Autor: Wojciech Nowak

(na podstawie pracy dyplomowej, napisanej w ramach Studiów Podyplomowych Zarządzanie Produkcją na Wyższej szkole Europejskiej im. Ks. Tischnera)

Wprowadzenie

Coraz częściej „szczupłe” podejście stosuje się nie tylko do procesów stricte produkcyjnych i poprodukcyjnych, ale rozszerza się je na wszystkie działy i procesy obecne w działalności biznesowej. W szczególności firmy budujące maszyny w coraz większym stopniu zwracają uwagę na korzyści, wynikające z zastosowania podejścia „lean” w trzech kluczowych obszarach: projektowanie maszyny, sama maszyna i proces jej budowy. Największe korzyści, wydaje się, uzyskać można przy zastosowaniu podejścia łączonego, z zastosowaniem zasad „lean” we wszystkich wymienionych obszarach. Ogólnie takie podejście nazwać będziemy „szczupłym projektowaniem” (Lean Design).

Japońskie słowo „muda” oznacza stratę lub odpad. Kiedy mówimy o podejściu "lean" zazwyczaj oznacza to analizę istniejącego procesu, maszyny lub schematu i znalezienie miejsc oraz sposobów eliminacji „muda”. Podejście „szczupłego projektowania” oznacza, że nie analizujemy gotowego produktu, ale poszukujemy możliwości wyeliminowania strat już w fazie projektowania.

Szczupłe projektowanie jest procesem skupiającym się na podejmowaniu dobrych decyzji wtedy kiedy jest to najważniejsze - już w fazie projektowania lub koncepcji. Przy projektowaniu maszyny oznacza to m.in. wybór i zastosowanie najbardziej wydajnych elementów realizujących daną funkcję oraz wybór zestawu komponentów, które razem będą stanowić najbardziej wydajny system z równoczesnym uwzględnieniem ograniczeń, które narzuca dostępny budżet. Poprzez analizę kompatybilności oraz wydajności poszczególnych komponentów systemu podczas fazy projektowania, eliminuje się późniejsze straty wynikające ze źle dobranych elementów. Dodatkowo, jeżeli uwzględni się pewną specyfikę działania projektowania maszyn specjalnych, mianowicie to, że produkcja jest jednostkowa, każda z maszyn jest budowana jednorazowo, na podstawie specyfikacji klienta, dla pewnego konkretnego produktu, to konieczność podejmowania prawidłowych decyzji na etapie projektowania jest zagadnieniem podwójnie ważnym i podwójnie trudnym. Oczywiście wytwórca działa z uwzględnieniem ograniczeń specyfikacji ogólnej klienta, ograniczonego budżetu oraz ustalonej, nieprzekraczalnej daty dostawy.

W artykule, po krótkim wstępie teoretycznym, na przykładzie kilku konkretnych projektów maszyn (stanowisk roboczych) postaram się pokazać drogi rozwiązywania niektórych problemów, które można napotkać podczas opracowania projektu nowej maszyny. Jako przykład posłuży linia montażowo-kontrolna, składająca się z kilkunastu maszyn, przeznaczona dla przemysłu samochodowego, z uwzględnieniem specyficznych wymagań tej gałęzi przemysłu.

3 mity szczupłego projektowania

Zastosowanie podejścia szczupłego projektowania - lub wyeliminowanie „muda” zanim maszyna zostanie zbudowana, wydaje się prostym działaniem, ale pójście zbyt daleko w eliminacji strat może spowodować nadmierne uproszczenia oraz nieporozumienia. Poniżej zgromadziłem kilka błędnych stwierdzeń, które bywają kojarzone ze szczupłym projektowaniem.

Szczupły znaczy tani

Podejście „lean” jest często traktowane jako znalezienie najtańszych z możliwych sposobów robienia czegoś. To niekoniecznie prawda. Tak jak wyposażenia olimpijczyków nie kupuje się w lokalnym sklepie sportowym, producenci maszyn muszą opierać się pokusie zrównania szczupły = tani. Kluczem do sukcesu jest tu zrównoważenie kosztów z technologią. W systemach gospodarczych, koszty i zyski są prawie zawsze w sprzeczności. Coś, co nie kosztuje dużo rzadko przynosi znaczne zyski, a jeśli chcemy czerpać wielkie korzyści zwykle musimy dużo zainwestować. Ponieważ firmy chcą minimalizacji kosztów i maksymalizacji zysków, wyraźnie zaznacza się konflikt celów. Dodatkowo wykonawca z reguły porusza się w wynegocjowanym (narzuconym) budżecie co pociąga za sobą konieczność stosowania restrykcyjnej dyscypliny przy wydatkowaniu środków na wyposażenie maszyny oraz usługi.

Korzyści… wieki po zakończeniu projektowania

Nie ma wątpliwości, że decyzje na etapie projektu mają duży wpływ na ostateczny koszt i jakość maszyny. Szczupłe projektowanie skupia się na lepszych decyzjach podejmowanych wcześniej podczas fazy projektowania. Lepsze decyzje wcześniej oznaczają mniejsze zagrożenie kolejnymi restartami projektu, dokładniejszym określeniem dat dostawy, niższym kosztem ogólnym projektu i wyższym poziomem satysfakcji klienta.

