W czasach skróconego cyklu życia produktu, zwiększonego zróżnicowania i indywidualizacji asortymentu oraz skracającego się czasu dostaw, przedsiębiorstwo aby przetrwać na współczesnym rynku, musi odznaczać się niezwykłą elastycznością i zdolnością szybkiej adaptacji do dynamicznie zmieniających się potrzeb rynku. Kluczowe znaczenie terminowi wirtualizacji nadała informatyka, określając tym mianem komputerowe tworzenie cyfrowej reprezentacji dowolnego obiektu lub procesu. W inżynierii produkcji pojęcie wirtualizacji jest szeroko rozumianym terminem, odnoszącym się do tworzenia abstrakcji zasobów przedsiębiorstwa w różnych aspektach jego działalności. Wirtualizacja dąży do stworzenia wirtualnego przedsiębiorstwa, które będzie imitować funkcjonowanie rzeczywistej firmy. Proces wirtualizacji wykorzystuje różne narzędzia, takie jak modelowanie, wizualizacja oraz animacja. Zadaniem modelowania jest opisywanie reguł, sterujących działaniem przedsiębiorstwa, oraz relacji występujących pomiędzy zasobami i procesami.

Wizualizacja to zbiór metod pozwalających na przedstawienie w sposób graficzny środków trwałych, przepływu materiałowego, informacji, wskaźników produkcyjnych oraz wyniku finansowego przedsiębiorstwa.

Animacja to zbiór metod, pozwalających na przedstawienie w formie graficznej, w funkcji czasu, procesów zachodzących w przedsiębiorstwie.

W formie animacji przedstawia się najczęściej przebieg procesu produkcyjnego (przebieg operacji wykonywanych na poszczególnych stanowiskach roboczych) albo zachowanie się wyrobu, wystawionego na działanie analizowanego czynnika. Przykładem tego ostatniej jest animacja obrazująca odkształcenia ramy pod wpływem przyłożonej siły.

Digitalna fabryka

Wirtualizacja procesów produkcyjnych jest realizowana w ramach idei digitalnej fabryki. Jest ona rozumiana jako obszerna sieć cyfrowych modeli, metod i narzędzi (łącznie z symulacją, wizualizacją 3D i wirtualną rzeczywistością), które są zintegrowane i umożliwiają zarządzanie danymi w sposób ciągły. Celem jest osiągnięcie kompleksowego planowania i oceny oraz ciągłe doskonalenie wszystkich znaczących procesów i zasobów, łączących się z produktem. Sercem systemu jest centralna baza danych, gromadząca informacje pochodzące z przedsiębiorstwa. Za pomocą przygotowanego interfejsu, pozyskuje się dane z oprogramowania inżynierskiego CAx oraz systemu klasy ERP. Na podstawie tych danych tworzy się modele logiczne, opisujące zależności, występujące w procesach przedsiębiorstwa oraz modele graficzne, pozwalające na odwzorowanie przedsiębiorstwa w wirtualnej rzeczywistości. Zgromadzone w bazie danych informacje wykorzystuje się do planowania, symulacji oraz wizualizacji systemu produkcyjnego. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest znalezienie racjonalnego rozwiązania problemu bez generowania zakłóceń i ingerowania w rzeczywisty system produkcyjny. Otrzymane na tej drodze rozwiązanie można przekazać za pomocą interfejsu do rzeczywistego przedsiębiorstwa, dzięki czemu wdrożenie zmian kończy się sukcesem za pierwszym razem, a koszty związane z reorganizacją procesu są zredukowane do minimum. Można więc przyjąć, że digitalna fabryka jest wirtualnym poligonem doświadczalnym, służącym do testowania proponowanych rozwiązań, zanim zostaną one wdrożone w rzeczywistych warunkach. Zakłada się, że skoro wirtualny model wiernie imituje działanie rzeczywistego przedsiębiorstwa, to rozwiązanie, sprawdzające się w digitalnym przedsiębiorstwie, będzie także sprawdzać się dobrze w rzeczywistych warunkach. Kompleksowe wdrożenie idei digitalnej fabryki, polegające na odwzorowaniu wszystkich zasobów, procesów i relacji, zachodzących w przedsiębiorstwie, jest bardzo złożonym, czasochłonnym i kosztownym przedsięwzięciem, dlatego w praktyce stosuje się wyłącznie wybrane aspekty tej idei do realizacji przyjętych celów.

