بخشی از مقاله
چکیده: مسئله زمانبندي نگهداري و تعویض پیشگیرانه یکی از مهمترین مسائل مدیران صنایع مختلف بوده است که با کنترل تجهیزات از نظر زمانبندي نگهداري و تعویض، هزینههاي تعمیراتی را کاهش داده و در یک سطح بهینه نگه میدارد. در این مقاله با تاکید بر شرایط واقعی، یک مدل با نگرش عمر موثر براي تعیین زمانبندي نگهداري و تعویض پیشگیرانهي بهینه در یک سیستم چند مولفهاي با هدف کمینه نمودن هزینهها توسعه داده شده است که در آن، مدت زمان انجام فعالیتها لحاظ و هزینه توقف دستگاه وابسته به مدت زمان توقف درنظر گرفته شده است. این مدل در نرم افزار GAMS و نیز توسط الگوریتم فراابتکاري ژنتیک در نرم افزار Visual Studio 2010 به زبان سیشارپ پیادهسازي شده است. مثالی عددي به منظور ارزیابی الگوریتم فراابتکاري و مقایسه با حل دقیق حل شده است. نتایج، حاکی از قابل قبول بودن راهحل الگوریتم فراابتکاري در زمان محاسباتی معقول میباشد.
.1 مقدمه
نگهداري و تعمیرات پیشگیرانه به مجموعه اقداماتی که شامل بازدید، کنترل، سرویس، تنظیم، تعویض و در برخی از موارد تعمیرات جزئی که توسط کاربران تجهیزات و یا تعمیرکاران واحد اجرایی انجام میشود، اتلاق شده که اصطلاحا به فعالیتهاي مذبور PM1 گفته میشود. این فعالیتها که به طور تناوبی و بر حسب دورههاي تعریف شده انجام میگیرد، سبب تاخیر و کم شدن تعمیرات و شکستهاي ناگهانی و بدون برنامه میشوند.
[1] نگهداري وتعمیرات پیشگیرانه مخصوصا در محیطهایی که ضرر ناشی از خرابی سیستم بسیار زیاد باشد یک نقش اساسی ایفا میکند. سیاستهاي نگهداري براي ارتقاء ایمنی سیستم، کاهش خرابیهاي سیستم و هزینههاي کمتر تولید توسعه داده شده است. بسیاري از سیاستهاي نگهداري هزینه-محور هستند؛ یعنی براي کاهش هزینه نگهداري توسعه داده شدهاند.[2] در دهههاي گذشته، مکانیزه نبودن صنایع باعث میشد تا خرابیها و توقفات ناگهانی ماشینآلات و نیز جلوگیري از بروز عیب، مورد توجه مهندسین و مدیران قرار نگیرد، به علاوه اکثر ماشینآلات و تجهیزات تولیدي از طرح نسبتا سادهاي برخوردار بوده و این ویژگی، کار با آنها را ساده و تعمیرات آنها را آسان مینمود در نتیجه نیازي به استفاده از نگهداري و تعمیرات سیستماتیک احساس نشده و اکثر شرکتها و واحدهاي تولیدي و صنعتی تنها در زمانی که دستگاه و یا تجهیزات از کار میافتادند بازبینی و یا تعمیر آنها را آغاز مینمودند.
تغیر بازار و افزایش تنوع محصولات منجر به افزایش اتوماسیون تجهیزات، افزایش زیرسیستمها و پیچیدهتر شدن آنها گردیده است که این خود متعاقباً باعث شده تا حفظ تجهیزات در یک سطح مطلوب2 از قابلیت اطمینان، سختتر از پیش گردد و مسئله شکست ماشینآلات نیز از اهمیت بیشتري برخوردار شود.[3] از طرفی در دنیاي رقابتی امروزي لازم است که کیفیت و کمیت محصولات را به خوبی کنترل کرد اما سابقا روند افزایش خرابیها به گونهاي بوده است که کمیت و کیفیت تولیدات را تحتالشعاع خود قرار داده و اسباب نارضایتی صاحبان صنایع را فراهم نموده است. به همین جهت سیستم نگهداري و تعمیرات پیشگیرانه به عنوان راهحلی مناسب در کشور آمریکا پیشنهاد و اجرا گردید.
