Digitální továrna jako strategický nástroj pro plánování výroby

Rychlý rozvoj automatizace, výpočetní, informační a komunikační techniky spolu se zvýšenou otevřeností světových trhů a globalizací posouvá nezbytnost inovací a technického pokroku do stále dalších výrobních oblastí. Digitalizace umožňuje zkvalitnit a zároveň zrychlit veškeré práce spojené s přípravou a realizací výroby i následných služeb přes celý životní cyklus výrobku. Nástup digitalizace začal nenápadně před 50 lety a dnes představuje základní prostředek vazby mezi nejrůznějšími obory a profesemi. Stojí u zrodu nového výrobku, ovládá odběratelsko-dodavatelské vztahy, technickou přípravu výroby i výrobu a montáž, je nezbytná ve všech oblastech řízení i ve finanční sféře.Po systémech konstrukčně-technologických (CAD/CAM) a následné informační integraci v oblasti podnikových plánovacích a řídicích systémů (PPS, MRP, ERP) probíhá nyní digitalizace v oblasti projektování výrobní základny, která je ve své podstatě mostem mezi již digitalizovanými oblastmi přípravy výroby a informačními systémy podniku.

Hovoříme o digitální fabrice, digitální továrně (Digital Factory, Digitalefabrik, e-Plant, e-Factory apod.). Snahou je datově digitálně propojit všechny tři oblasti pomocí PDM (Production Data Management), a to pro celý životní cyklus výrobku PLM (Produkt Lifecycle Management). Cílem digitální továrny je komplexní a systémové plánování, projektování, ověřování a průběžné zlepšování všech důležitých struktur, procesů a zdrojů reálné továrny v souvislosti s jejími výrobky.Digitální továrna přestala být vizionářským pojmem. V automobilovém a leteckém průmyslu se už dlouho neřeší otázka, zda zavádět, nebo ne, neboť digitální továrna se zde stala realitou a je jen otázkou času, kdy i subdodavatelé budou muset následovat. Vlivem digitalizace se výrobní proces stává mnohem provázanější. Základním spojujícím prvkem byl do 80. let minulého století člověk, zatímco dnes to jsou především hardwarové, softwarové, informační, řídicí a komunikační systémy. Provazujícím článkem se tak skutečně stala digitalizace, a to již ve všech úrovních výrobního procesu.Dnešní podniky musejí neustále zlepšovat svoji produktivitu, aby byly schopny obstát v konkurenčním boji. To obnáší nejenom snižování dodacích časů a redukování výrobních nákladů, ale i optimální využití kapacit a rychlé přizpůsobení materiálových a informačních toků. Dříve bývala konečným cílem úplná automatizace provozu. Ta je v dnešní době nahrazována hybridní, pouze částečně automatizovanou a proto více flexibilní výrobou. Větší důraz je kladen na lidské zdroje - nejcennější kapitál společnosti. Ve velké většině případů i dnes vedou nákladové tlaky a přetížené technologické úseky k ergonomicky špatně navrženým pracovištím. Z toho pak vyplývají špatné pracovní výkony a nízká spokojenost z práce. Průmyslové podniky více než kdy dříve potřebují plánovací nástroje, které mohou být použity k návrhu manuálních nebo částečně automatizovaných pracovišť rychle, ergonomicky správně a s přijatelnými náklady.

Digitální továrna představuje s ohledem na svou rozsáhlost a provázanost po programové stránce velmi složitou problematiku. Proto ve světě existují pouze dvě společnosti, které jsou schopné dodat komplexnější softwarové produkty. Jednou z firem je původem americká firma UGS, která využívá pro oblast digitální továrny původně německé produkty izraelské firmy Tecnomatic. V letošním roce přešla firma UGS do koncernu Siemens, kde se dobře doplňuje s problematikou řízení výroby pomocí produktů Simatronic. Druhou mezinárodní firmou, která v oblasti digitální továrny nabízí svoje výrobky, je firma Dassault Systémes, která v návaznosti na rozsáhlý a uznávaný CAD/CAM produkt s názvem CATIA dodává rozsáhlý soubor programů pro řešení výrobní problematiky pod názvem DELMIA.Na Západočeské univerzitě v Plzni, Fakultě strojní, katedře průmyslového inženýrství a managementu bylo v posledním roce založeno pracoviště zabývající se touto oblastí. Pro digitální plánování výroby se zde pracuje s balíkem produktů DELMIA od společnosti Dassault Systémes. Jedná se o produkty DELMIA Process Engineer (DPE), DELMIA V5 a simulační modul Quest. Tyto produkty poskytují přes metodicky strukturované plánování včasné rozpoznání procesních rizik reálné výroby.

