Streszczenie
Celem artykułu było wykazanie przydatnoci zastosowania narzdzia jakim jest symulacja komputerowa w procesie restrukturyzacji gniazda/linii produkcyjnej. W ba-daniach wykorzystano oprogramowanie symulacyjne FlexSim 3D Simulation Software z wbudowanym modułem Process Flow. Artykuł zawiera opis oraz uzasadnienie, dla-czego FlexSim, jako program symulacyjny jest przydatny przy restrukturyzacji gniazda/linii produkcyjnej z tradycyjnej produkcji seryjnej na przepływ jednej sztuki i jakie s tego główne zalety. W badaniach wykorzystano przykład harmonogramowa-nia pracy operatorów w gniedzie produkcyjnym na zasadzie okreharmonogramowa-nia.
Słowa kluczowe: przepływ jednej sztuki, FlexSim, symulacja, harmonogramowanie Wprowadzenie
PrzedsiĊbiorstwa coraz czĊĞciej dostrzegają zalety z wprowadzania zasad, filozofii i narzĊdzi szczupłej produkcji (Lean Manufacturing) i szukają szansy ich wdraĪania na kaĪdym momencie Īycia produktu. Jednym z takich narzĊdzi jest właĞnie przepływ jednej sztuki (One Piece Flow) [6, 8]. Jest to rodzaj organizacji produkcji, w którym materiały, półprodukty czy produkty przekazy-wane są na kolejne stanowiska systematycznie, w sposób ciągły. W przypadku harmonogramu pracy na zasadzie okrąĪenia po wykonanym procesie/obróbce przez operatora na danym stanowisku, osoba ta przechodzi z produktem na kolejne stanowisko (dany produkt wykonywany przez jedną i tą samą osobĊ) [1]. Tym samym w przeciwieĔstwie do produkcji partiami, realizacja zlecenia jest zgodna z zasadą FIFO (First In First Out – pierwsze weszło, pierwsze wyszło) [3]. W niniejszym artykule podjĊto próbĊ wykazania uĪytecznoĞci zastosowania oprogramowania do symulacji proce-sów – FlexSim 3D Simulation Software – w procesie restrukturyzacji linii produkcyjnej z tradycyjnej produkcji seryjnej na przepływ jednej sztuki. W badaniach posłuĪono siĊ przykładem harmonogramowania pracy operatorów w gnieĨdzie produkcyjnym na zasadzie okrąĪenia.
1. Przepływ jednej sztuki w gnie dzie produkcyjnym
Zastosowanie przepływu jednostrumieniowego jest nieodłącznym elementem szczupłej pro-dukcji, gdyĪ zgodnie z jej filozofią dąĪy siĊ do ograniczenia zapasu produkcji w toku do niezbĊdnego minimum (nie tworzymy buforów miĊdzy stanowiskami). Wyrób przechodząc przez kolejne etapy procesu nie zatrzymuje siĊ w miejscu zajmując zbĊdne miejsce, a tym samym zmniej-szając powierzchnie produkcyjną.
Kolejnym istotnym aspektem jest skrócenie czasu realizacji zlecenia i czasu cyklu. W tradycyj-nej produkcji, gdzie kaĪdy pracownik posiada własne stanowisko, obciąĪenia pracą są róĪne dla kaĪdego z nich i tym samym czas cyklu zaleĪy od operacji wykonywanej najdłuĪej (najwiĊksze obciąĪenie) okreĞlanej jako wąskie gardło (tab. 1) [1, 3, 4]. W przepływie jednej sztuki realizowa-nym przez okrąĪenie, operatorzy przechodząc przez wszystkie procesy z darealizowa-nym wyrobem
rozkładają obciąĪenie pracy równomiernie i oprócz skrócenia czasu cyklu produkcyjnego pracują z równym obciąĪeniem, posiadając ten sam nakład pracy (tab. 2) [10].
Dodatkowe korzyĞci to m.in. poprawa ergonomii, eliminacja pomyłek oraz krótszy i szybszy transport komponentów do stanowisk.
