Modułowy model elastycznego systemu produkcyjnego

Transkrypt

1 Jolanta Krystek 1 Instytut Automatyki Politechnika Śląska ul. Akademicka 2A Gliwice Modułowy model elastycznego systemu produkcyjnego 1. WPROWADZENIE Elastyczne systemy produkcyjne (ESP) (ang. Flexible Manufacturing System FMS) to systemy charakteryzujące się wielostronnością. Najważniejszymi ich cechami są: sterowanie komputerowe, wysoki stopień automatyzacji produkcji i integracji systemów, zdolność dostosowania do zmieniających się warunków i zadań produkcyjnych, połączenie wydajności z produkcją różnorodnych wyrobów. Elastyczny system produkcyjny jest bardzo złożonym systemem zawierającym w sobie wiele zintegrowanych elementów sprzętowych i oprogramowania. Może składać się z kilku elastycznych modułów produkcyjnych powiązanych typem wyrobów lub procesem technologicznym, zintegrowanych poprzez system transportu i magazynowania oraz wspólne planowanie i sterowanie. Spełnia podstawowe wymagania nowoczesnej produkcji: wysoką wydajność (jak w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych produkcja rytmiczna) oraz różnorodność asortymentu produkcji, charakterystyczną dla gniazd technologicznych produkcja nierytmiczna [2,7]. Dla przedsiębiorstw produkcyjnych coraz większe znaczenie ma osiągnięcie takiego poziomu elastyczności produkcji, który umożliwiałby szybsze reagowanie na potrzeby rynku i zmienność żądań klientów, krótki czas i terminowość produkcji, wysoką jakość oraz racjonalne koszty produkcji. Uzyskanie optymalnego poziomu każdego z tych parametrów nie jest możliwe, najczęściej konieczny jest kompromis pomiędzy nimi. Odpowiedzią na takie wymagania było powstanie i rozwój elastycznych systemów produkcyjnych (ESP) [1, 6, 7]. Elastyczne systemy produkcyjne należą wciąż do najbardziej kosztownych obiektów przemysłowych. Niezwykle istotne jest optymalne wykorzystanie wszystkich możliwości, jakie stwarza ich potencjał wytwórczy. Złożoność problemów planowania produkcji w takich systemach ma istotny wpływ na stopień wykorzystania dostępnych zasobów. Jedną z istotnych przeszkód stojących na drodze do lepszego poznania własności złożonych systemów produkcyjnych stosowanych w przemyśle jest ich niedostępność dla naukowców i studentów oraz ograniczona możliwość ingerowania w procesy produkcyjne realizowane na tych systemach w działających zakładach przemysłowych. Parametry produkcji określają wymagania nakładane na zautomatyzowane systemy produkcyjne i wywierają bardzo duży wpływ na działalność projektową. Projektowanie systemów produkcyjnych uwzględniających obecne i przyszłe scenariusze produkcji staje się więc procesem wysoce złożonym i obarczonym dużym stopniem ryzyka. Poziom elastyczności tych systemów powinien być przystosowany do bieżących zadań produkcyjnych [5, 8]. Rozwiązaniem problemów związanych z projektowaniem elastycznych systemów produkcyjnych może być wykorzystanie w dydaktyce i pracach naukowo-badawczych modeli, zarówno symulacyjnych jak i fizycznych, systemów produkcyjnych. Przedstawiany w artykule system jest fizycznym modelem elastycznego systemu produkcyjnego, wykonanym w zmniejszonej skali (rys. 1). Stanowisko umożliwia wielowersyjny montaż produktu składającego się z krążków produkcyjnych wykonanych z różnych materiałów (tworzywo, aluminium) i o zróżnicowanym kolorze. Zmontowany produkt może zostać oznakowany za pomocą magnetycznego znacznika wielokrotnego użytku. Na stanowisku możliwe jest symulowanie takich elementów procesów produkcyjnych jak: montaż wielowersyjny, planowanie produkcji (rytmicznej, powtarzalnej, masowej), planowanie dostaw komponentów, planowanie potrzeb materiałowych i 1 jolanta.krystek@polsl.pl Logistyka 2/

