Kusy, kusy, kusy! Stačí to?


Vplyv produktivity a kvality na výkon linky – simulácia

Ján Burieta
IPA Slovakia, s.r.o.
projektový manažér

resumé
Pre mnoho manažérov firiem je prvoradý výkon výroby – kusy a kvalita často zostáva až na druhom, prípadne ďalšom mieste. Preto som sa rozhodol zistiť veľkosť vplyvu produktivity a kvality na výkon výrobnej linky praktickým riešením. Na vytvorených simulačných modeloch linky je ukázané zníženie jej výkonu pri kolísaní času operácií a výrobou nekvality na jednotlivých procesoch. V závere článku sú výkonové straty uvedených vplyvov prepočítané aj na financie s odporúčanými opatreniami na zlepšenie.

Pri svojej praxi sa vo výrobných podnikoch často stretávam s prístupom manažérov, ktorí uprednostňujú hlavne výkon procesov a liniek pred kvalitou. Stratégia by sa dala nazvať tak, ako ju viacerí volajú, jednoducho: „Kusy! Kusy! Kusy!“. Táto stratégia nemusí byť vždy vhodná, pretože, ak je vysoká nekvalita, tak je potrebné vyrobiť oveľa viac výrobkov, aby sa dosiahol 100% výkon dobrých (kvalitných) kusov, ktoré požaduje zákazník. Preto som sa rozhodol urobiť ukážku porovnania vplyvu kolísania produktivity a kvality na jednoduchej výrobnej linke.

Základná ideálna linka

Základom je výrobná (alebo montážna) linka, ktorá obsahuje 5 pracovísk usporiadaných za sebou s výrobným časom 1 minúta pre každú operáciu. Linka je typu One Piece Flow, pracovníci si predávajú kusy medzi sebou bez medzizásoby. Linka je totálne časovo vybalansovaná, čas operácií je úplne rovnaký, presne 1 minúta, čo znamená, že sa v tomto ideálnom prípade nebudú vytvárať medzizásoby. Prísun nových kusov na spracovanie je každých 5 minút v počte 5 kusov. Podobne je to aj s hotovými kusmi, ktoré sú odvážané z linky (každých 5 minút 5 kusov). Na obr. 1 je zobrazená schéma takejto linky.

Výkon takejto linky je ľahko vypočítateľný. Za 450 minút je to 450 kusov, prvý kus vyjde v 6. minúte, samozrejme, ak by nebola rozpracovaná výroba, tak by bol výkon 445 kusov. Rozpracovanosť 5 kusov na linke a ďalších 5 kusov na vstupe a výstupe. Využitie pracovníkov 100 %. Kvalita je samozrejme na každom pracovisku 100 %. Priebežná doba výroby je 9 minút (vrátane času strávenia na linke, vstupe a výstupe).

Okrem výpočtu výkonu linky a ďalších charakteristík (využitie pracovníkov linky, rozpracovanosť, PDV a pod.) je možné na tento účel použiť simuláciu výrobných a logistických systémov. Simulácia na PC v simulačnom programe umožní prehratie všetkých možných zmien a nastavení, ktoré sa pri jednotlivých experimentoch (vplyv produktivity a kvality) budú meniť. Je to z toho dôvodu, pretože výpočet pri ďalších experimentoch nebude taký jednoduchý a reálne skúšky sú vo výrobe nemožné.

Vplyv produktivity na výkon linky

Čo sa stane s výkonom linky, ak sa čas spracovania na jednotlivých operáciách zreálni? Pre čas jednotlivých operácií navrhujem 1 min ±5 % (60 s ±3 s). Prečo práve 5 %? Pretože 5 % je odchýlka času, ktorá je prípustná v bežnej výrobe. Pokiaľ nameraný čas v porovnaní s výkonovou normou je v tejto odchýlke, tak ho považujeme za dobrý, norma sa nemení. Ostatné parametre linky zostanú zachované. Otázkou je, čo sa stane s výkonom linky (Linka1), ako budú využití pracovníci? Graf 1 uvádza využitie jednotlivých pracovísk (aj pracovníkov). Ako vidieť z uvedeného grafu, rozkolísaním operačného času nastáva v linke OPF to, že niektoré pracoviská vzhľadom na ich menší čas vyrobia produkt rýchlejšie, ale nemôžu odovzdať produkt na ďalšie pracovisko, pretože sa tam ešte vyrába predchádzajúci produkt – nastáva blokovanie pracovísk. Na druhej strane, ak pracovisko ukončí operáciu skôr, odovzdá produkt ďalej a nemá ešte diel z predchádzajúceho pracoviska, vzniká jeho nečinnosť.

