KRITÉRIA A EFEKTY PROSTOROVÉHO USPOŘÁDÁNÍ VÝROBNÍCH SYSTÉMŮ SVOČ FST 2009 Antonín Miller, Západočeská univerzita v Plzni, Kpt. Nálepky 2218, 440 01 Louny Česká republika ABSTRAKT Cílem projektu bylo nalezení parametrů a kritérií layoutu, kde se vychází ze vztahu konkurenceschopnosti a layoutu a požadavků na zvýšení efektivity výrobních systémů, se zaměřením na materiálové toky. Je zde uveden způsob analýzy materiálových toků na základě studia současné metody analýzy materiálových toku a podmínek nalézajících se ve výrobě ŠKODY TRANSPORTATION, s.r.o. Při analýze jsou zachovány téměř všechny podmínky analýzy materiálových toku. Hlavní změna je v přístupu k vyjádření délky přepravní trasy, který je vyjádřen z hlediska časové náročnosti přepravy. KLÍČOVÁ SLOVA Layout, Materiálový tok, Přepravní výkon, Čas přepravy. ÚVOD V současné době pokud hodnotíme různé varianty uspořádání výrobních systémů, z hlediska materiálových toků, vyházíme z přepraveného množství materiálu a délky přepravních tras. Ve ŠKODĚ TRANSPORTATION, s.r.o. je potřeba zohlednit složitost přepravy. A na základě těchto požadavku nalézt parametry pro optimalizaci materiálových toků. PARAMETRY A KRITÉRIA LAYOUTU Při stanovení parametrů layoutu vycházíme z požadavků pro zvýšení efektivity výrobního systému a z možnosti ovlivnit konkurenceschopnost podniku. Požadavky pro zvýšení efektivity výrobního systému jsou: Minimalizovat náklady na manipulaci s materiálem. Efektivní využití veškerých prostorů. Efektivní využití pracovního prostoru. Eliminovat úzké uličky (průchody). Usnadnit komunikaci a vzájemné působení mezi pracovníky, pracovníky a jejich nadřízenými, či mezi pracovníky a zákazníky. Redukovat časy výrobního cyklu a doby obsluhy. Eliminovat nadbytečné (promrhané) pohyby. Usnadnit (ulehčit, zlepšit) vstupy, výstupy a umístění materiálu, produktů a lidí. Začlenit pojistné a ochranné opatření; podpora kvality produktu a servisu. Podporovat aktivity pro řádnou údržbu. Zřídit vizuální kontrolu nad operacemi a aktivitami. Zařídit flexibilitu na přizpůsobení se měnícím se podmínkám. [1] Konkurenceschopnost podniku dokáže layout ovlivnit na úrovni nákladů, kvality výrobků a dodacích lhůt. Snižování nákladů se dosahuje pomocí provozních nákladů. Základní rozdělení provozních nákladů je na náklady na manipulaci a na plochu výrobních prostor. Kvalitu výrobků dosahujeme především snižováním rizika poškození při manipulaci a vhodným rozmístěním pracovišť. Dodací lhůty jsou ovlivněny nevýrobními časy, které se skládají z doby manipulace s materiálem na pracovišti a mezi pracovišti. Na tomto základě jsem sestavil seznam parametrů a rozdělil do skupin. Parametry rozměrové: Celková plocha - celá plocha výrobního systému (tj. výrobní plocha, pomocná plocha, volná plocha). Výrobní plocha - plocha, kde jsou umístěny pracoviště (ruční práce, strojní práce a montáže). Pomocná plocha - plocha dopravních cest, skladovacích prostor, odkládacích prostor a dalších pomocných ploch. Volná plocha - plocha, která není momentálně využitá, ale je připravena pro budoucí rozvoj firmy (postavení nové výrobní linky, nákupy nových technologii ) nebo se uvolnila zrušením technologie nebo části výroby. Rozměry uličky - rozměry dopravních cest.
