Postęp we współczesnym przemyśle, dotyczący dynamicznego rozwoju produktów, sprostania coraz to wyższym wymaganiom jakościowym oraz minimalizacji kosztów wytwarzania, jest możliwy m.in. dzięki kompleksowej automatyzacji wszystkich obszarów związanych z wytwarzaniem – od zarządzania przedsiębiorstwem, poprzez projektowanie i zarządzanie produkcją, aż do automatyzacji procesów produkcyjnych. Automatyzacja procesów produkcyjnych stanowi bowiem podstawę nowoczesnych systemów wytwarzania. Głównie dzięki niej uzyskuje się wysoką jakość produkowanych wyrobów oraz minimalizację kosztów produkcji
RYS. 1 Podział stanowisk w linii produkcyjnej w procesie małoseryjnym [1]
Procesy produkcyjne, dominujące we współczesnych systemach wytwarzania, można najogólniej podzielić na ciągłe i dyskretne. O takim podziale decyduje charakter sygnałów występujących w procesie. Jeśli wszystkie sygnały występujące w procesie są funkcjami ciągłymi czasu, to taki proces nazywamy ciągłym. Gdy sygnały występujące w procesie przyjmują tylko określone wartości (najczęściej dwustanowe), to taki proces określamy jako dyskretny. Przedstawiony ogólny podział procesów produkcyjnych obowiązuje również w przypadku procesów technologicznych, w szczególności mechanicznych, występujących w takich technikach wytwarzania, jak: obróbka wiórowa, kształtowanie plastyczne, odlewnictwo, spawalnictwo, montaż.
Automatyzacja procesów wytwórczych spowodowała gwałtowny wzrost prędkości wytwarzania towarów. Dotyczy to wszystkich gałęzi przemysłu. Każdy wytwarzany produkt musi przejść przez określone stanowiska w procesie produkcyjnym, z określonym czasem na wykonanie czynności, które zostały przypisane do stanowiska. Ilość stanowisk w linii produkcyjnej jest uzależniona od potrzeb oraz charakterystyki wytwarzanego detalu lub zespołu. Od chwili ich wynalezienia i pierwszego uruchomienia linie te znalazły zastosowanie we wszystkich dużych firmach produkcyjnych, produkujących serie detali lub zespołów.
RYS. 2 Podział stanowisk w linii produkcyjnej w procesie masowym [1]
Budowa linii produkcyjnej jest uzależniona od ilości produkowanych detali. Analizując procesy produkcyjne, można wyróżnić kilka podstawowych typów działań wytwórczych, z których każdy ma inną charakterystykę kosztów, czasu wprowadzania zmian itp. Poniżej wymieniono podstawowe typy produkcji:
-
produkcja jednostkowa – pojedynczy produkt (np. budowa domu),
-
produkcja małoseryjna – praca rzemieślnicza polegająca na wytwarzaniu kilku podobnych produktów,
-
produkcja seryjna – pozwalająca na wytwarzanie dużych serii powtarzalnych produktów,
-
produkcja masowa – oznacza wytwarzanie dużej liczby identycznych produktów,
-
produkcja ciągła – to np. rafinacja ropy naftowej czy produkcja papieru.
Produkcja małoseryjna realizowana jest głównie w niewielkich uniwersalnych warsztatach rzemieślniczych, w których pojawiają się różne zamówienia na niewielkie partie produktów. Zazwyczaj maszyny i urządzenia mają stałe rozmieszczenie, natomiast produkty są przemieszczane w zależności od charakterystyki wyrobu. Produkcja masowa wyraża się wykorzystaniem w wytwarzaniu dużej liczby powtarzalnych produktów oraz charakteryzuje się wysoką wydajnością i małą elastycznością. Zmiana produktu najczęściej wymaga zmiany ustawienia maszyn.
RYS. 3 W ramach rozmieszczenia technologicznego produkty przemierzają różne drogi [1]
Ustawienie maszyn w procesie produkcyjnym jest zależne od typu produkcji oraz możliwości zakładu. Na rysunkach 1 i 2 przedstawione są dwa przykłady ustawienia maszyn dla produkcji małoseryjnej i masowej. Firmy, w których są rozwijane nowoczesne systemy produkcyjne, nie są w stanie obyć się bez ESP, czyli Elastycznych Systemów Produkcyjnych (ang. FMS Flexible Manufacturing System). Innymi słowy jest to:
-
zintegrowany, sterowany komputerowo kompleks maszyn i urządzeń technologicznych, sterowanych numerycznie (CNC); urządzeń przemieszczania materiałów i pomocy warsztatowych oraz automatycznych urządzeń pomiarowych i diagnostycznych, z minimalną obsługą ręczną i krótkimi czasami przezbrojeń;
-
kompleks maszyn i urządzeń technologicznych mogący produkować dowolny wyrób należący do określonej klasy przedmiotów o wspólnych cechach technologicznych i zróżnicowanych cechach konstrukcyjnych w ramach swych określonych możliwości, zgodnie z wymaganą kolejnością [1].