Modul Process Engineer lze využívat od stadií konceptuálního návrhu výrobku přes přípravu a detailní zpracování plánu výroby až po řízení výrobního procesu. Dovoluje komplexní chápání relací mezi produkty, procesy a výrobními zdroji včetně výrobního layoutu, napomáhá předcházení chyb a poskytuje detailní pohled v počátečních stadiích plánovacího procesu, týkající se požadavků na investiční náklady, výrobní plochy a pracovní sílu. Přínosy při používání Process Engineer se vyskytují obzvlášť v oblastech optimalizace materiálových toků, redukce průběžných časů, návrhu výroby, rychlého návrhu produktu, efektivní logistiky, vysoké pružnosti výroby, vzrůstu kvality, souběžného inženýrství atd. Páteří sytému je PPR (product-process-resource) jádro. Toto jádro mapuje celkový plánovací obsah DPE a všechny logické vztahy a vazby mezi produkty, procesy a zdroji. Vrcholnou fází v plánování výroby pomocí modulu Process Engineer je vytvoření 3D layoutu pracovišť jednotlivce s mnoha možnými ergonomickými analýzami až po layout celého výrobního systému, který obsahuje veškeré náležitosti běžné výroby. Hlavními výhodami 3D layoutu je větší přesnost než klasické 2D zobrazení, a především lepší pochopitelnost a viditelnost veškerých nedostatků. Tento layout s veškerými informacemi následně slouží jako výchozí podklad pro simulaci výroby prováděný v simulačním modulu Quest.

Dalším z modulů softwarové řady DELMIA je Robotics. Tento modul poskytuje všechny potřebné nástroje pro komplexní návrh robotizovaných pracovišť. V5 Robotics nabízí možnost opětovného využití stávajících procesů a bezkolizního programování robotů v rámci jednotného stejného uživatelského prostředí, což samozřejmě usnadňuje nejen budoucí provoz robotizovaného pracoviště, ale výrazně snižuje bezpečnostní a materiálová rizika spojená se zaváděním robotů do průmyslové výroby. Účelem V5 Robotics je především poskytnout uživateli komplexní nástroj pro navržení kinematiky, zpracování studií robotizovaných pracovišť, naprogramování jednoho nebo skupiny robotů a případně přenesení vytvořených programů na výrobní linku, tzn. do výrobního systému vytvořeného v DPE a následně simulovaného v Questu.

Závěrem je tedy možné konstatovat, že komplexní digitalizace dokáže pozitivně ovlivnit celou oblast technické přípravy výrobku a výroby. Dokáže přípravné procesy nejenom urychlit, ale i zdokonalit tak, že se zvyšuje kvalita vlastního výrobku i připravenosti výrobní základny. Navýšení nákladů ve fázi přípravy se bohatě následně vrátí v rychlejším vstupu výrobku na trh a jeho bezproblémovější a tedy mnohem rychlejší růstové fázi, neboť chyby, ke kterým v této fázi mnohdy dochází, byly eliminovány v pečlivé přípravě výroby s řadou zkoušek a simulací a nakonec většinou vychytány v postupech virtuální reality.V literatuře jsou publikovány řady údajů o účincích digitální továrny v oblasti automobilového a leteckého průmyslu. Automobilový průmysl dnes považuje metody digitální továrny za naprostou realitu, která v mnoha nejvýznamnějších automobilkách napomáhá odolávat tlakům konkurence. Ze zkušenosti je jasné, že ostatní oblasti nebudou moci zůstat v úsilí při využití těchto metod stranou.

Prof. Ing. Edvard Leeder CSc.

Ing. Zbyněk Černý

Ing. Jan Roubal

Ing. Marek Bureš

ZČU v Plzni, Fakulta strojní, katedra průmyslového inženýrství a managementu

ZČU v Plzni

www.zcu.cz

leeder@kpv.zcu.cz

cernyzbynek@seznam.cz

janroubal@seznam.cz

buresmarek@seznam.cz