Właściwe opomiarowanie, automatyzacja i sterowanie oraz zarządzanie siłami wytwórczymi – to podstawowe elementy skutecznego i efektywnego wdrożenia algorytmów optymalizacyjnych w strukturach przedsiębiorstwa.
Optymalizacja procesów produkcyjnych i przetwórczych w zakładach przemysłowych to aktualnie jedno z najczęściej podejmowanych zadań w przedsiębiorstwach praktycznie wszystkich branż. Ich właściciele oraz pracownicy mogą skorzystać z coraz bogatszej oferty narzędzi i technik ułatwiających optymalizację procesów produkcji, zużycia materiałów, niezbędnych nakładów siły roboczej, łańcucha dostaw itp. Monitoring i zbieranie danych oraz parametrów pracy z jak największej liczby procesów produkcyjnych, urządzeń, magazynów w znacznym stopniu przyczynia się do usprawnienia i wzajemnej integracji działań optymalizacyjnych na wielu poziomach struktur przedsiębiorstwa, przyspieszając jego funkcjonowanie i zwiększając spójność strukturalną.
Nakreślona wizja wygląda bardzo obiecująco – któż jednak ma ponosić odpowiedzialność za realizację działań optymalizacyjnych i ich wzajemną integrację, kiedy optymalizacja każdego z wymienionych wcześniej obszarów to w praktyce bardzo trudne i pracochłonne zadanie? Jedno jest pewne, nie może to być złożone na barki tylko jednej czy kilku osób, Najlepiej, by w takiej procedurze zintegrowanych, wielopłaszczyznowych działań optymalizacyjnych uczestniczyły kilkuosobowe zespoły, bezpośrednio związane z różnymi działami w przedsiębiorstwie – ewentualnie powołany przez nie zespół ekspertów. To jednak nie wszystko. Sprawna optymalizacja przedsiębiorstwa wymaga znajomości i wzięcia pod uwagę jeszcze wielu innych aspektów.
Czym jest optymalizacja?
W najszerszym znaczeniu określenie to opisuje działania zmierzające do uczynienia danej operacji, procesu jak najbardziej wydajnym, efektywnym. W latach 70. ubiegłego stulecia w środowisku automatyków zaczęła funkcjonować jednak inna, węższa definicja optymalizacji, skupiająca się przede wszystkim na technologiach czy technikach optymalizacyjnych dla wydzielonych oddziałów przedsiębiorstw. W procesach produkcji ciągłej takie techniki mogą przybierać formę sterujących przepływem informacji-danych bezpośrednio z procesów do jednego lub kilku tzw. silników optymalizacyjnych. Z kolei silniki te obliczają najkorzystniejsze warianty podejścia, doboru algorytmów sterowania zmiennymi parametrami tych procesów. W procesach dyskretnych, takich jak Six Sigma czy Lean, korzysta się zwykle z ograniczonej w stosunku do procesów ciągłych liczby technik optymalizacyjnych usprawniających produkcję, poprawiających jej jakość i efektywność lub też kreujących właściwe procedury zarządzania od strony biznesowej.
Niezależenie jednak od tego, jak szeroko czy wąsko spojrzy się na temat optymalizacji funkcjonowania przedsiębiorstwa, do jego realizacji zawsze wymagany jest kompromis różnych sfer zarządzania produkcją, dostawami materiałów i dystrybucją produktów finalnych. W szczególności dotyczy on z jednej strony wolumenu produkcji i przepustowości linii produkcyjnej, zaś z drugiej kosztów energii i kosztów pracy. Podjęcie procedur optymalizacyjnych przynosi zwykle wymierne korzyści, jednak tylko niewielka liczba przedsiębiorstw decyduje się na pełne wykorzystanie ich możliwości, całkowitą zmianę procedur funkcjonowania działów produkcyjnych, co po części spowodowane jest coraz większą złożonością i szybkością zmian czynników ekonomicznych i biznesowych mających wpływ na opłacalność implementacji pewnych zmian. Dobrym przykładem są tu chociażby ceny energii, które jeszcze jakiś czas temu ulegały znacznym zmianom w okresach tygodni czy miesięcy, zaś obecnie mogą zmieniać się radykalnie nawet w ciągu kilku godzin czy minut. To oczywiście w znacznym stopniu ogranicza skuteczność wdrażania niektórych długofalowych rozwiązań optymalizacyjnych.