Szczupły oznacza "cienki"

Ponieważ szczupłe projektowanie ma na celu redukcję lub eliminację strat, łatwo można w aplikacji posunąć się zbyt daleko - do punktu, w którym projekt jest tak szczupły, że przestaje być funkcjonalny. W budowie maszyn projekt, który jest zbyt szczupły zwykle jest automatycznie mało elastyczny, trudny do integracji, zawodny oraz posiada wysokie koszty obsługi i konserwacji.

O czym należy pamiętać?

Do kluczowych kwestii w podejściu szczupłego projektowania należą: oszacowanie ryzyka, osiągnięcie równowagi, osiągnięcie sukcesu. Firmy budujące maszyny i wykorzystujące praktyki szczupłego projektowania stają przed koniecznością oszacowania ryzyka i określenia odpowiedniej równowagi pomiędzy przeszacowaniem (over-engineering), a niedoszacowaniem (under-engineering) systemu.

Ryzyko koncepcyjne ogólnie przejawia się najczęściej na kilka różnych sposobów:

• ryzyko techniczne skupia się na tym, czy wybrana przez nas technologia jest sprawdzona i niezawodna;

• niezawodność rozumiana jako długookresowa pewność działania oraz powtarzalność komponentów, czy systemów wybranych do konstrukcji maszyny;

• powtarzalność, która jest szczególnie istotna w aplikacjach wymagających dużej precyzji, jak np. montaż czy pakowanie;

• ryzyko budżetowe (koszt elementów standardowych) musi być brane pod uwagę w oparciu o dostępne środki krótkoterminowe, ale musi być także

zrównoważone z długofalowymi konsekwencjami systemu, który może na dłuższą metę okazać się kosztowny w utrzymaniu, naprawie i rozbudowie. Producent maszyny gwarantuje poprawne działanie maszyny przez okres od 12 do 24 miesięcy, musi więc ponosić, już po dostawie, dodatkowe koszty wynikające z awarii podczas okresu gwarancyjnego.

Szacując ryzyko przy projektowaniu maszyny na sposób „szczupły” dobrze jest odpowiedzieć sobie na następujące pytania, pomagające w przechodzeniu przez ten proces i wziąć pod uwagę pewne czynniki określające ryzyko.

• Czy rozważane (przyjęte) rozwiązanie techniczne będzie faktycznie działać tak jak potrzebujemy ?
• Czy zastosowana technologia jest dostępna i stabilna (przetestowana) ?
• Czy projektowaną maszynę można zbudować w oparciu o dostępne środki techniczne ?
• Czy maszyna spełni wymagania dotyczące minimalnej wydajności ?
• Czy zastosowane komponenty i technologie gwarantują bezawaryjną pracę co najmniej przez okres gwarancji ?
• Czy pozwoli na eliminację odpadów czy będzie je tworzyć ?
• Ile maszyna będzie kosztować dziś ?
• Czy może zostać wykonana na czas ?
• Czy może być w łatwy sposób odtworzona (powtórzona) ?
• Czy maszyna może być łatwo i niedrogo rozbudowywana oraz czy jest skalowalna do potrzeb użytkownika końcowego ?
• Czy zastosowano zasady ergonomii odpowiednie dla typu maszyn i rodzaju pracy ?
• Czy maszyna jest bezpieczna dla użytkownika ?
• Czy maszyna spełnia krajowe i międzynarodowe przepisy (m.in. DyrektywaMaszynowa UE, krajowe normy, szczególne regulacje prawne dla określonych typów maszyn) ?

Przeszacowanie i niedoszacowanie

Po wstępnym określeniu czynników ryzyka można zająć się kolejną kwestią, a mianowicie znalezieniem równowagi pomiędzy przeszacowaniem, a niedoszacowaniem systemu. Rozwiązanie przeszacowane jest łatwe do wykrycia. System jest wtedy wyposażany w każdą możliwą do zrealizowania funkcję. Jednak większość z nich nigdy nie będzie używana, a projekt jest tak skomplikowany, że nie może być powielany lub łatwo dostosowany do potrzeb użytkownika końcowego. Najlepszym lekarstwem na system przewymiarowany jest dokładne zrozumienie potrzeb klienta. Szczupłe projektowanie ma dostarczyć klientowi określoną wartość i nic ponadto. Należałoby zadać kluczowe pytanie: "Co dokładnie ta maszyna ma robić z punktu widzenia użytkownika końcowego ?". Pytanie to może wydawać się oczywiste, ale projekty techniczne bardzo często mają tendencję do schodzenia z kursu. Projektanci skupiają się na dodawaniu kolejnych „kwiatków”, a efekt końcowy nie odpowiada oczekiwaniom. Bazą wyjściową będzie tu specyfikacja szczegółowa maszyny, w której użytkownik zawarł podstawowe informacje na temat swoich oczekiwań i wymagań. Na tej podstawie można określić kluczowe parametry maszyny, a więc zdefiniować wartość maszyny dla klienta. Należy oprzeć się na prostych, sprawdzonych rozwiązaniach, unikać rozdmuchiwania projektu oraz zbędnych dodatków. Należy jasno zidentyfikować funkcje, które są konieczne oraz funkcje które tylko „przydadzą się”. Należy pamiętać, że klient może nie wiedzieć, co jest możliwe przy obecnym stanie techniki. Wymaga to pogłębionej dyskusji (wewnętrznej i zewnętrznej) na temat każdej z wymaganych funkcji. Praca pod ciągłą presją czasu, w połączeniu z niekompletnymi informacjami może prowadzić do zbudowania maszyny, z której klient nie jest zadowolony, bo jest ona „ledwo wystarczająca” dla jego potrzeb. Nie ma nic bardziej frustrującego niż posiadanie maszyny z mnóstwem niepotrzebnych funkcji, ale bez funkcji zasadniczej realizowanej w 100%. Ponadto eliminacja zbędnych funkcji powoduje wzrost niezawodności całego systemu, przy zachowaniu w miarę prostej koncepcji. Maszyna skomplikowana to najczęściej urządzenie generujące sporo odpadów oraz podnoszące koszt produkcji.

