Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Kooperace v přípravě CIM učební text doc. Ing. Josef Novák, CSc. Vytvořeno za podpory projektu: Consulting point pro rozvoj spolupráce v oblasti řízení inovací a transferu technologií, CZ.1.07/2.4.00/12.0094 Ostrava 2011 Učební text je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR

Obsah: 1. ÚVOD DO CIM... 3 2. CAD - POČÍTAČEM PODPOROVANÝ NÁVRH... 8 3. CAE - POČÍTAČEM PODPOROVANÝ VÝVOJ... 9 4. CAM - POČÍTAČEM PODPOROVANÁ VÝROBA... 10 5. CAP - POČÍTAČOVÁ PODPORA PLÁNOVÁNÍ VÝROBNÍCH A TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ... 11 6. CAQ - POČÍTAČEM PODPOROVANÉ ZABEZPEČOVÁNÍ JAKOSTI... 12 7. PPC - PLÁNOVÁNÍ PRODUKCE A ŘÍZENÍ... 13 7.1. Základní rozdělení výroby... 13 8. INFORMAČNÍ A ŘÍDICÍ SYSTÉM... 14 8.1. Reference informačních a řídicích systémů... 15 2

1. ÚVOD DO CIM Informační systémy a technologie jsou nezbytným požadavkem pro ekonomickou prosperitu podniků. Informační technologie se stávají strategickým faktorem, který rozhoduje o prosperitě a konkurenceschopnosti podniků. Dnešní podniky v reaktivním konkurenčním boji zjistily, že dobré řízení není možné bez přísunu kvalitních a včasných informací. V souvislosti s automatizovanými systémy výroby se uplatňují technologie CIM (Computer Integrated Manufacturing) - výroba integrovaná počítačem - jedná se o technologii automatické výroby, která ideálně ve všech krocích výroby využívá počítačovou podporu. Jedná se především o využití komplexní databáze, která slouží pro celou podporu podniku. Od vlastního návrhu výroku, až po jeho prodej. CIM (Computer Integrated Manufacturing, Počítačově integrovaná výroba) zahrnuje tyto počítačem podporované techniky: CAD (počítačem podporovaný návrh, konstrukční příprava výroby) CAE (počítačem podporovaný vývoj (inženýrské výpočty, FEM simulace) CAM (počítačem podporovaná výroba (CNC stroje, DNC- přímé řízení pomocí počítače, automatizovaný skladový, dopravní a manipulační systém) CAPP (počítačem podporovaná technologická příprava výroby (technologické postupy, NC programování, normování, projektování výroby) CAQ (počítačem podporované zabezpečování jakosti jak předvýrobních tak i výrobních činností (analýza poruch, zkušební plány, statistická regulace procesu, zavádění systému jakosti) PPC (plánování produkce a řízení) ERP (informační řídící systém) Obchodní systémy integrované do společné databáze. Zařízení a vybavení potřebné k realizaci jednotlivých technik modulů: CNC, numericky řízené obráběcí stroje DNC, přímé numericky řízené stroje PLC, Programovatelné automaty Roboti Hardware Software Zpětnovazební zařízení Sítě 3

Historický vývoj CIM prezentuje následující video: http://www.youtube.com/watch?v=pbq9jtrub-q Obr. 1 Historie CIM Technologie CIM tvoří architekturu prostředí, které spojuje všechny předvýrobní etapy navzájem s vlastní problematikou konkrétní výroby, cílem je koordinovaný tok produkce a informací od myšlenky po realizaci produktu. Moduly CAD/CAM/CAE se zabývají automatizací a zvyšováním potenciálu určitých specifických funkcí při vývoji nového produktu a při podpoře výrobního procesu, technologie CIM je určena k integrování všech těchto "bloků automatizace" dohromady do hladce běžícího podniku. CIM je tedy chápán jako zastřešující technologie, která se zabývá problematikou sdílení informací v celém procesu produkce od návrhu až po distribuci produktů a z toho vycházející problematikou efektivního toku a zpracování informací v celém výrobním podniku. 4

Rozdělení CIM na jednotlivé součásti by se dalo znázornit následujícím obrázkem: Obr. 2 CIM 5

