Как виртуальные фабрики командуют роботами

Ключевым направлением цифровизации предприятий стало использование цифровых систем оптимизации производства, в рамках которых автоматизация, роботизация, искусственный интеллект инструменты, а не самоцель.  

 

Текст | Вячеслав СОЛОПОВ, директор департамента консалтинга «Консист Бизнес Групп»

Эйфория по поводу роботизации и искусственного интеллекта сменяется более здравым отношением к их возможностям, которые в отдельных случаях действительно выдающиеся, но в целом пока больше подходят для точечного  применения. Особенно с учетом немалых затрат на эти инструменты.

Современная тенденция цифровизации, прежде всего для предприятий с типом производства, которое не может быть целиком передано автоматическим  линиям, — использование систем оптимизации производственных процессов, производственной среды и самих изделий. Это традиционные по методологии системы экономического анализа, подкрепленные современными ИТ-решениями и задействующие большие данные, цифровые системы экономического и пространственного моделирования virtual factory и другие цифровые методологии, позволяющие увидеть неочевидные окна возможностей. Они предлагают не только использовать роботов и ИИ, но и совершенствовать производственные процессы, улучшать условия труда сотрудников  и характеристики изделий. Важное их достоинство: они позволяют резко повысить эффективность даже «старого», доцифрового производства.

Вот некоторые ключевые тренды цифровой оптимизации с иллюстрациями из российского бизнеса.

Комфортный конвейер. Одно из московских машиностроительных предприятий с конвейерным производством переняло производственную методологию Toyota, дающую возможность оптимизировать конвейерное производство. До внедрения системы на заводе использовалась традиционная модель управления конвейерным производством (методология Форда), которая широко применяется в России: нормативная скорость, нормативы выработки, ориентация на среднестатистического рабочего. Рабочих за брак штрафовали. Но от этого брак не уменьшался.

Дирекция предприятия, пройдя стажировку на Toyota, внедрила новый подход. Новая методология состоит в том, чтобы рассчитать оптимальные условия для рабочих. Для этого были проанализированы статистические зависимости скорости и качества от роста, возраста, пола, телосложения. Например, кому-то приходится дотягиваться до изделий, идущих по конвейеру, и его нужно обеспечить подставкой для ног, кому-то не  всегда хватает сил, и нужно дать гаечный ключ помощнее, кому-то не хватает выносливости и внимания, и ему нужно либо подобрать более релевантный участок работы, либо скорректировать скорость  движения. С помощью нескольких итераций за год  были разработаны нехитрые приспособления для облегчения труда рабочих и скорректирована скорость конвейера на разных участках.

В результате реформы скорость изготовления продукции осталась прежней, при этом остановки конвейера прекратились вообще, а брак свелся к долям процентов.

Экономные процессы. На машиностроительном предприятии в Челябинской области неконвейерное производство было устроено последовательно — на специализированных по определенным операциям производственных участках.

Изделие приходилось носить и возить на специальном транспорте по участкам и цехам, разбросанным на огромной территории одного из производственных комплексов, — 100 тыс. кв. м. Терялись минуты и даже часы, которые можно было бы  потратить на изготовление продукции.  

Производственный процесс и сам производственный комплекс были перепроектированы. За основу взяты лучшие западные практики аналогичного производства.

Собрана статистика по времени транспортировки заготовок от одного станка к другому, станки, выполнявшие последовательные операции, были перенесены в одно помещение и поставлены рядом. Выяснилось, что, если устанавливать оборудование хотя бы парами, время на транспортировку сокращается на 80%, а простои оборудования снижаются на 50%.

Группировка оборудования  определялась удобством рабочих и техникой безопасности. Так удалось ликвидировать большинство логистических петель и сэкономить порядка 40% производственных площадей. Время на изготовление конечной продукции сократилось в общей сложности на 5—7 дней, а высвободившиеся цеховые автопогрузчики были переведены трудиться на  склад.

Не последовательно, а параллельно. На одном из авиазаводов нашей страны с помощью системы цифровой оптимизации рассчитали возможность конвейерного выпуска самолетов.

В российском авиастроении конечная сборка самолета традиционно выполняется на стапеле. Это существенно замедляет скорость изготовления: в условиях ограниченного помещения на стапеле может находится только один  самолет. Для выполнения крупноузловой сборки без стапеля не обойтись. Однако монтаж навесного и внутреннего оборудования можно производить вне стапеля и освободить его для следующей модели. Но где же делать финальную сборку?

На одном из сборочных заводов компании  Boeing самолеты собираются по конвейерному принципу. Собранный фюзеляж самолета перемещается по цеху, и одновременно с этим идет монтаж оборудования. Конвейер движется со скоростью метр в час. За это время одни рабочие прокладывают кабель, а другие в салоне монтируют кресла. То есть сборочные операции выполняются параллельно, а не последовательно. Нужные детали и агрегаты выстраиваются по ходу движения самолета по цеху, в тех местах, где будет самолет, когда они  понадобятся.

Перестройка цеха под такой тип сборки не требует приобретения сложного  конвейерного оборудования  и, следуя расчетам, окупится за три года. Согласно бизнес-плану, разработанному на российском предприятии, большие начальные инвестиции на покупку конвейерного оборудования не требуются, а внедрение конвейерного типа сборки позволит увеличить скорость выпуска самолетов на  40%. Это поможет увеличить серию и вернуть вложения в модернизацию производства.

Робот или человек? Одно из судостроительных предприятий внедрило методологию оценки стоимости использования живой или цифровой рабочей силы для введения роботов на тех участках, где это экономически наиболее  оправданно.

Рассчитываются затраты на рабочего: это не только затраты на зарплату, различные отчисления за него, но и, например, усталость, утомляемость, которая нарастает в течение рабочего дня, накапливается с годами и пересчитывается в коэффициент брака и затраты предприятия на оплату больничных листов. В созданной компьютерной модели производственного процесса рабочий должен поднимать заготовку весом 12 кг на 40 см над землей и в течение 5 секунд держать, устанавливая на место крепления. Рассчитали, что за смену он поднимает заготовку более полусотни раз, выполняет эти операции изо дня в день. У него функционируют определенные мышцы, нагружаются суставы. Через пять лет с высокой вероятностью возникают воспаления, грыжи, протрузии — и рабочего приходится переводить на другой участок, выплачивать компенсацию за испорченное здоровье.

Использование на этой позиции робота-манипулятора — очень большие начальные инвестиции, затраты на запасные части и профилактику, в том числе ежемесячное обслуживание, а также регулярные контроль и отладка роботов. Хотя, как показали расчеты, за пять лет затраты окупаются, и роботы прослужат до тех пор, пока морально не устареют или конструкторы не придумают иной способ расположения  деталей.

На нескольких наиболее опасных для здоровья людей участках уже закуплены и установлены роботы. Там выработка выросла на 30%, а брак оказался на уровне статистической погрешности. 

Места для роботов. На этом же предприятии были вычислены места для роботов. Прежде всего замена части станков с ЧПУ.

Роботы заменяют несколько станков, как когда-то  станки с ЧПУ заменяли несколько рабочих. Импортный аппаратный робот — дорогое удовольствие, но один робот способен заменить более десяти станков с ЧПУ, повысить выпуск продукции: экономия превышает затраты, особенно с учетом повышения выработки и качества продукции на  30—40% по сравнению с той, что давали станки с ЧПУ. Кроме того, принято решение  использовать роботов на сварке прямого шва стальных листов. Сварка — это прежде всего твердые руки. А робот готов варить десятиметровые листы с высокой скоростью и на порядок более высокой гарантией качества, причем подача свариваемых листов  автоматическая. Сварщики учатся этому годами, и все равно нет гарантии, что шов всегда будет идеально ровным. Робота же нужно с определенной периодичностью контролировать и при необходимости отлаживать. Эффект на этом участке: 0% брака, рост выработки на 40%, новые возможности сварки, которых при использовании  сварщиков не существовало.

Чем поможет ИИ. В проектировании изделий на вертолетостроительном предприятии с помощью цифровой оптимизационной методологии вычислили необходимость использования модуля искусственного интеллекта.

Системы проектирования российские, выполнены на уровне мировых стандартов: в них используются кадкамы для 3D-проектирования. Конструктор рисует 3D-модель, а из архива автоматически подхватываются, например, готовые сборки проектной документации по моделям. 

Система оптимизации помогла увидеть проблемы: недостаточные качество и скорость проектных решений. И выработать решение: внедрить модуль, который позволяет моделировать варианты решений, касающихся структуры  изделий.

Конструктор рисует деталь привычным способом, однако может нажать на кнопку, и компьютерная программа сама сформирует конечное представление, конечную форму с учетом тысячи параметров. Или смоделировать варианты решения: скажем, сделать 20 кронштейнов, а не 10, но суммарная нагрузка будет не 10, а 5  кг. ИИ, если к нему обратятся за помощью, не повторит чисто человеческие мыслительные особенности: он использует оптимальные алгоритмы принятия решений. Например, выдаст оптимальное аэродинамическое решение на основе анализа больших данных. Модуль дорогостоящий. Хотя он за три года применения окупил себя: позволил снизить металлоемкость на 30—40%, повысить качество и — самое главное — скорость проектирования на 20%, что критически важно для сохранения лидерства в мировой вертолетостроительной отрасли.

3D-решение проблемы китайского качества. Один из российских производителей спортивной и casual-обуви, использовав цифровую методологию оптимизации, пришел к неожиданному решению проблемы выпуска продукции в  Китае.

До этого предприниматели были вынуждены ограничить сотрудничество с китайскими производителями — выпускать изделия «рядом» с дизайном, так как не имели возможности проконтролировать качество. Строчка или шов сделаны чуть-чуть не так — чуть слишком близко или слишком далеко, и дизайн обуви нарушается. Потрачены ресурсы на фокус-группы, разработку дизайна, технологий, маркетинговых ходов, а получившийся результат оставляет желать много лучшего. При этом у предприятия нет, как, например, у Nike, возможности держать в Китае большой штат специалистов — собственных технологов, контролеров качества.

Отчаявшись получить соответствие своим требованиям у китайских производителей, компания решает задачу внедрением 3D-принтера для печати образцов изделий. Предприятие арендует 3D-принтер, стоящий в китайском технологическом центре. С его помощью из Москвы в Китае печатается горячий ботинок — опытный образец. Он благодаря специальному ПО «разбирается» на составляющие: отдельно подошва, отдельно вставки, отдельно строчка, отдельно язычок, которые становятся производственными заданиями. Таким образом, китайским мастерам остается лишь повторить полимерный ЗD-образец обуви в коже и  текстиле.

Инициаторы проекта считают, что этот способ позволит сократить время нахождения технолога компании на заводе в Китае со 150 дней в  году до 25. Также  удастся преодолеть проблему языкового барьера в общении специалистов двух стран и — главное  — сократится время от дизайна до пошива партии готовых изделий.

Все приведенные примеры и наш опыт показывают, что сама по себе  цифровизация производства не является знаменитой волшебной таблеткой для повышения его эффективности. Все современные технологии должны быть четко подобраны, и их применение требует точного места и времени. Важнейшую роль в этом процессе играют топ-менеджмент предприятия и опытный партнер, имеющий высокую квалификацию в разработке и применении современных цифровых решений.