33/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 SZACOWANIE KOSZTÓW ZAPEWNIENIA JAKOŚCI STOPÓW Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMU ARENA B. PISAREK 1 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wykorzystanie programu ARENA do symulacji procesu produkcyjnego, przykładowo wytapiania i odlewania staliwa, monitorowanego autorskim programem komputerowym pod względem zgodności z wymag a- niami technologicznymi. Na podstawie danych z symulacji określono wartość o d- powiednich składników kosztów jakości i kosztów międzywydziałowych związanych z usuwaniem niezgodności z technologią przygotowanego staliwa. Key words: quality costs, quality of alloys, ATD method, simulation with Arena 1. WSTĘP Koncepcja zarządzania jakością podlega ustawicznie zmianom umożliwiającym sprostaniu aspektom najbardziej istotnym dla Odlewni w Polsce, takim jak: rosnące oczekiwania klienta, jakość musi przynosić zyski, jakość jest zadaniem dla każdego, poszukiwanie ekonomicznego uzasadnienia jakości, powszechnie zmniejszające się zaufanie, systemy zarządzania jakością, globalny rynek globalna siła robocza [1]. Ogólne ujęcie kosztów jakości wg normy PN-ISO 9004:96 przedstawiono na rysunku 1 [3, 4]. Koszty jakości powinny stanowić podstawę podejmowania strategicznych decyzji w Odlewni, gdyż umożliwiają one analizę słabych i mocnych stron przedsiębiorstwa oraz szans i zagrożeń (analiza SWOT) przed jakimi może stanąć realizując produ k- cję na danym poziomie jakości. 1 dr inż., boguslaw.pisarek@p.lodz.pl 267
268 Rys. 1. Klasyfikacja kosztów jakości [3] Fig. 1. Classification of quality costs [3] Za jakość odlewów w decydującej mierze odpowiada jakość przygotowanego stopu. Do kontroli poprawności przygotowania stopu wg określonej technologii stosowane są w wielu odlewniach autorskie programy komputerowe opracowane w KSP PŁ [5 7]. W tych programach wykorzystano metodę analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Koszty związane ze stosowaniem metody ATD kwalifikowane są jako koszty oceny jakości, natomiast koszty związane z usunięciem niezgodności z technologią przygotowania ciekłego stopu wchodzą w skład kosztów wydziałowych. Istotnym dla Odlewni jest przewidywanie kosztów związanych ze stosowaniem tej metody. Ze względu na zróżnicowane przyczyny niezgodności metodyki pomiaru oraz technologii przygotowania stopu, koszty również są w znacznej mierze zmienne. Na podstawie zgromadzonej bazy danych ATD dot y- czących produkcji odlewów ze staliwa i opisu statystycznego, możliwości wystąpienia określonej niezgodności, oszacowano poprzez symulacje. Ze względu na to, że proces produkcyjny odlewania jest systemem dyskretnym, do jego symulacji wykorzystano program ARENA [8,9]. 2. SYMULACJA PROCESU PRODUKCYJNEGO TOPIENIA I ODLEWA- NIA STALIWA Za cel symulacji procesu produkcyjnego topienia i odlewania staliwa przyjęto wyznaczenie dla jednej zmiany (8 godz): ilości niezbędnych ocen jakości staliwa metodą ATD, ilości niezbędnych korekt związanych z przywróceniem zgodności przygotowania staliwa z technologią, czasu trwania monitoringu staliwa, czasu trwania korekt technologicznych. Określenie ww. wielkości umożliwia oszacowanie kosztów związanych z kontrolą jakości przygotowanego staliwa oraz kosztów wydziałowych związanych z usunięciem niezgodności przygotowania ciekłego stopu.