2 zdolności produkcyjnej, niedopasowanie wydajności odcinków produkcyjnych, wąskie gardła, przezbrojenia, kontrola jakości i paletyzacja oraz zarządzanie procesem magazynowania w magazynie wysokiego składowania (w przyszłości). Rys. 1. Stanowisko badawcze elastycznego systemu produkcyjnego Stanowisko wyposażone jest w napędy pneumatyczne i elektryczne, sterowane za pomocą sterownika PLC zintegrowanego z panelem operatorskim wyposażonym w ekran dotykowy, który umożliwia wizualizację parametrów procesu i pozwala je modyfikować. System posiada strukturę modułową i jest wyposażony w systemy będące fizycznymi modelami systemów stosowanych w przemyśle. Systemy te pomimo redukcji ich wielkości, nie tracą cech charakterystycznych dla rozwiązań przemysłowych i umożliwiają wykonanie testów, które nie są możliwe do przeprowadzenia w działającym przedsiębiorstwie. Działanie takiego systemu umożliwia analizę i realizację procesu projektowania, konfigurowania, technicznego planowania produkcji, programowania, uruchamiania oraz identyfikacji i eliminacji błędów w działaniu systemu. Eksperymenty symulacyjne umożliwiają poznanie mechanizmów i zasad stosowanych w rzeczywistym systemie produkcyjnym. Możliwa jest również realizacja różnych scenariuszy produkcyjnych oraz badanie wpływu awarii poszczególnych urządzeń na wydajność systemu. System wykorzystywany jest do implementacji i weryfikacji opracowywanych metod, algorytmów oraz oprogramowania systemu sterowania produkcją. Prowadzone prace obejmują modernizację, konfigurację i programowanie lokalnych układów sterowania. 2. OPIS MODUŁOWEGO DYDAKTYCZNEGO SYSTEMU PRODUKCYJNEGO Stanowisko wyposażono w elementy umożliwiające symulację procesów i zdarzeń rzeczywistych obiektów produkcyjnych takich jak: grawitacyjny magazyn wejściowy umożliwiający podawanie materiałów produkcyjnych z możliwością zadawania częstotliwości podawania, transportery taśmowe zapewniające transport (ze zmienną prędkością) detali pomiędzy elementami wykonawczymi stanowiska, 446 Logistyka 2/2015

3 separator pneumatyczny wyposażony w zespół czujników umożliwiających identyfikację podzespołów i zmianę ich marszruty produkcyjnej w uzależnieniu od zadanych warunków, 2-osiowe manipulatory (pneumatyczny i elektropneumatyczny) pozwalające na symulację procesów montażu i paletyzacji, mechanizm znakowania produktów pozwalający na znakowanie produktu w zależności od wybranej wersji, wyposażony w automatyczny system przezbrajania, czujniki wizyjne zapewniające kontrolę i identyfikację elementów pod kątem np. poprawności montażu czy rodzaju wyrobu, magazyny wyjściowe umożliwiające sortowanie gotowych produktów za względu na rodzaj wyrobu lub jakość montażu. Chęć jak najlepszego odzwierciedlenia procesów produkcyjnych zachodzących w rzeczywistych przedsiębiorstwach narzuca określoną strukturę dydaktycznego elastycznego systemu produkcyjnego oraz związany z tą strukturą podział modułów ze względu na ich funkcje (rys. 2): moduły dystrybucji (wejścia i wyjścia), moduł transportu detali (liniowy, taśmowy, chwytak podciśnieniowy), moduł montażu, bufory między stanowiskowe, zautomatyzowane stanowisko sortowania, moduł kontroli, wizyjny moduł kontroli jakości. Rys. 2. Poglądowy widok stanowiska Dla przedstawianego systemu produkcyjnego można wyodrębnić następujące podsystemy powiązane między sobą przepływem określonych rodzajów strumieni: podsystem przepływu materiałów, podsystem przepływu strumieni energetycznych, podsystem przepływu informacji. Logistyka 2/