Tabela 1. Kalkulacja wydajnoci gniazda produkcyjnego w przypadku tradycyjnej produkcji Czas operacji Liczba osób na dan operacj Wydajno
Operacja 1 20 1 20
Operacja 2 50 1 50
Operacja 3 30 1 30
ħródło: opracowanie własne.
PoniĪej zaprezentowano przykład opłacalnoĞci restrukturyzacji gniazda/linii produkcyjnej z tra-dycyjnej produkcji seryjnej na przepływ jednej sztuki.
Tabela 2. Kalkulacja wydajnoci gniazda produkcyjnego w przypadku przepływu jednej sztuki Czas operacji Liczba osób na dan operacj Wydajno
Operacja 1 20 0,4 50
Operacja 2 50 1 50
Operacja 3 30 0,6 50
ħródło: opracowanie własne.
W przypadku tradycyjnej produkcji wydajnoĞü zaleĪy od operacji o najdłuĪszym czasie wyko-nywania. W tym przypadku wąskim gardłem jest operacja nr 2, której czas wynosi 50 jednostek czasu, a tym samym wydajnoĞü całego gniazda produkcyjnego to 50.
W przypadku ciągłego przepływu osoby przechodząc na kolejne stanowiska po wykonaniu da-nej operacji mają wyrównane poziomy pracochłonnoĞci (kaĪda z nich wykonuje takie samo zadanie).
Wniosek jest taki, Īe w obu przypadkach osiągamy tą samą wydajnoĞü gniazda produkcyjnego, z tą róĪnicą, Īe tradycyjna produkcja zapewnia nam dany stopieĔ wydajnoĞci przy pracy 3 osób, a metoda ciągłego przepływu przy pracy 2 osób.
2. Modelowanie i symulacja komputerowa w funkcjonowaniu przedsibiorstwa
Współczesne przedsiĊbiorstwa w coraz wiĊkszym stopniu dąĪą do zwiĊkszenia jakoĞci projek-towanych procesów produkcyjnych, biznesowych, logistycznych czy magazynowych. Przyczyną tego jest koniecznoĞü coraz szybszego reagowania na zmiany zachodzące w ciągle zmieniającym siĊ otoczeniu organizacji, dostrzegając tym samym waĪnoĞü planowania działaĔ strategicznych i tworzenia modeli funkcjonowania przedsiĊbiorstwa [7].
W zarządzaniu przedsiĊbiorstwem przemysłowym kluczem do sukcesu jest sformułowanie wła-Ğciwego programu produkcji. Wyroby muszą spełniaü okreĞlone wymagania klienta, który musi wiedzieü, czy przedsiĊbiorstwo jest w stanie wyprodukowaü okreĞloną iloĞü produktów. To wszystko wymusza na przedsiĊbiorstwie stosowanie coraz bardziej rozbudowanych technik do rozwiązywania zaawansowanych problemów. Z pomocą przychodzi symulacja komputerowa, która uĪywana jest tam, gdzie rozwiązania metodami analitycznymi są zbyt skomplikowane lub niemoĪ-liwe, a bezpoĞrednie eksperymentowanie na fizycznym modelu jest zbyt kosztowne, pracochłonne
i czasochłonne [2]. Symulacja komputerowa umoĪliwia wprowadzenie parametrów modelowanego procesu/układu i stanu początkowego i otrzymanie na drodze obliczeniowej przebiegów czasowych zjawisk i charakterystyk modelowanego procesu. Celem takiej symulacji jest odtworzenie badanego przebiegu procesu na podstawie jego modelu symulacyjnego i zbadanie wpływu sygnałów wejĞcio-wych i parametrów procesu na charakterystykĊ obiektu [9].
