7 kroków do zaawansowanej produkcji w fabryce przyszłości cz. 1/2

1485

W portalu Platformie Przemysłu Przyszłości podstawowe założenia przemysłu 4.0, teraz przechodzimy do praktyki, skupiając się na krokach transformacji. Chodzi o takie elementy, jak zaawansowane metody produkcji (związane z przetwarzaniem, wytwarzaniem i montażem), zautomatyzowane magazynowanie i manipulacja materiałami, nowoczesne metody projektowania i inżynierii oraz technologie zarządzania. Według Europejskiego Centrum Wspierania Zaawansowanej Produkcji zmiany w tym kierunku powinny obejmować następujące etapy.

(graf. Lech Mazurczyk)

1. Zaawansowane technologie produkcyjne

Pierwsza transformacja dotyczy zaawansowania technologicznego, za którym przemawia szereg czynników:

  • postępujący wzrost kosztów pracy wynikający z faktu starzenia się społeczeństw oraz systematycznie rosnących wymagań jakościowych, kwalifikacji i wymagań pracowników
  • konieczność produkcji dużych serii przy jednoczesnym obniżeniu czasu projektowania, przygotowania produkcji oraz wytwarzania konkretnego produktu
  • umożliwienie produkcji małych serii o nietypowych cechach geometrycznych lub funkcjonalnych
  • konieczność konkurowania przedsiębiorstw na rynku globalnym
  • zwiększenie wydajności, niezawodności, czasu wykorzystania maszyn oraz minimalizacja przestojów (awarie maszyn lub konieczne przezbrojenia).

Na każdym etapie transformacji powinna zostać wykonana analiza aktualnego stanu, jednak przed jej opracowaniem należy zestawić wizję z realną strategią rozwoju przedsiębiorstwa. Zakres wraz charakterystyką wdrożonej technologii zależy od profilu produkcyjnego konkretnego przedsiębiorstwa, jednak nowoczesny przemysł podąża w kierunku rozwiązań elastycznych. Elastyczne systemy produkcyjne obejmują metody służące łatwemu dostosowywaniu do zmian rodzaju i liczby wytwarzanych produktów. Korzyści wynikające z zastosowania Flexible Manufacturing Systems to minimalizacja kosztów produkcji, zwiększona wydajność pracy maszyn, wyższa jakość produktu, poprawa niezawodności, zmniejszenie zapasów części, krótsze czasy realizacji i szybsza produkcja. Obecnie konfiguracja złożona jest najczęściej z centrów obróbczych CNC, robotów przemysłowych (lub współpracujących) oraz centralnego sterowania realizowanego przez komputer przemysłowy lub programowalny sterownik logiczny PLC.

Typ systemu elastycznego Charakterystyka
niezależna elastyczna maszyna (ang. Single Flexible Machine, SFM) jednostka produkcyjna zawierająca obrabiarkę CNC, uzupełniona przez systemy do manipulacji obrabianymi częściami
elastyczny system produkcyjny wielu maszyn (ang. Multi-Machine Flexible Manufacturing System, MMFMS) system złożony z grupy kilku niezależnych maszyn produkcyjnych, jako maszyn używa się głównie centr obróbczych oraz maszyn specjalizowanych, jako narzędzia manipulacji stosuje się roboty lub autonomiczne wózki samojezdne
elastyczne gniazdo produkcyjne (ang. Flexible Manufacturing Cell, FMC) system produkcyjny utworzony przez zgrupowanie kilku maszyn CNC przeznaczonych do obróbki pewnej grupy części o podobnej sekwencji operacji lub do określonego rodzaju zabiegów, FMC jest rozszerzeniem konfiguracji centrum obróbczego CNC
wielogniazdowe elastyczne systemy produkcyjne (ang. Multi-Cell Flexible, Manufacturing Systems, MCFMS) zgrupowanie kilku komórek produkcyjnych i niezależnych elastycznych maszyn produkcyjnych ze zintegrowanym systemem transportu wewnętrznego
(Charakterystyka przemysłowych, elastycznych systemów produkcyjnych – tab. M. Hetmańczyk)

Takie podejście wymaga znajomości rynku w zakresie innowacyjnych maszyn, urządzeń, procesów technologicznych oraz prognoz rozwoju technologii. Wiedzę można zdobyć z wielu źródeł, m.in. ze stron internetowych dostawców rozwiązań, z targów branżowych, współpracy w zakresie badań naukowych z jednostkami badawczymi, w ramach doświadczeń wypracowanych na własnych prototypach maszyn lub dzięki badaniom działów R&D. Przyjęta strategia musi jednak odnosić się do rzeczywistych możliwości danego przedsiębiorstwa w zakresie przygotowania technologicznego, integratorskiego, poziomu technicznego pracowników oraz wypracowanych norm jakościowych produkcji. Wymienione czynniki są ściśle ze sobą powiązane i decydują o sukcesie późniejszych wdrożeń.


