Problema de programación de lotes cíclicos con tiempos de preparación dependientes e independientes de la secuencia con aplicaciónes a sistemas de pintura

Abstract

[EN] ABSTRACT

Lots scheduling problem with setup times Cyclic dependent and independent of the sequence Paint Systems Applications.

To define an efficient way to sequence a series of products in a production process affects in a relevant form, productivity and manufacturing costs.

In the painting process of manufacturing companies of auto parts for the automotive industry the schedule and sequencing of products is done based on the customer master schedule. The manufacturing program is carried out following the requirements of models and colors that are requested and need to be delivered. In factories with these processes the information on the specifications of the products is often met with a very short window of time, in some cases as little as six hours. This requires a very flexible response. This thesis analyzes and seeks to improve the sequencing procedures to minimize changes that generate a setup in painting processes.

The generation of setups in an auto parts painting plant may occur by two situations: 1) changes in the product model and 2) changes in the color used to paint. These cases occur independently from each other, in a specific time it is possible that either one case can occur or both simultaneously. It has been found that existing sequencing techniques do not contemplate the situation to optimize a production process of painting minimizing the number of changes that are generated by the two situations presented.

The main motivation in this thesis is to develop procedures for solving the problem of bi_objective sequencing painting processes because existing techniques to minimize the number of setups do not consider this case. The application of conventional techniques is not sufficient to achieve efficiency at generating the best sequence.

We part from the case of some specific number of companies to define the problem in working hypothesis. A review of the references included in related topics like "Sequencing in closed circuit processes", "cyclical scheduling" and "Optimization of setups" is done. Having given the hypothesis and reviewed the literature, the lack of models, methods and procedures in this environment is confirmed, with the exception of two references. The initial hypotheses were expanded to a wider focus of the problem: not only the basic case which looks for minimizing the number of changes of pattern and color, but a second problem is analyzed: to minimize the number of gaps that are generated when a setup occur either by changing color or pattern. In both cases, new mathematical models were designed and widely explained. In the model with gaps a very important contribution was done: the form of counting the empty spaces with uncertain horizon. It is explained in depth.

Since both problems are NP_hard, if they are explored through optimization software, they quickly grow in resolution time. For this reason it is necessary the development of different heuristic procedures that provide a good solution where a reasonable computational time is warranted. For all of these processes it has been made a program code that simulates each case. In the problem without gaps 27 heuristic procedures were generated. For the problem with gaps, 19 procedures have been designed. For both problems conclusions were presented and the most efficient heuristics were justified by both points of view: statistically and analytically. A comparison with the theoretical optimum was made.

Finally general conclusions are presented indicating possible future research in which the problems explained can be expanded and also indicating the possibility of extending the approach presented to other bi_objetive manufacturing lines, not necessarily painting systems.

[ES] RESUMEN

Problema de Programación de Lotes Cíclicos con Tiempos de Preparación Dependientes e Independientes de la Secuencia con Aplicaciones a Sistemas de Pintura.

Definir una manera eficiente de secuenciar una serie de productos en un proceso productivo impacta en forma relevante en la productividad y en los costes de fabricación. En los procesos de pintura de las empresas de fabricación de componentes para la industria automotriz se hace la secuenciación de productos con base al programa maestro que indican los clientes. El programa de fabricación se realiza siguiendo los requerimientos de modelos y colores que es necesario entregar. En las fábricas con estos procesos la información sobre las especificaciones de los productos se suele recibir con una ventana de tiempo muy corta, en algunos casos de tan solo seis horas. Esto requiere una flexibilidad de respuesta muy alta. Esta tesis analiza y busca mejorar los procedimientos de secuenciación para minimizar los cambios que generan un setup en los procesos de pintura. La generación de setups en una planta de pintura de componentes para automóvil puede ocurrir por dos situaciones: 1) cambios en el modelo del producto y 2) cambios en el color utilizado para pintar. Estos casos ocurren de forma independiente entre sí, es decir en un momento específico puede ocurrir un caso u otro o ambos al mismo tiempo. Se ha detectado que las técnicas de secuenciación existentes no contemplan la situación de optimizar un proceso productivo de pintura minimizando el número de cambios que se generan por las dos situaciones presentadas. La motivación principal en esta tesis es desarrollar procedimientos de solución al problema de secuenciación bi_objetivo en los procesos de pintura dado que las técnicas existentes para minimizar el número de setups no contemplan este caso. La aplicación de las técnicas clásicas resulta insuficiente para lograr eficiencia al generar una la mejor secuencia. Se parte del caso de algunas empresas específicas para delimitar el problema en una serie de hipótesis de trabajo. Se hace una revisión de las referencias sobre los temas afines que incluyen la secuenciación en procesos con circuito cerrado, la programación cíclica y la optimización de setups. Dadas las hipótesis de trabajo y la literatura existente se confirma la inexistencia de modelos, métodos y procedimientos en este entorno a excepción de dos referencias. Las hipótesis iniciales fueron ampliadas para cambiar el enfoque del problema: no solamente se aborda el caso básico de minimizar el número de cambios de modelo y de color sino que se analiza un segundo problema: minimizar el número de espacios vacíos que ocurren cuando hay un setup sea por cambio de modelo o de color. En ambos casos se diseñaron nuevos modelos matemáticos que son explicados ampliamente. Se hace una aportación muy importante en la forma de contar los espacios vacíos con horizonte incierto en el modelo con huecos que se explica a profundidad. Dado que ambos problemas son NP_hard y se exploran mediante software de optimización, rápidamente crecen en el tiempo de resolución. Por esta razón se justifica el desarrollo de distintos procedimientos heurísticos que proporcionan una buena solución computacional en un tiempo razonable. Para todos estos procedimientos se realiza un código de programación que permita simular cada caso. En el problema sin huecos se generaron 27 procedimientos heurísticos. En el caso con huecos fueron 19 procedimientos. Para ambos problemas se presentan conclusiones sobre las heurísticas más eficientes justificándolas tanto desde el punto de vista estadístico como de análisis comparativo con el óptimo teórico. Finalmente se presentan conclusiones generales donde se indican líneas futuras de investigación, en las que se pueden ampliar los problemas presentados y la posibilidad de extender el enfoque presentado a líneas de fabricación bi_objet