Výkon takejto linky sa zníži na 430 kusov (oproti ideálnej Linke0, kde bol výkon 450 kusov). Využitie pracovísk klesne na 95,45 %, priemerná PDV bude 18,66 minúty. Rozpracovanosť až 30 kusov v systéme. Tu ešte pripomínam, že výkon linky nemusí byť zhodný z výkonom posledného pracoviska, pretože odvoz do expedície nastáva až vtedy, keď sa na paletu nazberá 5 kusov. Podobne to je aj pri vyskladňovaní, každých 5 minút príde 5 kusov na linku. Takto bude prebiehať vyskladňovanie aj expedícia pri všetkých ďalších variantoch. Toto bol teda prvý experiment, ktorý poukázal na to, aký veľký vplyv na výkon linky má „rozkolísanosť“ časov operácie jednotlivých pracovísk (inými slovami odchýlka času operácie 5 %).

Čo je teda možné urobiť, aby bol opäť dosiahnutý maximálny výkon z ideálnej linky (Linka0) alebo aby bolo možné sa k nemu s „rozkolísanosťou“ časov čo najviac priblížiť?

Merané charakteristiky výrobného systému naznačujú, že je vhodné odstrániť vzájomné blokovanie sa pracovísk medzi sebou. Preto ďalší experiment, ďalšia Linka2, bude obsahovať medzizásobníky medzi jednotlivými pracoviskami. Tieto medzizásobníky budú vyrovnávať časové rozdiely medzi pracoviskami, a tak sa pracoviská nebudú už vzájomne blokovať. Na obr. 2 sú uvedené všetky varianty liniek s vplyvom produktivity a ich simulačné modely.

Pomocou medzizásobníkov sa zvýšil výkon Linky2 na 445 kusov, to znamená, že je tam veľké priblíženie k ideálu 450 kusov. Priemerné využitie pracovísk (pracovníkov) je 99,42 %, čo je vyššie ako pri Linke1 (95,45 %). Rozpracovaná výroba klesla na 15  kusov a priemerná PDV je 11,5 minúty, čo je nižšie oproti Linke1 (18,7 min). Viac už porovnávajúce grafy 2 a 3.

Na grafoch vidieť porovnanie jednotlivých liniek – ideálna Linka0, ktorá má výkon 450 ks/zmenu, so 100%-ným využitím pracovísk a PDV, ktorá je 9 minút. Vplyv rozkolísania časov operácií ±5 % spôsobuje blokovanie pracovísk alebo ich nečinnosť, čo má za následok zníženie výkonu na 430 ks/zmenu, zníženie priemerného využitia pracovísk na 95,45 % a predĺženie priemernej PDV na 18,7 minúty. Odstránením blokovania pomocou medzizásobníkov pomohlo zvýšiť výkon na 445 ks/zmenu a zlepšenie využitia pracovísk na 99,42 % a priemernej PDV na 11,5 minúty.

Vplyv produktivity a kvality na výkon linky

Kvalita je druhým faktorom, silne ovplyvňujúcim výkonnosť linky. Preto budú jednotlivé varianty navrhnuté tak, aby bolo možné znížiť kvalitu na linke. Úroveň kvality nastavím na 99 %, čo znamená, že nekvalita bude 1 %. Prečo práve 1 %? Pretože veľa firiem v praxi má takúto úroveň, niektorí lepšiu, iní horšiu. Táto úroveň kvality odpovedá 3,83 σ.

Ďalší experiment simulácie Linky3 je schematicky znázornený na obr. 3. Ako vidieť zo schémy, produktivita na linke je nastavená na 100 %, to znamená, že všetky operácie budú mať dĺžku trvania presne 1 minútu ako pri ideálnej Linke0. Čo sa však zmení je úroveň kvality jednotlivých operácií. Na každom pracovisku bude 1 % nezhodných produktov, ktoré sa budú skladovať na palete za pracovníkom.

Výkon takejto linky je 425 ks/zmenu, čo je doposiaľ najnižší výkon z uvedených variantov. Ako vidieť z grafu 4, nekvalita na jednotlivých pracoviskách má vplyv na nižšie využitie, pretože pokiaľ odloží pracovník kus ako nezhodu, tak nasledujúce pracovisko nemá čo spracovávať. Preto je aj využitie pracovníkov nižšie, iba 95,45 %.

Počet nekvalitných dielov je 25 ks, rozpracovaná výroba 10 kusov a priemerná PDV je 9,12 minút. To znamená, že každé pracovisko má nekvalitu 1 %, čo sa za celú linku nazbiera na 25 ks/zmenu.