Do ESP zalicza się automatyzację, integrację i elastyczność [3], gdzie:
-
Integracja – to zespolenie, złączenie elementów w pewną całość, rozpatrywane jako techniczne i funkcjonalne.
-
Elastyczna automatyzacja systemu produkcyjnego – oznacza zdolność do bezobsługowej realizacji zadań produkcyjnych w określonym czasie.
-
Integracja techniczna ESP – oznacza redukcję liczby elementów systemu lub czynności realizowanych przez system bez zmniejszenia jego możliwości funkcjonalnych.
-
Integracja funkcjonalna ESP – polega na zwiększeniu autonomii przez zwiększenie zakresu funkcji i procesów realizowanych w systemie, w wyniku włączenia do niego niezbędnych procesów, takich jak: proces produkcji, planowanie, sterowanie, przepływanie narzędzi i materiałów, procesów KJ i projektowania.
-
Elastyczność ESP – jest to właściwość wyrażająca zdolność systemu do przystosowania się do zmiennych warunków produkcyjnych i zastępowania funkcji elementów uszkodzonych przez jego pozostałe elementy.
Sterowanie obrabiarkami w liniach produkcyjnych
Linie produkcyjne zostały stworzone z myślą o zwiększeniu wydajności zakładów produkcyjnych. Głównym zadaniem linii produkcyjnych jest zminimalizowanie czasów pośrednich związanych z transportem detali między stanowiskami itp. Zasadne jest również stwierdzenie, że w tym celu zostały opracowane całe centra obróbcze, które mają znacznie większe możliwości niż maszyny konwencjonalne.
RYS. 4 Rozmieszczenie przedmiotowe na kształt linii montażowych [1]
Podobnie jak typ produkcji, również typ wykorzystywanej automatyzacji zależy od wielkości produkcji [3]:
-
Sztywna automatyzacja – jest odpowiednia do masowej, rzadko zmienianej produkcji.
-
Elastyczna automatyzacja – jest odpowiednia do dużych partii produkcyjnych, często ulegających zmianie.
W ramach elastycznej automatyzacji wyróżniamy:
– obrabiarki sterowane numerycznie,
– systemy produkcyjne wspomagane komputerowo,
– komputerowo zintegrowane wytwarzanie.
Obecnie w większości zakładów, gdzie linie produkcyjne znalazły zastosowanie, obrabiarki wchodzące w skład linii to obrabiarki CNC. Systemy wykorzystujące zaawansowane techniki przesyłu danych w coraz większym stopniu wypierają konwencjonalne metody.
Do automatyzacji linii produkcyjnych stosuje się dyskretyzację procesów produkcyjnych, dlatego obecnie powszechnie stosowane są programowalne sterowniki logiczne (PLC). Modelowanie procesów dyskretnych i programowanie sterowników PLC obejmuje cztery etapy. Przyjrzyjmy się kolejno każdemu z nich…
RYS. 5 Zrównoważona i niezrównoważona linia produkcyjna: a) linia produkująca jeden produkt co trzy minuty, b) linia produkująca jeden produkt co minutę [1]
ETAP I
…to opracowanie schematu funkcjonalnego procesu, podział procesu na etapy elementarne oraz sformułowanie opisu słownego przebiegu jego realizacji (algorytmu procesu).
Schemat funkcjonalny powinien przedstawiać proces w stanie początkowym (wyjściowym). Musi on zawierać wszystkie elementy lub zespoły wykonawcze poszczególnych etapów elementarnych oraz elementy sygnalizujące zakończenie ich wykonywania. W opisie słownym algorytmu procesu należy przedstawić założoną kolejność realizacji poszczególnych etapów elementarnych, z użyciem standardowego opisu słownego etapu elementarnego. Opis ten powinien zawierać: nazwę etapu, objaśnienia elementu lub zespołu wykonawczego oraz warunek logiczny określający zakończenie wykonania etapu.
Algorytmy dyskretnych procesów produkcyjnych mogą zawierać następujące typy procedur:
-
sekwencyjne – w których realizacja poszczególnych etapów elementarnych wymaga zachowania ściśle określonej kolejności,
-
czasowe – w których wykonanie poszczególnych etapów elementarnych określa upływ zadanego czasu ich realizacji,
-
współbieżne (równoległe) – w których są jednocześnie realizowane procedury sekwencyjne, czasowe lub sekwencyjno- -czasowe,
-
mieszane – zawierające procedury sekwencyjne, współbieżne, czasowe i sekwencyjno-czasowe.
