v.v

 Transition firing biểu diễn sựbắtñầu hay kết thúc của một

công việc

 Các places và transition cùng biểu diễn các ñiều kiện và các

mối quan hệvềthứtự ưu tiên trong các hoạtñộng của hệ

thống sản xuất

ðểnghiên cứuñộng học của các hệthống mô hình hóa bằng

Petri net, một việc rất quan trọng là kiểm tra trạng thái sống

-hoạtñộng (liveness) và giới hạn - chặn (boundedness) của mô

hình mạng lưới

Một mô hình Petri net hoạtñộng (live) nếu mọiñánh dấu

(marking) có thể quay trởvề ñánh dấu ban ñầu (sau một chuỗi

của các transition firing), ở ñó tồn tại một thứtựfiringñểfiring

cho mỗi transition

Thuộc tính sống-hoạtñộng (live) bảoñảm là hệthống không

có deadlock (sự ñình trệhay tắc nghẽn)

GV: TS Trần ðức Tăng – Khoa HKVT

Ví dụ

Petri net dưới không hoạtñộng, do ñánh dấu M2(từ ñánh dấu

ban ñầu qua firing t2) xảy ra deadlock

Một mô hình Petri net bịgiới hạn (bounded) nếu tồn tại một

giới hạn trên vềsốtoken trong trong mỗi place của mạng cho

mọiñánh dấu (marking) từ ñánh dấu ban ñầu Thuộc tính này

bảo ñảm là các token trong bất kỳ1 place nào không thểtích