Délky dopravních cest - jsou trasy mezi výrobními jednotkami (skladem, kontrolou, stroji, pracovišti ). Parametry nákladové: Náklady na spotřebu energie - náklady na spotřebu energie na provoz, jsou to spotřeba elektrické energie (světlo, klimatizace ), vytápění haly Investiční náklady - jsou to náklady na nákup manipulační techniky, náhradních dílu manipulační techniky, rekonstrukci manipulační techniky a také na výstavbu, rekonstrukci a rozšíření výrobních prostor. Do nákladů se investice do nákupu manipulační techniky a stavby výrobní haly promítají pomocí odpisů.náklady na údržbu a revize - jsou souvislé opět s manipulační technikou (opravy, preventivní prohlídky) a výrobními prostory (např. oprava střechy, kontrola rozvodu elektrické energie) Daň z nemovitosti a pozemku - daň z nemovitosti spojená s velikostí celkové plochy (ve většině případu haly). Mzda pracovníků obsluhující manipulační techniku - vypočtena na základě odpracovaných hodin a sazby na pracovníka. Náklady na provoz manipulační techniky - spotřeba pohonné energie (plyn, elektrická energie, pohonné hmoty ). Parametry ostatní: Podpora údržby - způsob uspořádání strojů, tak aby byl dobrý přístup ke všem částem stroje a tím umožněna jednoduchá údržba (hlavně možnost snadného čištění). Visuální kontrola nad operacemi a aktivitami - přehledně uspořádaný systém pracovišť a umístění kanceláři mistru na vhodné místo, aby bylo možné jednoduše zhlédnout situaci ve výrobním systému. Ergonomie pracoviště - uspořádání pracovního prostoru a vlivy techniky prostředí (světlo, teplo, hluk, vibrace, čistota ). Bezpečnost práce - požadavky na vzájemný vztah ČLOVĚK STROJ MATERIÁL ENERGIE PROSTŘEDÍ. Vychází z bezpečnostních norem. Přepravní výkon - dán technickou specifikací manipulační techniky (rozměry, hmotnost a tvar přepravovaného nákladu) v závislosti na vzdálenosti. Využití dopravní cesty - objem přepravovaného materiálu vztažený ke kapacitě dopravní cesty. Typ uspořádání layoutu - dán objemem výroby a druhem výrobního systému. Doba manipulace - doba manipulace s materiálem na pracovišti Na základě parametru jsem stanovil kritéria layoutu, vztah mezi nimi a zobrazil pomocí Ishikawa diagramu(viz Obr. 1). Obr. 1 Ishikawa diagram layoutu
SOUČASNÉ METODY ANALÝZY MATERIÁLOVÝCH TOKŮ Jedním z nejdůležitějších kritérií návrhu layoutu jsou materiálové toky. Materiálový tok je určen směrem, intenzitou a frekvencí. Jeho charakter a délka jsou určeny prostorovým uspořádáním. Pomocí těchto parametrů lze materiálové toky měřit, hodnotit a optimalizovat. Při projektování dopravy je základem analýza pohybu materiálu, kdy nejdříve musíme k dispozici informace o těchto činitelích: materiálech: fyzické a ostatní charakteristické znaky trasy: fyzický stav trasy a délka pohybu materiálu tok materiálu: intenzita toku, frekvence toku a ostatní podmínky toku Materiál: Pro přepravu materiálu, než začneme s rozborem jeho pohybu, je důležité ho roztřídit nejlépe podle jeho fyzických znaků, jako je hmotnost, tvar, nebezpečí poškození nebo škodlivost materiálu, stav materiálu (viz. Tab. 1), a podle další charakteristických znaků, jako je množství (materiálie ve velkých množstvích jsou manipulovatelné jiným způsobem než v malém množství), čas (naléhavé přesuny, problematika přerušovaného toku nebo sezónní výkyvy) a zvláštní předpisy. fyzický charakteristický znak rozměry váha nebo objemová hmotnost tvar nebezpečí poškození nebo