Na zdjęciu niemiecki czołg Tiger I z okresu II wojny światowej – klasyczny przykład konstrukcji maszyny przeszacowanej. Był najpotężniejszym pojazdem bojowym owych czasów, jednak zapędy niemieckich inżynierów do wpakowania w niego wszystkich najnowszych zdobyczy techniki (gruby pancerz, hydrokinetyczny układ przeniesienia napędu, potężne działo, bardzo mocny silnik, wysoka prędkość maksymalna) sprawiły, że jego skala awaryjności była oszałamiająca. W batalionie czołgów ciężkich (stan 41-44 wozów) sprawnych potrafiło być 13 czołgów, a bywało, że odmawiały one posłuszeństwa w czasie natarcia. Do tego masa czołgu (58-62 ton !!) i trudności z transportem (konieczność stosowania 80 tonowych platform kolejowych i specjalnych gąsienic transportowych) powodowały, że znakomicie sprawdzał się na placu boju pod warunkiem, że był tam w stanie dojechać o własnych siłach. Niezbędne było więc ciągnięcie za sobą magazynów części zamiennych, specjalnych pododdziałów remontowych wyposażonych w specjalistyczny ciężki sprzęt oraz poświęcanie gigantycznej liczby roboczogodzin na bezustanny serwis wozów nawet nie biorących udziału w akcji.

O ile system przeszacowany jest problemem często występującym i dość prostym w identyfikacji, systemy niedoszacowane, choć rzadsze, mogą być bardziej szkodliwe dla końcowego sukcesu. Systemy niedoszacowane mogą pojawiać się w kilku podstawowych formach:

• maszyny mogą być zaprojektowane i zbudowane przy użyciu komzaponentów, które ledwo spełniają minimalne wymagania dotyczące wydajności, co praktycznie uniemożliwia dalszą rozbudowę bez ich wymiany. Takie systemy z reguły korzystają albo z możliwie najtańszych komponentów, niezależnie od tego, czy są one sprawdzone, albo z komponentów sprawdzonych, ale przestarzałych technicznie, które nie gwarantują odpowiedniej prędkości działania czy możliwości rozbudowy w przyszłości. Często są one stosowane przez firmy, które zatrzymują się na pewnym etapie technicznego rozwoju komponentów i nie inwestują w poznawanie nowych technologii;
• maszyny mogą być zaprojektowane i zbudowane w sposób zamknięty, który nie tylko nie pozwala na ich dalszą ewolucję (lepsze dopasowanie do wymagań klienta), ale wręcz uniemożliwia jakąkolwiek rozbudowę (budowanie „na styk”) przy braku uwzględnienia pewnego zapasu przestrzeni, tolerancji przenoszonych obciążeń, parametrów technicznych komponentów, ich żywotności, itp.;
• maszyny zaprojektowane i zbudowane przy użyciu komponentów, które nie posiadają wsparcia technicznego ich producentów lub wsparcie to jest szczątkowe albo trudno osiągalne. Pewne specyficzne rozwiązania, gdzie stosuje się komponenty handlowe (np. przekładnie) wymagają dostępu do bazy wiedzy producenta i jego pomocy w zakresie konkretnej aplikacji. Brak takiego wsparcia powoduje wzrost stopnia ryzyka zastosowania komponentu zbyt słabego, co równocześnie pociąga za sobą tendencje wśród projektantów do stosowania rozwiązań kilkakrotnie przewymiarowanych. Paradoksalnie, ocena rozwiązania jako niedoszacowanego, może powodować gwałtowną ucieczkę w stronę rozwiązań przewymiarowanych.

Systemy niedoszacowane są z reguły są bardzo trudne w integracji. Komponenty tanie lub nie pasujące do siebie są najprostszą receptą na katastrofę. Problem zaczyna się tam, gdzie próbujemy zintegrować w jeden system kilka słabych punktów (komponentów). Tak więc,

wbrew powszechnemu przekonaniu, wyższa jakość nie zawsze jest droższa – faktycznie może

kosztować mniej, eliminując niepotrzebne i niesprawdzone komponenty. Maszyna zbudowana

przy zastosowaniu podejścia szczupłego projektowania nie zawiera elementów, które nie są

niezbędne. Jeżeli komponent nie jest niezbędny, po prostu go tam nie ma.