Kolejne wyzwanie w sprawnym wdrożeniu procesów optymalizacyjnych to fakt, że często dostarczanie niezbędnych danych o optymalizowanych procesach funkcjonuje zawodnie – dane są niedokładne, niekompletne lub dostarczane zbyt późno. Czasami dane takie nie są tylko prostymi zbiorami jakichś liczb, lecz mają postać danych statystycznych, które wymagają odpowiedniej interpretacji, z zachowaniem stosowanych marginesów błędu. Trzeba jednak pamiętać, że nawet gdy dane procesowe są wiarygodne, pewnie i tak ostateczną decyzję o tym, jak kształtować procedury optymalizacyjne podejmuje ostatecznie człowiek lub zespół ludzi, dla których zawsze największym wyzwaniem jest to, by na ich podstawie uzyskać jak najlepsze efekty.
W wielu przypadkach uważa się, że ludzie pracujący w zakładzie będą od razu postępować zgodnie z nowymi wytycznymi i realizować wydane instrukcje, jednak takie podejście rzadko sprawdza się w praktyce. Sukces w optymalizacji funkcjonowania przedsiębiorstw możliwy jest tylko przy wypracowaniu i wdrożeniu rozwiązań sprawdzających się zarówno w realizacji zadań na poszczególnych stanowiskach produkcyjnych, jak i zadań na poziomie zarządzania całymi działami przedsiębiorstwa. Jej trzema podstawowymi filarami są:
- dokładne, wystarczająco szczegółowe i docierające na czas dane o parametrach funkcjonowania poszczególnych działów przedsiębiorstwa, jego wynikach biznesowych,
- poprawa indywidualnych osiągów, tak by dobrze zidentyfikować i osiągnąć określone wartości kontrolowanych parametrów,
- monitoring i sterowanie funkcjami, które decydują o wartościach kluczowych parametrów biznesowych i produkcyjnych.
Pomiary parametrów procesów w czasie rzeczywistym
Podstawowym elementem, niezbędnym do sprawnego wdrożenia procedur optymalizacyjnych, jest sprawnie funkcjonujący system monitoringu i pomiaru danych oraz niezbędnych parametrów procesowych, bowiem tylko ich sprawny pomiar daje odpowiednią wiedzę o procesach produkcyjnych oraz pozwala ocenić, jak wdrażane procedury optymalizacji wpływają na ich wydajność. Wydajność i opłacalność to kluczowe wskaźniki dla działalności każdego przedsiębiorstwa, skąd jednak uzyskać wiedzę, które z elementów jego struktur produkcyjnych czy biznesowych w największym stopniu przyczyniają się do wzrostu wydajności, które zaś przeciwnie – obniżają ją? Jakie wskaźniki i parametry są najważniejsze dla wybranych, niewielkich działów przedsiębiorstwa, a jakie dla większych? Dopóki przedsiębiorca nie posiada takiej wiedzy, wdrażanie jakichkolwiek procedur optymalizacyjnych przypomina stąpanie na oślep, w ciemnym korytarzu.
Punktem wyjścia jest zawsze analiza obowiązującej strategii funkcjonowania przedsiębiorstwa. Jeżeli dane przedsiębiorstwo jest w tej szczęśliwej sytuacji, że każda sztuka wytworzonego przez nie produktu znajduje nabywcę, wówczas jego strategia bazuje na założeniach zmierzających do zwiększenia produktywności. Jeżeli jednak firma działa na rynku aktualnie przeżywającym recesję, jej strategia powinna zmierzać przede wszystkim w stronę redukcji kosztów produkcji. Kluczowym parametrem do monitorowania powinny być w takim przypadku bieżące koszty produkcji, najlepiej mierzone w czasie rzeczywistym. To wskaźnik nieco różniący się od często stosowanych KPI – kluczowych wskaźników wydajności, przy czym zawsze należy go traktować jako ich uzupełnienie, nie zaś stosować i analizować niezależnie. Zespoły robocze muszą dokładanie rozumieć, jak w danym momencie funkcjonuje określony dział przedsiębiorstwa oraz jakie są prognozy jego funkcjonowania w najbliższym okresie, tak by skutecznie i z odpowiednim wyprzedzeniem wprowadzić na nim niezbędne procedury. Do parametrów podstawowych, umożliwiających takie szacowanie, należą: przepustowość linii produkcyjnej lub danej maszyny, wydajność, koszty pracy, jakość, poziom bezawaryjności – związane tak naprawdę z ogólną strategią biznesową przedsiębiorstwa. W celu jej kompleksowego opracowania dobrze jest skorzystać z hierarchicznego modelu planowania działalności przedsiębiorstwa i jego poszczególnych działów, biorąc pod uwagę ich aktywność, znaczenie w procesie produkcyjnym oraz zapotrzebowanie na materiały i siłę roboczą (rys. 1).
