PROJEKT DYDAKTYCZNEGO, MODUŁOWEGO, ELASTYCZNEGO SYSTEMU PRODUKCYJNEGO

Transkrypt

1 Dr inż. Jolanta KRYSTEK Politechnika Śląska, Instytut Automatyki PROJEKT DYDAKTYCZNEGO, MODUŁOWEGO, ELASTYCZNEGO SYSTEMU PRODUKCYJNEGO Streszczenie: W artykule przedstawiono dydaktyczny, modułowy model elastycznego systemu produkcyjnego, składający się z modułów wytwarzania, transportowego i magazynowego. Opisano szczegółowo strukturę informacyjną systemu produkcyjnego. Proces produkcji został zaimplementowany w zintegrowanym systemie informatycznym IFS Applications. PROJECT OF TEACHING, MODULAR MODEL OF A FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEM Abstract: A model of modular, teaching, flexible manufacturing system is presented. The model consist of the manufacturing, transportation, and storage modules. A detailed description of the information structure of this system is given. The production process is implemented in the integrated management systems IFS Application. Słowa kluczowe: Elastyczny System Produkcyjny, planowanie produkcji, harmonogram produkcji, IFS Applications, Asprova APS Keywords: Flexible Manufacturing System, production planning, production schedule, IFS Applications, Asprova APS 1. WPROWADZENIE Współczesny rynek wywiera presję na przedsiębiorstwa, by odchodziły od produkcji masowej (na magazyn) w kierunku produkcji na zamówienie. Konkurencja pomiędzy wytwórcami zmusza ich do stałego podnoszenia jakości i skracania czasu reakcji na zamówienia klientów przy jednoczesnym obniżaniu cen. Postulaty te pozornie są ze sobą w sprzeczności, w praktyce okazuje się, że możliwe jest ich spełnienie. Rozwiązaniem jest usprawnianie technologii oraz właściwa organizacja produkcji. Zakłady produkcyjne dążą do zmniejszania kosztów wytwarzania i magazynowania przez pełniejsze wykorzystanie zdolności produkcyjnych, skracanie cykli produkcyjnych i spadek zapasów oraz do dostosowania zmian asortymentu i tempa produkcji do spływających na bieżąco zamówień. Zapotrzebowanie na produkowane wyroby składane jest przez klienta jako indywidualne zlecenie. Dla przedsiębiorstw produkcyjnych coraz większe znaczenie ma elastyczność produkcji, która umożliwiałaby szybsze reagowanie na potrzeby rynku, zmienność żądań klientów, terminowość produkcji oraz zmniejszenie kosztów produkcji. Aby osiągnąć odpowiedni poziom elastyczności i skrócić cykle produkcji, niezbędne jest efektywne sterowanie produkcją. Odpowiedzią na takie wymagania jest powstanie i rozwój elastycznych systemów produkcyjnych (ESP) [1, 5, 6]. Elastyczny system produkcyjny skutecznie łączy podstawowe 343

2 wymagania nowoczesnej produkcji: wysoką wydajność (jak w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych produkcja rytmiczna) oraz różnorodność asortymentu produkcji, charakterystyczną dla gniazd technologicznych produkcja nierytmiczna [2, 6]. Do podstawowych cech charakteryzujących te systemy należą: elastyczność polegająca na zdolności dostosowania do zmieniających się warunków i zadań produkcyjnych oraz automatyzacja produkcji. Elastyczny system produkcyjny jest bardzo złożonym systemem zawierającym w sobie wiele zintegrowanych elementów sprzętowych i oprogramowania. Składa się z kilku elastycznych modułów produkcyjnych powiązanych typem wyrobów lub procesem technologicznym, zintegrowanych wzajemnie przez system transportu i magazynowania oraz wspólne planowanie i sterowanie [2, 4]. Elastyczne systemy produkcyjne to systemy charakteryzujące się wielostronnością. Najważniejszymi cechami są: sterowanie komputerowe, wysoki stopień automatyzacji i integracji systemów, połączenie wydajności z produkcją różnorodnych produktów. Elastyczne systemy produkcyjne należą do najbardziej kosztownych obiektów przemysłowych. Niezwykle istotne jest optymalne wykorzystanie wszystkich możliwości, jakie stwarza ich potencjał wytwórczy. 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 bardzo ograniczona możliwość ingerowania w procesy produkcyjne realizowane na tych systemach w działających zakładach przemysłowych. Rozwiązaniem tych problemów może być utworzenie dydaktycznego elastycznego systemu produkcyjnego (ESP) wyposażonego w systemy będące fizycznymi modelami systemów produkcyjnych stosowanych w przemyśle. Systemy te pomimo redukcji ich wielkości nie traciłyby cech charakterystycznych dla rozwiązań przemysłowych i umożliwiałyby prowadzenie testów, które nie są możliwe do przeprowadzenia w działającym przedsiębiorstwie, a są niezbędne do uzyskania założonych celów badawczych i dydaktycznych. Taki system umożliwi realizację prac naukowo-badawczych dotyczących projektowania systemów wytwarzania charakteryzujących się wysokim poziomem automatyzacji i elastyczności, analizujących jednocześnie wskaźniki efektywności ekonomicznej. Chęć jak najlepszego odzwierciedlenia rzeczywistych procesów produkcyjnych zachodzących w rzeczywistych przedsiębiorstwach narzuca określoną strukturę projektowanego elastycznego systemu produkcyjnego: moduły wejścia i wyjścia, moduł transportu detali (liniowy, kątowy, taśmowy, chwytak podciśnieniowy), zrobotyzowane/zautomatyzowane stanowisko montażu, bufory międzystanowiskowe, zautomatyzowane stanowisko sortowania, stanowiska nadzoru produkcji wyposażone w różnego rodzaju czujniki, wizyjny system kontroli jakości. 2. OPIS PROJEKTOWANEGO STANOWISKA Projektowane stanowisko produkcyjne posiada następujące cechy elastyczności: elastyczność asortymentu produkcji wytwarzanie wielu różnych produktów (48), elastyczność wielkości produkcji możliwa jest realizacja różnych typów produkcji (masowa, rytmiczna, powtarzalna), 344