Komponenty krytyczne

Wiele z elementów będących częścią składową maszyny może być uważanych za tak proste, że aż

nieważne. Jednak należy pamiętać, że nawet tak trywialna rzecz, jak np. awaria przycisku lub źle

dobrana śruba może prowadzić jeśli nie do katastrofy (z punktu widzenia klienta) to do wypadku. Przy projektowaniu dużych i złożonych maszyn, projektanci mają często zapędy do traktowania pewnych jej elementów jako zbyt trywialnych, by miały duże znaczenie w funkcjonowaniu maszyny. Jest to widoczne szczególnie w przypadku układów elektronicznych, których ciągła miniaturyzacja może sprawiać wrażenie prostoty, a w rzeczywistości jest dokładnie odwrotnie. Każda maszyna jest tylko tak wydajna, jak jej najmniej wydajny element i tylko tak niezawodna, jak jej najsłabszy element. Dlatego zrozumienie funkcji i znaczenia każdego elementu maszyny jest tak istotne. W artykule dla „Advanced Manufacturing Magazine”, były inżynier przemysłowy i dyrektor fabryki Bill Cloke wskazał szereg procesów z dziedziny Lean New Product Development, które mogą być zastosowane do projektowania nowych maszyn:

1. Określ wartość (cel), w tym przypadku jest to udany projekt nowej „szczupłej” maszyny.
2. Sporządź mapę aktualnego procesu projektowania, wykonaj jego analizę i wyeliminuj „muda” (straty). Dowolna czynność, która nie przyczynia się do realizacji projektu jest odpadem.
3. Usuń niepotrzebne szczeble decyzyjne, formalności biurokratyczne i niepotrzebne lub

przewlekłe spotkania. Spróbuj koordynować działania projektowe podczas częstych, nieformalnych spotkań. Wyeliminuj zbędne dokumenty, jak np. aktualne raporty o stanie

projektu.

1. Przechowuj tylko centralny rejestr realizowanego projektu, w tym rysunki, modele kosztów, specyfikacje i decyzje projektowe. Centralny rejestr projektu powinien istnieć w formie elektronicznej, tak aby cały zespół mógł uzyskać dostęp do najnowszej wersji w dowolnym momencie
2. Unikaj marnowania czasu projektantów w celu wyszukiwania informacji. Zbuduj centralną bazę danych, która zawiera elementy wielokrotnego użytku, takie jak: dane techniczne, normy, standardy przemysłowe, ogólne wymagania klienta, listy zalecanych komponentów, itp.
3. Używaj zarządzania wg metody ścieżki krytycznej. W kolejności wykonuj jedynie elementy ze ścieżki krytycznej. Zidentyfikuj elementy niekrytyczne i wykonuj je równolegle.

Projektowanie linii montażowej Delta

Zadanie postawione przez klienta – jedną z dużych korporacji produkujących części samochodowe i będącego dostawcą największych koncernów samochodowych świata, brzmiało: zaprojektować i wykonać linię montażowo-kontrolną, która umożliwi produkcję nowego typu części – przepustnicy regulującej dopływ powietrza w układzie recyrkulacji spalin dla nowych silników diesla. Klient dostarczył dokumentację techniczną detalu, w tym: rysunki techniczne poszczególnych komponentów, wymagania procesowe, w tym zestaw parametrów fizycznych, które produkt musi spełniać po przejściu przez proces, ogólne warunki dostawy oraz ogólne warunki techniczne fabryki, gdzie gotowa linia miała pracować. Dodatkowo określono wymaganą wydajność linii oraz daty odbioru wstępnego oraz końcowego urządzeń.

Na podstawie dostarczonych materiałów osoby decyzyjne wewnątrz firmy opracowały

wstępną koncepcję linii, zawierającą: mapę procesu zawierającą kolejno wszystkie kroki niezbędne do realizacji procesu. Pozwoliło to następnie na rozłożenie operacji na poszczególne stanowiska, z wykazem koniecznego wyposażenia każdego ze stanowisk, z listą wymaganych kontroli, czasem trwania operacji, itp. Bazując na tej koncepcji została opracowana oferta z cenami poszczególnych

stanowisk. Do oferty dołączono także wstępny harmonogram wykonania w postaci wykresu Gannta. Po doprecyzowaniu i uściśleniu pewnych szczegółów technicznych zgodnie z wymaganiami klienta, jak również po negocjacjach cenowych klient przesłał formalne zamówienie na wykonanie linii, co stało się podstawą do rozpoczęcia projektowania poszczególnych stanowisk.

Założenia i koncepcja

Zgodnie z analizą wykonaną na etapie oferty linia montażowo-kontrolna składać się będzie z 18 stanowisk, ręcznych i pół-automatycznych, realizujących operacje montażowe typu wciskanie, skręcanie, etykietowanie, znakowanie mikropunktowe, jak również operacje kontrolne, jak kontrola szczelności, kontrola przepływu, kontrola zwarcia, czy wreszcie kompletny test funkcjonalny. Dla każdego stanowiska opracowana została karta stanowiska (przykłady poniżej), w której zebrano informacje kluczowe dla opracowania stanowiska.

