Инжиниринг

Автоматизация технологических процессов в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства

Автоматизация и роботизация технологических процессов в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства являются не только возможностью повысить производительность труда, но и, по сути, единственным способом (в условиях открытого рынка рабочей силы) снизить себестоимость продукции, а значит, повысить глобальную конкурентоспособность предприятия.
8 октября 2014

В результате анализа опыта реализации более двухсот программ технического перевооружения машиностроительных предприятий, сопровождавшихся поставкой более полутора тысяч единиц оборудования и более пятисот автоматизированных рабочих мест конструкторов и технологов1, нашей компанией были выделены основные процессы, определяющие производительность труда и лежащие на критических путях производственных потоков. Часть процессов относится к подготовке производства и определяют сроки начала изготовления, другие – непосредственно к производству и определяет циклы изготовления продукции.

Как уже отмечалось в предыдущих публикациях, современное мелкосерийное производство работает в условиях нестабильной внешней среды, постоянно изменяемой производственной программы и соотношения между видами продукции, изготавливаемой по государственным и рыночным заказам. Вынужденный переход на многономенклатурное производство (выпускать узкую номенклатуру в больших объемах, очевидно, более выгодно) приводит к разрывам соответствия между такими категориями, как продукт, технологии производства и предложения на рынке труда. Осуществление программы технического перевооружения устраняет эти разрывы, а новое нормирование процессов, лежащих на критических путях, становится основой для системы планирования и базой для дальнейшего повышения производительности труда2.

Одновременно современное мелкосерийное многономенклатурное производство характеризуется:

  •  высокой вариабельностью очередей единичных производственных заданий;
  •  высокой сложностью и степенью концентрации ручных операций;
  •  большой (относительно изготовления деталей и узлов) трудоемкостью разработки и изготовления оснастки;
  •  нерациональностью индивидуальной сдельной системы оплаты труда и неэффективностью систем планирования на основе «оптимальной партии».

Эти особенности еще десять-пятнадцать лет назад, не имея адекватной поддержки со стороны информационных технологий, существенно осложняли решение задач автоматизированного (с участием человека в контуре принятия решения) и роботизированного (без участия человека) диспетчирования производства, поддержки сложных ручных операций (наладки инструмента и заготовки) и роботизации операций установки-снятия детали на станок. Сегодня ситуация стремительно меняется.

Тенденции развития различных предприятий машиностроительной отрасли показывают, что производительность труда в наукоемких производствах (составляющих в том числе основу ОПК) будет ускоренно возрастать именно за счет дальнейшей автоматизации и роботизации производственных процессов на базе информационных технологий. Вместе с тем некоторые производственные операции и многие процессы подготовки мелкосерийного производства будут еще долго включать ручные операции, но с максимально возможным уровнем автоматизации. Поэтому, в целях сохранения глобальной конкурентоспособности, таким наукоемким предприятиям необходимо ускоренно переходить на новый гибридный вид производства, включающий как робототехнические производственные комплексы, так и автоматизированные рабочие места подготовки производства с преимущественно ручным характером работы. Такой производственно-технологический уровень уже характерен не для постиндустриального, а для информационного общества3, и его сегодня называют пятым технологическим укладом. Поскольку политический авторитет страны опирается на технологическое лидерство производственных предприятий, задержка с переходом на новый производственно-технологический уровень несет не только экономические риски.

Информационные технологии устраняют барьеры, казавшиеся прежде непреодолимыми. Еще недавно барьеры на пути роботизации единичного и мелкосерийного производства казались непреодолимыми. Необходимость в постоянных переналадках станков с ЧПУ и в складах большой емкости для обеспечения безлюдного режима работы делали внедрение роботов в процессы механообработки экономически неэффективным. Но достигнутый в последние несколько лет прогресс в области электроники и информационных технологий устраняет эти препятствия. Использование современных систем программирования роботов, развитие интерфейсов «робот-станок», прямое цифровое производство изделий и оснастки с автоматическим базированием (Zero-Point), применение систем радиочастотной идентификации (RFID) изделий и оснастки для сопровождения технологических процессов маршрутной и технической информацией в электронном виде позволяют полностью автоматизировать операции в рабочей зоне станка, так же как и операции внутрицеховой логистики.

