Využitie Tecnomatix Plant Simulation pri optimalizácii procesu montáže


Richard Foriška
Materiálovotechnologická fakulta STU
študent

Róbert Kovács
Materiálovotechnologická fakulta STU
študent

Yulia Šurinová
Ústav bezpečnosti, environmentu a kvality
Materiálovotechnologická fakulta STU
vysokoškolský učiteľ

resumé
Vznik konceptu Digitálny podnik ako realistického, integrovaného počítačového modelu výrobného miesta, bol priamo vyvolaný v priebehu posledných niekoľkých rokov potrebou plánovania zložitých priemyselných procesov a využitím možných softvérov pri plánovaní. V súčasnosti sú na trhu dostupné softvérové nástroje pre návrh, plánovanie, tvorbu, simuláciu a optimalizáciu výrobných procesov. Jedným z takýchto nástrojov je softvér Tecnomatix Plant Simulation.

Úvod

V dnešnej dobe rýchlo sa meniacich požiadaviek zákazníkov, meniacich sa legislatívnych podmienok, vzrastajúcej konkurencie a neistej situácii na trhu musíme stále viac pozornosti venovať plánovaniu, riadeniu zmien a neustálemu zlepšovaniu.

Byť úspešným a konkurencieschopným výrobným podnikom si v dnešných podmienkach vyžaduje súčasné zlepšovanie troch základných faktorov: rast pružnosti, zvyšovanie kvality a znižovanie nákladov. Tie procesy a činnosti v podniku, ktoré vykazujú znaky neefektívnosti, je potrebné dôkladne analyzovať a následne nájsť a uplatniť vhodný spôsob či metódu optimalizácie (Krauszová, 2010). Podľa Kelemena a kol. (2013) efektívnou spoločnosťou sa jednoducho stáva tá, ktorá okrem iného, dokáže plne využiť možné nástroje zlepšovania vo svoj prospech. Ideálne je, ak spoločnosť dokáže každé riešenie patrične otestovať, ideálne nie priamo vo výrobe, avšak v rôznych skúšobniach, laboratóriách alebo pomocou softvéru vo virtuálnom prostredí, kde môžeme nasimulovať presnú podobu daného problému a odhaliť úzke miesta. Mnohí odborníci tvrdia, že experimentovať priamo vo výrobnom procese je neekonomické.

Preto koncept tzv. Digitálneho podniku je jedným z nových trendov, ktorý významne zasahuje do moderných procesov firiem. Umožňuje zrýchliť a zefektívniť plánovanie a výrobné procesy a výrazne usporiť náklady vo vzťahu k novej i zavedenej výrobe.

Znalecká organizácia v odbore Ekonomika a riadenie podnikov „Gradient 5“ považuje za najčastejšie optimalizačné úlohy vo výrobe tieto (Krauszová, 2010):

  • Optimalizácia výrobných procesov – cieľom optimalizácie je nájsť riešenie, pri ktorom sú na konci výrobného procesu primerane kvalitné výrobky pri najnižších nákladoch.
  • Optimalizácia výrobných dávok – voľba vyrobiť na sklad alebo na reálnu objednávku.
  • Optimalizácia materiálového zloženia – voľba kvality materiálov, kde sa na ďalšie opracovanie viaže menej nákladov alebo kde náklady na opracovanie sú vyššie.
  • Optimalizácia výrobných vstupov – cieľom tejto operácie je zvoliť vhodný stroj, na opracovanie tak, aby boli minimálne náklady na výrobu dielu.
  • Optimalizácia plánovania výroby – patrí k najnáročnejším optimalizačným úlohám, dôležitú úlohu tu zohráva čas pri dodávkach materiálov, poruchách strojov, výpočtoch taktov a pod.
  • Optimalizácia podporných procesov – údržba, doprava, energetika, skladovanie a pod.

Simulačné programy

Simulačné programy nám ponúkajú v dnešnej dobe zobrazenia akéhokoľvek procesu a technologickej operácie, ako napríklad rýchlosti toku materiálu, veľkosti napäťových pomerov v tvárnenom materiáli, rozloženie strojov, materiálový tok, efektivitu strojov a pod. (obr. 1). Je všeobecne známe, že nevhodne nastavené procesy predražujú výrobky a znižujú zisk firmy a práve v tomto sú nám nápomocné moderné simulačné softvéry, ktorými môžeme ešte pred zostavením a spustením otestovať proces vo virtuálnej podobe s reálnymi parametrami.

