Исследование современных подходов к автоматизации производства в машиностроение

Введение

В данные работе проанализированы существующие подходы к оптимизации производств, технологии и методы оптимизации, в том числе методы бережливого производства (бережливое производство изначально использовалось в автомобилестроении, в японской компании Тойота, например, для повышения конкурентоспособности, повышения эффективности функционирования фирмы, для минимизации издержек труда [Гусев, 2019]). В данной работе также обоснован выбор способа оптимизации производства.
На сегодняшний день, важно максимально сжать сроки изготовления продукции, повысить качество продукции и минимизировать стоимость продукции. Этого можно достичь с помощью оптимизации и автоматизации производства.
Оптимизация основных финансовых факторов – компонент в структуре экономической устойчивости машиностроительного предприятия. Способность реагировать на изменение спроса на продукцию за счёт быстрой переналадки оборудования и выбора технологии – также компонент в структуре экономической устойчивости машиностроительного предприятия. [Иванов, 2010] Поэтому в данной работе рассмотрены вопросы технологий и SMED.
В 2003-2009 гг., после анализа деятельности некоторых российских предприятий, было выявлено наличие в ежедневной работе неэффективных действий, из-за которых фирма несла значительные, в большинстве случаев скрытые, издержки. Эффективность предприятия складывается из эффективности отдельных процессов и задач, решаемых в повседневной жизни. Машиностроительному предприятию необходимо построить эффективную систему работы с проблемами в практике менеджмента и с проблемами в практике маркетинга. Чтобы это сделать, нужны идеологическое понимание сущности машиностроительного предприятия, машиностроительного рынка, а также нужно учитывать особенности функционирования эффективной структуры. [Утенин, 2012] Данная работа, как надеется её автор, благодаря рассмотрению вопросов оптимизации производства, немного поможет в решении проблемы неэффективности действий.


1 Подходы оптимизации производства
Оптимизация производства - это подходы, методы, направленные на сокращение всех возможных издержек и повышение производительности. Эти инструменты ориентированы, как правило, на производственную часть фирмы.
Если писать в общем, то существуют два подхода к оптимизации - технологический и управленческий. [Пиголкин, 2012]
1.1 Управленческий
С точки зрения управленческого подхода, оптимизация производства – это управление затратами и, при необходимости, модернизация производства (модернизация только при необходимости в виду того, что обновление основных фондов и технологии недёшево и требует детальной проработки, точного понимания какой эффект окажет и зачем он реализуется). [Пиголкин, 2012]
1.2 Технологический (на примере производства зубчатых колёс)
Технологический подход к оптимизации применяется только после осуществления всех возможных действий в рамках управленческого подхода. [Ниссан, lib.kgeu.ru]
Сокращение затрат на производство зубчатых передач возможно в виду развития высокопроизводительных технологических процессов прямого формообразования. Теоретической основой производства является оптимизация форм и последующая параметризация зубчатых колёс. Экономический эффект обусловлен высокопроизводительным и централизованным изготовлением ограниченного числа размерно-подобных изделий. Построение параметрического ряда на оптимальных конструктивно-технологических соотношениях дополняет эффект снижения номенклатуры улучшением потребительских свойств.
Технологический подход связан с параметризацией инструмента, технологического оснащения и главных параметров передач на базе рядов предпочтительных чисел. Целью технологического подхода к оптимизации производства является минимизация производственных затрат.
[Петровский, 2000]

