Sequencing in Mixed Model Non-Permutation Flowshop Production Lines using Constrained Buffers

Abstract

En una línea de producción clásica, solamente se producían productos con las mismas opciones. Para la fabricación de variaciones del mismo producto básico se utilizaba una línea diferente o eran necesarias modificaciones importantes de la maquinaria. En los últimos años se ha visto acrecentada la necesidad de considerar métodos que permitan más flexibilidad ofreciendo una mayor variedad de productos al cliente. En general estos métodos consisten en producir diferentes tipos de productos en una misma línea de producción. Además, con la filosofía de Just-In-Time, los stocks y sus costes derivados, especialmente el stock de productos acabados, se reducen considerablemente y consecuentemente una producción con lotes ya no es favorable. Con este panorama la producción de distintos productos o modelos en la misma línea de forma simultánea, sin lotes, adquiere un gran auge y con ello la complejidad de gestión de la línea aumenta. La toma de decisiones en las fases de secuenciación y programación se convierte en esencial.<br/>Existen varios diseños de líneas que pueden permitir la resecuenciación, como son:<br/>utilizar grandes almacenes (Automatic-Storage-and-Retrieval-System), desacoplar una parte del proceso del resto de la línea; disponer de almacenes con plazas limitadas fuera de la línea; existencia de líneas híbridas o flexibles; posibilitar la división y unión de líneas;<br/>o cambiar los atributos de las piezas en vez de cambiar la posición en la secuencia. La resecuenciación de piezas dentro de la línea llega ser más efectiva cuando se presenta un tiempo o coste adicional, conocido como setup-time y setup-cost, necesario en muchos casos, cuando en una estación, la siguiente pieza es de otro modelo.<br/>Esta tesis considera el caso de una línea de flujo con la posibilidad de resecuenciar piezas entre estaciones consecutivas. Los almacenes están ubicados fuera de la línea y en un primer paso accesible desde una sola estación (caso del almacén intermedio). A continuación se utilizará un solo almacén, centralizado, accesible desde varias estaciones. En ambos casos se considera que una pieza, debido a su tamaño, quizás no pueda ocupar ciertas plazas del almacén ya sea intermedio o centralizado. Como resultado del estudio y análisis del Estado del Arte, que permitió delimitar el caso a estudiar, se propone una Novedosa Clasificación de líneas de flujo no permutación. Esta clasificación era indispensable, debido a que en la literatura actual no se ha clasificado con profundidad este tipo de producción, hasta hoy las clasificaciones existentes no consideran las múltiples opciones que se presentan al incluir la posibilidad de resecuenciar piezas en la línea. La presente tesis presenta distintas formulaciones: un método exacto, utilizando un modelo de programación por restricciones (CLP), varios métodos híbridos, basados en CLP, y un método heurístico, utilizando un Algoritmo Genético (GA).<br/>Durante el curso de este trabajo, los estudios que se han realizado muestran la efectividad de resecuenciar. Los resultados de los experimentos simulados muestran los beneficios que sumergen con un almacén centralizado, comparado con los almacenes intermedios.<br/>El problema considerado es relevante para una variedad de aplicaciones de líneas de flujo como es el caso de la industria química, donde los pedidos de los clientes tienen diferentes volúmenes y en la misma línea existen tanques de diferentes volúmenes para resecuenciar. También, en líneas en las cuales se utilizan lotes divididos (split-lot) con el fin de investigar variaciones en los procesos, así como en la industria de semiconductores, o en la producción de casas prefabricadas, donde fabrican paredes<br/>grandes y pequeñas que pasan por estaciones consecutivas y en las que se instalan circuitos eléctricos, tuberías, puertas, ventanas y aislamientos.

In the classical production line, only products with the same options were processed at once. Products of different models, providing distinct options, were either processed on a different line or major equipment modifications were necessary. For today's production lines approaches, considering more flexibility, are required which result more and more in the necessity of manufacturing a variety of different models on the same line, motivated by offering a larger variety of products to the client. Furthermore, with the Just-In-Time philosophy, the stock and with that the expenses derived from it, especially for finished products, are considerably reduced and lead to the case in which a production with batches is no longer favourable.<br/>Taking into account this panorama, the simultaneous production of distinct products or<br/>models in the same line, without batches, lead to an increased importance and at the same time the logistic complexity enlarges. The decision-making in sequencing and scheduling become essential.<br/>Various designs of production lines exist which permit resequencing of jobs within the production line: using large buffers (Automatic-Storage-and-Retrieval-System) which decouple one part of the line from the rest of the line; buffers which are located offline; hybrid or flexible lines; and more seldom, the interchange of job attributes instead of physically changing the position of a job within the sequence. Resequencing of jobs within the line is even more relevant with the existence of an additional cost or time, occurring when at a station the succeeding job is of another model, known as setup cost and setup time.<br/>The present thesis considers a flowshop with the possibility to resequence jobs between consecutive stations. The buffers are located offline either accessible from a single station (intermediate case) or from various stations (centralized case). In both cases, it is considered that a job may not be able to be stored in a buffer place, due to its extended physical size.<br/>Following the extensive State-of-the-Art, which led to the problem under study, a Novel Classification of Non-permutation Flowshops is proposed. This classification was indispensable, due to the lack of an adequate classification for flowshop production lines that would consider the diversity of arrangements which permit resequencing of jobs within the production line. Furthermore, distinct formulations are presented: an exact approach, utilizing Constrained Logic Programming (CLP), various hybrid approaches, based on CLP, and a heuristic approach, utilizing a Genetic Algorithm (GA).<br/>During the course of this work, the realized studies of performance demonstrate the effectiveness of resequencing. The results of the simulation experiments reveal the benefits that come with a centralized buffer location, compared to the intermediate buffer location.<br/>The considered problem is relevant to various flowshop applications such as chemical productions dealing with client orders of different volumes and different sized resequencing tanks. Also in productions where split-lots are used for engineering purpose, such as the semiconductor industry. Even in the production of prefabricated houses with, e.g., large and small walls passing through consecutive stations where electrical circuits, sewerage, doors, windows and isolation are applied.