3. FlexSim 3D Simulation Software z modułem Process Flow
FlexSim jest programem symulacyjnym, pozwalającym na intuicyjne odwzorowywanie real-nego procesu zachodzącego w przedsiĊbiorstwie (produkcyjreal-nego, logistyczreal-nego, magazynowego itp.), a takĪe analizĊ i optymalizacjĊ tego procesu. Modelowanie i symulacja w tym programie po-lega na stworzeniu wirtualnego modelu rzeczywistego systemu w trójwymiarze, na którym to modelu wykonuje siĊ szereg eksperymentów i analizĊ wyników w postaci wskaĨników, statystyk itp., dziĊki czemu moĪna okreĞliü poĪądane i najlepsze rozwiązanie danego problemu. PoniĪej za-prezentowano przykład modelu symulacyjnego utworzonego z elementów biblioteki obiektów programu FlexSim (rys. 1).
Rysunek 1. Model symulacyjny gniazda produkcyjnego w programie FlexSim ħródło: opracowanie własne.
Jednym z podstawowych narzĊdzi oprogramowania FlexSim jest moduł Process Flow, który umoĪliwia tworzenie niestandardowych obiektów, które mogą symulowaü podstawową logikĊ zło-Īonych procesów. Moduł Process Flow zawiera wiele narzĊdzi i funkcji, które moĪna łatwo skalowaü do wykorzystania w projektach o dowolnej wielkoĞci i złoĪonoĞci. Projekt symulacji obej-muje zazwyczaj duĪe, złoĪone problemy, które moĪna rozbiü na zestawy mniejszych problemów, natomiast Process Flow umoĪliwia rozbicie duĪych modeli na niewielkie, łatwe do opanowania i zrozumienia elementy.
Korzystając z tego modułu moĪna zbudowaü całą logikĊ systemu symulacji przy uĪyciu intui-cyjnego wizualnie interfejsu. W miejsce tworzenia skomplikowanego kodu programu, wybieramy
odpowiednio zaprogramowaną akcjĊ z biblioteki. Działania te moĪna łączyü na róĪne sposoby, tak aby symulowaü praktycznie dowolny system. KaĪda czynnoĞü moĪe wykonywaü proste lub złoĪone operacje logiczne, w tym niektóre nowe operacje, które wczeĞniej nie były dostĊpne w FlexSim [5]. Przykład utworzonego schematu Process Flow zaprezentowano na rysunku 2.
Rysunek 2. Przykład schematu utworzonego przy pomocy modułu Process Flow ħródło: opracowanie własne.
Na rysunku 2 zamieszczono poglądowy przykład narzĊdzia jakim jest Process Flow. Jak łatwo zauwaĪyü, moĪe on byü idealny do prezentowania modeli symulacji decydentom, których uwagĊ przyciąga przedstawienie głĊbszej logiki systemu za pomocą prostych w obsłudze i wizualnie poka-zanych sekwencji działaĔ. Ten moduł pozwala na przenoszenie i łączenie czynnoĞci, tak aby bĊdąc pogrupowane przestrzennie najlepiej komunikowały ich znaczenie.
Podstawowym elementem modelu Process Flow jest token, który odzwierciedla element prze-pływu z modelu 3D. Token przemieszcza siĊ pomiĊdzy kolejnymi blokami schematu Process Flow (rys. 3).
Rysunek 3. Uruchomiony model Process Flow z widocznymi przemieszczajcymi si tokenami ħródło: opracowanie własne.
Pierwszym z wykorzystywanych bloków jest blok typu „Event-Triggered Source” połączony z obiektem Queue1 z modelu 3D. Na bloku tym generowane są tokeny w momencie pojawienia siĊ elementów przepływu na kolejce Queue1. NastĊpnie na bloku typu „Assign Labels” przypisywane są etykiety do wygenerowanych wczeĞniej tokenów – kaĪdy token niesie ze sobą informacjĊ o kon-kretnym typie produktu. W dalszej kolejnoĞci nastĊpuje wezwanie operatorów maszyn. Operatorzy stanowią zasoby modelu i są przechowywani w bloku typu „Resource” – tworzone jest połączenie z odpowiednimi realizatorami zadaĔ z modelu 3D. KaĪdy blok typu „Resource” wymaga połączenia z blokami typu „Acquire Resource” oraz „Release Resource” – pierwszy z nich odzwierciedla mo-ment zajĊcia zasobu, natomiast drugi oznacza jego zwolnienie.