Následující video znázorňuje výrobu výrobku za podpory CIM: http://www.youtube.com/watch?v=8lowdj_9t9a Obr. 3 Průběh CIM ERP - MIS (Management information system) Systémy ERP - MIS lze v podniku nalézt na všech úrovních managementu, kde slouží pro podporu rozhodování. Pro řešení úloh se vychází z dat získaných na základě operačních databází jednotlivých oddělení podniku. Z těchto dat jsou vypočítávány různé ukazatele, sestavovány tabulky a přehledy, které slouží pro podporování rozhodování manažerů. PPS (Production planing system). Tyto systémy zahrnují řízení finančních toků ve firmě, jejich sledování a optimalizaci. CAD (Computer-Aided Design) - počítačem podporovaný návrh - se označuje jako prostředek pro popis geometrie mechanických součástek, struktur návrhů architekta, elektronických obvodů, návrhu staveb, apod. Systémy CAE (Computer Aided Engineering) - počítačem podporované inženýrství - se zabývají analýzou geometrických dat získaných v návrhu v systému CAD, umožňující simulovat a studovat chování navržených produktů, tak aby jejich vlastnosti byly v předpokládaných podmínkách realizace optimální. 6

CAP (Computer aided planning) Systémy CAP zahrnují počítačovou podporu plánování výrobních a technologických procesů. CAM (Computer Aided Manufacturing) - počítačem podporovaná výroba - označuje systémy pro přípravu dat a programů pro řízení numericky řízených strojů pro automatickou výrobu mechanických součástí, celých sestav, elektronických obvodů, apod. - především využívající geometrická a další data získaná ve fázi návrhu v systému CAD. CAQ (Computer Aided Quality). Systémy určené ke sledování a udržování a zlepšování kvality v podniku. Existují tři hlavní zásady pro hladké zavedení CIM: Integrace komponent od různých dodavatelů: Stroje od různých výrobců strojů, jako např. CNC, dopravníky a roboty, které používají různé komunikační protokoly, způsobují obtížnější komunikaci. Integrita dat: Čím vyšší je stupeň automatizace, tím kritičtější je integrita dat slouží k ovládání stroje. Systém CIM snižuje pracnost a zvyšuje pracovní vytíženost strojů. Tato skutečnost vyžaduje důkladnou přípravu samotného výrobního procesu. Process control: Počítače mohou nahradit dělníky (operátory) výrobních zařízení, ale je potřeba vždy odborného dohledu odborníků pro odladění chyb software. 7

2. CAD - POČÍTAČEM PODPOROVANÝ NÁVRH V současné době existuje řada výkonných systémů, které zastupují konstruktéra při množství rutinní práce a tím rozšiřují prostor pro vlastní tvůrčí práci. Tyto systémy nazýváme souhrnně zkratkou CAD. CAD systémy jsou jednou z dynamicky se rozvíjejících oblastí software, které společně s dalšími oblastmi počítačové grafiky jako např. počítačová animace, grafické simulace, virtuální realita atd. zásadním způsobem ovlivňují vývoj hardware. Jejich počátky je možné najít již v 50. letech 20. století. V té době byly vyvinuty první NC (Numeric Control) obráběcí stroje a programy pro řízení jejich práce. I přes různé využívání CAD systémů, jako např. ve stavebnictví, architektuře, strojírenství, elektrotechnice, v průmyslu automobilovém, hračkářském, obuvnickém, nábytkářském, oděvním, je struktura tohoto programového vybavené vždy stejná. Komunikaci člověka se systémem CAD zajišťuje programový modul pro zpracování vstupů. Výměna dat je interaktivní, tj. zadávané příkazy jsou hned zpracovány a interpretovány se současným zobrazením změn na monitoru. Vstupní komunikační modul tvoří uživatelské rozhraní systému CAD. Geometrický modul programového systému CAD provádí výpočty potřebné pro vytvoření geometrického modelu podle zadaných parametrů. Jeho prostřednictvím je dále možné provádět různé modifikace vytvořeného modulu, výstupem může být např. kompletní technická dokumentace nebo kvalitní stínované pohledy na modelovaný objekt, výkresy jednotlivých dílů, sestav, kusovníky a NC programy. Některé programy podporují i spolupráci s databázemi, vytvářejí seznamy materiálů a nabízejí další speciální funkce. Protože programy CAD jsou založeny na náročné matematice, vyžadují také odpovídající výpočetní výkon kvalitních grafických stanic. 8

3. CAE - POČÍTAČEM PODPOROVANÝ VÝVOJ CAE je počítačová analýza součástí, mechanismů a strojů. Zahrnuje simulace, ověřování a optimalizaci výrobků a jejich výroby. Nástroje CAE jsou v dnešní době již poměrně běžnou součástí procesu vývoje a konstrukce a stávají se důležitým zdrojem informací potřebných pro kvalifikované rozhodování při vývoji nových výrobků a při plánování jejich výroby. Oblasti, které pokrývají nástroje CAE, zahrnují: Výpočet napětí součástí a sestav pomocí FEA (Finite Element Analysis) Analýza proudění a prostupu tepla pomocí nástrojů CFD (Computational Fuid Dynamics) Kinematika Simulace mechaniky (MES, Mechanical Systems) Modelování chování (BMX, Behavioral Modeling Extension) Analytické nástroje pro simulování výrobních procesů jako je odlévání, tváření nebo lisování Analýza proudění na automobilu: Obr. 4 Analýza proudění na automobilu 9