Процессы автономной, вне станка, настройки инструмента и заготовок с поддержкой инструментальной и станочной оснастки технологией радиочастотной идентификации RFID-метками позволяют исключить переналадки оборудования из критической цепи технологического процесса и снять вопрос об «оптимальной» производственной партии деталей как для системы планирования, так и для системы управления производством. Это позволяет по-новому оценить особенности автоматизации и роботизации единичных и мелкосерийных многономенклатурных производств (рис. 1).

Основные отличия роботизации производств с различной серийностью
Основные отличия роботизации производств с различной серийностью

При повышении производительности труда появляется новая проблема – рост номенклатуры деталей и рост объема нормативно-справочной информации (НСИ) на одного рабочего. Когда для дальнейшего повышения производительности труда в машиностроении мы начинаем использовать автоматизированную оснастку и робототехнические комплексы, возникает совершенно новая ситуация. Номенклатура деталей и соответствующее ей количество операций, которая раньше распределялась на нескольких основных рабочих, теперь приходится на одного. При этом меняются процессы, которые требуют нормирования, технологической и информационной поддержки.

В системах управления современным единичным многономенклатурным производством можно выделить две новых функции: оперативное диспетчирование очередей производственных заданий и интерактивная информационная поддержка сложных ручных операций, выполняемых наладчиками и операторами.

Оперативное диспетчирование очередей производственных заданий – новая функция системы управления единичным производством. Особенностью единичного (или мелкосерийного) многономенклатурного производства является низкая устойчивость производственных планов, рассчитанных на уровне единицы ресурсов. Высокая вариативность очереди на обработку требует гибкости норм и механизма переназначения задания, в этой связи резко возрастает роль системы диспетчирования. Если в серийном производстве очереди стабильны и не нуждаются в управлении, то в единичном производстве очереди вариабельны и нуждаются в диспетчировании, поскольку каждая деталь может оказаться критичной для обеспечения ритмичности сборки (рис. 2). Поэтому, чем выше риск опоздания на сборку, тем выше должен быть приоритет задания в очереди на операцию механообработки.

Диспетчирование очередей в единичном производстве
Диспетчирование очередей в единичном производстве

Проведенное математическое моделирование показывает, что управление очередями производственных заданий при таком характере производства целесообразно строить по методологии «мультипроектного буфера CCPM»4. Поскольку очередь перед ресурсом может включать задания, находящиеся на различных этапах техпроцесса, приоритет задания в очереди вычисляется как относительная величина проникновения во временной буфер для данной технологической операции.

Алгоритмы вычисления приоритета производственных заданий могут быть реализованы как точное следование ранжированной последовательности заданий для программного обеспечения робототехнического комплекса полностью в автоматическом режиме, так и в виде цветовой схемы рекомендаций наладчику или оператору по наиболее желательной последовательности обработки заданий. Как правило, на рабочих местах, где выполняются операции ручного характера, строгой рекомендацией является выполнение заданий в последовательности, определяемой системой диспетчирования: сначала окрашенных черным (опаздывающих), затем окрашенных красным, желтым и зеленым. При этом рабочему предоставляется возможность самостоятельно формировать последовательность выполнения заданий, окрашенных одним цветом.

Статистический учет длины очереди и частоты проникновения в цветные зоны буфера покажет производственным менеджерам полную картину загрузки ресурса, соотношение вынужденных и невынужденных простоев, уровень технологической готовности ресурса. При этом одновременно с диспетчеризацией очередей реализуется выявление и последующий прозрачный контроль загрузки реально критичных ресурсов (рис. 3).

Управление очередями заданий по методологии "мультипроектного буфера" CCPM
Управление очередями заданий по методологии "мультипроектного буфера" CCPM

Обратная связь системы управления производством по параметрам загрузки ресурсов с системой планирования позволяет учитывать реальную загрузку ресурсов при текущем планировании, определяя надежную дату выполнения принимаемого заказа. При долгосрочном планировании такой статистический анализ позволяет своевременно принимать меры по вводу новых мощностей до того, как начнутся срывы выполнения заказов.

