Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Automatizace řízení strojírenské výroby

Automa 9/2000

Miroslav Fišar,
Ing. Milan Vondráček, CSc.

Automatizace řízení strojírenské výroby

Článek popisuje zjednodušené nároky na přípravu a realizaci použitelného modelu řízení strojírenské (nebo obecně kusové) výroby a také nezbytné kroky při analýze informační základny a vnitřních podmínek ve výrobní organizaci.

Přístup k automatizaci strojírenské výroby
Rozvoj automatizace ve výrobním procesu a jeho řízení doznal výrazných kvalitativních změn zejména po roce 1970 vlivem rozvoje využívání strojů NC (Numeric Control). Automatizace, která byla orientována převážně na velkosériovou a hromadnou výrobu, vlivem techniky NC rychle pronikla téměř do všech ostatních typů výrob, a tím prudce vzrostly i nároky na vytvoření vhodných podmínek z hlediska řízení a obsluhy výroby. Vzhledem k tomu, že kusová a malosériová výroba tvoří 65 až 70 % objemu strojírenské výroby, jde o výrazné rozšíření nároků.

Obr. 1.

V první fázi zavádění techniky NC byly řešeny pouze technologické problémy, ale postupem času se začal vytvářet nový přístup k zavádění automatizace obecně, který vyústil v řešení ucelených výrobních systémů vybavených jak výrobní, tak obslužnou technikou a novými formami organizace a řízení. Automatizace se tak stala výrazným faktorem, který ovlivňoval strojírenskou výrobu stále silněji.

Koncepce automatizace řízení výroby
Automatizace řízení výroby v obecné podobě může řešit rozdílné oblasti a úrovně výrobních, technických nebo organizačních problémů. Tyto oblasti a úrovně musí být řešeny z metodického hlediska pokud možno jednotným způsobem. Rozdíly vznikají zejména v závislosti na technické náplni a jejím rozsahu a dále na investiční náročnosti. Problémové oblasti je vhodné řešit několikastupňovým modelem, vytvořeným podle těchto hledisek:

  1. každý stupeň modelu tvoří uzavřenou oblast schopnou plnit zadané výrobní úkoly,
  2. každý stupeň modelu má jednoznačně určený vstup a výstup z hlediska toku materiálu i informací,
  3. stupeň vyššího řádu je vytvářen skupinou nižšího řádu a je doplněn nezbytnými funkcemi toku informací,
  4. model musí umožňovat zavádění automatizace ve všech zařazených funkcích.

Podle uvedených hledisek je možné vytvořit model (v praxi již používaný), v němž je počet stupňů pro běžné typy realizačních akcí volitelný. Nejčastěji jich je pět (tab. 1). Podle konkrétních podmínek se tento počet může změnit, ale dosavadní zkušenosti naznačují, že to není nutné. Charakteristika jednotlivých stupňů respektuje zavedený model strojírenského podniku a možnosti technického vybavení. Současně jsou uvedeny nejvýznamnější činnosti, které bude automatizace v oblasti řízení přímo ovlivňovat.

Tab. 1. Pětistupňový model výrobního podniku

Stupeň Charakteristika Řešené prvky
I. stupeň – strojní zařízení vnitřní systém pracoviště, které technicky tvoří stroj nebo zařízení určené k plnění jednoznačné funkce a vybavené nezbytnými prostředky k plnění této funkce typ a druh stroje (nebo zařízení), prostředky pro manipulaci s obrobkem pevně spojené se strojem, základní souprava nářadí a nástrojů, upínače a přípravky trvale určené pro daný stroj, prostředky manipulace s odpadem pevně spojené se strojem
II. stupeň – pracoviště vnější systém pracoviště, který technicky tvoří stroj nebo zařízení a jeho úplná personální i technická obsluha; současně je základem a zdrojem pro sledování a přenos informací prostředky pro manipulaci se surovinou, prostředky pro manipulaci s polotovarem, prostředky pro manipulaci s výrobními nástroji, prostředky pro seřizování stroje, prostředky pro manipulaci s odpadem, prostředky pro sběr a předávání informací, základní vybavení obsluhy
III. stupeň – středisko (strojní centrum) vnitřní systém pracovišť a soustavy plně personálně a technicky vybavených obslužních činností; má již ucelenou soustavu sběru, přenosu a zpracování informací příprava vstupní suroviny, mezioperační manipulace a skladování, technická kontrola, manipulace s odpadem, sběr, přenos a zpracování informací na úrovni střediska, plánování a řízení výrobního procesu
IV. stupeň – provoz vnější systém soustavy pracovišť tvořený výrobními středisky a obslužními činnostmi plně personálně a technicky vybavenými; současně tvoří zastřešující soustavu sběru, přenosu a zpracování informací pro řízení výrobního procesu na úrovni středisek sklad surovin, sklad polotovarů, manipulace, hospodaření s výrobními pomůckami, technická obsluha výroby, výroba finálního výrobku, soustava sběru, přenosu a zpracování informací na úrovni provozu, plánování, ekonomika provozu, zpracování odpad
V. stupeň – podnik zastřešující systém organizačně a technicky vybavený pro řízení výrobního procesu a zajišťování vztahů k nezbytnému okolí podniku personalistika, obchodní činnosti, zásobování, technická příprava výroby, střednědobé a dlouhodobé plánování výroby, ekonomika podniku, technická obsluha výroby a energetický dispečink, řízení jakosti, doprava