Digitalizacja fabryki

Wirtualizację procesu produkcyjnego, rozpatrywaną w kontekście idei digitalnej fabryki, rozpoczyna się od digitalizacji hali produkcyjnej z wykorzystaniem techniki laserowego skanowania 3D. Schemat działania przedstawiono na rysunku poniżej. W hali przemysłowej ustawia się laserowy skaner 3D, który rejestruje otaczającą go przestrzeń. Z urządzenia wysyłany jest promień lasera, który po odbiciu się od skanowanego obiektu, powraca do urządzenia i na podstawie czasu, jaki upłynął od emisji do powrotu promienia (skanery impulsowe) lub przesunięcia fazowego fali lasera (skanery fazowe), obliczana jest odległość obiektu od skanera. Takich pomiarów odległości wykonuje się ponad 100 tys. w czasie jednej sekundy. Skaner ogarnia promieniem lasera całą otaczającą go przestrzeń, a wyniki pomiarów są zapisywane w postaci chmury punktów czyli zbioru pikseli rozmieszczonych w trójwymiarowej przestrzeni, które odwzorowują kształt skanowanego pomieszczenia. Aby otrzymać chmurę punktów, przedstawiającą całą halę produkcyjną, należy wykonać skanowanie z wielu różnych miejsc. Ich liczba jest wprost proporcjonalna do wielkości hali. Po zakończeniu skanowania wczytuje się dane ze skanera do specjalnego oprogramowania, które łączy skany w jedną spójną chmurę punktów. Następnie chmura punktów jest wczytywana do oprogramowania typu AD (np. AutoCad albo Descartes), gdzie poddaje się ją dalszej obróbce i przekształca się do postaci modelu bryłowego. Proces ten jest bardzo czasochłonny, ponieważ nie istnieje program, który automatycznie przekształcałby chmurę punktów w model bryłowy. Wszystko trzeba rysować ręcznie, wspomagając się co najwyżej algorytmami, rozpoznającymi kształt powierzchni albo określone obiekty, np. instalacje rurowe. Po zakończeniu prac otrzymuje się model przestrzenny hali produkcyjnej. Następny etap wirtualizacji jest związany z tworzeniem cyfrowych modeli elementów wyposażenia hali przemysłowej.

W pierwszej kolejności sprawdza się, czy producenci maszyn i wyposażenia dostarczają modele 3D swoich produktów. Jest to bardzo pomocne, ponieważ nie traci się czasu na samodzielne rysowanie tych obiektów. W związku z tym, na etapie zakupu warto prosić producenta o model 3D produktu, który w przyszłości będzie można wykorzystać do wizualizacji hali przemysłowej i optymalizacji procesu produkcyjnego. W sytuacji, kiedy producent nie jest w stanie dostarczyć cyfrowego modelu swego produktu, można spróbować go pozyskać z internetowej bazy gotowych modeli 3D, a jeśli to także jest niemożliwe, trzeba narysować go samodzielnie w oparciu np. o skan 3D stanowiska roboczego.

Na potrzeby wirtualizacji procesu produkcyjnego należy przygotować jeszcze więcej modeli. Ich liczba i rodzaj zależą od przyjętego celu. W artykule przedstawiono przykład optymalizacji procesu montażu. Na jego potrzeby przygotować należy cyfrowe modele pracowników produkcyjnych. Takie modele muszą odwzorowywać cechy antropometryczne pracownika. Po zgromadzeniu wszystkich potrzebnych modeli można stworzyć wizualizację hali przemysłowej, co jest punktem wyjścia do wirtualizacji procesu produkcyjnego.