Do realizacji zadania powołano zespół projektowy składający się z 6 projektantów – inżynierów mechaników, 2 inżynierów automatyków oraz szefa projektu – członka Zarządu firmy. Poszczególne stanowiska zostały rozdzielone pomiędzy projektantów. Ustalony został harmonogram cotygodniowych spotkań kontrolnych z szefem projektu oraz sposoby komunikacji pomiędzy poszczególnymi członkami zespołu. Zespół został zobowiązany do zapoznania się ze specyfikacją techniczną produktu oraz szczegółowymi wymaganiami klienta, jak i z ogólnymi warunkami technicznymi, zawierającymi m.in. listę preferowanych komponentów.

Konstrukcja bazowa

Po rozpoczęciu prac szybko okazało się, że proponowane koncepcje poszczególnych stanowisk znacząco różnią się między sobą. Różnice te dotyczyły nie tylko szczegółów

oprzyrządowania, ale również pewnych podstawowych parametrów stanowisk. Generalnie problemy podstawowe dały się usystematyzować i zaliczyć do 2 kategorii:

- budowa mechanicznej konstrukcji bazowej,

- budowa systemu sterowania.

Projektowanie mechanicznej konstrukcji bazowej

Z uwagi na różnorodność realizowanych operacji zaproponowane przez poszczególnych

projektantów rozwiązania dotyczące wykonania ramy bazowej (podstawy) stanowiska znacznie się od siebie różniły. Oczywiście, każda z konstrukcji bazowych była optymalnie dobrana do funkcji stanowiska i związanych z nią parametrów fizykalnych, jak obciążenie, gabaryt narzędzia, siły powstające podczas procesu, czy wreszcie konieczność zapewnienia operatorowi bezpieczeństwa podczas cyklu automatycznego maszyny. Powstało więc zagrożenie, ze każde stanowisko, mino że optymalne, będzie wykonane w inny sposób i z innych materiałów (rama, blat stołu, mocowanie narzędzia). Pociąga to za sobą wzrost ryzyka wynikający z konieczności operowania różnymi materiałami, które są montowane w różny sposób, czyli zidentyfikowano potencjalną stratę wynikającą ze zbyt dużej różnorodności materiałów, różnej pracochłonności wykonania oraz różnych narzędzi wymaganych w celu montażu. Pozorną zaletą natomiast takiego rozwiązania wydawał się koszt wykonania, który w przypadku stanowisk prostych był niski.

Wykorzystując metodę burzy mózgów przeprowadzono wspólnie analizę zaproponowanych projektów. Naturalnym i narzucającym się automatycznie rozwiązaniem była unifikacja ram bazowych wszystkich stanowisk do jednego rodzaju materiału, wspólnej technologii wykonania, identycznych gabarytów, takiego samego wykończenia oraz blatów o identycznej grubości i wykonanych z takiego samego materiału. Niestety z uwagi na funkcje stanowisk, takie rozwiązanie okazało się niemożliwe do realizacji. Część z realizowanych operacji wymagało więcej miejsca, względnie wymagało przeniesienia większych sił wynikających z procesu lub przewidywanego oprzyrządowania. Pomocniczo sporządzona została tabela, w której zebrano wspólne wielkości charakterystyczne dla zaproponowanych rozwiązań.

Spojrzenie na w/w tabele pozwoliło szybko znaleźć rozwiązanie problemu. Okazało się, że wymiary konstrukcji bazowej można sprowadzić do trzech podstawowych wymiarów szerokości i dwóch głębokości. Równocześnie zdecydowano się ujednolicić materiał i technologię wykonania ram – zamknięte profile stalowe łączone spawaniem i malowane proszkowo z nadbudową wykonaną z profili aluminiowych z wypełnieniem z płyt poliwęglanowych. Mimo obaw związanych z kosztami zdecydowano się również zunifikować materiał blatów – płyta aluminiowa o gr. 15mm, anodowana. Po ujednoliceniu nasza tabela wyglądała następująco:

Korzyści wynikłe z analizy i powziętych decyzji:

1. Ustalenia zostały skierowane do działu zaopatrzenia, który znalazł poddostawcę gotowych ram spawanych. Firma specjalizująca się w wykonywaniu konstrukcji spawanych była w stanie zaoferować niską cenę, wysoką jakość, akceptowalny termin dostawy. Koszt jednej ramy okazał się być niższy niż rama wykonana z tańszych materiałów siłami działu produkcyjnego firmy. Dodatkowo pozwoliło to na zwolnienie części mocy produkcyjnych i przesunięcie ich do wykonania innego projektu.
2. Do wykonania zunifikowanych ram na bazie wspólnej koncepcji został wyznaczony jeden projektant, który wykonał zadanie szybko i umieścił modele 3D gotowych ram w głównej bazie danych projektu, do pobrania przez resztę inżynierów. Znacząco skróciło to czas projektowania i pozwoliło reszcie projektantów skupić się nad funkcjami poszczególnych narzędzi.
3. Unifikacja ram pociągnęła za sobą również unifikację rozmieszczenia pewnych elementów stanowisk, takich jak szafa elektryczna (sterownicza), panel wskaźnikowy, panel z wyposażeniem pneumatycznym. To z kolei ułatwiło, jak się okazało, obsługę przez służby utrzymania ruchu w fabryce klienta.
4. Zastosowanie jednego rodzaju materiału dla poszczególnych elementów stanowiska pozwoliło działowi zaopatrzenia wynegocjować z dostawcami materiałów bardzo korzystne ceny bazując na rabatach ilościowych.