براي تضمین قابلیت اطمینان، افزایش دسترسی فرایند تولید و کاهش ریسک خرابی اضطراري در طی فرایند باید نگهداري پیشگیرانه - نظیر بازرسی دورهاي، تمیزکاري، تنظیم و یا تعویض زیرعناصر - قبل از وقوع شکست - از کارافتادگی - به کار گرفته شود و این کمک میکند تا سیستم یا یک مولفه خاص در یک شرایط معین نگه داشته شود. قابلیت اطمینان و قابلیت نگهداري تجهیزات و همچنین زمانبندي فعالیتهاي نگهداري و تعویض یک نقش مهم در کنترل کمیت و کیفیت محصولات ایفا میکند.
از سوي دیگر، شرایط رقابتی در تولید و ارائه خدمات در عصر حاضر، موجب شده است تا پاسخگویی سریع به تقاضاي مشتریان از اولویتهاي استراتژیک صنایع محسوب گردد. تبعا خرابی تجهیزات موجب کاهش ایمنی و بروز مشکلات حادي در تحویل به موقع محصولات به مشتریان خواهد بود. پس کاهش هزینههاي عملیاتی و توقف ناگهانی همراه با افزایش قابلیت اطمینان جزء اهداف عمده در مدیریت تجهیزات صنایع مختلف به شمار میآیند.
در این پژوهش مسئله زمانبندي بهینه فعالیتهاي نگهداري و تعویض پیشگیرانه در یک سیستم چندمولفهاي تعمیرپذیر و قابل نگهداري1 مورد بررسی قرار میگیرد. به همین منظور یک مدل ریاضی بر اساس مفاهیم کاهش سن و فاکتورهاي بهبود با هدف کمینهسازي هزینههاي عملیاتی و با لحاظ کردن محدودیتهاي اجرایی و قابلیت اطمینان مورد نیاز توسعه داده شده است. سرویس مکانیکی2، تعمیر3 و تعویض4 به عنوان فعالیتهاي دورهاي PM تعریف میشوند و با توجه به تاثیر هر یک بر سن و قابلیت اطمینان هر یک از مولفهها و سیستم، توالی فعالیتهاي مذکور براي هر مولفه و در هر دوره در طول افق برنامهریزي تعیین میشود.[4]
.2 مرور ادبیات
مدلهاي بهینهسازي نگهداري و تعویض پیشگیرانه از دهه 1960 به بعد ارائه گردید و به صورت گسترده براي یافتن زمانبندي نگهداري پیشگیرانه در سیستمهاي متنوع توسعه داده شدهاند. از زمانی که بارلو5 و هانتر[5]6 مدل تعمیر جزئی را در سال 1960 ارائه دادند، تلاشهاي زیادي روي زمانبندي نگهداري انجام شده است که نقش مهمی را در بهبود ایمنی عملیاتی7، کمینهسازي هزینهها، کاهش دفعات و شدت خرابی سیستم در حال کار8 بازي میکند.
هوانگ و همکاران[6] 9 یک مدل ریاضی براي یکپارچه سازي نگهداري پیشگیرانه انعطاف پذیر در برنامه زمانبندي ماشینآلات پردازش دستهاي پیشنهاد دادند. یک روش دو مرحلهاي براي حل مسئله ارائه کردند و یک قاعده دسته بندي با توجه به نگهداري پیشنهاد کردند که ابتدا به گروهبندي شغلها بپردازد و سپس آنها را قادر به بررسی برنامهریزي تولید و تعمیر و نگهداري کند. به صورت گسترده سیاست نگهداري پیشگیرانه که روي یک سیستم درحال فرسودگی داراي یک عنصر تمرکز دارد مورد مطالعه قرار گرفته است.[9-7] اما با توجه به افزایش پیچیدگی و تنوع در سیستمهاي تولیدي به نگهداري پیشگیرانه روي سیستمهاي چند عنصري بیشتر توجه شده است.