ETAP II
Polega na budowie graficzno-analitycznego modelu matematycznego algorytmu procesu. Do reprezentacji modeli matematycznych algorytmów dyskretnych procesów produkcyjnych stosuje się głównie modele sieciowe, takie jak np. sieci: operacyjna, Grafpol, Grafcet, SFC. Graficzno-analityczny model matematyczny algorytmu dyskretnego procesu produkcyjnego przedstawia założoną kolejność wykonywania jego etapów elementarnych oraz warunki ich realizacji. Algorytm procesu stanowi podstawę do syntezy algorytmu sterowania.
RYS. 6 Produkcja w układzie hybrydowym [1]
Algorytm sterowania otrzymuje się w wyniku transformacji algorytmu procesu. Polega ona na odwzorowaniu zbioru etapów elementarnych procesu zbiorem sygnałów wyjściowych sterownika PLC, które sterują realizacją poszczególnych etapów elementarnych.
ETAP III
Algorytm sterowania stanowi podstawę do wyznaczenia WIP (wykazu instrukcji programu) lub syntezy równania schematowego. W WIP lub równaniu schematowym musi być uwzględniona pamięć, Operacja 7 Operacja 7 Operacja 7 Operacja 7 Operacja 7 którą można utworzyć, stosując m.in.: pętle logicznych sprzężeń zwrotnych (sum logicznych), zapisywane wyjścia przekaźnikowe, elementarne komórki pamięci (przerzutniki), bloki funkcjonalne (np. liczniki), programy (zestawy instrukcji).
ETAP IV
Zapisanie programu użytkowego sterownika PLC. Podstawę do zapisu programu użytkowego sterownika PLC stanowi algorytm sterowania w postaci równania schematowego lub wykazu instrukcji programu (WIP). Program użytkowy PLC można zapisać, stosując jeden (np. LD lub ST) albo więcej (np. LD i SFC) języków programowania przyjętych w normie IEC 1131-3. We wspomnianej normie za standard przyjęto następujące języki programowania:
– LD (ang. Ladder Diagram),
– FBD (ang. Function Błock Diagram),
– IL (ang. Instruction List),
– ST (ang. Structured Text) oraz
– SFC (ang. Seąuential Function Chart).
Należy w tym miejscu wyraźnie podkreślić, że przez:
– metodę modelowania i programowania procesów dyskretnych rozumie się metodę syntezy algorytmów procesu i sterowania;
– język programowania sterownika PLC rozumie się język zapisu algorytmu sterowania (programu użytkownika).
Rozmieszczenie maszyn w procesie produkcyjnym
W rozmieszczeniu technologicznym wszystkie podobne elementy wyposażenia są umieszczone we wspólnych lokalizacjach, np. wiertarki zajmują jedno pomieszczenie, tokarki inne itd. (podobnie w szpitalu oddział chirurgiczny gromadzi jeden typ wyposażenia, oddział urologiczny inny).
RYS. 7 Przykład rozmieszczenia specjalistycznego w magazynie [1]
W ramach rozmieszczenia przedmiotowego całe wyposażenie służące do wytworzenia produktu, bez względu na pełnione funkcje, jest gromadzone na jednej powierzchni. Przykładem rozmieszczenia przedmiotowego jest linia produkcyjna przedstawiona na rysunku 4.
Równoważenie linii produkcyjnej wyznacza działania na każdym stanowisku pracy powodujące równomierne wykorzystanie linii, prowadzące do płynnego przepływu produktów i wysokiego wykorzystania oprzyrządowania. Innymi słowy, równoważenie linii produkcyjnej to usuwanie „wąskich gardeł” systemu wytwarzania.
Rozmieszczenie służące wytwarzaniu produktów składających się z elementów wytwarzanych w ramach prac rzemieślniczych i składanych w ramach linii produkcyjnej nazywamy hybrydowym – mieszanym. Komórka wytwórcza (gniazdo obróbcze) jest rozmieszczeniem, w którym dominuje układ technologiczny, ale niektóre operacje zostały określone przedmiotowo.
W rozmieszczeniu stałym produkt nie jest przemieszczany, np. w przypadku okrętu wszystkie elementy i narzędzia są dostarczane w pobliże produktu.
Z kolei przykładem rozmieszczenia specjalistycznego może być sklep, hurtownia, biuro (rys. 7). W tych przypadkach wykorzystuje się podobne narzędzia projektowania rozmieszczenia, uwzględniając specyficzne potrzeby.