3.2.2 Projektowanie systemu sterowania

Specyfikacja klienta oraz lista komponentów preferowanych pozwalała na zastosowanie

dwóch rodzin sterowników firmy SIEMENS – S7-200 oraz S7-300. Początkowe założenia

obejmowały stosowanie równolegle dwóch typów sterowników: dla maszyn prostszych S7-

200, dla maszyn bardziej złożonych funkcjonalnie – S7-300 (patrz tabele powyżej). I tak jak

powyżej zaletą takiego rozwiązania wydawał się niższy koszt zakupu prostszych sterowników

PLC.

Kilka spotkań z klientem oraz szczegółowa analiza jego wymagań dotyczących funkcji układu sterowania spowodowała, że pojawiły się obawy, że

zastosowanie sterowników rodziny S7-200 jest klasycznym rozwiązaniem „na styk” wystarczającym wprawdzie dla projektowanych maszyn, ale posiadającym

ograniczone możliwości rozbudowy oraz limitowane funkcje komunikacyjne. Ważne okazały się również informacje od innych dostawców

wskazujące na utrudnioną integrację tej rodziny PLC z dostarczanymi komponentami, m.in. sterownikami pras czy czytnikami kodów kreskowych. Została podjęta decyzja o aplikacji jednego typu sterownika dla wszystkich maszyn. Pozwoliło to nie tylko na unifikację oprogramowania, zmniejszenie liczby typów komponentów, ale również umożliwiło opracowanie 2 wariantów wspólnego projektu szafy sterowniczej (zasilanie, układy bezpieczeństwa, sterowanie, itp.). Niejako przy okazji dokonano również unifikacji panela wskaźnikowego, czyli panela przez który operator może wpływać na cykl maszyny i który służy do wskazywania i identyfikacji awarii (patrz zdjęcie obok). Z uwagi na bardzo duże różnice w funkcjonalności poszczególnych maszyn zdecydowano się na zastąpienie prostych paneli tekstowych bardziej zaawansowanymi panelami dotykowymi przenosząc funkcje realizowane dotąd za pomocą lampek i przycisków, na ekran panela operatorskiego tworząc MMI (Man-Machine Interface) czyli program, który mógł być dopasowany do funkcji stacji, jak również łatwo uzupełniony o nowe funkcje. Równocześnie liczbę przycisków i lampek zredukowano do absolutnego minimum.

Korzyści wynikłe z powziętych decyzji:

1. Jeden z automatyków wykonał wspólny „szkielet” bazowy programu sterownika PLC, jak również programu panela operatorskiego. Program bazowy został umieszczony w głównej bazie danych projektu, do pobrania przez resztę inżynierów. Znacząco skróciło to czas programowania i przyspieszyło proces uruchamiania maszyn i odpluskwiania programu.

2. Opracowanie wspólnego dla wszystkich maszyn systemu MMI (sprzęt i oprogramowanie) ułatwiło obsługę, skróciło czas potrzebny na szkolenie operatorów, skróciło czas lokalizacji awarii. Opracowanie wspólnej bazy oprogramowania pozwoliła zaoszczędzić sporą liczbę godzin pracy automatyków.

3. Unifikacja elementów układu sterowania pozwoliła na opracowanie jednego (2 warianty) projektu szafy sterowniczej co skróciło czas projektowania, pozwoliło na prefabrykację szaf oraz skróciło czas ich uruchomienia.

4. Unifikacja elementów układu sterowania pozwoliła na znaczną redukcję liczby części

zamiennych na magazynie utrzymania ruchu, jak również ułatwiła obsługę przez

służby utrzymania ruchu w fabryce klienta.

5. Zastosowanie jednej rodziny sterowników PLC oraz jednego typu panela operatorskiego pozwoliło działowi zaopatrzenia wynegocjować z producentem bardzo korzystne ceny bazując na rabatach ilościowych.

Po około 6 miesiącach od dostawy i uruchomienia stanowisk w fabryce klienta pojawiła się

konieczność zbierania danych procesowych i zapisywania ich w odpowiednio przygotowanej bazie danych. Dzięki zastosowaniu sterownika z rodziny S7-300 bardzo łatwo było połączyć stanowiska magistralą komunikacyjną Ethernet (dodanie modułu komunikacyjnego), jak również opracować wspólną koncepcję przesyłania danych do głównego serwera. Dowodzi to, że prawidłowa decyzja owocuje nie tylko na etapie realizacji projektu samych stanowisk, ale również powoduje, że są one bardziej podatne na modernizacje, przez co znacząco wzrasta ich użyteczności i czas życia.

Na powyższych zdjęciach pokazano przykłady różnych stanowisk linii DELTA zbudowane w

oparciu o zunifikowane ramy bazowe (w trzech wariantach) oraz jednakowe panele wskaźnikowe. Przedstawione na fotografiach stanowiska realizują zupełnie różne funkcje. Oczywiście etap optymalizacji i unifikacji konstrukcji nie został ograniczony do przykładów opisanych wyżej. Jak łatwo można zauważyć na zdjęciach temu samemu procesowi poddane zostały pulpity sterownicze, inne części układu sterowania (sygnalizatory), miejsca odkład cze WIP czy wreszcie separatory braków. Wszystkie te działania zaowocowały skróceniem czasu projektowania, wzrostem niezawodności, uproszczeniem obsługi, unifikacją części zamiennych, czyli przyniosły dodatkowy zysk.