škodlivost stav příklady znaků délka, šířka, výška jednotková nebo objemová hmotnost plochý, dlouhý, hranatý, kompaktní, nepravidelný materiál křehký, výbušný, jedovatý, zamořující, poškoditelný materiál nestály, lepkavý, špinavý, prašný, horký, zmrazený Tab. 1 Fyzické charakteristické znaky materiálu Trasy: U každé trasy je důležité určit výchozí místo (vstup) a místo určení (výstup), které jsou ovlivněna prostorovým uspořádáním výroby. Další parametr je vzdálenost mezi výchozím bodem a místem určení, které můžeme měřit jako přímočarou vzdálenost ( vzdušnou čarou ), nebo jako skutečnou vzdálenost trasy manipulačního prostředku. V projektu musí být zřetelně označena skutečná trasa a musí být udáno, v jakých je jednotkách. Dále záleží na fyzickém stavu trasy, kam patří rovnost a přímočarost (vodorovná, šikmá, svislá, křivá, oblouková, lomená, ), zaplněnost dráhy (dopravní špičky, frekvence, překážky, typ povrchu) a povrch vozovky (nezpevněný, dlážděny, asfaltový, betonový, udržovaný, neudržovaný, ), klima (plochy vnitřní, venkovní, klimatizované) a ostatní podmínky (čisté, nečisté, nebezpečné, ) a situace v koncových bodech (počet a rozložení míst nakládky, vykládky a překládky, fyzická situace v koncových bodech). Tok materiálu: Každý pohyb je ovlivněn jak intenzitou toku, tak i jinými podmínkami, ovlivňující pohyb materiálu (délka trasy, fyzické podmínky na trase). Intenzita toku materiálu je dána množstvím přepravovaného materiálu za jednotku času po určité trase. Udává se v tunách, metrech krychlových, kusech, paletách, za hodinu, den, rok atd. Podmínky toku materiálu jsou důležitým údajem. Intenzita toku (např. 100 ks za den) je pouze obecným měřítkem. V průběhu dne můžeme převést toto množství v jedné dávce, anebo ve více dávkách, což přináší různé problémy. To ovlivňuje zejména volbu přepravních a manipulačních metod, volbu prostředku atd. Další podmínky materiálu jsou: množství skladba materiálu (počet, velikost přepravní dávky), frekvence (periodická, plynulá, příležitostní), množství za určité období (sezónnost) a pravidelnost těchto podmínek podmínky provozu udržovat teplotu přepravovaného materiálu časové podmínky naléhavost (okamžitě, podle dohody, signálů ), priority přepravy, výrobní takt Při analýze těchto pohybu materiálu můžeme postupovat několika způsoby. Můžeme shromažďovat informace o jednotlivých materiálech nebo skupin materiálů a v závislosti na čase sledovat pohyb materiálu výrobním procesem na všech trasách. Tato analýza se nazývá rozbor předmětný, nebo rozbor podle výrobních postupů, kdy potřebujeme pro každý výrobek nebo skupinu jen jeden rozbor. Používáme ji při malém množství druhu materiálů. Další druh analýzy je rozbor vstupu a výstupů, kdy je možno vztahovat na trasu nebo plochu. Pak tedy provádíme rozbor každé trasy samostatně, kdy sledujeme pohyb materiálu na této trase. Nebo analyzujeme plochu, kdy sledujeme pohyb materiálu po ploše, bez ohledu na trasy. Tato analýza je vhodná pro velký počet různých položek. Aby rozbory, uvedené dle předchozích odstavců byly použitelné, je třeba jejich výsledky přehledně shrnout. Poté můžeme začít s návrhem dopravy. Přehled obsahuje zpravidla tyto údaje:
seznam všech tras (směr, průběh, vzdálenost a fyzickou situaci na trase) seznam materiálových skupin pro každý pohyb materiálové skupiny na jedné trase: o intenzita toku materiálu, frekvenci o přepravní výkon o podmínky pohybu o hodnocení významu pro každou trasu: o celková intenzita a frekvence toku materiálu (podle jednotlivých skupin materiálu) o celkový přepravní výkon (podle jednotlivých skupin materiálu) o hodnocení významu pro každou materiálovou skupinu: o celková intenzita toku, frekvence (podle jednotlivých tras) o celkový přepravní výkon (podle jednotlivých tras) celková intenzita, frekvence a přepravní výkon Tok materiálu lze pak znázornit pomocí schematických diagramů v dispozičním řešení,, diagramy (vzdálenosti a intenzity toku) nebo grafy s číselnými údaji (šachovnicová tabulka). Velmi výhodný je Sankeyův diagram (viz Obr. 2). Obr. 2 Zobrazení materiálových toku pomocí Sankeyova diagramu v programu Vistable Materiálový tok je vyjádřen pomocí přepravního výkonu. Přepravní výkon je součin intenzity materiálového toku a vzdálenosti mezi pracovišti, kde materiálový tok probíhá. Vyjadřuje tedy jaké je množství přepraveného materiálu na jakou vzdálenost. Základní jednotky jsou tedy např. tunometry ( ), kusometry ( ) a pomocí objemu ( ). Pro zobrazení velikosti přepravního výkonu se používá ID diagram. V ID diagramu se na vodorovnou osu vynáší vzdálenost, na svislou osu pak intenzita toku. Každý pohyb materiálu má určitou vzdálenost a intenzitu, může být tedy v diagramu znázorněn bodem (viz.obr. 3) a lze určit, zda jsou materiálové toky vhodně navrhnuty. Pokud je přepravní výkon příliš vysoký (vysoká intenzita toku na velkou vzdálenost viz Obr. 3 bod 2) a naopak pokud je přepravní výkon příliš nízký (viz. Obr. 3 bod 1), jsou toky materiálu nevhodně navrženy. Řešení je přiblížení bodů k ideálnímu tvaru křivky. Dosáhneme toho pomocí jiného návrhu prostorového uspořádání, kdy je nutné vyházet z hodnot intenzity materiálového toku respektive přepravního výkonu. Pracoviště, které mají mezi sebou nejsilnější intenzitu materiálového toku, je nutné umístit co nejblížee k sobě a naopak. Je nutné vycházet z předpokladu, že přepravou na kratší vzdálenost snižujeme náklady a čím větší je přepravované množství tím nižší jsou náklady na přepravu jedné jednotky. [2] Obr. 3 D-I diagram.
MĚŘENÍ MATERIÁLOVÝCH TOKU Z HLEDISKA ČASU PŘEPRAVY V současné době je kladen důraz na snižování přepravního výkonu, který závisí na přepravovaném množství (tj. váha, objem či počet kusů přepravovaného materiálu), četnosti přepravy a délce přepravních tras. Ve ŠKODĚ TRANSPORTATION, s.r.o. je hlavní požadavek na čas přepravy, protože i přeprava na krátkou vzdálenost můžeme být značně složitější a tím pádem časově náročnější než méně složitá přeprava na delší vzdálenost. A proto je zde hlavní kritérium přepravní výkon, který vychází s času přepravy a množství přepravy. Přeprava ve ŠKODĚ TRANSPORTATION, s.r.o. má několik specifik. Jedná se zde o přepravu rozměrných a těžkých výrobků. Ve většině případů je přepravován jeden kus velkých rozměrů a hmotností. Je tedy nutné využívat mostové jeřáby, které jsou omezeny na určité území (loď nebo část lodě), a proto, když dochází k přepravě do jiné lodě, musí se použít kombinace různých přepravních prostředků. Tyto přepravy z lodě do lodě jsou časové náročnější než přeprava v jedné lodi, z důvodu přesunu na jiný přepravní prostředek. Pokud začneme porovnávat čas přepravy a délku trasy za stejných podmínek vlastností materiálu a přepravní cesty platí, že pokud se zvyšuje délka přepravní cesty, zvyšuje se lineárně čas přepravy (viz. Obr. 4). Obr. 4 Vztah času přepravy a délky