یک نمونه تحقیق انجام شده در این زمینه مدل بهینه نگهداري و تعویض پیشگیرانه براي یک سیستم تکعنصري است که یوشر[10]10 در سال 1998 ارائه داد. او یک زمانبندي نگهداري و تعویض پیشگیرانه بهینه را با در نظر گرفتن ارزش زمانی پول در همه هزینههاي آتی و هزینه خرابی بالقوه تعیین کرد. به علاوه او یک مقایسه بین نتایج محاسباتی حاصل از الگوریتمهاي شاخه و کران، جستجوي تصادفی و ژنتیک انجام داد.
سیاستهاي نگهداري پیشگیرانه موجود براي سیستمهاي چند مولفهاي را میتوان به دو کلاس طبقهبندي نمود. در اولین کلاس فرض میشود که هر عنصر دو حالت دارد. یا درحال کار و یا از کارافتاده است. فرسودگی عناصر در نرخ خرابی تعریف میشود با این هدف که یک استراتژي بهینه براي کمینه کردن هزینه نگهداري را بتوان پیدا کرد. معمولا مسئله، بهینهسازي آستانهها و یا پارامترهاي دیگر است تا هزینه مینیمم شود12]و.[11 مژگان ملاحسنی پور و همکاران[13]11 یک فرمولاسیون جدید زمانبندي نگهداري پیشگیرانه را توسعه دادند. هدف در این تحقیق بر مبناي هزینههاي زمانبندي نگهداري پیشگیرانه شامل هزینههاي عملیاتی و هزینههاي نگهداري در طی یک افق برنامهریزي میباشد. ساختار مدل در این تحقیق برنامهریزي خطی عددصحیح است که با CPLEX حل شده است.
چنسامبت و همکاران[14] 12 یک مدل برنامه ریزي خطی تلفیقی عددي مختلط براي حل همزمان مسائل برنامهریزي تولید و تعمیر و نگهداري پیشگیرانه در صنعت کالاهاي سرمایهاي ارائه دادند و با استفاده از دادههاي یک شرکت مشارکتی آزمایش نمودند. هدف این بود که هزینههاي کل را به حداقل برسانند از جمله: هزینه هاي بازپرداخت ؛ هزینه هاي اجزاء و مونتاژ؛ هزینه هاي نگهداري پیشگیرانه و راهاندازي، انتقال و تولید. بنابراین، تابع هدف و فرمولاسیون از مطالعات قبلی گسترده تر بود. مشخص شد که کل هزینه شرکت میتواند تا 63,5٪ کاهش یابد. روسالس و همکاران [15] 13 یک مسئله زمانبندي جدید در ماشینهاي موازي را مورد مطالعه قرار دادند و فعالیتهاي تعمیر و نگهداري پیشگیرانه را در در مدل خود نظر گرفتند.
آنها یکی از علل اصلی عدم دسترسی به ماشین را عدم دسترسی تجهیزات و یک روش کارآمد براي کاهش فرکانس شکست را از طریق فعالیت هاي نگهداري پیشگیرانه دانستند. علاوه بر این، آنها یک الگوریتم کارآمد فراابتکاري را بر اساس استراتژي چندگانه براي حل موارد بزرگتر طراحی نمودند. ژو[16]1 با بهینه کردن متوالی هزینه نگهداري در هر نقطه نگهداري، یک سیاست نگهداري پیشگیرانه پویا را ارائه داد. کایا2 و گورلر[17]3یک تقریب براي طول عمر عناصر به عنوان یک تعداد از مراحل متناهی ارائه دادند. نورلفت4 و آیت کدي[18]5 مسئله اولویتدهی منابع بین عناصر را تحت محدودیت قابلیت اطمینان مورد بررسی قرار دادند. شالابی و همکاران[19]6 یک مدل بهینهسازي را براي زمانبندي نگهداري پیشگیرانه سیستم چند عنصري با چند حالت توسعه دادند.