4. CAM - POČÍTAČEM PODPOROVANÁ VÝROBA Výroba s podporou počítače (CAM) zahrnuje současné nasazení počítačů ve všech oblastech produkce. Produkce přitom zahrnuje vedle číslicově řízených strojů a robotů i automatické zakladače ve skladech tak automatické transportní systémy. Při řízení pružných výrobních systémů má zvlášť velký význam soustava řídících počítačů propojených do jedné sítě. K nejdůležitějším úlohám systému CAM patří: výměna dat mezi počítačem pro plánování a řízení výroby a systémy pro přímé řízení strojů, robotů, skladových a transportních zařízení, automatické získávání údajů o průběhu a stavu výroby, kontrola zabezpečení výroby, správa a kontrola objednávek a smluv, zásahy do organizace výroby, např. při změnách termínů, průběžná optimalizace využití kapacit a plnění termínů, průběžná dokumentace stavu nedokončené výroby, aktualizace dat pro obnovu a vyřazování strojů a nářadí. Simulace výroby turbíny turbodmychadla: http://www.youtube.com/watch?v=bofq5o8xuzy&feature=related Obr. 5 Výroba turbíny 10

5. CAP - POČÍTAČOVÁ PODPORA PLÁNOVÁNÍ VÝROBNÍCH A TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ CAP (Computer aided planning) Systémy CAP zahrnují počítačovou podporu: plánování výrobních procesů technologických procesů. Normování projektování výroby Hlavním cílem plánování výroby je uspokojení požadavků trhu při minimalizaci nákladů spojených s výrobou, skladováním a případnými nevyřízenými objednávkami. To vyžaduje, aby výstup výrobního procesu co nejpřesněji odpovídal průběhu poptávky, a to při respektování všech omezení, která ve výrobě existují. Výstup výrobního procesu se dá v podstatě ovlivnit jen způsobem, jakým jsou do výroby zadávány výrobní zakázky. Při plánování výroby tedy řešíme úlohu, jak zorganizovat výrobní proces a jakým způsobem zadávat do výroby jednotlivé výrobní zakázky. Plánování se obvykle děje v několika úrovních: Strategické plánování (Rozhodování o investicích; Plánování a výstavba výrobních kapacit), Taktické plánování (Tvorba výrobních plánů na základě poptávky; Alokace zdrojů, pracovních sil, materiálu), Operativní plánování (Rozvrhování; Řízení výroby; Reakce na poruchy). Metody plánování výroby většinou využívají určité modely výrobního procesu, nad kterými se provádí optimalizace s cílem snížení nákladů při zachování co nejlepších výstupních parametrů procesu. Klasické MRP systémy například využívají jednoduchý model výroby, kde vztah mezi vstupem do výroby a výstupem určitého výrobku je dán obvykle konstantním průběžným časem výroby, a pro optimalizaci používají metody lineárního programování. Tento přístup má řadu nevýhod, které se modernější plánovací metody a nástroje postupně snaží eliminovat. Výrobní systémy není možné charakterizovat pouze průběžným časem a statickými kapacitními propočty, je vhodné vytvářet a využívat dokonalejší modely procesů, při optimalizaci je možné použití moderních technik, které kromě jiného využívají i znalosti o struktuře procesů. 11

6. CAQ - POČÍTAČEM PODPOROVANÉ ZABEZPEČOVÁNÍ JAKOSTI CAQ - počítačem podporované zabezpečování jakosti jak předvýrobních tak i výrobních činností zahrnuje: analýzu poruch zkušební plány statistickou regulaci procesu zavádění systému jakosti atd. Počítačová podpora jakosti CAQ je navržena jako integrovaný systém určený pro podporu managementu jakosti. Jedná se o informačně - řídicí systém, který je nutno rozdělit do jednotlivých oblastí, programů a modulů, jež pokrývají celou šíři požadavků mezinárodních norem pro management jakosti ČSN EN ISO 9001:2001 i doplňující požadavky managementu jakosti, jako je to dáno např. v automobilovém průmyslu normou ISO/TS 16 949:2002. http://www.youtube.com/watch?v=poskm0yvmzk Obr. 6 Měřící centrum 12