Plant Simulation

Tento simulačný program je jedným z mnohých programov z balíka Tecnomatix. Podľa portálu www.sova.sk je softvér Tecnomatix v podstate komplexné portfólio riešení digitálnej simulácie, ktorá prináša inováciu tým, že prepája všetky výrobné disciplíny s výrobným inžinierstvom. A to od návrhu a plánovania, cez simuláciu a overovanie, až po samotnú výrobu a jej riadenie. Súčasťou systému je Plant Simulation. Meissnerová (2013) opisuje tento softvér ako nástroj pre simuláciu diskrétnych udalostí, ktorý pomáha vytvárať digitálne modely logistických systémov, napríklad výroby a umožňuje skúmať charakteristiky systémov a optimalizovať ich výkonnosť. Tieto digitálne modely umožňujú realizovať v dostupnom čase rozsiahle pokusy a scenáre „čo keby“, a to bez narušenia existujúcich výrobných systémov. Jeho pomocou sa tiež dajú získať plánované a očakávané výsledky dlho pred inštaláciou skutočných výrobných systémov. Je tu možnosť optimalizovať toky materiálov, využívať zdroje a logistiku pre všetky úrovne plánovania od jednotlivých strojov, výrobných liniek, cez lokálne továrne, až po globálny výrobný závod. Dnes je už samozrejmosťou integrácia v zmysle intuitívneho a rýchleho prenosu dát medzi centrálnym podnikovým softvérom SAP a simulačným softvérom Plant Simulation.

Simulácia skutočného stavu na linke montáže

Ďalej bude predstavený konkrétny príklad optimalizácie procesu výroby kotlov v spoločnosti na výrobu stacionárnych a závesných kotlov, respektíve kondenzačných a nekondenzačných kotlov. Pri optimalizácii procesu bol použitý softvérový nástroj Plant Simulation. Samotná linka slúži na výrobu závesných kotlov. Okruh linky je plne využitý a taktovaný s počtom staníc 5+1+3. Nasimulovaný model výrobnej linky je na obr. 2.

Na začiatku sa montuje základný rám, ktorý sa pripevní na vozík, pomocou ktorého sa presúva kotol po montážnej linke až na samotný koniec – balenie (obr. 3). Vozík je manuálne ťahaný pracovníkmi. Jednotlivé komponenty sú pripravené na montáž pri montážnej stanici, kde sa dodávajú zo skladu materiálov. Po montáži na prvých piatich staniciach sa kotol stáva funkčným výrobkom, a preto nasledujú dve výstupné kontroly, kde sa testuje funkčnosť kotla. Výstupné kontroly sú manuálne a potrebujú obsluhu pracovníkom, ktorý zapája jednotlivé snímače na kotol. Po absolvovaní výstupnej kontroly kotol ďalej pokračuje na balenie.

Pri mapovaní a simulácii danej montážnej linky sa ukazuje, že linka je vhodne vyvážená a ak nepríde k  montážnej chybe, prakticky nevznikajú žiadne prestoje. Vo veľkej miere tomu napomáhajú predmontážne stanice vytvorené mimo linku, ktoré slúžia na predmontáž zložitejších komponentov. Následne sa komponenty dodávajú na linku. Ďalšou výhodou je rotácia zamestnancov, ktorí v určitých intervaloch menia svoje pozície na linke. Zároveň musia ovládať aj celú montážnu operáciu, preto v dôsledku výpadku zamestnanca nie je problém s jeho náhradou.

Simuláciou modelu montážnej linky, použitím výstupných štatistík (Tab. 1 a 2) a grafického nástroja – Sankey diagram (obr. 2) – sa naskytá priestor pre optimalizáciu.

Pri prevádzke 8 hodín čistého času a pri 0% poruchovosti dokáže takto linka vyprodukovať až 185 kotlov, trvanie výroby jedného kotla trvá 17 minút, 44 sekúnd. Zo Sankey diagramu vyplýva, že posun kotla na montážnej linke je voľnejší najviac pri výstupných kontrolách MO6. Taktiež montážne stanice za výstupnými kontrolami nepracujú na 100 % (Tab. 1 a 2).

Z uskutočnenej simulácie skutočného stavu vychádzajú 2 možné riešenia pre optimalizáciu montážnej linky, ktoré sú popísané v ďalšom bode štúdie.

Optimalizácia procesu montáže

Ako bolo vyššie uvedené, predmontážne stanice zefektívnili priechod výrobkov cez montážnu linku, a tak sa aj vyvážil takt a minimalizoval sa počet úzkych miest. Avšak z nasimulovaného modelu použitím Sankeyho diagramu a výstupných štatistík softvéru je možné vidieť, že existuje priestor pre zlepšenie efektivity analyzovaného procesu.