3 elastyczność marszrut technologicznych w przypadku awarii jednej ze 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 np. o dodatkowe czujniki, gniazda robocze, wyjściowy magazyn wysokiego składowania, funkcjonalności. W projektowanym systemie w module KRG 100 odbywa się montaż wielowersyjny. Można ten moduł projektowanego systemu traktować jak model elastycznego systemu montażowego i przyjąć następującą definicję [6]: Elastycznym systemem montażowym, w skrócie ESM (ang. FAS Flexible Assembly System), nazywa się zespół sterowanych numerycznie stanowisk montażowych zintegrowany poprzez zautomatyzowany transport i magazynowanie oraz wspólne sterowanie komputerowe, przeznaczony do jednoczesnego montażu wielu różnych wyrobów w krótkich seriach. Rys. 1. Schemat stanowiska [źródło własne] Na projektowanym stanowisku dydaktyczno-badawczym (rys. 1) symulowany jest proces wielowersyjnego montażu. Wyrobem finalnym jest jeden z 48 zestawów krążków z opcjonalnym wyposażeniem w marker (rys. 2). Krążki są wykonane z aluminium lub plastiku i występują w dwóch kolorach: czarnym bądź białym. Każdy zestaw składa się z dwóch krążków połączonych ze sobą magnesem. Dodatkowo zestaw może zostać oznaczony jednym z dwóch markerów. Wielkość i asortyment produkcji określane są w nadrzędnym harmonogramie produkcji. 345

4 Rys. 2. Ilustracja kolejnych etapów montażu zestawu krążków [źródło własne] Moduł wejściowy projektowanego elastycznego systemu produkcyjnego składa się z grawitacyjnego magazynu wejściowego, którego konstrukcja pozwala na umieszczenie w nim do 15 krążków. Krążki z magazynu grawitacyjnego trafiają na pierwszą taśmę transportową. Wzdłuż taśmy umieszczone są czujniki indukcyjne oraz czujnik koloru. Za ich pomocą identyfikowane są krążki pojawiające się na transporterze. W przypadku pojawienia się nieodpowiedniego elementu zostaje on skierowany do magazynu karuzelowego, który pełni rolę magazynu buforowego. Jeżeli istnieje zapotrzebowanie, to z tego samego magazynu zostaje wprowadzony zastępczy element. Kolejnym gniazdem produkcyjnym jest separator, na którym krążki są kierowane na dwie niezależne ścieżki produkcyjne. Na ich końcach znajduje się manipulator umożliwiający przeniesienie elementu z lewej ścieżki na prawą i zainicjowanie operacji montażu. Magnesy znajdujące się w krążkach umożliwiają ich połączenie. W wyniku tej operacji powstaje nowy półprodukt, który następnie transportowany jest pod manipulator odpowiedzialny za opcjonalny montaż markera. Zgodnie z zamówieniem produkcyjnym może tu nastąpić umiejscowienie markera (opcjonalnie: dwa rodzaje markera lub jego brak) w stworzonym półprodukcie. Przedostatnim etapem jest kontrola jakości za pomocą systemu wizyjnego, który sprawdza, czy produkt końcowy składa się z odpowiednich elementów oraz czy są prawidłowo zmontowane. Na podstawie decyzji z tego systemu produkt końcowy zostaje przetransportowany do jednego z trzech magazynów wyjściowych. 3. MODUŁOWOŚĆ PROJEKTOWANEGO STANOWISKA W zaprojektowanym stanowisku produkcyjnym wyróżniono następujące moduły (rys. 3-5): moduł wejściowo/transportowy magazyn grawitacyjny, z którego kolejne krążki przekazywane są na transporter taśmowy, moduł identyfikacji czujniki, które rozpoznają kolor oraz materiał elementów, moduł segregacji rozdzielenie krążków na odpowiednie ścieżki produkcyjne, moduł montażu połączenie krążków w zestaw oraz montaż odpowiedniego markera, moduł inspekcji system wizyjny sprawdzający prawidłowość montażu końcowego, moduł wyjściowy trzy niezależne linie transportowe prowadzące do magazynów wyjściowych (a po rozbudowie stanowiska do magazynu wysokiego składowania). 346