4 3. OPIS PROCESU PRODUKCJI W opisywanym systemie wykorzystywane są gotowe krążki, które traktowane są jako pozycje zakupowe w procesie produkcji wyrobu finalnego, czyli jednego z 60 zestawów. W celu przeprowadzenia procesu technicznego planowania produkcji i jego implementacji analizowano pełny proces produkcji. Rys. 3. Drzewo struktury przykładowego produktu zestawu KR 001 Implementację pełnego procesu można traktować jako wdrożenie procesu produkcji w wirtualnym przedsiębiorstwie stworzonym na potrzeby modelowania stanowiska badawczego. Jako narzędzie wspomagające zarządzanie produkcją w przedsiębiorstwie wykorzystano zintegrowany system informatyczny klasy ERP, IFS Applications. W przedsiębiorstwie tym można wyróżnić trzy wydziały: zaopatrzenia, produkcji oraz dystrybucji [3]. Wydział zaopatrzenia odpowiada za zakup oraz dostarczenie do magazynu wejściowego KRM 00 materiałów do produkcji krążków i zestawów. Następnie materiały są dostarczane do 3 magazynów KRM 10, KRM 60 i KRM 70 zaopatrujących poszczególne linie produkcyjne. Krążki plastikowe są formowane z gotowego granulatu, natomiast aluminiowe są wycinane z aluminiowych prętów. Następnie w krążkach są wywiercane wgłębienia, w których mocowane są magnesy umożliwiające łączenie krążków w zestawy o odpowiedniej konfiguracji. (rys. 3). Krążki aluminiowe są produkowane na linii produkcyjnej KRL 20, składającej się z 3 gniazd produkcyjnych w których realizowane są operacje wycinania i obróbki krążków aluminiowych, montaż magnesów oraz malowanie. Linia produkcyjna KRL 30 również składa się z 3 gniazd produkcyjnych, w których kolejno następuje formowanie krążków plastikowych, montaż magnesów i malowanie. Operacje związane z montażem zestawów są wykonywane na linii produkcyjnej KRL 10. W jej skład wchodzi 10 gniazd produkcyjnych (KRG 010 KRG 085), w których następuje detekcja koloru i materiału krążków, montaż krążków oraz znacznika, a także kontrola jakości. W zależności od zlecenia produkcyjnego istnieje możliwość oznaczenia zestawów znacznikiem wielokrotnego użytku (małą albo dużą kulką) Gotowy produkt transportowany jest do magazynu wyjściowego, skąd następuje jego dystrybucja. W prezentowanym systemie, w gnieździe KRG 070, odbywa się montaż wielowersyjny. Można ten moduł traktować jak model elastycznego systemu montażowego i przyjąć następującą definicję [7]: Elastycznym systemem montażowym, w skrócie ESM (ang. FAS Flexible Assembly System) nazywa się zespół sterowanych numerycznie stanowisk montażowych, zintegrowany poprzez 448 Logistyka 2/2015

5 zautomatyzowany transport i magazynowanie oraz wspólne sterowanie komputerowe, przeznaczony do jednoczesnego montażu wielu różnych wyrobów w krótkich seriach. Rys. 4. Przepływ materiałów w wirtualnym przedsiębiorstwie Źródło: [3] Na rysunku 4 przedstawiono przepływ materiałów w wirtualnym przedsiębiorstwie gdzie elementy analizowanego procesu, realizowanego na stanowisku badawczym oznaczono jako: KRM 10 grawitacyjny magazyn wejściowy, KRG 010 podajnik, KRG 020 czujnik koloru, KRG 030 czujnik pojemnościowy, Logistyka 2/

6 KRG 040 czujnik indukcyjny, KRG 050 bufor (karuzela), KRG 060 separator, KRG 070 stacja montażu, KRG 075 stanowisko znakowania produktu, KRG 080 wizyjny system kontroli jakości, KRG 085 stanowisko segregacji wyrobów gotowych, KRM 030, KRM 040, KRM 050 magazyny wyjściowe. Analizowany proces rozpoczyna się od grawitacyjnego magazynu wejściowego, umożliwiającego podawanie krążków z różną częstotliwością. Krążki z magazynu trafiają na pierwszy transporter taśmowy. Na wysokości magazynu karuzelowego znajduje się czujnik koloru. Następuje sprawdzenie czy kolor danego krążka odpowiada założeniom harmonogramu produkcji. Jeśli nie, jest on przemieszczany do magazynu karuzelowego pełniącego funkcję bufora. Krążki z magazynu karuzelowego mogą zostać w późniejszym czasie przywrócone na linię, jeśli zajdzie taka potrzeba (rys. 5). W kolejnym etapie krążki są rozdzielane na dwie niezależne ścieżki. Na końcu jednej z nich znajduje się manipulator z chwytakiem podciśnieniowym umożliwiającym rozpoczęcie procesu montażu. Nałożone na siebie krążki są połączone dzięki magnesom. Po tej operacji powstaje półprodukt gotowy do oznaczenia markerem. Półprodukt przemieszczany jest za pomocą kolejnego transportera taśmowego do stanowiska przydzielania markera. Znajduje się tu mechanizm znakowania półproduktu pozwalający na znakowanie produktu w zależności od wybranej wersji, wyposażony w automatyczny system przezbrajania. W zależności od zamówienia umieszczany jest marker duży, mały lub zestaw pozostaje bez markera. Gotowy wyrób przemieszczany jest dalej do kontroli jakości. System wizyjny sprawdza poprawność montażu oraz zgodność z harmonogramem produkcji. W zależności od wyniku kontroli drugi manipulator elektropneumatyczny przenosi gotowy wyrób do jednego z trzech magazynów wyjściowych (rys. 7). Rys. 5. Stanowisko badawcze moduł wejściowo-transportowy z magazynem karuzelowym 450 Logistyka 2/2015