Niejednokrotnie okazuje się jednak, że już samo wprowadzenie sprawnie działającego systemu pomiaru i monitoringu istotnych parametrów procesowych niemal intuicyjnie pozwala na podjęcie pewnych kroków zmierzających do optymalizacji, nawet bez wdrażania zaawansowanych strategii optymalizacyjnych.
Usprawnienie operacji i działań w czasie rzeczywistym
Zaangażowanie ludzi do podjęcia niezbędnych działań związanych ze zmianami strategii działania przedsiębiorstwa to zupełnie odrębna kwestia, wymagająca wykształcenia i utrwalenia w ich świadomości mechanizmów współzależności podejmowanych przez nich decyzji i powodujących je przesłanek (danych, informacji systemowych itp.). Szczególnie że w wielu aplikacjach istotne parametry procesowe zmieniają się zbyt szybko lub zbyt wolno, niekiedy są przedstawiane w formie analitycznej, co wymaga ich prawidłowej interpretacji, a więc personel musi posiadać odpowiednie kwalifikacje i doświadczenie, tak by podejmowane decyzje nie były zbyt pochopne.
Czasami niektóre problemy są możliwe do identyfikacji dopiero na podstawie kolejnego miesięcznego lub nawet kwartalnego raportu ERP, który ponadto często zostaje zbyt późno opublikowany i dostarczony odpowiednim osobom. Na przykład komputery pracujące w centrum dostaw i zarządzające przydziałem materiałów mogą zależenie od zmienności zamówień podejmować decyzje zaopatrzeniowe nawet kilkanaście razy na dobę. Czy też jednostka destylacji i dystrybucji ropy w rafinerii może zmienić nastawy zaworów trzy lub cztery razy w ciągu dnia, w efekcie kierując strumienie produktów naftowych do różnych zbiorników czy jednostek obróbczych. Przekazanie informacji o takich zdarzeniach już po fakcie ich zaistnienia to brak rzeczywistych danych o faktycznym stanie zasobów przedsiębiorstwa (maszynach, ale i produktach), lecz również efekt w postaci opóźnionej lub w ogóle braku reakcji korygujących ze strony operatorów lub systemów automatyki i zabezpieczeń.
Jedną z najlepszych aktualnie metod prezentacji danych i informacji operatorom, grupom serwisowym i zarządzającym jest kombinacja i integracja kilku systemów zarządzania – MES (sterowania i zarządzania produkcją), EMI (inteligentnej produkcji) oraz zaawansowanych interfejsów operatorskich HMI, które są w stanie przekazać obsłudze wiele nawet złożonych informacji w sposób przystępny, możliwy do wizualnego zaaranżowania, ze szczególnym uwzględnieniem alarmów, przekroczenia wartości bezpiecznych itp. Dane takie mogą być prezentowane w postaci tablic rozdzielczych, pulpitów – jak pokazano na rys. 1, lub też w formie tabel danych czasu rzeczywistego, statystyk online, wykresów itd. Strategie usprawniające przekaz informacji i procedury decyzyjne powinny bazować na wsparciu personelu w zakresie wizualizacji parametrów procesowych i operacyjnych, takich jak koszty energii, wykorzystaniu materiałów wsadowych, wydajności produkcji również w odniesieniu do podnoszonej w ostatnich latach kwestii ochrony środowiska naturalnego czy rentowności produkcji. Na podstawie takich informacji operatorzy mogą systematycznie, świadomie i odpowiednio wcześnie reagować, wprowadzać niezbędne zmiany lub korekty, stabilizując najistotniejsze parametry produkcji lub działania wybranych maszyn czy urządzeń.
Kierownicy i dyspozytorzy powinni otrzymywać dane i informacje o funkcjonowaniu działów czy procesów na współdzielonych ekranach synoptycznych, gdzie osiągi i zmiany parametrów pokazywane są w postaci trendów, w odniesieniu do ustalonych limitów, z zaznaczeniem wszelkich anomalii, przekroczeń itp.
W przypadku skomplikowanych i zaawansowanych technologicznie przedsiębiorstw produkcyjnych, zainstalowany w nich system monitorowania i akwizycji danych może również funkcjonować w oparciu o wspólne, jednolite ekrany kontroli i zarządzania, na których uwidaczniane są dane dotyczące kosztów energii zużywanej w procesach, emisji szkodliwych substancji, wydajności i kosztów jednostkowych produktu, umożliwiające w rezultacie nadzorcom regulację osiągami i najważniejszymi parametrami produkcji w czasie rzeczywistym. Dzięki takiemu systemowi odpowiedni specjaliści mogą być zawczasu zaalarmowani, że jakiś zespół urządzeń czy maszyn zaczyna realizować procesy przetwórcze, np. szybciej niż zakładano, i podjęcie w związku z tym ewentualnych działań korekcyjnych lub nawet szybkie opracowanie nowego harmonogramu prac. W ten sposób mobilne grupy specjalistów, połączone zdalnie z systemem monitoringu całego zakładu, mogą działać bardziej efektywnie, zachowując rozdział kompetencji, a jednocześnie pełną spójność podejmowanych decyzji.
Szeroka i dokładana wiedza o zużyciu energii oraz maszyn w trakcie realizacji procesów produkcyjnych pozwala również na opracowanie profilu energetycznego całego przedsiębiorstwa, dając możliwość jego optymalizacji ze względu na komfort zasilania i jego koszty. Taki profil może na przykład wykazać, że znacznie tańsze byłoby realizowanie niektórych działań produkcyjnych w godzinach porannych i w tym czasie zaleca się przeprowadzanie bardziej energochłonnych procesów.
Ostatecznie tak zorganizowany system monitoringu, ostrzegania i zarządzania przedsiębiorstwem, daje lepszą wiedzę o procesach w nim zachodzących oraz pozwala na racjonalne nim zarządzanie.
Korzystanie z lepszych analiz procesowych
Ciekawym przykładem firmy, która podjęła wyzwanie związane z implementacją zaawansowanych strategii optymalizacji zarzadzania produkcją, jest amerykański zakład Pepsi Bottling Ventures (PBV), zajmujący się produkcją i dystrybucją ponad 100 różnego typu produktów i marek. Przy tak zróżnicowanym asortymencie produkcji, kluczowym zadaniem jest sprawne i szybkie przestawienie linii produkcyjnych na potrzeby zmieniających się receptur. Specjaliści oszacowali, że przed optymalizacją taka właśnie zmiana zajmowała około 60 minut.
Dzięki implementacji oprogramowania analizy i wizualizacji danych procesowych – w tym przypadku Wonderware – menedżerowie firmy PBV byli w stanie zidentyfikować główne czynniki spowalniające wspomniane przestawianie oraz ich przyczyny. Uzbrojeni w taką wiedzę ustalili, że podstawowym czynnikiem spowalniającym był proces napełniania butelek. Rozwiązanie tego problemu poprawiło osiągi czasowe fazy przestawiania parametrów linii produkcyjnej do poziomu 45 minut, co pociągnęło za sobą dodatkowe oszczędności w ilości zużywanych surowców i opakowań. Skuteczność zaś samego procesu napełniania wzrosła o 10%.
Korzystanie z lepszych procedur zarządzania
Z kolei inna amerykańska firma branży energetycznej – Vectren Corporation, rozpoczęła swego czasu prace rozwojowe nad modelem zarządzania, który miałby być pomocny w obniżeniu kosztów niezaplanowanych wcześniej prac oraz poprawie stosunku prac planowych do nagłych, niezaplanowanych. Ostatecznie zdecydowano się na zastosowanie pakietu programowego Avantis, dzięki któremu zaimplementowano w zakładach system śledzenia zamówień i prac, integrujący informacje o realizowanych pracach planowanych i nieplanowanych w odniesieniu do danych dotyczących wydatków. System ten pozwolił firmie na uzyskanie lepszych osiągów w zakresie obsługi zaległości, częstsze zapobieganie niepożądanym zdarzeniom w stosunku do ich korygowania, lepsze zarządzanie kosztami prac i inwestycji, a w efekcie końcowym sprawniejsze kierowanie całą strukturą przedsiębiorstwa i jego budżetem. Obecnie z systemu korzysta około 250 pracowników zakładów Vectren, sterując i optymalizując parametry funkcjonowania ponad 6000 urządzeń, do obsługi których dysponują ponad 33 tys. części zamiennych.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza
Autor: Stan DeVries, Maryanne Steidinger