Pre odstránenie úzkych miest v procese budú ďalej simulované navrhnuté riešenia na optimalizáciu:

  1. Odstránenie jednej výstupnej kontroly a automatizácia druhej kontroly.
  2. Inštalácia dopravníka.

1.    Automatizácia výstupnej kontroly

Obidve  výstupné kontroly sú manuálne obsluhované pracovníkmi a z toho plynie aj vyšší takt (pri 100% úspešnosti 187 sekúnd), avšak automatickou adaptáciou sa zníži takt na 53 sekúnd (37 sekúnd čas pripojenia a 16 sekúnd čas odpojenia kontrolných prístrojov). Z toho vyplýva prevádzkovať len 1 kontrolnú stanicu ako efektívne riešenie.

Efektivitu tohto riešenia potvrdzuje aj Sankey diagram, ktorý znázorňuje vyváženie priebehu montáže a zvýšenie produktivity linky (obr. 4). Za 8 hodín pracovného času sa vyrobí o jeden kotol viac a úspora tkvie v automatickej kontrole, ktorá nepotrebuje obsluhu, čiže je možné uvažovať o znížení počtu pracovníkov (Tab. 3, Tab. 4), čo prináša výhody, ale aj nevýhody (Tab. 5).

2.    Použitie dopravníka

Zavedením dopravníkov do výroby by sa paradoxne predĺžila montáž kotla (obr. 5, Tab. 6). Avšak riešenie s dopravníkom sa dá optimalizovať, a to spojením pracoviska MO7 a MO8 a zároveň aj vyradením jednej výstupnej kontroly a automatizáciou druhej (obr. 6, Tab. 7, Tab. 8). Výhody a úskalia riešenia sú zhrnuté v Tab. 9.

Záver

Uskutočnenými simuláciami skutočného stavu montážnej linky na výrobu závesných kotlov v softvéri Tecnomatix Plant Simulation sa prišlo k záveru, že priestor pre optimalizáciu danej linky existuje. Na základe štatistík zo softvéru Tecnomatix Plant Simulation a Sankey diagramu boli určené riešenia na optimalizáciu linky a následne boli výsledky implementácie navrhovaných riešení otestované vo virtuálnom prostredí. Obidve riešenia sa prejavili ako riešenia s pozitívnym vplyvom na efektivitu procesu montáže kotlov. Na rozdiel od prvého riešenia, kde automatizácia jednej a vyradenie druhej výstupnej kontroly je ekonomicky výhodným riešením, u druhej optimalizácie, vzhľadom na finančnú náročnosť realizácie navrhovaného riešenia, bolo nutné vykonať ďalšie opatrenia, ako vyplýva z obr. 6. Len tak sa dá uvažovať o ekonomickej výhodnosti vzhľadom na vysoké obstarávacie náklady na kúpu dopravníka. Tento príspevok je jedným z výstupov z projektu Zvýšenie technickej vedomostnej základne a praktických zručností pedagógov a študentov UPIM v rámci koncepcie „Digitálny podnik“, (akronym: Dig Fac WW projekt). Projekt je financovaný z prostriedkov Nadácie Volkswagen Slovakia z grantového programu „Rozvíjať technik(o)u“.

Literatúra:
[1]    KELEMEN A KOL.: Návrh technických sústav podporený simulačným modelom sústavy, Strojárstvo/Strojírenství, 2013, 10. vydanie, ISSN 1335-2938, MEDIA/ST s.r.o.
[2]    KRAUZSOVÁ, A.: Optimalizácia vo výrobe a jej význam, The 13th International Scientific conference Trends and Innovative Approaches in Business Processes, 2010
[3]    KRAUZSOVÁ, A.: Oblasti výrobného procesu a ich optimalizácia, dostupné na internete http://www.engineering.sk/index.php/clanky2/stroje-a-technologie/443-oblasti-vyrobneho-procesu-a-ich-optimalizacia, 2.2.2014
[4]    MEISSNEROVÁ, D.: Digitální továrna – trend vedoucí k úsporám nákladů, Strojárstvo/Strojírenství, 2013, 12. vydanie, ISSN 1335-2938 MEDIA/ST s.r.o.
[5]    ŠÚTORA, D.: Plánovanie výroby s Plant Simulation, dostupné na internete www.sova.sk, 14.3.2014 http://www.sova.sk/produkty/projektovanie-vyrobnych-liniek/planovanie-vyroby-s-plant-simulation