7 Rys. 6. Stanowisko badawcze moduły montażu i inspekcji Rys. 7. Stanowisko badawcze moduł wyjściowy Proces produkcji w dydaktycznym systemie produkcyjnym realizowany jest zgodnie z planem produkcji wprowadzanym do systemu z panelu kontrolnego lub zewnętrznej aplikacji nadzorującej pracę systemu. Moduł dystrybucji składa się z grawitacyjnego magazynu wejściowego, którego konstrukcja pozwala na umieszczenie w nim do 15 krążków (rys. 5). Moduł kontroli wykorzystuje czujniki kontrolno-pomiarowe (indukcyjne, pojemnościowe, fotoelektryczne) i realizuje następujące zadania: określenie własności materiałowych krążków, przekazanie elementów do następnej fazy procesu wytwórczego, kontrola jakości montażu. Do detekcji koloru zastosowano zaawansowany czujnik koloru RGB japońskiej firmy Keyence, model CZ-H32, który w połączeniu ze wzmacniaczem CZ-V21AP pozwala na zaprogramowanie detekcji dla 4 różnych kolorów. Moduł transportu realizuje następujące zadania: pobieranie elementów z magazynu wejściowego, przekazywanie elementów do kolejnych etapów procesu produkcji, przekazywanie gotowych zestawów do magazynów wyjściowych. 4. STEROWANIE DZIAŁANIEM UKŁADU W modułowym, dydaktycznym elastycznym systemie produkcyjnym można wyróżnić następujące główne grupy elementów: elementy wykonawcze i czujniki bezpośrednio obsługujące proces technologiczny (siłowniki, motoreduktory z przekładnią ślimakową, silniki elektryczne, czujniki kontrolno-pomiarowe), panel kontrolny do komunikacji operatora z modułem roboczym, sterownik MITSUBISHI FX3U-16M, elementy pneumatyczne, konstrukcja stanowiska. Sterownik FX3U-16M stanowi główny element układu sterowania stanowiska (rys.8). Jego zadaniem jest sterowanie całym procesem. Dzięki oprogramowaniu IGS istnieje możliwość czytania zmiennych bezpośrednio z jego pamięci wewnętrznej z interwałem 100ms. Do komunikacji operatora z modułem roboczym zastosowano panel kontrolny który posiada ekran dotykowy, przyciski rozpoczęcia i wstrzymania procesu, reset systemu oraz przycisk awaryjnego bezpieczeństwa (rys.9). Panel operatorski składa się z panelu Mitsubishi GOT1000 w wersji GT10. Logistyka 2/

8 Aplikacja sterująca działaniem systemu pozwala na wprowadzanie planu produkcji poprzez ekran dotykowy Umożliwia on, na kilku podstawowych ekranach, parametryzację procesu i wyświetlanie podstawowych informacji np. liczbę zmontowanych sztuk, nazwy elementów znajdujących się w magazynie karuzelowym, czy tabelę alarmów. Rys. 8. Stanowisko badawcze sterownik MITSUBISHI FX3U-16M Rys. 9. Stanowisko badawcze panel operatorski 5. CECHY ELASTYCZNOŚCI BADAWCZEGO SYSTEMU PRODUKCYJNEGO Uzyskanie odpowiedniego poziomu elastyczności w rzeczywistym systemie produkcyjnym powinno być zapewnione juz na etapie projektowania takiego systemu. Opisywane stanowisko produkcyjne posiada następujące cechy elastyczności: elastyczność asortymentu produkcji wytwarzanie wielu różnych produktów (60), elastyczność wielkości produkcji możliwa jest realizacja różnych typów produkcji (masowa, rytmiczna, powtarzalna), elastyczność marszrut technologicznych w przypadku awarii jednej z ścieżek produkcyjnych, możliwość przeniesienia całej produkcji na drugą, sprawną ścieżkę, elastyczność rozwoju systemu możliwa zmiana umiejscowienia czujników, manipulatorów, systemu wizyjnego, elastyczność ekspansyjna prosta możliwość rozbudowy systemu o np. dodatkowe czujniki, gniazda robocze, wyjściowy magazyn wysokiego składowania, funkcjonalności. 6. WNIOSKI I UWAGI Elastyczność produkcji uznawana jest powszechnie za jeden ze sposobów odpowiedzi na wymagania klientów. Stosowanie wysoce zautomatyzowanych systemów produkcyjnych niewątpliwie podnosi konkurencyjność przedsiębiorstw lecz wiąże się jednocześnie z wysokimi nakładami finansowymi. Celowe wydaje się projektowanie systemów o wymaganym, niezbędnym poziomie elastyczności przy umiarkowanych kosztach. Opisywane w artykule stanowisko umożliwia zapoznanie się przyszłych planistów i projektantów takich systemów z tą problematyką w zakresie: modelowania zarówno całych rzeczywistych procesów produkcji jak i ich poszczególnych etapów, symulowania problemów i zakłóceń procesu produkcji, planowania i zarządzania procesem produkcji, technicznego planowania produkcji, programowania zaawansowanych sterowników przemysłowych oraz paneli operatorskich, programowania i obsługi przemysłowych systemów kontroli wizyjnej, 452 Logistyka 2/2015