2 Анализ технологий и методов оптимизации производства
2.1 Бережливое производство
Система бережливого производства – методы или принципы, позволяющие повысить качество работы производства. Бережливое производство – система организации, а также управления, разработкой продукции, система организации и управления операциями, а также взаимоотношениями с клиентами и поставщиками, причём продукция изготавливается в точном соответствии с запросами потребителей, с меньшим числом дефектов, в отличие от продукции, сделанной по технологии массового производства.[Гусев, 2019]
Бережливое производство - методология оптимизации производства.
Внедрение системы бережливого производства - это переход предприятия на новый (более качественный) уровень, что предполагает вовлечение в процесс всех сотрудников компании, активное участие которых обеспечивается нематериальными и материальными стимулами.
Основными терминами философии бережливого производства являются:
а) поток создания ценности для потребителя и
б) муда (muda) - потери в производстве.
Основная идея бережливого производства заключается в том, что каждую операцию над материалом или деталью необходимо рассматривать с двух сторон:
аа) какую ценность создаёт операция для конечного потребителя и
бб) как минимизировать потери, которые не создают ценности.
Таким образом, оценивая, какие качества продукции важны для клиента, фирма стремится избавиться от потерь – всего того, что не создаёт конечной ценности.
Для производства выделяют несколько видов потерь (муда):
ааа) потери времени из-за ожидания,
ббб) потери при ненужной транспортировке,
ввв) потери из-за:
- перепроизводства,
- лишних этапов обработки,
- лишних запасов,
- ненужных перемещений,
- выпуска дефектной (бракованной) продукции.
[Пиголкин, 2012]
Бережливое производство – это концепция управления предприятием, которая основана на постоянном снижении всех видов потерь.[Гусев, 2019]
В одной из фирм была разработана концепция "защита от дурака", в соответствии с которой процесс выстраивается таким образом, что работник, совершая какую-либо операцию, не может выполнить её неправильно.
В той же фирме ведётся контроль за тем, чтобы бракованная продукция не перешла на следующий этап производства. Устранение брака производится в месте его обнаружения собственными силами и с помощью спецгрупп реагирования (то есть внедрено всестороннее управление качеством, концепция TQM (total quality management)). Ответственность за качество возлагается на сотрудников всех уровней - сверху донизу. [Пиголкин, 2012]

2.1.1 Kaizen (кайдзен)
Бережливое производство содержит немало разнообразных инструментов и методов, например, принцип кайдзен (японское слово, означающее проведение постоянных улучшений). Основной постулат: никто не знает процесс лучше, чем человек, непосредственно в нём участвующий. Причём наилучший результат дают, как правило, небольшие и частые улучшения в процессе. [Пиголкин, 2012]
2.1.2 Bottleneck analysis (анализ узких мест – инструмент бережливого производства)
Бутылочное горлышко или узкое место – место, из-за которого невозможно создать большое количество продукции за наименьшее время. Узкие места подразделяются на кратковременные и долговременные.
Способы выявления узких мест:
1_2.1.2. Пробки и очереди (например, на заводе по производству двигателей, этап сборки отдельных заготовок в один двигатель является узким местом, так как видно, где скапливаются все детали двигателя, а это скопление вызывает затор).
2_2.1.2. Пропускная способность – характеристика, позволяющая найти наиболее важные узкие места (здесь проверяется каждое техническое средств, проводится анализ для выявления сбоев).
3_2.1.2. Полная мощность (если одна машина работает в полную мощность, она тем самым сдерживает часть мощности другой машины – а это и есть узкое место).
4_2.1.2. Ожидание (здесь необходимо обнаружить оборудование с наибольшим временем ожидания).
[Гусев, 2019]

2.2 Программы тотальной оптимизации производства (ТОП)
Тотальная оптимизация производства - проект, направленный на повышение эффективности производства "снизу-вверх". Возможные направления программы: утилизация отходов, повышение надёжности поставок, сокращение затрат, повышение качества (уменьшение брака и времени простоев), устранение, так называемых, узких мест в производстве.
Реализацию программы тотальной оптимизации производства можно разбить на 2 этапа:
аааа) когда в фирме создаются необходимые управленческие механизмы, в результате начальных мозговых штурмов находятся существенные резервы сокращения затрат и внедряются соответствующие улучшения;
бббб) когда программа начинает работать на постоянной основе.
Для успешной реализации проекта тотальной оптимизации производства необходимо придерживаться следующих принципов:
ааааа) Никто лучше работников фирмы не разбирается в собственном производстве, а значит, не может определить направления увеличения его эффективности. При обсуждении проектов на рабочих группах следует рассматривать любые идеи.
ббббб) За принятые и реализованные рациональные предложения работники вознаграждаются материально (для целей мотивации персонала, участвующего в проекте).
ввввв) Программа по оптимизации должна поддерживаться высшим руководством фирмы и находиться под его постоянным контролем.

На рисунке 1 приведена схема по оптимизации производственной линии.

Рисунок 1 - Схема оптимизации производственной линии.