Aby linka bola viac reálna, nasledujúci experiment (Linka4) bude s rozkolísaním času trvania operácie 1 min ±5 % (bez medzizásobníkov) a kvalita bude na úrovni 99 % pre každé pracovisko. Toto rozkolísanie spôsobí zníženie výkonu linky na 405 ks/zmenu, čo je opäť ešte nižší výkon ako predchádzajúce varianty.  Na výkon nemá vplyv len kvalita, ale aj rozkolísanie časov, kde nastáva vzájomné blokovanie sa pracovníkov v linke. Počet nezhodných výrobkov zostáva na 25 ks/zmenu, rozpracovaná výroba je 30 kusov (najmä na vstupe, kde je vyskladnených 23 kusov, na výstupe 2 kusy a linka 5 kusov). Priemerná PDV je 18,7 minúty a využitie pracovníkov na úrovni 93,63 %.

Vzhľadom na vzájomné blokovanie pracovísk je možné pre zvýšenie výkonu pridať medzizásobníky, aby blokovanie nenastávalo.  Na obr. 4 sú uvedené všetky varianty liniek s vplyvom produktivity a kvality s ich simulačnými modelmi vrátane ďalšej – piatej linky.

Pomocou medzizásobníkov sa zvýšil výkon Linky5 na 425 ks/zmenu, čo je o 20 viac ako bez medzizásobníkov (iba 405 ks/zmenu). Priemerné využitie pracovísk (pracovníkov) sa zvýši na 97,77 %,  čo je vyššie ako pri Linke 3 (95,45 %) aj pri Linke4 (93,63 %). Rozpracovaná výroba na konci zmeny je 14 kusov (5 ks linka, 1 diel v zásobníku, 5 vstup, 3 výstup), počet nekvalitných dielov je 21 ks/zmenu. Priemerná PDV je 10,1 minúty. Viac už porovnávajúce grafy 5 a 6.

Vplyv produktivity a kvality s opravou na výkon linky

„Však my nemáme až toľko nezhôd, my to opravujeme!“ Toto je veta, ktorú často počúvam vo firmách. Preto uvádzam ešte ďalší variant (Linka6), ktorý v sebe zahŕňa aj opravu dielov pre jednotlivé pracoviská jedným pracovníkom. V tejto linke je už vplyv produktivity (čas trvania operácie na pracovisku 1 min ±5 %), vplyv nekvality na pracovisku (1 % z počtu dielov), ale aj vplyv opravy. Oprava je realizovaná tak, že všetky pracoviská majú za sebou zásobník, kde odkladajú nezhodné diely. Každé pracovisko z linky má za sebou pracovisko opráv (opravár často musí mať také isté miesto, náradie, možno ešte viac pomôcok na rozobratie dielu, vykonanie opravy a pod.). Na pracovisku prebieha oprava s dvojnásobným časom trvania opravy a rozkolísanosťou tiež iba 5 % (120s ±6 s) a úrovňou kvality 50 % (opraviť sa podarí „iba každý druhý“). Všetkých 5 opravárenských pracovísk obsluhuje jeden pracovník. Schéma Linky6 je na obr. 5 aj so simulačným modelom.

Výkon Linky6 oproti Linke5 je samozrejme vyšší, konkrétne 430 ks/zmenu (oproti 425 ks/zmenu). Počet opravených dielov opravárom je 12 ks/zmenu, počet nekvalitných (nezhodných) dielov je 17 ks/zmenu, ktoré sa neopravili. Rozpracovanosť výroby je 13 kusov. Priemerné využitie pracovníkov je 97,71 % a využitie opravára je 13,6 %. Priemerná PDV je 10,8 minúty.

Realita – vplyv produktivity, kvality, opráv

Vzhľadom na to, že v mnohých firmách sú uvádzané percentá horšie, dovolím si ešte jeden variant. Linka7 má opäť 5 pracovísk, ktoré majú čas operácie 1 min ±10 % (60 s ±6 s), medzi pracoviskami sú medzizásobníky. Kvalita výroby na každom pracovisku je 95 %, čiže každé pracovisko produkuje 5 % nezhôd. Opravy sú za každým pracoviskom a čas opravy je 5 min ±20 % s úspešnosťou 50 % a jedným pracovníkom pre všetky pracoviská. Schéma takejto výrobnej linky aj so simulačným modelom je na obr. 6.