Uvedená charakteristika jednotlivých stupňů vyjadřuje obecné schéma nezbytných funkcí a jejich vztahu při zabezpečování výroby. Současně vytváří nárok na informační soubory nezbytné pro jednotlivé funkce a způsoby jejich zpracování.

Prvky IV. a V. stupně je možné při tvorbě konečné alternativy organizačního schématu do jisté míry kombinovat, popř. kumulovat. Má-li být zajištěna funkčnost celého modelu, je nezbytné zpracovat všechny stupně v rámci jednoho modernizačního projektu tak, aby vytvořené vazby nebyly narušovány nevhodným propojením jednotlivých stupňů.

Řízení výrobního procesu
Model řízení výroby a obslužných procesů vychází ze zásady použít minimální množství objektivizovaných výrobních a průvodních dokumentů (nositelů informací i automatizovaně zpracovaných informací). Na základě těchto dokumentů se vytvářejí podmínky pro průběžné sledování a řízení toku materiálu tak, aby byla zajištěna úplná informovanost o stavu rozpracované výroby a umožněny operativní zásahy do tohoto procesu s cílem splnit plán odbytu.

Technické vybavení musí odpovídat potřebám jednotlivých řídících pracovníků a současně plnit všechny nezbytné podmínky pro vyhodnocování stavu rozpracované výroby a kalkulace nákladů.

Pro kvalifikované plánování a výsledné kalkulace je vhodné sjednotit informace a jejich identifikační i hodnotové vyjádření, zejména tam, kde výrobní program obsahuje více druhů a typů výrobků.

Z uvedené charakteristiky se jeví jako objektivně nejvhodnější použít automatizaci řízení toku materiálu, se sledováním rozpracované výroby pomocí definovaných a technicky vyjádřených front úkolů pro jednotlivé fáze výrobního procesu od vstupu materiálu až po odbyt.

Pro řízení výrobního procesu je možné doporučit zúžení informačních souborů. Technické vyjádření a zpracování souborů musí být definováno projektem s určením podoby dokumentu vyjádřeného buď na obrazovce, nebo tiskopisem. Využití uvedených souborů je pro automatizovanou i mechanizovanou podobu zpracování metodicky stejné. V praxi se ukázalo jako dostačující použít tři rozhodující informační soubory. Použité názvosloví je pracovní a pouze charakterizuje nároky na danou informační oblast.

Základní soubory jsou tyto:

Dílenská průvodka (průvodka výrobní dávky)
Je to dokument vytvářený plánem výroby a obsahující základní údaje o průběhu výrobního procesu. Dílenská průvodka je vystavována při zahájení výroby ze základních surovin nebo polotovarů a provází výrobní dávku výrobním procesem od vstupu materiálu až po výstup poslední transportní dávky do meziskladu.

Průvodka transportní dávky
Je to dokument zpracovaný plánem výroby a operativně vyplňovaný pro jednotlivé transportní dávky tak, aby bylo možné přesně specifikovat konkrétní dávku adresou uložení a množstvím vyrobeného polotovaru nebo součásti. Na jednu dílenskou průvodku může být jedna a více průvodek transportní dávky. Tato průvodka provází transportní dávku od vstupu materiálu až po výstup do meziskladu.

Montážní list
Je to dokument vytvářený plánem výroby a operativně vyplňovaný pro jednotlivé výrobky tak, aby bylo možné přesně specifikovat průběh kompletace a realizace dané výrobní dávky v souladu se stavem zásob pro danou montážní dávku. Montážní list provází výrobní dávku od vstupu polotovaru nebo součásti do procesu montáže až po předání výrobku do skladu odbytu.

Uvedené dokumenty jsou základem pro řízení a sledování toku materiálu a na jejich základě je možné řídit a korigovat výrobní proces v souladu s plánem nebo vyvolanými operativními zásahy. Na tyto dokumenty je možné navázat požadovanými doplňujícími údaji ekonomického charakteru.