5 Rys. 3. Stanowisko produkcyjne moduł wejściowo-transportowy Rys. 4. Stanowisko produkcyjne moduły montażu i inspekcji Rys. 5. Stanowisko produkcyjne moduł wyjściowy 4. IMPLEMENTACJA PROCESU PRODUKCJI W projektowanym systemie wykorzystywane są gotowe krążki, lecz na potrzeby implementacji procesu produkcji analizowano pełny proces produkcji. W celu wyprodukowania zestawu krążków najpierw należy wykonać pojedyncze krążki (aluminiowe i plastikowe). Krążki plastikowe są formowane z gotowego granulatu, natomiast aluminiowe wycina się z aluminiowych prętów. Następnie w krążkach są wywiercane wgłębienia, w których mocowane są magnesy. Na tak przygotowane elementy nakładana jest farba. Po otrzymaniu pojedynczych krążków są one łączone ze sobą w odpowiedniej konfiguracji. W zależności od zlecenia istnieje możliwość oznaczenia zestawów markerem (małą albo dużą kulką). W końcowym etapie produkcji sprawdzana jest jakość wykonania zestawu. 347

6 4.1. Przepływ materiału Implementację procesu można traktować jako wdrożenie procesu produkcji w wirtualnym przedsiębiorstwie. Można w nim wyróżnić trzy wydziały: zaopatrzenia, produkcji oraz dystrybucji. Na rysunku 3 przedstawiono przepływ materiałów w takim wirtualnym przedsiębiorstwie. Jako narzędzie wspomagające zarządzanie produkcją w przedsiębiorstwie został wykorzystany zintegrowany system informatyczny IFS Applications [3]. Wydział zaopatrzenia odpowiada za zakup oraz dostarczenie do magazynu wejściowego KRM 00 materiałów do produkcji zestawów krążków. Następnie materiały są dostarczane do trzech magazynów KRM 10, KRM 60 i KRM 70 zaopatrujących poszczególne linie produkcyjne. Krążki aluminiowe są produkowane na linii produkcyjnej KRL 20, składającej się z trzech gniazd produkcyjnych w których realizowane są operacje wycinania i obróbki krążków aluminiowych, montaż magnesów oraz malowanie. Linia produkcyjna KRL 30 również składa się z trzech 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 dziesięć gniazd produkcyjnych, w których następuje detekcja koloru i materiału krążków, montaż krążków oraz markerów, a także kontrola jakości. Gotowy produkt transportowany jest do magazynu wyjściowego, skąd następuje jego dystrybucja. Rys. 6. Schemat przepływu materiałów 348

