Product Lifecycle Management

Virtuální obraz reálné výroby

Napsal , vydáno 20. 11. 2011

Podle Artura C. Clarka je technologie na dostatečně vysoké úrovni nerozeznatelná od magie. Pokroky z posledních let v oblasti digitální továrny natolik mění oblast virtualizace plánovacích a verifikačních procesů, že zde už se sci-fi stává realitou.

Digitální továrnu je možné vidět jako souhrn informací, které vznikají v integrovaném souboru různých digitálních nástrojů při plánování a ověřování výrobních procesů a prostředků.

Nástroje digitální továrny umožňují realistické vizualizace, simulace a další analýzy, které pomáhají rychle a efektivně navrhnout a optimalizovat výrobu. Zajišťují úzkou integraci konstrukce a technologie a spolupráci různých inženýrských disciplín od vývoje konceptu a konstrukce výrobku přes plánování a realizaci výroby až po post-výrobní etapy života produktu.

V digitální továrně jsou navíc všechny výrobní informace v jednom informačním zdroji, kde je vše snadno dostupné a dohledatelné pro všechny určené uživatele, a to během celého životního cyklu výrobku. Koncept digitální továrny tak nejen zjednodušuje práci s velkým množstvím dat, která je nutné zpracovat v průběhu plánování, projektování a realizace výroby, ale umožňuje také opakovaně využít zkušenosti a zdroje z předchozích projektů („best practice“ a „lesson learned“).

Ušetřete, než se spustí výroba…

V počáteční fázi vývoje konstrukce a plánování výroby je provedena řada důležitých ustavujících rozhodnutí, která významně ovlivní finální produkt a proces výroby. Nalezení nedostatků konstrukce a technologie až poté, co byly stanoveny a schváleny základní parametry, vede k dalším nákladům.

Nástroje digitální továrny umožňují dopředu otestovat a ověřit různé varianty a scénáře pomocí simulace v sofistikovaných digitálních modelech. Takové vyhodnocení umožní, aby klíčová návrhová rozhodnutí byla provedena a schválena včas a na základě širšího porozumění, takže se omezí spousta neefektivních kroků, které by se objevily v pozdějších etapách vývoje a výroby. Případné změny virtuálního modelu jsou navíc mnohem méně nákladné a časově náročné než změny reálného produktu nebo výroby.

Základní myšlenkou je problémy objevit a vyřešit v počítačovém modelu, ještě dříve než nastanou v reálném světě. Ve výrobě je vázána významná část kapitálu firmy. Dobrá konstrukce produktu sice zvýší hrubé příjmy, ale teprve technologie výroby definuje, jak velká část příjmů bude přetavena v čistý zisk.

Naplánovat, ověřit, nasimulovat

Jednotlivé segmenty digitální továrny lze rozdělit na oblast digitálního plánování výrobních procesů, digitálního ověřování výroby a podporu výroby. Při plánování výroby v softwarech Teamcenter Manufacturing nebo Tecnomatix Process Designer (Siemens PLM Software) se definuje kompletní seznam procesů (Bill of Process), kde základními stavebními kameny jsou: co, čím, jak, kde a za kolik, neboli informace o tom, co budeme vyrábět – data produktu; čím budeme vyrábět – data výrobních zdrojů, jako jsou pracovníci, roboti, nástroje, přípravky a další zařízení; jak budeme vyrábět – informace o sledu jednotlivých operacích s přiřazeným časem pomocí standardních metod normování času práce (MTM, UAS, …); kde budeme vyrábět – rozvržení výrobní haly.

Process Designer umožňuje souběžné plánování technologických týmů, analýzy v 3D grafickém prostředí, vyhodnocení času, nákladů, vytížení zdrojů, logistiky, validace a optimalizace plánované výroby. Po vytvoření konceptu připravované výroby plánovači předají data do různých integrovaných simulačních nástrojů pro verifikaci a optimalizaci.

Nejprve je možné ověřit, jak budou vyrobeny jednotlivé součástky. Různé systémy v rámci portfolia Tecnomatix slouží například pro simulace lisovacích operací nebo simulace obrábění (CAD/CAM). Když je ověřena výroba dílčích komponentů, vyhodnotí se, zda a jak jednotlivé díly půjdou smontovat do sestav. V softwarech Tecnomatix Process Simulate – Assembler lze navrhnout třeba sekvence montáže, automaticky vygenerovat bezkolizní cesty pro montáž nebo demontáž, vygenerovat operační návodky (např. ve formátu 3D PDF).