Digitalizacja procesu produkcyjnego

Digitalizacja procesu produkcyjnego wymaga zgromadzenia informacji niezbędnych do odtworzenia tego procesu w wirtualnej rzeczywistości. Do informacji takich zalicza się m. in. strukturę materiałową wyrobu, listę operacji technologicznych, czasy jednostkowe, czasy przygotowawczo - zakończeniowe oraz czasy transportu, informacje na temat środków transportu, wielkość partii produkcyjnej oraz partii transportowych, a także informacje na temat liczby pracowników i czasu trwania zmiany roboczej. W przypadku reorganizacji procesu produkcyjnego dane te można pozyskać z systemu klasy ERP. Gdy zajdzie potrzeba zaprojektowania nowego procesu trzeba szukać innych źródeł informacji. Z pomocą przychodzi digitalna fabryka. Dysponując modelami hali przemysłowej oraz elementami jej wyposażenia można przygotować trójwymiarową wizualizację proponowanych wariantów przebiegu procesu produkcyjnego co pokazano na rysunku poniżej.
Wizualizacja taka daje możliwość zaplanowania przestrzennego rozmieszczenia stanowisk pracy z uwzględnieniem ograniczeń, wynikających m.in. z dostępnej powierzchni roboczej, występowania elementów konstrukcyjnych hali przemysłowej oraz przepisów BHP, określających szerokość dróg transportowych i odstępy pomiędzy stanowiskami. Wizualizacja wariantów rozmieszczenia stanowisk roboczych jest także podstawą do przygotowania animacji czynności roboczych, wykonywanych przez pracowników na stanowiskach. Pozwala to na oszacowanie czasu trwania czynności roboczych już na etapie projektowania procesu produkcyjnego i stanowi atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnej metody MTM.

Co więcej, przestrzenną wizualizację można wykorzystać także do przetestowania warunków pracy na stanowiskach pod kątem ergonomii pracy. Istnieje możliwość wyliczenia wskaźnika informującego o uciążliwości wykonywanej pracy, oszacowania maksymalnego dopuszczalnego ciężaru, jaki w danych warunkach może podnosić pracownik, dokonania analizy postaw przyjmowanych przez pracownika podczas wykonywania swoich obowiązków w celu sprawdzenia czy występuje ryzyko wystąpienia w przyszłości chorób zawodowych. Ponadto opracowanie symulacji pracy wykonywanej na stanowiskach pozwala na wyliczenie wydatku energetycznego, co pozwala ustalić czy pracownik kwalifikuje się do ustawowo gwarantowanego posiłku regeneracyjnego. Kiedy zgromadzone zostaną wszystkie informacje, które są istotne z punktu widzenia procesu produkcyjnego, można przejść do symulacji. Ze względu na czasochłonność przedsięwzięcia przyjęło się, że trójwymiarową symulację procesu przygotowuje się jedynie dla jednego cyklu produkcyjnego, natomiast symulację wszystkich cykli wykonywanych w zadanym czasie symuluje się w układzie płaskim, bazując na danych otrzymanych z symulacji przestrzennej.

Istnieje wiele programów symulacyjnych, różniących się między sobą liczbą czynników, które należy wziąć pod uwagę podczas symulacji. Jednak budowa modelu symulacyjnego wygląda w każdym przypadku podobnie. Definiuje się stanowiska pracy, zasoby ludzkie i materiałowe oraz określa relacje zachodzące pomiędzy uczestnikami procesu. Następnie parametryzuje się wszystkie obiekty, składające się na proces, zaczynając od ogólnych informacji, np. czasów jednostkowych czy wielkości partii produkcyjnych, a kończąc na bardziej szczegółowych, takich jak np. współczynnik awaryjności maszyn czy rodzaj rozkładu prawdopodobieństwa (wykorzystywany do szacowania odchyleń czasów jednostkowych od wartości wzorcowych). Po przygotowaniu modelu symulacyjnego można uruchomić symulację, która odpowie na pytanie o ilość sztuk wyrobu, wyprodukowanych w zadanym czasie, albo czas potrzebny na wyprodukowanie żądanej liczby wyrobów. Oprócz tego symulacja wygeneruje raporty, pozwalające przeanalizować inne aspekty, związane z procesem produkcyjnym, takie jak np. obciążenia stanowisk pracy, obciążenia pracowników, zużycie energii, koszty bezpośrednie itp. Powyżej na obrazku przedstawiono zrzut ekranu z jednego z programów symulacyjnych.