7 4.2. Techniczne planowanie produkcji W ramach procesu technicznego planowania produkcji utworzono: a) indeks magazynowy wykaz elementów wykorzystywanych w procesie produkcji, od materiałów zakupowych po produkt końcowy (tabela 1), b) drzewo struktury produktu (rysunek 7 przedstawia strukturę jednego z 48 produktów), c) wykaz lokalizacji magazynowych (tabela 2), d) wykaz linii i gniazd produkcyjnych (tabela 3), e) wykaz operacji technologicznych (tabela 4). Tabela 1. Wykaz pozycji indeksu magazynowego Nr pozycji Nazwa pozycji Typ pozycji J/M Norma zużycia KR 001 Krążek zestaw 1 Produkowana sztuka 1 KR 048 Krążek zestaw 48 Produkowana sztuka 1 KR 101 Kulka duża Zakupowa sztuka 1 KR 102 Kulka mała Zakupowa sztuka 1 KR 103 Magnes Zakupowa sztuka 1 KR 104 Pręt aluminiowy Zakupowa sztuka 0,1 KR 105 Granulat Zakupowa porcja 1 KR 110 Czarna farba Zakupowa sztuka 1 KR 111 Biała farba Zakupowa sztuka 1 KR 120 Krążek aluminiowy Produkowana sztuka 1 KR 121 Krążek plastikowy Produkowana sztuka 1 KR 130 Krążek aluminiowy z magnesem Produkowana sztuka 1 KR 131 Krążek plastikowy z magnesem Produkowana sztuka 1 KR 140 Krążek aluminiowy czarny Produkowana sztuka 1 KR 141 Krążek aluminiowy biały Produkowana sztuka 1 KR 142 Krążek plastikowy czarny Produkowana sztuka 1 KR 143 Krążek plastikowy biały Produkowana sztuka 1 Rys. 7. Drzewo struktury wybranego produktu zestawu KR

8 Magazyny podzielono na jeden magazyn wejściowy (przechowujący dostarczone przez dostawców materiały), trzy magazyny wyjściowe (przechowujące wytworzone produkty główne oraz produkty wadliwe) oraz na magazyny przy liniach produkcyjnych (przechowujące elementy zużywane na danej linii produkcyjnej). Tabela 2. Wykaz lokalizacji magazynowych Numer lokalizacji KRM 00 KRM10 KRM20 Typ lokalizacji Magazyn wejściowy Magazyn grawitacyjny Magazyn karuzelowy KRM30 Magazyn wyjściowy 1 KRM40 Magazyn wyjściowy 2 KRM 50 Magazyn wyjściowy 3 KRM 60 Linia produkcyjna KRL 20 KRM 70 Linia produkcyjna KRL 30 Na liniach produkcyjnych wytwarzane są półprodukty i produkty końcowe. Materiały są dostarczane z magazynu wejściowego do magazynu przy każdej linii produkcyjnej. W gniazdach produkcyjnych wykonywane są operacje technologiczne. W tabeli 3 przedstawiono wykaz linii produkcyjnych oraz znajdujących się w ich obrębie gniazd produkcyjnych. Tabela 3. Wykaz linii i gniazd produkcyjnych Nr linii produkcyjnej Nr gniazda produkcyjnego Nazwa KRL 10 KRL 20 KRL 30 KRG 010 KRG 020 KRG 030 KRG 040 KRG 050 KRG 060 KRG 070 KRG 075 KRG 080 KRG 085 KRG 090 KRG 100 KRG 110 KRG 120 KRG 130 KRG 140 Podajnik Czujnik koloru Czujnik pojemnościowy Czujnik indukcyjny Karuzela Separator Stacja montażu krążków Stacja montażu markera System wizyjny Segregacja Obróbka aluminium Stacja montażu Lakierowanie Wtryskarka Stacja montażu Lakierowanie Operacje technologiczne określają działania związane bezpośrednio z wytwarzaniem produktu końcowego. W tabeli 4 przedstawiono spis operacji technologicznych 350

9 wykonywanych przy montażu zestawów krążków na linii produkcyjnej KRL 01. Kolumny tabeli 4 zawierają następujące informacje: Lp nr identyfikacyjny operacji technologicznej; Nazwa operacji opis wykonywanej operacji technologicznej; Nr gniazda nr identyfikacyjny gniazda produkcyjnego, na którym wykonywana jest dana operacja technologiczna; Czas operacji czas potrzebny na wykonanie określonej operacji technologicznej; Jednostka czasochłonności jednostka określająca maszynochłonność i pracochłonność operacji; Czas transportu czas potrzebny na przetransportowanie materiałów i produktów. Tabela 4. Wykaz operacji technologicznych dla linii KR 10 Lp. Nazwa operacji Numer Jedn. Czas Czas operacji gniazda czasochłonności transportu 1. Wydanie krążka z magazynu KRG Jedn./Min Transport KRG Godz. 0,3 3. Detekcja koloru KRG Jedn./Min 0 4. Detekcja ilościowa KRG Jedn./Min 0 5. Detekcja materiału KRG Jedn./Min 0 6. Transport do magazynu karuzelowego KRG Godz. 0,2 7. Separacja KRG Jedn./Min 0 8. Montaż KRG Jedn./Min 0 9. Montaż markera KRG Jedn./Min Kontrola wizyjna KRG Jedn./Min Segregacja KRG Jedn./Min Transport do mag. końcowego KRG Godz. 0,5 W folderze IFS/Standardy produkcji/struktury/struktura produktowa utworzono struktury produktowe dla wszystkich półproduktów i produktu finalnego. Po ich wprowadzeniu możliwe jest wyświetlenie struktury wybranego produktu w postaci graficznej (rys. 8). Podgląd ten można uruchomić w folderze IFS/Standardy produkcji/zapytania Struktury/Struktura produktowa graficznie. Rys. 8. Graficzne drzewo struktury wybranego produktu w IFS Applications 351