Ako možno očakávať, výkon takejto linky 375 ks/zmenu je najnižší oproti ostatným linkám. Na opravu išlo 82 kusov a 40 bolo nezhodných. V rámci rozpracovanej výroby je 18 kusov v linke a 27 kusov čaká na opravu. Priemerná PDV sa zvýšila na 16,6 minúty. Priemerné využitie pracovníkov linky je 91,93 % a opravár je využitý na 97,72 %. Využitie opravára je veľmi zaujímavý výsledok, pretože pracovníci linky, vzhľadom na nevyváženosť operačných časov a tiež nekvalitu, sú menej využití ako opravár, ktorý realizuje opravu nezhodných kusov. Často túto situáciu možno vidieť aj v reálnej výrobe, kde pracovníci v linke pracujú bez problémov (nazývam to „veľká pohoda“) a pred pracoviskami opráv je plno paliet a opravári nestíhajú. Často to manažéri riešia tým, že pridajú pracovníkov opráv alebo celé pracoviská… Ale to je len riešenie následku! Úsilie by malo byť vynaložené na to, aby sa kvalita vyrábala v linke a nie opravovala alebo triedila! To znamená, aby boli výrobky vyrábané na prvýkrát dobre a každý krát, bez prerábania a opráv.

Porovnanie všetkých variantov vplyvu produktivity, kvality, opráv

Spolu som vytvoril 8 variantov výrobných liniek s vplyvom odchýlky času a kvality s opravami na výkon, ktoré boli presimulované v simulačnom programe pre zistenie jednotlivých vplyvov.

Pre lepšie porovnanie jednotlivých simulovaných variantov vplyvu produktivity, kvality  a opráv uvádzam tabuľku porovnania (tabuľka 1). V tabuľke sú presne rozpísané varianty liniek aj s výsledkami.

Porovnanie výkonu je uvedené aj v grafe 7. Ako vidieť, vplyv faktorov produktivity a kvality je veľký. Na záver možno povedať, že snaha „zachrániť“ výkon linky od vplyvu nevybalancovania času operácií pomocou medzizásobníkov je úspešná s určitou stratou od ideálu. Snaha „zachrániť výkon linky od vplyvu nekvality“ je často realizovaná opravami. Dôležité však je, aby sa snaha zameriavala na vytvorenie plynulého toku bez potreby prerábania a opráv ako na zachraňovanie nedostatkov, či už v produktivite, alebo kvalite.

Finančné zhodnotenie

Aby bol vplyv produktivity a kvality na výkonnosť linky finančne ohodnotený, zrealizujem aj finančné zhodnotenie. Základné finančné údaje sú v tabuľke 2.

Po prepočítaní všetkých finančných údajov na jednotlivé linky možno dospieť k záveru, že na výkon linky majú produktivita a kvalita nezanedbateľný vplyv. Zisk, ktorý môže byť v prípade ideálnej linky sa postupne znižuje (graf 8).

Dôležité poznanie z grafu je, že zisk takejto linky v prípade ideálu (Linka0) môže byť až 1 920 €/zmenu. Tento zisk sa v prípade nevybalancovania časov operácií znižuje (Linka1) iba na 1 720 €/zmenu, čo je -10,4 % oproti ideálu. Po pridaní medzizásobníkov sa dá dosiahnuť menšia náprava na 1 870 €/zmenu, čo je -2,6 % oproti ideálu. V prípade zníženia úrovne kvality na 99 % a udržaní konštantného času operácií je zisk 1620 €/zmenu, čo je -15,6 % oproti ideálu. Takýmto spôsobom je možné zhodnotiť všetky linky (tabuľka 3) a vidieť, aký je veľký vplyv kvality aj produktivity na výkonnosť, preverený simuláciou.

Záver

Uvedený článok ukazuje kvantitatívne vyhodnotenie vplyvu odchýlky produktivity a kvality na výkon linky. Všeobecne známy a článkom potvrdený záver je, že pokiaľ nie je tok hodnoty plynulý a sú v ňom veľké odchýlky (kvality aj produktivity), tak sa automaticky znižuje výkonnosť, a tým aj ziskovosť výroby. Z jednotlivých experimentov vyplýva, že vplyv nie je zanedbateľný a v prípade väčších odchýlok môže nabrať dramatický spád. Často realizované „záchranné akcie“, ako napríklad vytváranie medzizásoby, nadčasy, opravy, triedenia a pod., pomôžu len v obmedzenom rozsahu. Opatrenia by mali skôr smerovať k zmene pracovísk, zlepšovaní náradia, pomôcok, Poka-Yoke prvkov, organizácie práce, ale aj zmene dizajnu výrobku, aj celej výroby a doladiť výrobu (produktivitu a kvalitu) ešte v predvýrobných etapách, kde sú zmeny relatívne jednoduché, rýchle a menej nákladné. Zlepšenia by mali zabezpečiť, aby bolo možné vyrábať na prvýkrát, kvalitne a každý krát.