Optymalizacja procesu produkcyjnego

Zastosowanie wirtualizacji procesów produkcyjnych, zgodnie z ideą digitalnej fabryki, daje ogromne możliwości optymalizacji procesów. Dlatego bardzo ważne jest ustalenie zakresu i kryteriów optymalizacji jeszcze przed jej rozpoczęciem. Dla zobrazowania sposobu postępowania, ograniczono się do wyboru optymalnego wariantu przebiegu procesu wytwarzania na podstawie trzech kryteriów, takich jak koszt wyposażenia, wydajność linii przemysłowej oraz ergonomia pracy (patrz obrazek poniżej).
Dodatkowo przyjęto dwa warunki ograniczające, które wymagają, aby rozważane warianty nie przekroczyły planowanego budżetu oraz by ich wydajność nie była niższa od założonej. Każde z przyjętych kryteriów zostało ocenione na podstawie kilku analiz. Koszt wyposażenia został oszacowany na podstawie trzech różnych wycen, co pozwoliło uszeregować zaproponowane warianty w kolejności od najtańszego do najdroższego.

Wydajność linii przemysłowej została oceniona na podstawie symulacji procesu produkcyjnego, przeprowadzonego przy pomocy dwóch różnych programów symulacyjnych. Wynik każdej z symulacji pozwolił na uszeregowanie zaproponowanych wariantów przebiegu procesu w kolejności od najbardziej wydajnego do najmniej produktywnego. Kryterium ergonomii pracy zostało ocenione na podstawie trzech analiz. Analiza RULA pozwoliła wskazać wariant procesu, który cechuje się najmniejszym ryzykiem wystąpienia w przyszłości chorób zawodowych, związanych z układem mięśniowo-szkieletowym. Analiza NIOSH pozwoliła wskazać najmniej uciążliwy dla pracownika wariant przebiegu procesu, a ocena punktowa wskazała wariant, w którym są najlepsze warunki pracy na poszczególnych stanowiskach.

Po otrzymaniu wyników wszystkich analiz okazało się zgodnie z przypuszczeniami, że nie istnieje wariant, który byłby najlepszy pod względem każdego z kryteriów. Spośród wariantów, znajdujących się w zbiorze rozwiązań dopuszczalnych, a więc takich, które nie przekroczyły założonego budżetu i są w stanie zrealizować założony plan produkcji, należało wybrać najlepszy. W związku z obecnością trzech kryteriów dokonano oceny wielokryterialnej metodą Yagera. Pozwoliła ona wybrać wariant optymalny względem przyjętych kryteriów na podstawie wyników wszystkich analiz. Przyjęta metoda zakłada, że w pierwszym etapie grono ekspertów ocenia ważność przyjętych kryteriów, a w drugim etapie każdy wariant przebiegu procesy produkcyjnego jest oceniany względem przyjętych kryteriów na podstawie wyników przeprowadzonych analiz. Na koniec buduje się macierz zbiorczą ocen, uzyskanych przez wszystkie warianty. Na jej podstawie algorytm postępowania (metoda Yagera) wskazuje wariant, który należy uznać za najlepszy.

Podsumowanie

Wirtualizacja procesów produkcyjnych coraz częściej wykorzystywana jest przez duże koncerny, chcące zachować przewagę konkurencyjną w świecie nastawionym na silną indywidualizację produkcji. Systemy informatyczne stosowane dotychczas w przedsiębiorstwach okazują się niewystarczające, dlatego coraz częściej sięga się po rozwiązania proponowane przez ideę digitalnej fabryki. Obecnie ze względu na ogromne koszty kompleksowego wdrożenia digitalnej fabryki, technologia ta jest dostępna wyłącznie dla dużych koncernów. Jednak mniejsze przedsiębiorstwa mogą korzystać z wybranych aspektów tej technologii, aby budować przewagę konkurencyjną. Przykładem może być przedstawiona w artykule optymalizacja przebiegu procesu produkcyjnego względem przyjętych kryteriów.