10 5. HARMONOGRAMOWANIE PROCESU MONTAŻU Harmonogramowanie to planowanie czynności w odpowiedniej kolejności i umiejscowienie ich w czasie. Pozwala na identyfikację czasów rozpoczęcia i zakończenia każdej czynności oraz pokazuje zależności pomiędzy nimi. Umożliwia ustalenie sekwencji wykonywanych zadań, wyznaczenie newralgicznych punktów procesu i zapobieganie niechcianym zdarzeniom, które jesteśmy w stanie przewidzieć. Ponadto stworzenie harmonogramu porządkuje zadania, zasoby w czasie i zwiększa szanse na terminową realizację zlecenia. W projektowanym systemie, w module KRG 100, odbywa się montaż wielowersyjny. Do harmonogramowania i planowania produkcji w tym module wykorzystano zaawansowane narzędzie Asprova APS [7]. Rys. 9. Schemat przepływu informacji w środowisku Asprova APS [źródło: 7] Rys. 10. Schemat wykonywanych operacji Proces montażu zestawu rozdzielono na cztery operacje: montaż krążków, montaż oznaczenia, inspekcję oraz segregację (rys. 10). Każda operacja składa się z jednej lub więcej instrukcji wejścia, instrukcji użycia oraz domyślnie tworzonej przez program instrukcji wyjścia. Instrukcja wejścia dotyczy tych elementów, które należy wprowadzić do operacji jako np. surowiec, z którego ma być wykonany produkt. Instrukcja użycia określa zasób, jaki będzie wykorzystany w tej operacji (np. manipulator), a instrukcja wyjścia z kolei charakteryzuje produkt końcowy powstały w wyniku operacji (rys. 11). Rys. 11. Tabela główna dla zestawu KR 001 fragment, 352

11 gdzie: Gniazda produkcyjne stacji montażu Pozycje magazynowe zestawu KR 001 KRG 070 KRG 075 KRG 080 KRG 085 KR 101 KR 141 KR 142 Stacja montażu 1 krążków Stacja montażu 2 oznaczeń System wizyjny System rozdziału duża kulka krążek aluminiowy biały krążek plastikowy czarny Przykładowy harmonogram realizacji zleceń produkcyjnych przedstawiono na rysunku 12, a wykres obciążeń dla zasobów na rysunku 13. Rys. 12. Wykres Gantta dla zamówień Rys. 13. Wykres Gantta dla zasobów 353

12 6. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono projekt stanowiska elastycznego modułowego dydaktycznego systemu produkcyjnego, który umożliwi zasymulowanie na nim zarówno kompletnego procesu produkcji, jak i jego poszczególnych etapów. 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, tworzenia nowych scenariuszy badań i wykorzystania stanowiska. Jednym ze zrealizowanych zadań była implementacja algorytmów planowania i harmonogramowania analizowanego procesu produkcji w wybranych narzędziach informatycznych takich jak: zintegrowany system informatyczny wspomagający zarządzanie procesami IFS Applications oraz zaawansowany system do harmonogramowania i planowania produkcji Asprova APS. Ponadto planowane jest modelowanie oraz komputerowa symulacja pracy projektowanego systemu produkcyjnego. Stworzenie komputerowej symulacji działania systemu i jej weryfikacja są niezwykle istotne z punktu widzenia procesu kształcenia i badań jakie będą prowadzone na tym systemie. *** Praca finansowana z działalności statutowej Instytutu Automatyki Politechniki Śląskiej w 2014 r. 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] IFS 2010 Help: Elektroniczna pomoc systemu IFS Applications 2010 i IFS E-learning. [4] Lis S., Santarek K., Strzelczak S.: Organizacja elastycznych systemów produkcyjnych, PWN, Warszawa, [5] Sawik T.: Optymalizacja dyskretna w elastycznych systemach produkcyjnych, WNT, Warszawa, [6] Sawik T.: Planowanie i sterowanie produkcji w elastycznych systemach montażowych, WNT, Warszawa, [7] EQ System Materiały szkoleniowe Asprova APS. 354