آنها توالی فعالیتهاي نگهداري پیشگیرانه را به عنوان متغیرهاي تصمیمگیري تعریف کردند و هزینههاي نگهداري پیشگیرانه و تعمیر بعد از شکست را به عنوان تابع هدف در نظر گرفتند و در نهایت الگوریتم ژنتیک و شبیهسازي تبرید را براي بهینهسازي مدل ترکیب نمودند. مقدم7 و یوشر[20] یک مدل بهینهسازي چند هدفه جدید را براي تعیین زمانبندي تعویض و نگهداري پیشگیرانه در یک سیستم قابل تعمیر و نگهداري چندمولفهاي توسعه دادند. آنها در مدلشان افق برنامهریزي را به دورههاي گسسته با سایز برابر تقسیم کردند که در آنها سه فعالیت ممکن یعنی نگهداري، تعویض و یا هیچ فعالیتی براي هر مولفه باید برنامهریزي میشد.
هدف تعیین یک برنامه از فعالیتها براي هر مولفه بود طوریکه هزینه کل کمینه گردد و به طور همزمان، قابلیت اطمینان کلی سیستم در طی افق برنامهریزي بیشینه شود. به دلیل پیچیدگی و ساختار غیرخطی مدل ریاضی، دو روش حل فراابتکاري ژنتیک و شبیهسازي تبرید براي حل آن به کار گرفته شده است. یک تحقیق انجام شده در این زمینه را بین لیو و همکاران[21]8 انجام دادند. آنها به دنبال یافتن یک سیاست نگهداري پیشگیرانه براي سیستمی با چند مولفه بودند.
بجاي سیاستهاي نگهداري پیشگیرانه هزینه-محور سنتی، استراتژي نگهداري آنها از دید ارزش فرموله شده است. هرگاه قابلیت اطمینان زیر یک آستانه خاص قرار بگیرد، فعالیت نگهداري انجام میگیرد. سیاست آنها شامل دو قدم بود: الف - تعیین مولفهاي که باید روي آن فعالیت نگهداري انجام گیرد. ب - تعیین درجه نگهداري که باید روي مولفه انجام شود. در قدم اول اهمیت سود-هزینه براي انتخاب مهمترین مولفه معرفی میگردد و در قدم دوم سطح نگهداري بهینه با بیشینه کردن ارزش خالص فعالیت نگهداري بدست میآید.
.3 ارائه مدل
مفروضاتی که در این تحقیق لحاظ میگردند عبارتند از:
• بجاي استفاده از عمر تقویمی، از نگرش عمر موثر استفاده میشود.
• سیستم مورد مطالعه، یک سیستم نو تعمیرپذیر و قابل نگهداري با ساختار سري است.
• خرابی سیستم صرفا حاصل از فرسودگی عناصر میباشد و خرابی ناگهانی حاصل از دلایلی نظیر اشتباه اپراتور در نظر گرفته نمیشود.
• افق برنامهریزي، محدود و متناهی است و با انجام فعالیتهاي نگهداري تغییر نمیکند.
• فاکتورهاي توسعه، مدت زمان انجام فعالیتهاي نگهداري، قابلیت اطمینان مورد نیاز سیستم، پارامترهاي هزینه و پارامترهاي مربوط به تابع توزیع عمر مولفهها از قبل مشخص و قابل دسترسی است.
• انواع مختلفی براي فعالیتهاي نگهداري درنظر گرفته میشود که تاثیر هرکدام از این فعالیتها بر روي مشخصه عمر متفاوت است و همگی باعث جوانتر شدن سیستم و متعاقبا سبب کاهش نرخ رخداد شکست آن میشوند.
• تاثیر انواع فعالیتهاي نگهداري بر روي عمر موثر عناصر فقط با فاکتور توسعه مشخص میشود.
• علاوه بر فعالیتهاي PM، در صورت خرابی ناگهانی، نگهداري و تعمیرات اصلاحی - CM9 - انجام میشود.