9 parametryzacji i obsługi urządzeń napędowych oraz manipulacyjnych. Możliwości te wynikają z przyjętej koncepcji modułowej konstrukcji całego systemu co jest zgodne z najnowszymi trendami tworzenia elastycznych systemów produkcyjnych. Taka koncepcja stwarza duże możliwości przyszłych działań dotyczących rozbudowy funkcjonalnej stanowiska, tworzenie nowych scenariuszy badań i wykorzystania stanowiska. Stanowisko umożliwia realizację prac naukowo-badawczych dotyczących projektowania systemów wytwarzania charakteryzujących się wysokim poziomem automatyzacji i elastyczności analizując jednocześnie wskaźniki efektywności ekonomicznej. Streszczenie Praca finansowana ze środków przewidzianych na BK-265/RAu1/2014/t.9. W artykule przedstawiono dydaktyczny, modułowy model elastycznego systemu produkcyjnego. Stanowisko wyposażono w elementy umożliwiające symulację procesów i zdarzeń rzeczywistych obiektów produkcyjnych. Na stanowisku możliwe jest symulowanie elementów procesów produkcyjnych takich jak: planowanie (produkcji, dostaw komponentów, produkcji powtarzalnej i rytmicznej), niedopasowanie wydajności odcinków produkcyjnych, wąskie gardła, przezbrojenia, montaż, kontrola jakości. Słowa kluczowe: elastyczny system produkcyjny, ESP, planowanie produkcji, montaż, IFS Applications Modular model of a flexible manufacturing system Abstract A model of teaching, modular flexible manufacturing system is presented. The system is equipped with elements to simulate real processes and events of production facilities. On the test stand, it is possible to simulate elements of the production process, such as planning (production, supply of components, repetitive and rhythmic production), performance mismatch of production sections, bottlenecks, setups, assembly, quality control. Keywords: flexible manufacturing system, FMS, production planning, assembly, IFS Applications LITERATURA [1] Banaszak Z., Muszyński W.: Systemy elastycznej automatyzacji dyskretnych procesów produkcyjnych, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [2] Brzeziński M. (red.): Organizacja i sterowanie produkcją. Projektowanie systemów produkcyjnych i procesów sterowania produkcją, PLACET, Warszawa [3] Krystek J.: Projekt dydaktycznego, modułowego, elastycznego system produkcyjnego. Miesięcznik Naukowo-Techniczny, Mechanik 7/2014, str /560. [4] Lis S., Santarek K., Strzelczak S.: Organizacja elastycznych systemów produkcyjnych, PWN, Warszawa [5] Matta A., Semeraro Q.: Design advanced manufacturing systems models for capacity planning in advanced manufacturing systems, Springer, New York, [6] Sawik T.: Optymalizacja dyskretna w elastycznych systemach produkcyjnych, WNT Warszawa [7] Sawik T.: Planowanie i sterowanie produkcji w elastycznych systemach montażowych, WNT Warszawa [8] Tolio T. (red): Design of Flexible Production Systems, Springer-Verlag, Berlin, Sury R.J.: Aspects of assembly Line balancing, International Journal of Productive Research, 1971, pp 8-14 Logistyka 2/