Комментарии (пояснения) к рисунку 1:
аааааа) Текущая ситуация (Определение времени такта производственной линии).
Время такта - это интервал времени или периодичность, с которой потребитель запрашивает готовую продукцию

. После определения времени такта выявляют "узкие места" (то, что ограничивает пропускную способность всей сети).
В определённый промежуток времени в процессе существует только одно узкое место, однако устраняя его, появляется возможность увидеть другое ограничение в процессе. Выявление и устранение "узких мест" - процесс непрерывный, постоянный (это процесс непрерывного совершенствования).
бббббб) Проведение балансировки линии.
Балансировка линии - это встраивание принципа времени цикла в стандартные операции производственной линии в целях достижения максимальной эффективности. Выравнивание времени всех операций в пределах одной линии или процесса.
вввввв) Оптимизация линии (Непосредственная оптимизация линии).
Для этого производится перераспределение операций на линии. В результате чего один и тот же производственный план можно выполнить за счёт меньшего количества производственных ресурсов. [Пиголкин, 2012]

2.3 Methods-time measurement (MTM, методы измерения времени)
Одним из важных инструментов для оптимизации производства и бережливого производства в целом являются методы измерения времени.
С помощью методов измерения времени трудовые процессы расчленяются на основные движения необходимые для их выполнения. Каждому основному движению приписаны нормативные значения времени (временные модули) в зависимости от влияющих факторов. Из этих временных модулей аналитически или статистически можно составить метод работы. Факторы, влияющие на каждое основное движение, представляют собой определённые отправные точки для формирования методов труда, а также процессов и конструкции.
Методы измерения времени, система микроэлементов (основных движений), которая является единой нормой планирования и производительности для фирм, действующих в глобальном масштабе.
Методы измерения времени позволяют определить самые лучшие методы выполнения, что приводит к существенному повышению производительности путём упрощения или устранения основных движений, не приносящих добавленную ценность. Применение методов измерения времени находит своё отражение в лучших формировании расходов и использовании ресурсов, большей эффективности и производительности.
[Пиголкин, 2012]

2.4 Технологии
2.4.1 Быстрая переналадка оборудования (SMED – single-minute exchange of dies – быстрая замена штампов)

Рисунок 2 – Быстрая переналадка токарного станка с программным управлением [Наш завод, 2006]
Система изначально была создана для переналадки штамповочного оборудования. Девятнадцать лет ушло на создание и отработку этой системы. Необходимо было добиться возможности наикратчайшей переналадки любого станка для изготовления нового изделия: линия должна переоснащаться за 10 минут, станок полностью – за 3 минуты, станок частично – быстрее, чем за минуту. Благодаря этой системе удалось прилично поднять производительность труда. Этапы и методы SMED показаны на рисунках 3-4.
Первый этап внедрения системы SMED – разделение всех операций, выполняемых сотрудниками, на внешние и внутренние действия. Внутренние действия можно производить только после остановки станка, а внешние – и во время производственного процесса (параллельно). Во внешних действиях скрыты резервы для повышения производительности труда. На этом этапе разрабатываются таблицы операций переналадки для изготавливаемых деталей. В этих таблицах перечисляются все виды работ с указанием требуемого времени.
Второй этап внедрения системы SMED – анализ упомянутых таблиц и выявление того, какие из внутренних операций можно перевести во внешние и сэкономить на этом время.
Третий этап внедрения системы SMED – проведение оптимизации всех действий по переналадке (сокращение действий, применив рационализацию, используя автоматизацию и механизацию; объединение действий).
[Синго, 2006, 2009, Цветков, 2006]


Рисунок 3 – Основные этапы и практические методы системы SMED (левая часть)


Рисунок 4 – Основные этапы и практические методы системы SMED (правая часть)

На рисунке 5 показаны преимущества, полученные при сокращении времени переналадки.

Рисунок 5 - Преимущества, полученные при сокращении времени переналадки

На рисунке 6 показаны производственный процесс и операции.

Рисунок 6 - Производственный процесс и операции

[Синго, 2006, 2009]

2.4.2 Система оперативного управления производством (MES)
Цифровое производство на базе Галактика MES – это элемент единой многоуровневой цифровой модели управления производственными процессами от кооперации до рабочего места. [Лямшев]
На следующих рисунках даётся описание MES.

