An approximate analytical method for the performance evaluation of closed : loop manufacturing lines

Many manufacturing systems are constituted nowadays by closed loop production lines where materials, parts, pallets, fixtures or production information recirculate in the whole line or in a portion of it. Tools able to evaluate the performances of these systems and identify production inefficiency causes and the highest performing configurations become fundamental. For this reason, it has been developed this master thesis. The proposed work provides an approximate analytical method for the performance evaluation of a closed production system with unreliable machines and finite buffers. The main performances of interest are the steady state throughput of the line, the average buffer levels and idle state probabilities of the different machines of the line. Each machine is characterized by a single deterministic processing time, multiple failure modes with exponential distributions, and a discrete flow of parts approximated with a continuous materials flow. The model is based on a two-level decomposition of a longer than two-machine one-buffer system. A peculiarity of closed lines consists in the fixed number of parts circulating in the line anytime. One of the main consequences of this aspect is related to the propagation of phenomena interrupting the material flow, such as machine failures. In an open production line, a long failure of one of the machines leads to the progressive filling of all the upstream buffers and to the progressive emptying of all the downstream ones. Instead, in the closed loop these two propagations of a same failure in the upstream and downstream portions of the line can cover the whole loop and reach a same buffer, which can be partially filled. In order to model these dynamic, specific thresholds, called Invariant thresholds, have been introduced into the buffers of the line with the aim to define the buffer levels corresponding to the contact points between the two propagations of a material flow interruption. Consequently, the main improvement of the method is to model the dependency between the number of parts in the line and the propagation of production limiting phenomena. The model validation phase through a simulator has shown the high level of accuracy in the performance computation of the closed system. The proposed model has been applied in a complex real case, where it proved to be useful by defining: the population value maximizing the throughput; the performances of the line given a target population value; the buffer capacity reallocation and the optimal population value in order to maximize the throughput

Molti sistemi di produzione sono costituiti oggigiorno da linee di produzione a circuito chiuso in cui materiali, parti, pallet, attrezzature o informazioni di produzione ricircolano nell'intera linea o in una parte di essa. Strumenti in grado di valutare le prestazioni di questi sistemi e identificare le cause di inefficienza della produzione e le configurazioni più performanti diventano fondamentali. Per questo motivo, è stata sviluppata questa tesi di laurea. Il lavoro proposto fornisce un metodo analitico approssimativo per valutare le prestazioni produttive di un sistema di produzione chiuso con macchine inaffidabili e buffer finiti. Le principali prestazioni di interesse sono il ritmo produttivo della linea a regime costante, i livelli medi dei buffer e le probabilità degli stati inattivi delle diverse macchine della linea. Ogni macchina è caratterizzata da un solo e deterministico tempo di processamento, modalità di guasto multiple con distribuzioni esponenziali e un flusso discreto di parti approssimato con un flusso di materiale continuo. Il modello si basa su una scomposizione a due livelli di un sistema più lungo di due macchine e un buffer. Una particolarità delle linee chiuse consiste nel numero fisso di parti che circolano nella linea in qualsiasi momento. Una delle principali conseguenze di questo aspetto è legata alla propagazione di fenomeni che interrompono il flusso del materiale, come i guasti delle macchine. In una linea di produzione aperta, un lungo guasto di una delle macchine porta al riempimento progressivo di tutti i buffer a monte e allo svuotamento progressivo di tutti quelli a valle. Invece, nel ciclo chiuso queste due propagazioni di guasto nelle porzioni a monte e a valle della linea possono coprire l'intero ciclo e raggiungere uno stesso buffer, che può risultare parzialmente riempito. Per modellare queste dinamiche specifiche soglie, chiamate soglie Invarianti, sono state introdotte nei buffer della linea con lo scopo di definire i livelli dei buffer corrispondenti ai punti di contatto tra le due propagazioni di ogni interruzione del flusso di materiale. Di conseguenza, il miglioramento principale del metodo è quello di modellare la dipendenza tra il numero di parti nella linea e la propagazione dei fenomeni limitanti la produzione. La fase di validazione del modello attraverso un simulatore ha mostrato l'alto livello di accuratezza nel calcolo delle prestazioni del sistema chiuso. Il modello proposto è stato applicato in un complesso caso reale, dove la sua utilità è stata dimostrata definendo: il valore della popolazione massimizzante il ritmo produttivo; le prestazioni della linea dato un valore di popolazione target; la riallocazione della capacità totale dei buffer e il valore della popolazione massimizzante il ritmo produttivo.