Praktyczne zastosowanie linii produkcyjnej
W rozdziale tym przedstawimy praktyczny model linii produkcyjnej jednej z firm polskich produkującej… drzwi. Omawiana linia produkcyjna, zgodnie z rys. 1, przedstawia produkcję małoseryjną. Linia produkcyjna, przedstawiona na rys. 8, jest linią, która nie jest wyposażona w zautomatyzowane podajniki, a jedynie w konwencjonalne obrabiarki. Jest to przykład typowej linii produkcyjnej, w której kluczową rolę odgrywają pracownicy. Profil produkcji różni się typami wykonań poszczególnych wyrobów. Linia produkcyjna wyposażona jest w konwencjonalne obrabiarki do kształtowania blachy oraz jedną obrabiarkę CNC przeznaczoną do wykonywania otworów.
RYS. 8 Linia produkcyjna, małoseryjna
Produkcja rozpoczyna się dwuetapowo z jednego magazynu materiałowego. Na dwóch stanowiskach blacha jest formatowana na poszczególne elementy wchodzące w skład gotowego wyrobu, a następnie składowana w podręcznych magazynach, zapewniających ciągłość produkcji. Kolejnym etapem jest formowanie blachy – na obrabiarce CNC oraz konwencjonalnej giętarce krawędziowej. Kolejnym etapem linii produkcyjnej jest składowanie półwyrobów. Równolegle na stanowiskach obok realizowany jest proces wytwórczy dodatkowych elementów, wchodzących w skład drzwi, takich jak: wsporniki, usztywnienia etc. Po wykonaniu ościeżnic oraz skrzydeł wykonywany jest montaż tych półwyrobów, które w dalszej kolejności są składowane w magazynie. Ostatnim procesem w przedstawionej linii produkcyjnej jest kompletny montaż. Należy również zwrócić uwagę, że w skład gotowego wyrobu wchodzą elementy importowane (z zewnątrz zakładu). Gotowe wyroby transportowane są do magazynu, z opisanymi numerami zleceń od poszczególnych zamówień.
Innym typem linii produkcyjnej jest całkowicie zautomatyzowana linia, wyposażona: w systemy podajników, manipulatorów oraz obrabiarek CNC, systemy magazynowania oraz całkowicie komputerowy system zarządzania procesem produkcyjnym.
Tego typu linie produkcyjne z pełnym powodzeniem funkcjonują w produkcji masowej, w której jakiekolwiek zmiany procesu technologicznego pociągają za sobą bardzo wysokie koszty. Produkcja opierająca się na całkowicie zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, jest w stanie zabezpieczyć potrzeby rynku nawet w milionach sztuk wyrobu. Automatyczne linie produkcyjne są stosowane obecnie w wielu branżach, tj.: budownictwo, przemysł spożywczy, szerokopojęta mechanika, przemysł samochodowy oraz wiele innych.
RYS. 9 Linia produkcyjna, małoseryjna
Na rysunku 9 został przestawiony przykład automatycznej linii produkcyjnej, wyposażonej w podajniki oraz obrabiarki CNC.
Porównując dwie linie produkcyjne o tym samym profilu produkcyjnym, można zauważyć pewne zależności oraz podobieństwa. W jednym i drugim przypadku stanowiska realizują podobne funkcje w procesie.
Wyrób finalny jest taki sam. Z doświadczeń wiemy, że obrabiarki sterowane numerycznie są dokładniejsze i szybsze od obrabiarek konwencjonalnych. Jeżeli jednak weźmiemy pod uwagę czas realizacji procesu w linii zautomatyzowanej oraz wydajność, wówczas dojdziemy do wniosku, że inwestycje w obrabiarki, manipulatory oraz podajniki są warte realizacji. Wybór oraz sposób realizacji ciągów technologicznych jest w dużym stopniu zależny od wydajności fabryki, a co za tym idzie – od wyników finansowych. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że przy produkcji małoseryjnej zatrudnienie jest dużo większe, niż przy produkcji masowej – z uwagi na obsługę maszyn. W produkcji masowej większość operacji jest realizowana przez zautomatyzowane podajniki, manipulatory czy roboty.
Wszystkie wspomniane zależności należy uwzględnić przed przystąpieniem do projektowania… linii produkcyjnej.
e-mail: plonkwic@gmail.com
Literatura
1. Mikulczyński T., Automatyzacja procesów produkcyjnych. WNT, Warszawa 2006
2. Świć A., Elastyczne Systemy Produkcyjne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1998
3. http://aneksy.pwn.pl/zarzadzanie
Autor: TEKST I RYSUNKI: PAWEŁ LONKWIC