Рисунок 7 – Уровни управления производственным предприятием


Рисунок 8 – Место MES в производственной структуре


Рисунок 9 – Типовые проблемы на производстве


Рисунок 10 – Типовые проблемы внутри цеха


Рисунок 11 – Эффекты от внедрения MES


Рисунок 12 – Взгляд на MES с точки зрения платформы ISA-95


Рисунок 13 – Взгляд на MES с точки зрения платформы c-MES


Рисунок 14 – Функции типовой MES (часть 1)


Рисунок 15 – Функции типовой MES (часть 2)


Рисунок 16 – Функции типовой MES (часть 3)


Рисунок 17 –Понимание MES первым заказчиком


Рисунок 18 –Понимание MES вторым заказчиком


Рисунок 19 – Приоритезация проектов и конкуренция


Рисунок 20 – Методика внедрения MES на базе ГОСТ 34

[Novacom]


3 Обоснование выбора способа оптимизации производства

3.1 Проблемы методов оптимизации производства
Чтобы реализовать некоторые идеи бережливого производства, на российском предприятии необходимо создать многочисленные условия для формирования непрерывного производственного потока, изменить систему премирования, разработать ряд сложных организационных и технических мероприятий. Перед использованием инструментов бережливого производства, их нужно адаптировать с учётом специфики фирмы. 15-летняя практика использования бережливого производства на российских промышленных предприятиях показывает, что более чем в семидесяти процентах случаев внедрение не даёт нужного результата. [Шибанов, 2017]
У большинства методов есть проблема мотивации персонала.
3.2 Примеры оптимизации производства
3.2.1 Пример 1 - ОАО "Силовые машины" (ТОП, бережливое производство)
ОАО "Силовые машины" реализовало ряд проектов по снижению издержек при поддержке одного из мировых лидеров консалтинга (проект по снижению стоимости закупок, тотальная оптимизация производства (ТОП), программа адаптации расходов к новым экономическим условиям (ПАРУС), бережливое производство, проект Design to cost) [power-m.ru]
3.2.2 Пример 2 – ТОП (тотальная оптимизация производства)
Главные задачи специально созданного управления повышения производственной эффективности — выявление разрывов в показателях с лучшими предприятиями отрасли, организация работы по разработке и внедрению мероприятий, направленных на сокращение этих разрывов в направлениях повышения энергоэффективности, эксплуатационной готовности, снижения потерь, увеличения производительности и выпуска целевой продукции. Это направление полностью совпадает с задачами проекта тотальной оптимизации (ТОП), поэтому он стал частью программы повышения производственной эффективности. При этом возможности у разработчиков мероприятий значительно выросли. Если раньше программа ТОП была ограничена конкретными сроками окупаемости (не более двух лет) и объёмом финансирования до 25 миллионов рублей на одно мероприятие, то сейчас эти рамки стали значительно шире.
Разработанные и утвержденные предложения проекта ТОП продолжают внедряться и уже приносят конкретные плоды в виде нескольких миллионов рублей экономии. За 2009-2010 гг. эффект от реализации 90 мероприятий составил более 500 миллионов рублей. [Фролов]
3.2.3 Пример 3 – Промтрактор (ТОП, бережливое производство, кайдзен)
С системным подходом к проектам по оптимизации производства в России в конце 1990-х начале – 2000-х первыми подошли крупные компании, управление которыми осуществляли действительно эффективные собственники (например, Промтрактор). Тогда эти проекты назывались «Тотальная оптимизация производства», велись они, как правило, в сотрудничестве с зарубежными консультантами и позволили получить неплохие практические результаты. Затем пришла очередь бережливого производства, кайдзен и немецких технологий оптимизации. [Оптимизация производства, up-pro.ru]
3.2.4 Пример 4 – ТОП 2003-2005 гг. (подход «снизу-вверх»); достоинства ТОП
2 февраля 2005г. проекту ТОП исполнилось 2 года. За это время проведена большая работа по созданию системы повышения эффективности работы фирмы. В то же время, для дальнейшего повышения эффективности работы самого проекта ТОП назрела необходимость произвести изменения в структуре. Так, 24 января 2005 группа ТОП административно перешла в подчинение главного инженера предприятия. Вероятно, это позволит решать задачи, поставленные перед группой, в более тесном сотрудничестве с теми, кто непосредственно руководит производством, знает наиболее "узкие места", в каком направлении необходимо приложить максимум усилий по оптимизации управленческих и производственных затрат.
В 2005 году ТОП войдёт в каждый цех, сетевые и мастерские участки