Test celých výrobních závodů

Montáž ve většině případů obsahuje vysoký podíl manuální práce. V softwarech Tecnomatix Process Simulate – Human a Tecnomatix Classic Jack se pomocí biomechanicky přesného digitálního modelu člověka vyhodnotí, jestli manuální operace budou proveditelné a ergonomicky přijatelné a zda budou v souladu s ergonomickými standardy a legislativou. Počítačová simulace lidského faktoru umožní analyzovat interakci člověka a pracoviště a vyhodnotit podobu a rozložení pracovního místa, montážní výšky, dosahy, prostor, viditelnost, časové trvání manuálních operací, přijatelnost pracovních poloh, síly a zatížení, manipulaci s břemeny, biomechanické přetížení a zdravotní rizika související s pracovní činností. Zohlednění lidského faktoru pak vede k maximální produktivitě, kvalitě a bezpečnosti pracovního procesu.

Velkou část digitální továrny představují nástroje pro projektování, simulace a verifikace robotických a automatizovaných výrobních linek. V softwarech Tecnomatix Robcad nebo Tecnomatix Process Simulate – Robotic se ověří proveditelnost, prostor, přístupnost, dosah, kolize a další parametry robotického pracoviště včetně off-line programování a virtuálního zprovoznění. Funkčnost reálného nebo emulovaného PLC kontroleru je tak možné nejprve ověřit napojením na digitální model robotické/automatizované linky a teprve po virtuálním zprovoznění jej pustit do reálné výroby.

Další z významných nástrojů v digitální továrně je software Tecnomatix Plant Simulation, jenž slouží pro simulace a optimalizace průtoku skrz libovolný logický systém. Umožňuje vytvořit strukturovaný hierarchický model výrobních závodů, linek, procesů, dopravy a vizualizovat tok skrz velmi složité systémy, včetně implementace pokročilých řídicích mechanismů. Provedou se simulace a optimalizace toku materiálu, vyhodnocení využití zdrojů a analýzy logistiky pro všechny úrovně plánování od globálních zařízení přes lokální celky, výrobní linky až po jednotlivé pracoviště. Modelování průtoku logickým celkem umožňuje odhalit efektivitu systému pro různé situace a odstranit problematická místa a úzká hrdla (tzv. bottleneck), optimalizovat průchodnost a čas dodávky ještě předtím, než je systém reálně postaven.

Od reality k virtualitě a zpět

Přestože digitální továrna vzniká ve virtuálním počítačovém světě, je velmi úzce provázána s továrnou reálnou. Virtuální prostředí plánování výroby je možné propojit s daty, která se sbírají ve skutečné výrobě pomocí PLM/MES integrace (Manufacturing Executive System, např. Simatic IT). Data z reálné výroby se takto používají třeba pro analýzy rozměrů, tolerancí a řízení kvality výroby.

Ukazuje se, že rozšíření digitální továrny je podobným milníkem, jako byl přechod z dvourozměrného kreslení do trojrozměrného modelování v CAD softwarech nebo nasazení informačních systémů typu ERP.

Přes všechna pozitiva a prokázanou přidanou hodnotu digitální továrny v podobě úspory času a peněz je třeba zmínit i možná úskalí. Schopnost simulovat téměř vše ve velmi realistickém virtuálním prostředí vede k tendenci simulovat opravdu všechny procesy, tj. i ty, kde je aplikace běžných nástrojů, inženýrské intuice a selského rozumu naprosto dostačující. Důležitým krokem je také sběr správných vstupních dat, kdy přesnost výstupu závisí na kvalitě vstupních informací.

Nástroje digitální továrny umožňují dopředu otestovat a ověřit různé varianty a scénáře pomocí simulace v sofistikovaných digitálních modelech (zdroj: Siemens PLM Software)

V softwaru Tecnomatix Process Simulate – Assembler lze navrhnout třeba sekvence montáže a automaticky vygenerovat bezkolizní cesty pro montáž nebo demontáž (zdroj: Siemens PLM Software)

Process Designer umožňuje souběžné plánování týmů, analýzy v grafickém prostředí, vyhodnocení času, nákladů, zdrojů, logistiky, validace a optimalizace plánované výroby (zdroj: Siemens PLM Software)

Počítačová simulace lidského faktoru umožní analyzovat interakci člověka a pracoviště a vyhodnotit podobu a rozložení pracovního místa, biomechanické přetížení a zdravotní rizika (zdroj: Siemens PLM Software)

Článek byl publikován v magazínu PLM News 1/2011