Другая новая функция – интерактивная информационная поддержка сложных ручных операций. Растущая номенклатура деталей и соответствующее ей многообразие операций, приходящееся на один ресурс, представляет дополнительную сложность в управлении современным производством. Так, в одном из крупных проектов производственные процессы содержали более 120 тыс. технологических операций. Проблема длинных цепочек технологических операций обработки решается концентрацией операций на многофункциональных (токарно-фрезерно-сверлильно-расточных или фрезерно-токарно-расточных) обрабатывающих центрах с ЧПУ, оснащенных робототехническими системами перехвата и базирования заготовки. В таком случае система планирования будет иметь дело с одной укрупненной операцией обработки вместо десяти или даже пятнадцати.

С операциями ручного характера (таких, как наладка оснастки и инструмента, настройка системы измерения и др.) дело обстоит несколько иначе. Объединение типовых последовательностей простых ручных операций в одну укрупненную операцию хотя и существенно снижает размерность задачи планирования и диспетчирования, одновременно увеличивает сложность выполнения таких операций для рабочего.

Эта проблема решается интерактивной поддержкой укрупненных ручных операций со стороны специальных терминалов – HNC IMPAKT-киосков (рис. 4).

Терминал системы диспетчирования для поддержки укрупненных ручных операций
Терминал системы диспетчирования для поддержки укрупненных ручных операций

По аналогии с концентрацией операций на обрабатывающем центре с ЧПУ (CNC – Computer Numeric Control) интерактивная информационная поддержка является своего рода системой управления операциями с человеческим ресурсом (HNC – Human Numeric Control). Повышение сложности ручных операций неизбежно влечет изменения в подходах к нормированию: гибкие нормы (коридор норм) для конкретного производственного задания и соответствующей технологической операции и жесткие нормы (граница красной зоны временного буфера) для длительности цикла технологического процесса в целом, которые обеспечиваются одновременным решением задач управления очередями и интерактивной поддержки (рис. 5). Очевидно, что при этом существенно меняется характер ручного труда.

Две основные задачи терминала MES-системы
Две основные задачи терминала MES-системы

Для преодоления сопротивления внедрению новых технологий необходимо обеспечить соответствие нового характера труда и системы мотивации. Эдвардс Деминг, рассматривая в семидесятых годах прошлого века различные системы мотивации, отметил, что «сдельная система оплаты труда – лучшая гарантия некачественной работы»5. В современных производствах сдельная система оплаты труда нерациональна еще и ввиду частой смены нормируемых показателей. К тому же невозможно установить справедливые и стабильно работающие нормы равной оплаты труда через количество и качество равного труда в многономенклатурном мелкосерийном гибридном производстве, очереди в котором управляются системой диспетчирования. Производственные показатели в таком типе производства все меньше зависят от рабочих, но все больше от организации производственных процессов, от качества, оснащения и состояния оборудования робототехнических комплексов.

Стабильность производственных процессов базируется на новом характере ручного труда, связанном с принятием решений в условиях высокой вариабельности очереди производственных заданий, и должна поддерживаться переходом к повременно-премиальной системе оплаты труда с групповой (бригадной) мотивацией, близкой к системе оплаты труда ИТР. Только в этом случае можно уверенно планировать и контролировать обычно слабо формализуемые процессы подготовки единичного (мелкосерийного) многономенклатурного производства.

Быстрое изготовление технологической и станочной оснастки – ключевой момент подготовки единичного производства. Поскольку оснастка определяет значительную долю времени и трудоемкости подготовки производства, целесообразно при ее изготовлении рассмотреть возможность использования аддитивных технологий. Наиболее эффективным применение аддитивных технологий оказывается в процессах, относящихся к критической цепи производства, где время напрямую можно связать со стоимостью выполнения заказа (конвертировать время в деньги). Сегодня оборудование, позволяющее вырастить изделие по трехмерной модели (3D-принтеры), успешно используется как при создании прототипов деталей и изделий, так и оснастки для единичного и мелкосерийного производства (в среднем до 100 единиц). При «выращивании» прототипов возможны вставки и закладки элементов и узлов из другого материала – подшипники, коннекторы, гайки, болты, метки RFID. При этом основная технология может быть различной: литье в силикон, вакуумная формовка, литье под давлением, литье в песок, механообработка, сборка, намотка и укладка полимерных композиционных материалов6. Множество других технологий, где важнейшим критерием принятия решения являются сроки подготовки производства, также являются перспективными областями для применения цифрового производства. Развитие аддитивных технологий происходит настолько быстрыми темпами, что сегодня можно говорить о функционировании настоящих цифровых фабрик, производящих прототипы и современную оснастку, включая системы Zero-Point для автоматизированных и роботизированных мелкосерийных производств. Так, например, компания «Солвер» организовала собственное цифровое производство на базе своего учебно-производственного комплекса КАМП7.