Stanowisko A150 - kontrola szczelności

Jednym ze stanowisk zaprojektowanych i wykonanych w ramach projektu DELTA było stanowisko kontroli szczelności służące do wykrywania możliwych nieszczelności pomiędzy elementami zmontowanymi na poprzednich stanowiskach. We wstępie podkreślana była rola dokładnego zrozumienia wymagań klienta, jego punktu widzenia na funkcjonalność maszyny oraz możliwość realizacji jego wymagań dostępnymi środkami technicznymi.

Definicja wymagań klienta

Zdefiniowanie szczegółowych wymagań klienta powinno przede wszystkim odbywać się z aktywnym udziałem obu zainteresowanych stron (Klienta i Wykonawcy). Wszelkie działania jednostronne w tym zakresie są najczęściej narażone na porażkę. Obie strony winny wyznaczyć swych kompetentnych przedstawicieli, których zadaniem będzie możliwie najbardziej szczegółowe określenie wymagań klienta dotyczących przede wszystkim funkcjonalności stanowiska, ale również wydajności, wyglądu, funkcji weryfikacyjnych, itp. Bazą techniczną oraz pewnym ograniczeniem będzie tu Ogólna Specyfikacja Środków Produkcji, której znajomość jest podstawą do rozpoczęcia wspólnych spotkań. Ze strony klienta w spotkaniach bierze udział najczęściej inżynier odpowiedzialny za proces, ze strony wykonawcy jest to kierownik projektu lub zespół projektowy. Ustalenia i wymagania najlepiej jest zebrać w postaci pisemnej, a jeszcze lepiej w postaci standardowego arkusza, który oczywiście musi trafić do centralnej bazy danych projektu, tak, aby wszyscy zainteresowani mieli do niego dostęp. Opracowanie takiego arkusza w pierwszej fazie projektu musi uwzględniać ewentualne zmiany wynikające z technologii czy zmian designu. W bazie musi znajdować się najbardziej aktualna wersja arkusza.

3.3.2 Projekt wstępny – analiza D-FMEA

Mamy już więc jasno określone wymagania klienta, dokumentację techniczną produktu, więc rozpoczynamy prace na stanowiskiem. Po 1-2 tygodniach pojawia się projekt koncepcyjny (wstępny). I znów stosujemy „szczupłe” podejście, czyli analizujemy projekt starając się zidentyfikować potencjalne zagrożenia. Zastosowana w tym przykładzie metoda to FMEA projektu (ang. Design FMEA) określana także jako dFMEA lub D-FMEA. FMEA projektu ma na celu identyfikacje potencjalnych wad i problemów w projekcie stanowiska jakie mogą wystąpić w trakcie jego użytkowania oraz wpływu tych wad na użytkownika. Analizie może podlegać cały system (System FMEA) lub poszczególne elementy systemu (produktu). FMEA projektu powinno być integralną częścią wstępnego etapu projektowania i powinno być regularnie aktualizowane pod kątem zmian w projekcie. W dodatku A znajdują się arkusze analizy D-FMEA wykonane dla projektu wstępnego. Z uwagi na szczupłość miejsca (całość arkusza to 12 stron) skupimy się na analizie układu pomiarowego stanowiska składającego się z przetwornika ciśnienia o zakresie 0 – 4 bar z wyjściem analogowym 4-20mA, które jest podłączone do sterownika dysponującym 12 bitowym przetwornikiem A/D. Pomiar polega na zmierzeniu spadku ciśnienia w zamkniętej objętości w określonym czasie. Ciśnienie testu zadawane jest ręcznym reduktorem precyzyjnym. Na podstawie zmierzonego spadku ciśnienia, znając objętość testowanego detalu oraz ciśnienie testu, możliwe jest obliczenie wycieku dla danego detalu.

Wykonana analiza dowiodła, że projektowany układ pomiarowy może stanowić poważne źródło problemów, związanych nie tylko z wymaganą możliwością przezbrojenia pod inne modele produktu (zmiana parametrów testu), ale również w codziennej eksploatacji.

Zidentyfikowane główne problemy to :

– konieczność ręcznego ustawiania ciśnienia testu przez operatora, co wymaga odpowiedniego szkolenia i równocześnie zwiększa prawdopodobieństwo ustawienia nieprawidłowej wartości ciśnienia – zwłaszcza podczas przezbrojeń, muda = brak zdolności wykrywania braków, zbyt wysoki poziom braków, obniżona wydajność;

– zbyt niska dokładność pomiaru związana z jednej strony z dużym zakresem przetwornika pomiarowego ciśnienia, a z drugiej strony z niską rozdzielczością przetwornika A/D sterownika PLC; muda = obniżona zdolność wykrywania, niższa od zakładanej funkcjonalność testera, obniżenie jakości, obniżenie zadowolenia klienta;

– brak możliwości uwzględnienia wpływu ciśnienia atmosferycznego oraz temperatury na pomiar; muda = potencjalne niedokładności w pomiarze, obniżenie jakości, obniżenie zadowolenia klienta;

– konieczność zapewnienia możliwości wzorcowania układu pomiarowego za pomocą zewnętrznych dodatkowych układów pomiarowych o wysokiej dokładności; muda = konieczność zakupu drogiego urządzenia kalibrującego, strata czasu;

– konieczność częstego (1x w tygodniu) wzorcowania toru pomiarowego, muda = strata czasu, konieczność angażowania służb technicznych fabryki;

– z uwagi na stały zakres przetwornika potencjalny problem z przyszłymi referencjami produktu wymagającymi innych (wyższych) ciśnień testu.