W dalszej czĊĞci schematu nastĊpuje przejĞcie do grupy bloków „Run Sub Flow”. Bloki tego typu oznaczają uruchomienie podprocesu w utworzonym schemacie Process Flow. KaĪdy blok typu „Run Sub Flow” wymaga połączenia z blokami typu „Start” oraz „Finish” – naleĪy okreĞliü ramy podprocesu.
W analizowanym przypadku po bloku typu „Start” nastĊpuje ponowne uĪycie bloków typu „As-sign Labels” – usuwany jest adres wczeĞniej wykorzystywanej maszyny i wpisywany adres nowej. Ponownie wykorzystywane są równieĪ bloki typu „Resource”, „Acquire Resource” oraz „Release Resource” – zasobem w tym wypadku jest grupa procesorów z modelu 3D. Aby moĪna było wyko-naü konkretne działanie konieczne jest po wczeĞniejszym zajĊciu operatora, zajĊcie równieĪ odpowiedniej maszyny. NastĊpnie operator podchodzi do okreĞlonego procesora (blok typu „Travel”), pobiera z niej element przepływu (blok typu „Load”), transportuje go na kolejną maszynĊ
(ponownie blok typu „Travel”), a nastĊpnie zostawia na niej transportowany element przepływu (blok typu „Unload”). Czas przetwarzania na maszynie odzwierciedla blok typu „Delay”, który po-biera dane z odpowiedniej tabeli globalnej. Operacje są powtarzane do momentu zakoĔczenia realizacji przewidzianego planu produkcyjnego.
4. Symulacja a przepływ jednej sztuki – zastosowanie FlexSim
Specyficznym sposobem organizacji produkcji jest przepływ jednej sztuki przez okrąĪanie. Główną barierą zastosowania tego rozwiązania jest zjawisko kolizji miĊdzy operatorami przecho-dzącymi miĊdzy stanowiskami i na tym problemie skupiono siĊ w dalszej czĊĞci artykułu. UĪywając tradycyjnych metod i wskaĨników trudno jest okreĞliü jak wyglądałaby praca danego gniazda/linii produkcyjnej rozłoĪona w czasie (np. praca w systemie trójzmianowym w ciągu tygodnia). Z po-mocą przychodzi nam symulacja, która realnie odwzorowuje proces i ukazuje nam moĪliwoĞü wprowadzenia przepływu jednej sztuki biorąc pod uwagĊ kolizje i wpływ danych czynnoĞci i jej czasów na proces. PoniĪej opisano zastosowanie programu FlexSim.
Rysunek 4. Wyniki wygenerowane na panelu programu FlexSim ħródło: opracowanie własne.
Rysunek 4 ukazuje przykładowe statystyki zebrane z symulacji pokazującej realny proces go-dziny pracy gniazda produkcyjnego, dziĊki wygenerowanym danym z symulacji ukazanym na panelu Dashboard programu FlexSim. Jak łatwo zauwaĪyü – bezczynnoĞü (idle) reprezentuje kolizjĊ miĊdzy operatorami, a „Output per Hour” produktywnoĞü (liczbĊ wyprodukowanych wyrobów w godzinĊ), wszystko przy zadanym czasie pracy operatorów (maszyn) i ich iloĞci. Analizując dane wartoĞci zauwaĪamy, Īe kolizje są duĪe, co jest spowodowane duĪą rozbieĪnoĞcią czasów pracy poszczególnych stanowisk. Z łatwoĞcią moĪemy to zmieniü w programie FlexSim i dokonywaü dal-szych eksperymentów, tak aby uzyskaü zadowalające nas rezultaty.
Rysunek 5. Wyniki wygenerowane na panelu programu FlexSim ħródło: opracowanie własne.