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Udział procentowy poszczególnych korekt, oszacowany na podstawie rejestracji ATD zgromadzonych przy kontroli jakości staliwa w Spółdzielni Pracy "Armatura", przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Udział procentowy poszczególnych korekt podczas monitoringu staliwa Table 1. Participation of percent individual corrections during monitoring of cast steel Zbyt mało metalu w próbniku Brak punktów charakterystycznych Temperatura zalewania zbyt niska Skład chemiczny staliwa niezgodny z wymaganiami Zabiegi metalurgiczne na ciekłym staliwie niezgodne z technologią Własności mechaniczne /technologiczne niezgodne z wymaganiami 2,82 9,86 25,35 33,80 9,86 18,31 niska temperatura staliwa w piecu topialnym niska temperatura staliwa na łyżce (zimna łyżka) lub zbyt wolne zalewanie próbnika (szybko stygnąca wąska struga) 9,86 15,49 % Schemat przepływu danych w systemie monitoringu jakości stopów przedstawiono na rysunku 2. Poszczególne symbole graficzne mają następujące znaczenie: - moduł wprowadzania danych do systemu (ang. Create), - moduł procesu produkcyjnego (ang. Process), - moduł grupowania przepływów danych (ang. Batch), - moduł decyzyjny dwu i wielodrożny (ang. Decide) - moduł rejestracji zgłoszeń (ang. Record), - moduł wyprowadzania danych z systemu (ang. Dispose). 269
Rys. 2. Schemat przepływu danych w systemie monitoringu jakości stopów (opracowanie własne) Fig. 2. Scheme of flow in system of monitoring of quality of alloy data
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Przebieg operacji procesu produkcyjnego systemu rzeczywistego (Odlewni) opisanego modelem graficznym na rysunku 2 jest następujący. Przygotowany namiar na określony skład staliwa ładowany jest do pieca indukcyjnego. Po stopien iu wsadu i przeprowadzeniu zabiegów metalurgicznych na ciekłym stopie (np. izotermiczne wytrzymanie), pobierana jest jego próbka i zalewany jest próbnik ATD. Jeżeli wyn iki analizy algorytmów kontrolnych systemu monitoringu jakości ciekłego staliwa są właściwe to zalewane są formy. W przeciwnym przypadku analizowane są przyczyny niezgodności. Na podstawie charakterystyk ATD, system identyfikuje rodzaj przyczynę niezgodności i podaje propozycję sposobu jej usunięcia, odpowiednio dla przypadku: brak charakterystycznych punktów ręcznie zlokalizować punkty charakterystyczne i ponownie przeprowadzić obliczenia, zbyt mało metalu w próbniku zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę; temperatura zalewania zbyt niska: o niska temperatura w piecu podgrzać stop w piecu, zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę, o niska temperatura metalu na łyżce (zimna łyżka) lub zbyt wolne zal e- wanie próbnika (szybko stygnąca wąska struga) dłużej wygrzać łyżkę / szybciej zalewać próbnik, zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę; skład chemiczny stopu niezgodny z wymaganiami zweryfikować skład na quantowagu, uzupełnić wsad w piecu, zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę, zabiegi metalurgiczne na ciekłym stopie przeprowadzone niezgodnie z technologią izotermicznie wytrzymać staliwo w piecu, zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę, własności mechaniczne/technologiczne niezgodne z wymaganiami zweryfikować skład na quantowagu, uzupełnić wsad w piecu, zalać nowy próbnik i ponownie przeprowadzić analizę. Wykorzystując metodę fotografii dnia roboczego zgromadzono niezbędne dane do budowy modeli matematycznych (opisu statystycznego) czasu trwania p o- szczególnych operacji procesu produkcyjnego, następnie przeprowadzono weryfikację i walidację otrzymanych modeli. W opisie statystycznym wykorzystano rozkład trójkątny o parametrach (a;b;c), gdzie: a minimalna wartość, b wartość dominująca, c maksymalna wartość oraz rozkład lognormal o parametrach (d;e), gdzie: d wartość średnia, e odchylenie standardowe. Parametry opisu modeli czasu trwania operacji procesu produkcyjnego przedstawiono w tabeli 2. Obsługę danych w kolejce zrealizowano metodą FIFO (ang. first in first out). 271