Po zapoznaniu się z powyższą listą kierownik projektu zdecydował o zmianie układu pomiarowego przez zastąpienie całości specjalizowanym aparatem kontroli szczelności firmy ATEQ. W porównaniu do porzuconego rozwiązania nowe wyposażenie charakteryzuje się następującymi zaletami:

– aparat ma możliwość definiowania 64 programów testu, dla których można ustawić różne parametry ciśnienia testu, czasu testu, limitów wycieku, itp. Wyboru programu dokonuje się za pomocą wyjść cyfrowych PLC;

– ciśnienie testu ustawiane jest automatycznie z wykorzystaniem zabudowanego w aparacie elektronicznego regulatora ciśnienia. Przy zmianie referencji wybierany jest inny program w aparacie. Całość wykonuje się automatycznie, bez interwencji operatora;

– wysoka dokładność pomiarów wynikająca z wyposażeniem aparatu w dwa przetworniki ciśnienia: przetwornik absolutny do kontroli ciśnienia testu oraz przetwornik różnicowy do pomiaru spadku ciśnienia w czasie testu;

– automatyczna korekcja pomiaru uwzględniająca warunki otoczenia (ciśnienie i temperaturę);

– aparat nie wymaga częstych weryfikacji. Funkcja testera jest sprawdzana na początku każdej zmiany za pomocą dwóch wzorców – części dobrej oraz złej;

– kalibracja aparatu wykonywane jest raz do roku przez serwis producenta;

– zmiana sposobu pomiaru umożliwia pracę w większym zakresie ciśnień. Brak problemów z adaptacją testera dla przyszłych referencji produktu.

Oczywiście zastosowanie bardziej zaawansowanego wyposażenia spowodowało wzrost kosztu wykonania stanowiska, choć nie tak duży jak się wydawało na początku. Zaoszczędzono na module analogowym sterownika, przetworniku ciśnienia oraz uproszczono program sterujący stanowiskiem. Jak dowiodła późniejsza praktyka aparat jest prosty w obsłudze, zapewnia wysoką dokładność pomiaru i nie wymaga specjalnych czynności konserwacyjnych (pod warunkiem przestrzegania wskazówek zawartych w instrukcji obsługi i użytkowania).

Powyższy przykład dowodzi, że o ile identyfikacja potencjalnych problemów na etapie projektowania może prowadzić do zwiększenia kosztów wykonania maszyny, to w dłuższym czasie okazuje się zapewniać większą wartość przez skrócenie czasu uruchomienia oraz instalacji, ułatwienie obsługi, zwiększenie niezawodności oraz obniżenie kosztów serwisu.

Podsumowanie i wnioski

W artykule starałem się zaprezentować podejście „lean” w zakresie projektowania maszyn – czyli analizy, sposobów identyfikacji i usuwania problemów zanim jeszcze mogą się pojawić w gotowej maszynie. Próbowałem zwrócić uwagę na najbardziej typowe i podstawowe problemy, które pojawiają się przy projektowaniu maszyn specjalnych oraz pokazać sposoby ich usuwania. Wprowadzenie elementów „szczupłego projektowania” w mojej pracy zawodowej pozwoliło na wcześniejszą identyfikację ograniczeń funkcjonalności maszyn, zapobieganie produkowaniu systemów przeszacowanych (szczególnie częste) i sumie uchroniło przed kompletną katastrofą co najmniej dwa projekty.

Równocześnie zaobserwowałem wzrost zainteresowania prezentowanymi metodami kolegów z zespołu. Aktualnie owocuje to samodzielnym podnoszeniem kwalifikacji prze współpracowników i równocześnie wzrost „świadomości lean”.  Podejście „szczupłego” projektowania zdecydowanie nadaje się i jest pomocne przy projektowaniu maszyn specjalnych (produkcja wyłącznie prototypów pod konkretne zastosowanie), pozwalając na ograniczenie wpływu błędów projektu na budżet stanowiska.

„Szczupłe” projektowanie jest procesem ewolucyjnym. Celem, który nie może być osiągnięty z dnia na dzień, ale równocześnie takim, który w sposób ciągły zapewnia znaczące korzyści w trakcie wdrażania. Wytwórcy, którzy bacznie analizują swe systemy w celu zidentyfikowania strat, dokładnego oszacowania ryzyka i osiągnięcia właściwej równowagi pomiędzy systemami przeszacowanymi i niedoszacowanymi będą doświadczać mniejszej liczby „restartów” projektowania, podawać dokładniejsze daty dostaw, ponosić niższe całkowite koszty projektu i ostatecznie - odczuwać wzrost satysfakcji klientów. Stosowanie zasad „lean” od początku procesu projektowania pozwala czerpać korzyści w postaci zmniejszenia kosztów, zwiększenia wydajności, elastyczności, niezawodności oraz skrócenia czasu wykonania maszyny.