Инновации – необходимое средство достижения устойчивого развития. Согласно Й. Шумпетеру8, технологический уклад определяют инновации в продукты, технологии, материалы, рынки и бизнес-процессы. Именно инновации в технологии обеспечивают развитие экономики и ее циклический характер при каждой смене технологического уклада. На каждом этапе инновационного развития происходит переход на новый уровень продуктов, материалов, технологии, бизнес-процессов, поскольку предыдущий уровень становится тормозом и ограничением развития. Потеряв темп, многие отечественные предприятия остались в истории лидерами четвертого технологического уклада.

Периоды между сменами технологических укладов становятся короче, прогресс ускоряется, внутри пятого технологического уклада прорастает шестой. Хотя всегда существует соблазн вместо развития нового обратиться к прошлому опыту, бесполезно сегодня оглядываться назад и повторять приемы и правила четвертого технологического уклада, действующие когда-то вполне успешно на отечественных предприятиях. Основой для современного подхода к перевооружению, определяющему технологическое лидерство и глобальную конкурентоспособность, становятся инновации в производственные информационные и наноэлектронные технологии нового технологического уклада, приближая построение экономики, основанной на знаниях.

Некоторые выводы. Основное направление развития отечественных наукоемких предприятий – повышение производительности труда на основе дальнейшей автоматизации и роботизации, построение умного производства на базе информационных технологий, использования новых материалов и электронных устройств.

При движении от пятого к шестому технологическому укладу безусловным приоритетом промышленного развития единичных и мелкосерийных многономенклатурных производств должна стать автоматизация технологических процессов. При реализации программ технического перевооружения, нацеленных на такой результат, основными особенностями, на которое стоит обратить внимание, являются:

  •  возрастание роли систем автоматизированного и роботизированного диспетчирования вследствие высокой вариабельности очередей единичных производственных заданий;
  •  необходимость интерактивной информационной поддержки со стороны специальных терминалов укрупненных ручных операций вследствие повышения уровня их сложности;
  •  целесообразность отказа от прямого использования технологических норм для начисления заработной платы вследствие большой номенклатуры, быстро меняющихся технологий и характера ручного труда;
  •  целесообразность использования аддитивных технологий (3D-принтеров, объединенных в цифровую фабрику) для прямого производства технологической оснастки вследствие усиления фактора времени и роста заказов на единичное и мелкосерийное производство;
  •  необходимость отказа от использования в системах планирования и диспетчирования принципа «оптимальной» серийности вследствие исключения переналадок оборудования из критической цепи современных технологических процессов.

Примечания:

  1. «Инженерный консалтинг. Каталог проектов» – Воронеж, Инженерно-консалтинговая компания «Солвер», юбилейное издание, 2013.
  2. «Умное производство» №4(24)/2013.
  3. В.А. Федорович, В.Б. Муравник, О.И. Бочкарев «США: военная экономика (организация и управление)» – М., Междунар. отношения, 2013.
  4. Э. Голдратт «Критическая цепь» – Минск, Попурри, 2013.
  5. Э. Деминг «Выход из кризиса: Новая парадигма управления людьми, системами и процессами» — М., Альпина Бизнес Букс, 2007.
  6. «Умное производство» №4(16)/2011.
  7. «Умное производство» №3(23)/2013.
  8. Й. А. Шумпетер «Теория экономического развития. Капитализм, социализм и демократия», М., «Эксмо», 2007.