Informační soubory dané podobou řízení výroby u obslužných funkcí (např. plánování oprav a jejich kapacitní bilance, sledování režijních materiálů, opravy a úpravy polotovaru, zajištění výroby výrobními pomůckami atd.) je nutné určit projektem v souladu s organizací řešeného výrobního systému.

Evidence rozpracované výroby
Základem pro evidenci rozpracované výroby je trvalé sledování pohybu suroviny, polotovaru a finálního výrobku výrobním procesem a skladováním. Evidence rozpracované výroby bude řešena v automatizované podobě pro základní plánovací údaje a souborem tiskopisů v podobě průvodní dokumentace.

Plánování
Příprava operativního plánu a jeho vyhodnocení vycházejí ze zásadní podmínky nezbytnosti úplně evidovat rozpracovanou výrobu ve všech technologických a skladových operacích. Bez totální evidence se stává plnění cílového plánu pouze nahodilým procesem a zákonitě s sebou nese zvýšení skladových zásob v meziskladech, nároků na manipulaci a vysoké nároky na skladové plochy. Příprava plánu na základě znalosti stavu zásob umožňuje korigovat operativní plán a realizovat potřebné změny ve vztahu k odvádění výroby a odbytu.

Operativní plán zpracovaný pro úroveň hlavního dispečera si vyžádá postupné budování normativní základny tak, aby byl možný přímý přechod na řízení výroby dokumentačně i informačně. Dispečerské řízení umožní trvalou zpětnou vazbu a korekci plánu, a tedy trvalou znalost stavu rozpracované výroby a zásob ve skladu polotovarů a surovin, mezioperačních skladech a skladech ukončené výroby.

Určující podmínkou pro aplikaci automatizovaného řízení je přísné dodržování popisu práce, určených pravomocí a sledování toku informací a materiálu stanovenými kontrolními body, tedy dodržování pracovní disciplíny.

Ekonomika
Ve vztahu k plánu výroby je nutné současně řešit i objektivizované náklady a kalkulace. Specifický typ výroby si nutně vyžádá i specifické úpravy kalkulací a přehled o skutečném stavu rozpracované výroby z hlediska nejen objemů, ale také sortimentu, a může pro volené časové úseky korigovat i náklady a následně ceny finální výroby nebo prodeje polotovaru.

Použitá výrobní a průvodní dokumentace dovolí trvale zjišťovat náběh nákladů. Model kalkulačního vzorce musí být postaven tak, aby umožňoval výrobní i cílovou kalkulaci, a tedy i potřebné korekce pro stanovení prodejní ceny, s respektováním pohybu cen vstupních surovin. Vlastní řešení kalkulací tedy přímo navazuje na model řízení výroby.

Organizace výroby
Pro dosažení objektivizované úrovně řízení se jeví jako velmi pravděpodobné, že budou řešeny určité zásahy do organizační struktury výrobního závodu. V tomto okamžiku by bylo předčasné tyto změny doporučovat, protože musí být nejdříve rozhodnuto o způsobu přípravy informací a úrovně automatizace jejich zpracování. V každém případě bude organizace upravena tak, aby bylo dosaženo přesně definovaného vztahu mezi jednotlivými funkcemi ve společnosti.

Organizační schéma podle jednotlivých stupňů hierarchie funkcí podniku musí vycházet z reálných podmínek a při zpracování projektu bude nutné se s tímto problémem systematicky zabývat.

Předpokládaný systém sledování a plánování rozpracované výroby si vyžádá změny v popisu práce jednotlivých funkcí a také změnu pravomocí a možností rozhodovat o vývoji procesu, včetně zvýšené zodpovědnosti za úroveň a jakost pracoviště, střediska i provozu.

Základem pro vytvoření nové verze organizačního schématu je dodržení podmínky hierarchického uspořádání společnosti (obecně) s tím, že pro jednotlivé funkce bude přesně stanoven informační soubor a informace, se kterými smí určený zaměstnanec pracovat, a které jsou pouze informativní. Hierarchie současně směřuje k tomu, aby jednotlivé funkce dostávaly takové informace, které potřebují k výkonu činností, a to v kumulované podobě. Úrovně řízení jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2. Soubory informací dostupných na různých úrovních řízení