[CA] RESUM

Problema de Programació de lots cíclics amb temps de preparació dependents e independents de la seqüència amb Aplicacions a Sistemes de pintura.

Definir una manera eficient de seqüenciar una sèrie de productes en un procés productiu impacta de forma rellevant en la productivitat i en els costos de fabricació.

En els processos de pintura de les empreses de fabricació de components per a la industria automotriu es realitza la seqüenciació de productes en base al programa mestre que indiquen els clients. El programa de fabricació es realitza seguint els requeriments de models i colors que és necessari entregar. En les fabriques amb estos processos la informació sobre les especificacions dels productes es sol rebre amb una finestra de temps molt curta, en alguns casos de tan sols 6 hores. Açò requereix una flexibilitat de resposta molt alta. Esta tesis analitza i busca la manera de millorar els procediments de seqüenciació per a minimitzar els canvis que generen un setup en els processos de pintura.

La generació de setups en una planta de pintures de components d'automòbil poden ocórrer per dos circumstancies: 1) canvi en el model del producte i 2) canvi en el color utilitzar per a pintar. Estos casos ocorren de forma independent entre sí, es a dir, en un moment específic pot ocórrer un cas, un altre o ambdós al mateix temps. S'ha detectat que les tècniques de seqüenciació existents no contemplen la situació d'optimitzar un procés productiu de pintura minimitzant el número de canvis que es generen per les dues situacions presentades.

La motivació principal en esta tesis es desenvolupar procediments de solució al problema de seqüenciació bi_objectiu en els processos de pintura donat que les tècniques existents per a minimitzar el número de setups no contemplen este cas. L'aplicació de les tècniques clàssiques resulta insuficient per a aconseguir la eficiència al generar una millor seqüencia.

Es parteix del cas d'algunes empreses especifiques per a delimitar el problema en una sèrie d'hipòtesis de treball. Es fa una revisió de les referencies sobre el tema afins que inclouen la seqüenciació en processos amb circuit tancat, la programació cíclica i l'optimització de setups. Donades les hipòtesis de treball i la literatura existent es confirma la inexistència de models, mètodes i procediments en este entorn a excepció de dos referencies. Les hipòtesis inicials foren ampliades per a canviar l'enfocament del problema: no únicament s'aborda el cas bàsic de minimitzar els número de canvis de model i de color sinó que s'analitza un segon problema: minimitzar el número d'espais buits que ocorren quan hi ha un setup causat per el canvi de model o color. En els dos casos es dissenyen nous models matemàtics en la forma de contar els espais buits amb horitzó incert en el model de buits que s'explica en profunditat.

Donat que els dos problemes son NP_hard i s'exploren mitjançant programari d'optimització, ràpidament creixen en el temps de resolució. Per esta raó es justifica el desenvolupament de diferents procediments heurístics que proporcionen una bona solució computacional en un temps raonable. Per a tots estos procediments s'analitza un codi de programació que permet simular cada cas. En el problema sense buits es generen 27 procediments heurístics. En el cas amb buits han sigut 19 procediments. Per ambdós problemes es presenten conclusions sobre les heurístiques més eficients justificant-les tant des de el punt de vista estadístic, com d'anàlisis comparatiu amb el òptim teòric.

Finalment es presenten conclusions general son s'indiquen línies d'investigació futures, en les que es poden ampliar els problemes presentats i la possibilitat d'ampliar l'enfocament presentat a línies de fabricació bi_objectiu no necessàriament de sistemes de pintura.