(fot. Pixabay.com)

Kolejnym czynnikiem warunkującym poprawność i stabilność działania produkcji jest podejście do metod utrzymania ruchu. W nowo planowanych strategiach należy wykluczyć te oparte na czasie (w tym korekcyjne lub prewencyjne). Ciągłe lub okresowe monitorowanie stanu pracy maszyn i urządzeń jest możliwe w wyniku zastosowania metod utrzymania ruchu zależnych od stanu maszyny – np. (ang.) Condition-based Maintenance, Predictive Maintenance, Predictive Testing and Inspection oraz podejścia Reliability-centered Maintenance. Najlepszym rozwiązaniem, na początkowym etapie jest wdrożenie predykcyjnego utrzymania ruchu, założonego w planie strategicznym rozwoju zakładu. Istnieje również możliwość wdrożenia proaktywnego podejścia, które stawia jednak znacznie większe wymagania. Poniżej porównujemy zastosowanie PdM i RCM, najpierw metoda Predictive Maintenance.

Charakterystyka
Podstawowe założenia ocena na podstawie pomiaru i przetwarzania sygnałów definiujących bieżący stan, głównym czynnikiem w podejmowaniu decyzji w zakresie naprawy lub wymiany części jest pogorszenie się parametrów pracy (nie liczba godzin pracy) zdefiniowane jako przekroczenie dopuszczalnych limitów przyjętych do oceny
Zalety przedłużenie żywotności maszyny (zmniejszenie liczby planowanych remontów, kosztownych uszkodzeń wtórnych i poważnych wypadków), redukcja kosztów operacyjnych (identyfikacja wadliwych podzespołów we wstępnej fazie rozwoju uszkodzenia), skrócenie czasu i kosztów napraw, bezpieczeństwo w miejscu pracy, oszczędność energii, eliminacja katastrofalnych awarii, zwiększenie wskaźnika jakości produktu, identyfikacja słabych punktów maszyn i urządzeń
Wady potrzeba ciągłego szkolenia pracowników (operatorów, diagnostów i pracowników administracyjnych), konieczność przeprowadzenia kompleksowej analizy systemu (punkty pomiarowe, opracowanie procedur diagnostycznych, identyfikacja symptomów, przegląd norm) w celu określenia dopuszczalnych progów monitorowanych wartości, wymóg zakupu aparatury kontrolno-pomiarowej, potrzeba opracowania procedur rozwiązywania problemów w czasie przestojów i napraw
Zastosowanie linie produkcyjne i komórki produkcyjne (postój jednej maszyny zakłóca działania całego procesu produkcyjnego), maszyny i urządzenia krytyczne oraz ogólnego przeznaczenia, procesy o wysokich wymaganiach jakościowych
(Charakterystyka programu predykcyjnego utrzymania ruchu maszyn i urządzeń – tab. M. Hetmańczyk)

Kolejna tabela omawia podejście typu Reliability-centered Maintenance.

Charakterystyka
Podstawowe założenia zapewnia kompleksowe podejście do problemu eksploatacji, kombinacja wszystkich programów serwisowych, obejmuje śledzenie awarii w celu zidentyfikowania źródła, a następnie eliminacji efektów i przyczyn (strojenie oraz przeprojektowanie), wymaga ścisłej współpracy wielu działów technicznych (m.in. pomiędzy wykonawcami i użytkownikami końcowymi), dopuszczalne zmiany konstrukcji lub konfiguracji diagnozowanych obiektów (w celu zwiększenia wydajności, wydłużenia czasu pracy bez awarii i eliminacji źródeł częstych usterek)
Zalety umożliwia ciągłe doskonalenie konstrukcji maszyn i urządzeń, integracja zaawansowanych systemów kontroli produkcji i narzędzi poprawy jakości (zmiany na poziomie produkcji i zarządzania), usprawnienie przebiegu procesów przemysłowych, połączenie wiedzy operatorów maszyn i diagnostów (podział obowiązków wynikający z lepszego zarządzania pracownikami), szeroki asortyment używanego wyposażenia oraz oprogramowania (wyspecjalizowane jednostki i systemy kombinowane budowane w oparciu o integrację tradycyjnych systemów kontroli, SCADA oraz do zarządzania danymi procesowymi)
Wady potrzeba ciągłego szkolenia pracowników (operatorów, diagnostów i pracowników administracyjnych), generowanie wysokich kosztów oraz konieczności opracowania specjalnych procedur (w odniesieniu do napraw, czynności konserwacyjnych, identyfikacji ścieżki pomiarowej, słabych punktów, a także analizy RCA), koncepcja wciąż w fazie rozwoju (z niskim udziałem wdrożeń)
Zastosowanie zakłady produkcyjne o ściśle zdefiniowanym profilu produkcyjnym, wysoki poziom automatyzacji produkcji, zakup specjalistycznych maszyn od stałych dostawców (ze względu na konieczność przeprojektowania, rekonfiguracji i modyfikacji algorytmu działania na wyraźne żądanie odbiorcy)
(Charakterystyka proaktywnego programu utrzymania ruchu maszyn i urządzeń – tab. M. Hetmańczyk)