Úroveň Popis souboru informací
1. úroveň – generální ředitel soubor informací pro strategické rozhodování a kumulované informace ekonomického a výrobního charakteru
2. úroveň – ředitelé divizí soubor informací pro taktické rozhodování pro vývoj výrobního procesu a obsluhy výroby v rozsahu potřebném pro danou divizi (obchodní divize, výrobní divize, technická divize, divize služeb)
3. úroveň – vedoucí odborů informace pro sledování a řízení toku materiálu v reálném čase, včetně příslušných ekonomických údajů nezbytných pro daný odbor podle organizační struktury
4. úroveň – technologická základna soubor informací o reálném stavu materiálového zásobování všech technologických funkcí zařazených do systému a nezbytných pro zpracování na úrovni plánu a řízení výroby

Mezi jednotlivými stupni hierarchie společnosti musí být stanoveno přesné rozhraní v podobě podrobně zpracovaných popisů práce pro jednotlivé funkce s vymezením pravomocí a přesně stanovenými povinnostmi. Součástí těchto popisů práce musí být i uživatelské příručky pro obsluhovaná koncová zařízení a určení odpovědnosti za svěřenou techniku.

Takto podrobně rozpracované modely organizace zatím nejsou v České republice běžné, ale zvyšující se úroveň automatizace si tento postup vynutí.

Realizace automatizovaného řízení výroby
Uplatnění automatizovaného řízení vyžaduje podrobnou analýzu informační základny s výstupy, které zabezpečují veškeré nároky pro plánování suroviny, polotovaru a finálního výrobku. Přitom je rozpracovaná výroba trvale sledována v celém rozsahu položek, jež se systémem pohybují. S tím souvisí objektivizace informační základny a způsobu jejího zpracování ruční i automatizovanou formou. Základna vytvořená pro automatizované řízení s využitím soustavy nositelů informací (výrobní a průvodní dokumentace) je současně vstupem do automatizovaného zpracování dat.

Je nutné upozornit na skutečnost, že uplatnění automatizovaného zpracování informací a řízení výrobního procesu nejsou možné bez aktivní spolupráce řešitelů projektu a realizátora. S tím souvisí určitý nárok na specialisty podniku ve smyslu odborných konzultací a aktivního podílu ve fázi realizace.

Aktivní součástí realizace systému řízení je individuální školení všech pracovníků a přezkoušení ukončené zařazením konkrétního pracovníka do funkce. Školení na základě podrobných popisů práce je nedílnou součástí realizace projektu. Vzhledem k toku materiálu ve výrobě je nezbytné realizaci připravit v těchto krocích:

  • vypracování souhrnné studie aplikace automatizovaného zpracování informací v informačním systému, její expertiza a dopracování na základě připomínkového řízení do úrovně podkladu pro úvodní projekt,
  • vypracování projektu aplikace modelu automatizovaného řízení v celém rozsahu podniku s respektováním stávajícího technického vybavení a jeho případného doplnění a vybavení technických prostředků potřebnými programy a vypracování popisů práce,
  • instalace technických prostředků a oživení jednotlivých programů včetně ověřovacího provozu a současného školení pracovníků podniku pro jednotlivé funkce,
  • protokol ukončující ověřovací provoz a přípravu pracovníků pro obsluhu jednotlivých koncových zařízení včetně korekcí programů a technických úprav,
  • stanovení termínu přechodu na nový systém, inventura rozpracované výroby a stavu informační základny včetně plánovacích údajů,
  • realizace systému a sledování jednotlivých funkcí na všech stupních hierarchie podniku včetně případných úprav a oprav,
  • protokol o předání systému uživateli.

Uvedený postup je nutné dodržet a počítat s tím, že systém musí být oživen ve velmi krátké době. Jinak bude neúměrně prodlužován přechod na nový systém, přičemž mohou vzniknout škody u uživatele.

Současný stav nabídky programů pro automatizované řízení výroby
Otázka řízení výrobního procesu je ve své podstatě velmi komplikována tím, že nezbytné okolí výroby obsahuje velmi širokou škálu činností ekonomického, finančního, plánovacího a speciálního charakteru. Přitom i při snaze o vysokou unifikaci je stále určitá rozdílnost mezi jednotlivými výrobními organizacemi, daná použitou technologií a vnějšími vztahy.

Je možné konstatovat, že v současné době je velmi široká nabídka kvalitních a propracovaných systémů, které je možné aplikovat v podmínkách vlastní organizace, a lze vybrat takové programy, jež odpovídají potřebám uživatele. Přesto je nutné upozornit na skutečnost, že zatímco např. účetnictví je v podstatě obecně použitelné, systém řízení výroby bude mít vždy určité specifické nároky. Proto je možné doporučit, aby příprava použitelného modelu řízení vždy vycházela z technologických a organizačních podmínek vlastní výroby, popř. aby byly nárokovány účelové úpravy programového vybavení.