Tabela 2. Parametry modeli matematycznych użytych w symulacji Table 2. Parameters of mathematical models used in simulation 272 Operacja Priorytet (* Typ rozkładu prawdopodobieństwa (a;b;c) (d;e) Jednostka czasu ATD 2 lognormal (175,82;40,52) s ATD K1 1 trójkątny (0,5;1;1,5) min ATD: K2, K3, K4, K5, K6, K7 1 lognormal (175,82;40,52) s Topialnia 3 lognormal (33,41;3,22 Topialnia: K3, K5, K6, K7 1 trójkątny (7;10;15) Zalewanie form 1 trójkątny (4;5;7) (* - im mniejsza liczba tym wyższy priorytet obsługi Symulację przeprowadzono według następującego planu eksperymentu: liczba powtórzeń 302 (365 dni wolne od pracy), czas inicjacji co 1440 min (3 zmiany po 8 godz), czas replikacji 480 min (1 zmiana 8 godz). 3. ANALIZA WYNIKÓW SYMULACJI PROCESU PRODUKCYJNEGO TOPIENIA I ODLEWANIA STALIWA Wybrane uśrednione wyniki symulacji (dla 8 godz. pracy) generowane w raporcie programu Arena przedstawiono w tabeli 3 i 4. Poszczególne liczniki przepływu danych K0 K8 (tab. 3) zarejestrowały odpowiednio: K0 - w czasie jednej zmiany wykonanych będzie około 8,9 wytopu, z tym, że Ki 3,7 wytopu będzie podlegało różnego rodzaju korektom oraz K8 = 0 tzn, że żaden wytop nie będzie musiał być złomowany. Z powyższych danych wynika, że ok. 5,2 wytopu ( K 0 7 i 1 7 i 1 min Ki ) nie będzie wymagało żadnych korekt. Z porównania ilości zliczeń w % poszczególnych korekt założonych w symulacji (tab.1) i otrzymanych po jej przeprowadzeniu, przedstawionego na rysunku 3, wynika, że uzyskano znaczną zgodność. Różnice wskazań są stosunkowo niewielkie i mieszczą się w granicach od 0,32% do 1,81%. W symulacji wyznaczono również średni skumulowany (dla 8 godzin) czas trwania operacji procesu produkcyjnego, wyniki przedstawiono w tabeli 4. W ciągu jednej
ARCHIWUM ODLEWNICTWA zmiany na operacje związane z oceną jakości staliwa poświęci się około 37 minut, a na operacje związane z przywróceniem pełnej zgodności jakości staliwa z wymaganiami zawartymi w technologii około 39 min. Reszta czasu zmiany wykorzystywana będzie na operacje przygotowania namiaru (uzupełnienie czasu do 480 min), topienie (ok. 306 min) i zalewanie form (ok. 48 min). Tabela 3 Wyniki symulacji średnia ilość zliczeń wytopów Table 3. Results of simulation average amount of melts Licznik Średnia ilość zliczeń K0 8,9272 K1 0,1291 K2 0,3543 K3 0,3940 K4 0,5596 K5 1,2351 K6 0,4272 K7 0,6126 Średnia ilość zliczeń w grupach Grupy wytopów 8,9272 zgodne z technologią 5,2153 zgodne z technologią bez korekt 3,7119 korygowane K8 0,0000 0,0000 nienaprawialne - złom Rys. 3. Różnica pomiędzy założonym procentem korekt a uzyskanym w wyniku symulacji Fig. 3. Difference amoung set up percent of corrections but in result of simulation 273