přepravy Pokud začneme uvažovat s přepravou z jedné lodě do druhé, kdy je využíván jeřáb k přesunu v lodi a mezi loďmi se používá kombinace přepravních prostředků. Musíme zde nejen zohlednit různé přepravní schopnosti jednotlivých částí přepravy, ale i čas potřebný na přesunutí mezi přepravními prostředky. Zde se dá vycházet z času převazu, délky přepravy a rychlostí jednotlivých manipulačních prostředků. Vycházíme z jednoduché přepravy v jedné lodi. Podle toho sestavíme vzorec pro výpočet času přepravy, kdy nejprve uvažujeme o rychlosti přepravy konstantní v celé délce přepravy (viz. Obr. 5) a kdy uvažujeme o různých rychlostech v příčném a podélném směru (viz. Obr. 6). Obr. 5 schéma přepravy v jedné lodi s konstantní rychlostí v celé délce Obr. 6 schéma přepravy v jedné lodi s různými rychlostmi v příčném a podélném směru
Na základě těchto poznatků sestavíme vzorce: Konstantní rychlost po celé délce: Různé rychlosti na příčném a podélném směru: (1) (2) Pokud, bude přeprava z jedné lodi do jiné, přibude čas potřebný na přesun přepravovaného materiálu mezi dopravními prostředky a další dopravní úsek (viz. Obr. 7). Obr. 7 Schéma přepravy mezi loďmi Na základě schématu sestavíme vzorec: Na základěě tohoto vzorce můžeme sestavit obecný vzorec: (3) Kde: (4) čas potřebný na přesun materiálu s jedné manipulační techniky na druhý, kde j = 0, 1, 2,, n vyjadřuje počet přesunů. představuje délku trasy přepravy v jednotlivých segmentech, kde k = 1, 2,, m vyjadřuje počet segmentů. představuje průměrnou rychlost přepravy v jednotlivých segmentech, kde k = 1, 2,, m vyjadřuje počet segmentů. Z předchozího textu vyplývá, že existuje závislost mezi délkou přepravy a časem přepravy. Závislost ale není přímá, jelikož zde vstupuje čas přesunu mezi přepravními prostředky, který je konstantní. Pokud porovnáme dvěě možné trasy přepravy (viz. Obr. 8), kde platí: d 1 < d 2 t 1 > t 2
Varianta2 Varianta1 Obr. 8 Schéma variant přepravy Obr. 9 3D zobrazení variant přepravy Pokud bychom uvažovali materiálový tok podle současných zásad, byla by výhodnější varianta 1, ale zde je důležitější doba přepravy, a proto je výhodnější varianta 2. Z toho vyplývá, že pro optimalizaci materiálových toků, nepoužijeme závislost mezi intenzitou, v našem případě počtem kusů, a vzdálenosti, ale mezi intenzitou a časem přepravy (viz. Obr. 10). Obr. 10 Digram závislosti intenzity přepravy a času přepravy ZÁVĚR A DOPORUČENÍ V projektu byl stanoven cíl nalézt metodiku analýzy materiálových toku podle potřeb ve ŠKODĚ TRANSPORTATION, s.r.o. Byla stanovena metodika, kdy hlavní kritéria pro hodnocení materiálových toku jsou intenzita materiálového toku a času přepravy. Pak bude přepravní výkon dán součinem přepravovaného množství a časů přepravy (kg s,m 3 s,ks s). Na základě této metodiky probíhá řešení materiálových toku ve ŠKODA TRANSPORTATION, s.r.o. a hledání vhodného prostorového uspořádání výrobního systému.
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval panu doc. Šimonovi a ing. Šrajerovi za vedení při tvorbě Semestrálního, Předdiplomního projektu a této práce. LITERATURA [1] Leeder, E., Černý, Z., Kašpírek, J.: Multidisciplinární navrhování a modelování virtuálního výrobního systému, ZČU v Plzni, Plzeň, 2007 [2] Němec, J.: Projektování manipulace s materiálem, Plzeň: ZČU, 1998 Mille, A.: Kriteria a efekty prostorového uspořádání výrobních systémů, Předdiplomní projekt, ZČU v Plzni, Plzeň, 2009