Rysunek 5 obrazuje proces, w którym czasy poszczególnych operacji są wyrównane, aczkol-wiek kolizje nadal są duĪe. MoĪe byü to spowodowane zbyt duĪą liczbą operatorów. Stosowanie modułu programu FlexSim – Process Flow umoĪliwia nam zmianĊ ich iloĞci nie wymagając po-ĞwiĊcenia duĪej iloĞci czasu.
5. Podsumowanie
DziałalnoĞü produkcyjna coraz szybciej rozwija siĊ i doskonali, z uwagi na rosnący popyt na pro-dukty wszelkiego rodzaju i postĊpujący wachlarz wyboru wyrobów. Sprawia to, Īe klienci stają siĊ coraz bardziej wybredni Īądając dobrych jakoĞciowo produktów uzyskanych w krótkim czasie. Z pomocą przychodzą organizacje linii/gniazda z ciągłym przepływem i nowoczesne narzĊdzia symu-lacyjne. DziĊki przepływie jednej sztuki podnosimy efektywnoĞü przedsiĊbiorstwa na wielu płaszczyznach w zmieniających siĊ warunkach rynkowych w zgodzie z metodami i filozofią szczupłej produkcji, a dziĊki symulacji moĪemy w szybki sposób zbieraü informacje o moĪliwoĞci i opłacalnoĞci wdroĪenia, tak aby podejmowaü lepsze decyzje w przyszłoĞci.
Bibliografia
[1] http://lean-management.pl/filozofia-lean-manufactruing/jak-zorganizowac-przeplyw-jednej-sztuki-w-gniezdzie/ [dostĊp: 29 lipca 2017 r.].
[2] RadosiĔski E., Zabawa J.: Symulacja jako metoda analizy zagadnienia programowania produkcji. Badania operacyjne i decyzyjne, Nr 3–4. 2005, s. 43–62.
[3] Czerska J.: Przepływ jednej sztuki. On-line: http://leanmanufacturing.pl/artykuly/lean-w-teorii/przeplyw-jednej-sztuki.html/ [dostĊp: 29 lipca 2017 r.].
[4] BerliĔski J., Mazur Z., Sas J.: Techniki Wytwarzania. Wydawnictwo AGH, Kraków 1992. [5] Beaverstock M., Greenwood A., Lavery E., Nordgen W.: Symulacja stosowana:
modelowanie i analiza przy wykorzystaniu FlexSim. przekład na j. polski: G. Wróbel, Cempel Consulting, Kraków – Rzeszów 2012.
[6] Czerska J.: Pozwól płyn swojemu produktowi. Tworzenie cigłego przepływu. Placet, Warszawa 2011.
[7] Patalas-Maliszewska J., Jakubowski J., Kłos S. [red.]: Inynieria Produkcji – Planowanie, modelowanie, symulacja. Instytut Informatyki i Zarządzania Produkcją, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra 2015.
[8] Liker J.K.: Droga Toyoty. Wydawnictwo MT Biznes, Warszawa 2004.
[9] Zdanowicz R.: Modelowanie i symulacja procesów wytwarzania. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki ĝląskiej, Gliwice 2002.
[10] Filipowicz B.: Modelowanie i optymalizacja systemów kolejkowych – cz. I Systemy markowskie, PrzedsiĊbiorstwo Poligraficzne Tadeusz Rudkowski, Kraków 1995.
MODELING THE PROCESS OF ONE PIECE FLOW IN WORK CENTRE USING PROCESS FLOW MODULE
Summary
The aim of the article was to demonstrate the usefulness of computer simulation in the cell/line restructuring process. FlexSim 3D Simulation Software with built-in Process Flow Module was used in the study. Article contains description and expla-nation, why FlexSim as simulation program is useful to use in restructuring manufacturing cell/line from traditional merge production to one piece flow and what are the advantages of it. In this article the example of scheduling work of operators in a work centre by a lap has been used.
Keywords: one piece flow, FlexSim, simulation, scheduling
Eryk Weberbauer Wydział Zarządzania
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Ul. Gramatyka 10, 30-067 Kraków