7. PPC - PLÁNOVÁNÍ PRODUKCE A ŘÍZENÍ Plánování produkce zejména závisí na typu výroby. V současné době jsou k dispozici dostatečné softwarové nástroje, které dokážou pokrýt nároky plánování všech typů výrob. Každý software pro plánování produkce je typizovaný pro určitý typ výroby. Proto je při jako první při výběru software charakterizovat typ výroby, a teprve poté odpovídající metodiku plánování. Popis jednotlivých typů výroby je základní. V praxi se samozřejmě vyskytují i mnohé kombinace těchto typů výrob. http://www.youtube.com/watch?v=yyivumq6svm Obr. 7 7.1. Základní rozdělení výroby Přístupy k řízení produkce Výrobu je obecně možné popsat jako proces, při kterém dochází k přetváření zdrojů na produkty. Efektivní řízení zdrojů i produktů lze pak chápat jako základní funkci plánování ve výrobě. Proces výroby je možné klasifikovat podle celé řady kritérií: Rozdělení podle četnosti opakování výrobku kusová výroba sériová výroba (malosériová, středněsériová, velkosériová) hromadná výroba druhová výroba 13

8. INFORMAČNÍ A ŘÍDICÍ SYSTÉM Současný trh nabízí nespočet software pro řízení podniků různé kvality, ale téměř žádný zákazník neví prakticky v neustálém vývoji, co by od tohoto software mohl očekávat a jaké správné, pravdivé a aktuální data by do něho mohl vkládat. Společnosti tvořící software většinou již vkládání aktuálních dat do vyvinutých programů ponechávají na samotných uživatelích, nebo dojde jen k proškolení uživatelů a ti se musí přizpůsobit programu, případně dle požadavků se doplňuje software. Z reakcí zákazníků vyplývá, že data pro správný chod tohoto software je obtížné někdy získat, nebo časově náročné zadávat, tedy i nákladné. Firmy se setkávají s nedostatečně proškoleným personálem pro zadávání a zpracování dat. Současný stav většiny dlouhodobě zavedených strojírenských podniků je takový, že nejsou schopni přesně stanovit termín zhotovení zakázky a přesnou kalkulaci ceny. Mezi nejvýznamnějšími faktory, které ovlivňují obchodní případ patří: Rychlost zpracování poptávkového a nabídkového řízení Termín dokončení zakázky Cena zakázky Každý strojírenský podnik se snaží převzít nejnovější trend,,plánovaní do plných kapacit tedy APS (Advanced Planning System, Supply Chain Management (APS/SCM), který umožňuje nejen výše zmíněné faktory ovlivňující zpracování obchodního případu co nejvíce zpřesnit a rychle vyhodnotit. Každý informační systém pro svůj správných chod potřebuje pravdivé aktuální data. Mezi základní vstupní informace pro správných chod systému a přesné zpracování zakázky patří: Pracnost výrobku mzdy Ceny přímých a nepřímých materiálových nákladů Efektivní využitelný časový fond Režijní náklady rozpočtené na zakázku Atd. V průběhu výrobního procesu se snažíme, aby tyto navržené informace byly relativně stálé a nelišily se od skutečných. Do výrobního procesu vstupuje také řada ovlivňujících činitelů, které výrazným způsobem mohou narušit termín zhotovení zakázky a cenu. Mezi základní ovlivňující činitele patří: Kvalita strojního zařízení (neočekávané poruchy) Pozdní dodací termíny vstupních materiálů Nepřesnosti při stanovení pracnosti 14

Nepřesnosti při stanovování nákladových položek souvisejících se zhotovením zakázky Nejnovější informační systémy je možné sestavovat pomocí jednotlivých modulů, které je možné ještě dále upravovat dle požadavků zákazníka. V Tabulce n. 1 je znázorněna klasická struktura většiny informačních a řídících systémů. Příklad strukrury informačního systému Obr. 8 Struktura IS 8.1. Reference informačních a řídicích systémů Informační a řídící systémy uplatňované zejména v průmyslové výrobě vykazují výrazné úspory ve všech oblastech. Informační systémy dodávají výrobnímu podniku jednoznačný řád v operativní evidenci, proto lze implementovat od kusové, až po hromadnou výrobu. Typickým příkladem kusové výroby je výroba speciálních obráběcích center, kde se pohybuje výrobní cyklus od 6 měsíců až do 15 měsíců. Po implementaci systému v podniku bylo možno zhodnotit přínosy takto: Lepší řízení výroby času Výrobní doba snížena až o 50% Lepší řád plánování Více efektivní výrobní procesy Zlepšení produktivity 15