Czas korekt ciekłego staliwa Czas oceny jakości staliwa Tabela 4. Wyniki symulacji - średni skumulowany czas trwania operacji Table 4. Results of simulation average accumulated duration of operation Operacja Średni skumulowany czas trwania operacji, min ATD 26,6036 ATD K1 0,1261 ATD K2 1,0391 ATD K3 1,1590 ATD K4 1,6160 ATD K5 3,5331 ATD K6 1,2465 ATD K7 1,7696 Topialnia 306,1000 Topialnia K3 5,5656 Topialnia K5 18,0789 Topialnia K6 6,2818 Topialnia K7 8,6670 Zalewanie form 47,7893 Razem: 429,5756 Łączny czas, min 37,093 38,5933 Klasyfikacja czasu Czas topienia staliwa Czas zalewania 4. SZACOWANIE KOSZTÓW ZWIĄZANYCH Z ZAPEWNIENIEM JAKO- ŚCI STALIWA Przeprowadzona symulacja umożliwia oszacowanie kosztów oceny jakości staliwa K ojs (1) oraz kosztów wydziałowych związanych z przywróceniem staliwu zgodności z wymaganiami technologicznymi (koszt naprawy braków) K nb (2). 274 gdzie: K ojs K K (1) pomiarów_ ATD próbników K pomiarow_atd koszt pomiarów ATD K pomiarow_atd = f(czas oceny jakości staliwa), K próbników koszt zużytych próbników ATD K próbników = ZaokrDoCałkowitej (K0)*cena jednostkowa próbnika. K nb =f(czas korekty ciekłego staliwa, zużyte materiały) (2) Wyznaczone podczas symulacji wartości czas oceny jakości staliwa oraz czas korekty ciekłego staliwa umożliwiają oszacowanie kosztów związanych z: amortyzacją
ARCHIWUM ODLEWNICTWA maszyn i urządzeń, płacą dla robotników oraz zużyciem energii, które odgrywają istotną rolę zarówno w kosztach K pomiarow_atd jak i K nb. 5. WNIOSKI Z omówionych zagadnień wynikają wnioski przedstawione poniżej. 1. Program Arena umożliwia symulację procesu produkcyjnego otrzymywania staliwa monitorowanego programem komputerowym z wykorzystaniem metody ATD i dokładne oszacowanie dla wybranego okresu czasu: ilości niezbędnych ocen jakości staliwa programem, ilości niezbędnych korekt związanych z przywróceniem zgodności przygotowania staliwa z technologią, czasu trwania monitoringu stopu, czasu trwania korekt technologicznych. 2. Wyznaczone poprzez symulację wielkości umożliwiają dla wybranego okresu czasu: oszacowanie kosztów oceny jakości, oszacowanie kosztów naprawy braków, określenie kierunku działań koniecznych do podjęcia w celu zmniejszenia przyczyn niezgodności w procesie produkcyjnym. LITERATURA [1] Buchacz T., Rogala P.: Zarządzanie jakością spojrzenie w przyszłość, Problemy Jakości, Luty 2004. [2] PN-ISO 9004:1996 Zarządzanie jakością i elementy systemu jakości. [3] Kister A.: Zarządzanie kosztami jakości, sposób na poprawę efektywności przedsiębiorstwa, Oficyna Ekonomiczna, Kraków 2005. [4] Gryc J.: Koszty jakości i ich liczenie w przedsiębiorstwie, Problemy Jakości, Marzec 2004. [5] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R.: Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością żeliwa austenitycznego na wkładki tłokowe metodą ATD. Projekt Celowy Nr 7T08B 164 99 C/4261, Łódź 2000r. [6] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Władysiak R.: Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością staliwa gatunku: L20; 270-480W; LH14; LH18N9. Projekt Celowy ROW-192-2003, Łódź 2003r. [7] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R.: Wdrożenie linii produkcyjnej wytapiania wysokojakościowych stopów aluminium ze złomu, Projekt Celowy ROW-464-2004, Łódź 2003r. [8] Arena Overview- [dokument elektroniczny] Plik tekstowy Tryb dostępu: http://www.software.rockwell.com/arenasimulation/ [9] Kelton W.D.: Simulation with Arena, The McGraw-Hill Companies, New York, 2004. 275
SUMMARY EVALUATION OF COSTS QUALITY ASSURANCE OF ALLOYS WITH USING OF ARENA It present use of ARENA for simulation of production system for example of melting and casting of cast steel, in respect of acceptability status monitored techn o- logical method of thermal and derivative analysis with author software. Value of co m- ponent of costs of proper quality define of base from simulation data and with deletion of incompatibility with technology prepared interdepartment costs of cast steel. Recenzował: prof. dr hab. inż. Roman Wrona 276