2. Fabryka cyfrowa

Wprowadzenie nowoczesnych maszyn i systemów produkcyjnych umożliwia wykonanie rozwojowego kroku i szybkie przejście na kolejny poziom. Cyfrowa fabryka to zakład produkcyjny, w którym ludzie, maszyny, produkty (nawet surowce wsadowe) współdzielą (w czasie rzeczywistym) informacje o wszystkich etapach procesu produkcyjnego. Kluczowymi elementami warunkującymi uzyskanie pełnej funkcjonalności cyfrowej fabryki są przemysłowy internet rzeczy, przetwarzanie danych w chmurze, big data, sztuczna inteligencja (szczególnie na poziomie algorytmów) oraz rozbudowane systemy IT.

Podejście do cyfrowej fabryki powinno zostać oparte na trzech elementach cyfrowych:

  • produkt (z odwzorowaniem właściwości statycznych i dynamicznych)
  • planowanie produkcji
  • proces produkcyjny (z możliwością zastosowania danych planistycznych pod kątem wzrostu efektywności procesów korporacyjnych).

W ten sposób zyskujemy możliwość zastosowania cyfrowego bliźniaka wymienionych elementów. Generowane w czasie rzeczywistym dane zwiększają wydajność, produktywność, bezpieczeństwo i pomagają w lepszej ochronie środowiska. Usprawniają także kontrolę przepływów (surowców, produkcji w toku i produktów gotowych). W zakresie działania modelu digital twin można założyć zastosowanie trzech odmian.

(graf. Lech Mazurczyk)

Wdrożenie założeń cyfrowej fabryki wiąże się z koniecznością użycia specjalistycznego oprogramowania do zbierania danych, m.in. systemów (ang.) Enterprise Resource Planning i Manufacturing Execution Systems.

3. Fabryka ekologiczna

Współczesne metody wytwarzania powinny uwzględniać aspekty ekologiczne zgodnie z wytycznymi gospodarki o obiegu zamkniętym. GOZ może zostać zdefiniowana jako system wykorzystania zasobów (w którym dominuje redukcja, ponowne użycie i recykling zużytych elementów) w połączeniu z wykorzystaniem energii odnawialnej oraz zmniejszeniem emisji (przy uzyskaniu większej wydajności fabryk, przedsiębiorstw i ogólnie pojętego przemysłu).

(graf. Lech Mazurczyk)

Wdrożenie circular economy realizowane jest według następujących zasad:

  • zastosowanie odpadów w formie zasobów produkcyjnych – całość materiału biodegradowalnego wraca do natury, a pozostałe odpady są ponownie używane (w różnych formach)
  • drugie zastosowanie – przywrócenie do obiegu produktów, które na tym etapie życia nie odpowiadają początkowo zdefiniowanym potrzebom konsumentów
  • ponowne użycie – zastosowanie sprawnych komponentów lub ich części, w celu opracowania nowych
  • naprawa obiektów, które mogą zostać przywrócone do działania
  • recykling – ponowne zastosowanie materiałów odpadowych
  • waloryzacja – wykorzystanie energii z odpadów, których nie da się recyklingować
  • ekonomia funkcjonalności – eliminacja sprzedaży produktów w celu ustanowienia systemu wynajmu, zakończenie użytkowania produktu skutkuje zwrotem produktu do firmy wynajmującej, w której następuje demontaż pod kątem ponownego użycia nieuszkodzonych części
  • energia ze źródeł odnawialnych – eliminacja paliw kopalnych prowadząca do wytworzenia produktu, jego ponownego wykorzystania i recyklingu
  • ekoprojekt – uwzględnia w swojej koncepcji wpływ na środowisko w całym cyklu życia produktu
  • ekologia przemysłowa i terytorialna – ustanowienie przemysłowej metody organizacyjnej na terytorium działania przedsiębiorstwa charakteryzującej się zoptymalizowanym zarządzaniem zapasami i przepływami materiałów, energii oraz usług.

 

Zdjęcie główne: pixabay.com
Już niebawem druga część artykułu!

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj