Преимущества и недостатки маломасштабных и крупномасштабных автоматизированных фабрик

В 2023 году, когда средняя электротехническая компания, расположенная в Гуджарате, решила инвестировать в полностью автоматизированную линию сборки МCB, руководство было убеждено, что у них нет другого выбора, кроме как пойти на это: либо стать настолько автоматизированными, как их мировые конкуренты, чтобы выжить как компания, способная экспортировать свою продукцию, либо отказаться от экспортных контрактов, которые помогали поддерживать завод в живых. Менее чем за шесть месяцев линия сборки была установлена, начала работать, и объем производства увеличился в три раза, в то время как уровень дефектов упал до менее 0,1%. Инвестиции в линию, измеряемые миллионами долларов, должны были окупиться за три года, при условии, что будет достаточно заказов для выполнения. Через шесть месяцев после запуска линии сборки ключевой клиент компании сократил объем своих заказов на сорок процентов. Автоматизированная линия, спроектированная для определенного уровня производства, теперь работала чуть более чем на половину своего потенциала. Экономия на трудозатратах была значительной и ощутимой, но фиксированные затраты на оборудование, включая амортизацию, обслуживание и закупку запасных частей, не снизились вместе с объемом производства. Производитель узнал правду, которая отличает маломасштабную автоматизацию от крупномасштабной: значительные заводы могут распределить огромные фиксированные затраты среди большого объема производства; малые заводы не могут сделать то же самое. Принятие решения о автоматизации не связано с выбором лучшей технологической опции. Скорее, это связано с соответствием размера инвестиций объему спроса, гибкостью оборудования и затратами на автоматизацию.

Резюме: Основной компромисс между малой автоматизированной установкой и крупной автоматизированной установкой заключается в гибкости по сравнению с затратами на единицу продукции. Крупномасштабный завод делает значительные фиксированные инвестиции в высокоскоростную, специализированную автоматизацию для производства одного продукта или узкого ассортимента продуктов с минимальными затратами на единицу — при условии, что объем достаточно велик, а дизайн продукта достаточно стабилен для возврата инвестиций. Преимущества этого подхода — исключительная производительность и низкие затраты на единицу. Негативная сторона — низкая гибкость: продукт нельзя легко переключить на другой продукт, объем уменьшился и т.д.
Малая автоматизированная установка, с другой стороны, скорее всего, инвестирует в гибкие, программируемые или полуавтоматизированные ячейки, чтобы производить различные продукты, разные объемы и реагировать на изменения спроса, при этом неся более высокие затраты на единицу и требуя больше труда, чем полностью автоматизированные высокопроизводительные заводы.

Определение маломасштабной и крупномасштабной автоматизации: что на самом деле означают эти термины

Прежде чем сравнивать плюсы и минусы, необходимо объяснить терминологию: термины “малый” и “большой” в контексте автоматизированных фабрик не относятся к размеру в квадратных метрах. Они относятся к производительности автоматизации, гибкости и капитальным требованиям. Большая автоматизированная фабрика — это та, которая использует фиксированную (жесткую) автоматизацию — то есть она использует специализированные, однопurpose производственные линии, которые производят один предмет или семью предметов с высокой скоростью и в больших количествах. Примеры крупномасштабной автоматизации включают сборочную линию автомобильных двигателей, линию розлива напитков и линию калибровки и тестирования счетчиков. Ключевым фактором является то, что линия предназначена для выполнения только одной операции, и она делает это очень эффективно, но вы не можете изменить ее после постройки. Капитальные затраты высоки, но производственные затраты (на единицу), когда линия работает на полную мощность, очень низки.

На противоположном конце спектра находится меньшая автоматизированная фабрика. В этом случае используется программируемая или гибкая автоматизация, при которой системы и станции программируются для производства различных продуктов с меньшими партиями. ЧПУ-станок, который изменяет номера деталей в соответствии с управляющей программой, полуавтоматическая калибровочная стойка, где оператор устанавливает различные типы автоматических выключателей для калибровки, и роботизированный производственный модуль, который можно перемещать между различными станциями, являются примерами малой автоматизации. По сравнению с массовыми производственными предприятиями, меньшая автоматизированная фабрика требует меньших капитальных затрат, и ее стоимость на продукт выше, чем у массового производства, при этом снижая объем выпуска продукции, но одновременно предоставляя организации возможность адаптироваться к спросу, возникающему из-за изменения производимых продуктов, и негативным последствиям, возникающим из-за внедрения новых продуктов. Для основополагающего понимания различных архитектур автоматизации и того, как они подходят для различных производственных сред, наш гид по Что такое автоматизация? предоставляет более широкий контекст.

Преимущества крупномасштабной автоматизированной фабрики

Несколько измеримых преимуществ подтверждают бизнес-кейс для крупномасштабной автоматизации: одно из ключевых преимуществ — это производительность. Автоматизированная линия работает в соответствии со своими спецификациями круглосуточно, так как у нее нет усталости, вариаций или необходимости в обучении персонала. Специальные новые виды линий калибровки и инспекции автоматических выключателей, которые производит Benlong Automation, способны производить откалиброванные, протестированные и сертифицированные выключатели каждые две-четыре секунды. Такая производительность не может быть достигнута ни одним процессом, управляемым человеком, или полуавтоматизированным процессом. Более того, предсказуемость производительности позволяет производителю планировать производство и доставку.

Следующее ключевое преимущество связано с низкими переменными затратами. Это включает такие вопросы, как амортизационные расходы, расходы на обслуживание и инженерные затраты на машину, которые распределяются между многочисленными продуктами. Переменные затраты включают прямой труд, расходные материалы и энергетические расходы, которые, особенно по сравнению с ручным производством, действительно низки. Согласно исследованию McKinsey & Company, крупномасштабная автоматизация приводит к снижению цены за единицу на 30-60% по сравнению с ручным производством, при условии, что линия используется на полную мощность. Следующее преимущество автоматизации — это последовательность и качество. Автоматизированная машина производит одинаковый — высококачественный результат каждый раз. В случае полностью автоматизированной линии все технические параметры записываются, от настроек каждого автоматического выключателя до результатов тестирования продукта, а также сертификатов, которые создаются автоматически.

Недостатки крупномасштабной автоматизированной фабрики

Недостатки крупномасштабной автоматизации можно рассматривать как обратную сторону ее преимуществ, и эти недостатки могут быть значительными, особенно когда обстоятельства, оправдывающие ее использование, меняются. Одним из основных недостатков является отсутствие гибкости. Автоматизированная линия предназначена только для одной цели — для одного конкретного продукта, для одной определенной скорости производства и для определенных операций. В случае любых модификаций продукта — новой конфигурации штифта, нового эталона или нового требования к маркировке — линия должна быть переработана. Инструменты, приспособления, программирование системы визуализации и логика управления должны быть изменены, и затраты на это могут быть чрезвычайно высокими. В случае прекращения производства продукта линия практически не имеет остаточной стоимости — она была построена только для этой единственной цели и ничего более.

Другим недостатком является чувствительность к объему. Большая автоматизированная производственная линия включает в себя высокие фиксированные затраты. Фиксированные затраты включают амортизацию, операции по обслуживанию, требования к пространству и инженерную поддержку. Эти затраты не изменяются между миллионом произведенных единиц и ста тысячами произведенных единиц. Поскольку объем производства снижается из-за ухудшения ситуации на рынке, утраты контракта или сбоя в цепочке поставок, фиксированные затраты остаются неизменными, что приводит к увеличению стоимости на единицу продукции. Это означает, что линия с коэффициентом использования 90%, которая работала хорошо, может выйти из строя при коэффициенте 50%. Это произошло с производителем электрооборудования в Гуджарате и служит доказательством того, что такая автоматизация лучше всего работает с продуктами, имеющими стабильный долгосрочный спрос. Третьим недостатком является сложность обслуживания. Большие автоматизированные линии требуют группы инженеров и техников, обладающих достаточными знаниями о таких сложных устройствах, как ПЛК, системы сервоприводов, системы визуализации и системы архитектуры данных. Как только датчики выходят из строя, или нарушается калибровка роботизированного оборудования, или возникают проблемы с программным обеспечением, производственная линия будет простаивать до тех пор, пока проблема не будет решена.

Преимущества маломасштабной или полуаавтоматизированной фабрики

Маломасштабная автоматизация Программируемые ячейки, полуаавтоматизированное оборудование и гибкие роботизированные системы не означают компромисса на пути к масштабированию — это продуманный подход, который подчеркивает гибкость, минимизацию финансовых рисков и более быстрое получение ценности. Более того, гибкость является ключевым преимуществом. Например, полуаавтоматизированный калибровочный стенд можно перепрограммировать для новых автоматов за несколько минут, используя выбор из меню рецептов на интерфейсе человек-машина (HMI). Кроме того, ячейка коллаборативного робота может быть перемещена из сборочного цеха в упаковочную зону за несколько часов. Оборудование не привязано к конкретному производственному процессу и может использоваться в различных производственных операциях по мере изменения производства. Такая гибкость крайне полезна для производителей, работающих с различными сериями продукции в малых партиях, такими как производители электрооборудования, которые производят десять типов рам для автоматов или переменные и постоянные автоматические выключатели на одном и том же заводе.

Второе преимущество — более низкие капитальные вложения и меньший риск. Полуаавтоматизированная станция — такая как Benlong’s полуавтоматический стенд для термокалибровки — стоит лишь небольшую часть от стоимости полностью интегрированной линии. Она быстрее окупается, и если продукт изменится или объем снизится, инвестиции не будут заморожены. Производитель может начать с одной полуаавтоматизированной станции на критически важном этапе процесса качества, подтвердить возврат инвестиций и добавить дополнительные станции по мере роста объема и уверенности. Этот поэтапный подход снижает финансовый риск и позволяет организации постепенно наращивать свои компетенции в области автоматизации, а не ставить бизнес на карту в рамках одного крупного проекта. Третье преимущество — простота внедрения и обслуживания. Полуавтоматическая станция проще, чем полностью интегрированная линия, и ее может обслуживать существующая команда технического обслуживания завода с минимальным дополнительным обучением. Оператор, который загружает и выгружает станцию, также может выполнять ежедневные проверки и базовое устранение неполадок, потому что машина спроектирована для такого уровня взаимодействия с пользователем. Benlong Automation разрабатывает свое полуавтоматическое оборудование с учетом этого принципа: человеко-машинный интерфейс (HMI) создан для оператора, который управляет станцией каждый день, а не для инженера, который ее ввел в эксплуатацию.

Недостатки маломасштабной автоматизированной фабрики

Маломасштабная автоматизация имеет свои ограничения, и понимание этих ограничений жизненно важно для принятия обоснованного инвестиционного решения. Основной недостаток заключается в том, что стоимость за единицу продукции выше, чем у полностью автоматизированной системы, работающей на пике своих возможностей. Полуавтоматическая калибровочная станция все еще требует оператора для загрузки и выгрузки автоматического выключателя, и стоимость времени, затраченного на оператора, добавляется к каждой произведенной единице. Пропускная способность ограничена не только временем цикла машины, но и производительностью и выносливостью оператора. Полностью автоматизированная линия, производящая автоматические выключатели каждые три секунды при низкой стоимости труда, когда наняты два оператора для выполнения всей задачи, слишком конкурентоспособна для полуавтоматической ячейки, пока объем производства оправдывает расходы.

Второй недостаток заключается в том, что качество и данные автоматизированы лишь частично. Полуавтоматическая калибровочная станция используется для выполнения калибровки и тестирования автоматического выключателя, а также для записи данных калибровки. Но даже несмотря на то, что операция полуавтоматизирована, оператор, который загружает автоматический выключатель, должен определить правильный номинал выключателя, убедиться, что использовалась правильная рецептура, и позаботиться о перемещении выключателя от калибровки к следующему этапу после его калибровки. Каждый этап таким образом вводит возможность ошибок, которые можно избежать с помощью полностью автоматизированной технологии обработки.

Данные калибровки генерируются, но отслеживание автоматического выключателя с завода начинает ограничиваться, потому что оно зависит от качества системы данных, связывающей частично автоматизированные станции. Если нет сетевого соединения между станциями или если нет интеграции с централизованной MES, то отслеживание будет фрагментированным. Третий недостаток заключается в том, что серия полуавтоматических станций не создает ни серии совместимых, ни автоматизированной производственной линии. Конвейерная система, связывающая станции, является ручной и является слабым местом системы. Даже если производственный процесс автоматизирован на каждом уровне, успех этого начинания зависит от конвейерной системы. Это естественная точка, в которой производитель, начавший с полус автоматизированных станций, начинает рассматривать возможность интеграции их в полностью автоматизированную линию — и ассортимент продукции Benlong Automation разработан для поддержки именно этого перехода, с станциями, которые могут быть интегрированы в полную Автоматизированная сборочная линия MCB когда объем и бизнес-кейс оправдывают инвестиции.

Когда малой фабрике следует автоматизироваться? Рамки принятия решения

Вопрос о том, когда маломасштабному производственному предприятию следует внедрять практики автоматизации, нельзя свести к единому лимиту объема. Эта проблема решается путем тщательной оценки продукта и процесса, а также анализа рыночных условий и готовности организации. Предоставленная ниже структура является практической моделью для принятия решений.

• Автоматизируйте сначала критически важные этапы качества, независимо от объема. Всякий раз, когда этап процесса, такой как калибровка, тестирование, контактная сварка или написание, связан с риском, который может повлиять на безопасность, сертификацию или приемлемость для клиента, автоматизация принесет отдачу, значительно превышающую финансовые инвестиции. Автоматизируя, вы обеспечиваете не только повторяемость, но и создание следа данных, подходящего для целей сертификации, а также устранение единственного наибольшего источника вариаций в процессе. Если производитель производит 20 000 МCB в месяц, он может легко оправдать покупку полус автоматизированного калибровочного стенда только на основании причин качества, поскольку одна производственная партия MCB, не прошедшая сертификационные аудиты, обойдется компании гораздо дороже, чем калибровочный стенд.
• Автоматизируйте, когда стоимость труда становится ограничением, а не когда она становится основной частью затрат. Во многих малых предприятиях фактические затраты на труд для каждого продукта довольно низки, и существует тенденция откладывать автоматизацию до тех пор, пока труд не станет дорогим. Однако более надежным показателем является предложение рабочей силы. Если завод не может нанять достаточное количество обученных сборщиков или его текучесть и трудности с обучением снижают производительность, ему необходимо автоматизироваться, независимо от фактической стоимости труда. Международная федерация робототехники утверждает, что, согласно проведенным исследованиям, нехватка рабочей силы является тем, что побуждает малые и средние предприятия внедрять меры автоматизации.
• Start with semi‑automated cells and scale as volume and confidence grow. Производитель, который еще не внедрил никакую форму автоматизации, должен избегать начала с полностью автоматизированной линии. Объем необходимых знаний подавляющ, финансовые риски невероятно высоки, а трудности в эксплуатации многочисленны. Пример полуа автоматизации, такой как калибровочный стенд, тестовая станция или установка для завинчивания, представляет собой меньшую проблему. Компания учится определять оборудование, интегрировать его в производство, эффективно его использовать и оценивать его рентабельность.

Экономика масштаба в автоматизации: почему больше не всегда лучше

Наиболее известный миф в секторе автоматизации заводов заключается в том, что больше — значит лучше. Распространенное мнение здесь состоит в том, что достижение полной автоматизации завода является целью, а все инвестиции, которые не приводят к автоматизации завода или к работе завода эффективно без помощи человека, являются компромиссом. Однако истина, стоящая за этой легендой, заключается в задокументированной истории производственной отрасли и исследованиях McKinsey, указывающих на то, что идеальная степень автоматизации соответствует производимому продукту, объему или производительности, а также возможностям организации в отношении управления автоматизированными системами. Например, небольшому предприятию, производящему 10 типов рамок MCCB партиями по 500 штук каждый месяц, не нужна отдельная высокоскоростная линия для этого, такому заводу потребуется гибкая программируемая автоматизация, позволяющая переключать рецепты с одного типа рамки на другой. Тем временем, крупному предприятию, производящему 2 миллиона идентичных MCB ежемесячно для одного клиента, потребуется специализированная линия для такого большого производства, так как уровень спроса и стабильности на продукт делает это экономически целесообразным. Оба предприятия правильно автоматизируют свои бизнес-операции. Бизнесы терпят неудачи в автоматизации, когда они инвестируют в автоматизированные системы на основе неправильного уровня автоматизации.

Часто задаваемые вопросы

Каковы недостатки автоматизированных заводов?

Автоматизированные заводы страдают от недостатков, таких как высокие капитальные вложения, негибкость в отношении изменений в дизайне продукта или колебаний объемов, необходимость в специальном обслуживании и инженерных навыках, а также риск устаревания автоматизированного оборудования, если продукт, для которого оно было создано, больше не производится. Высокая стоимость создания автоматизированных заводов означает, что крупномасштабная фиксированная автоматизация особенно уязвима к падению объемов, так как эти затраты все равно нужно будет покрывать, независимо от того, производится ли 10,000 единиц или ни одной.

Каковы 4 D автоматизации?

4 D автоматизации — это простой инструмент для распознавания процессов, которые можно автоматизировать. Скучные процессы — это те, которые включают повторяющиеся задачи, которые скучны для людей и могут привести к ошибкам. Грязные процессы относятся к тем, которые выполняются в небезопасных или неприятных условиях. Сложные процессы касаются тех операций, которые требуют высокого уровня точности, силы и устойчивости к усталости, или выходят за пределы человеческих возможностей. Опасные процессы создают риск травм или даже смерти.

Каковы преимущества и недостатки использования автоматизированных систем для анализа?

Автоматизированные системы анализа Автоматизированные машины, включая автоматизированные станции калибровки и тестирования, гарантируют, что точные измерения проводятся несколько раз, и нет различий в требованиях разных операторов. Действительно, каждое измерение записывается для справки, и автоматизированные машины работают гораздо быстрее, чем любой ручной анализ. Однако у этих машин есть некоторые недостатки, такие как необходимость инвестировать в них, поддерживать их и регулярно калибровать. Они также могут идентифицировать только те явления, которые предусмотрены их программистами – все остальное будет игнорироваться машинами.

Каковы 10 недостатков автоматизации?

Десять часто упоминаемых недостатков автоматизации включают высокие стартовые затраты, негибкость системы в отношении изменений в производственных процессах, необходимость оплачивать фиксированные затраты независимо от объема производства, требование сложных операционных навыков для использования и эксплуатации автоматизированного оборудования, возможность потери рабочих мест для некоторых сотрудников, возможность сбоев оборудования, которые мешают работе машин, трудности, связанные с унификацией различных систем от разных производителей, затраты на обслуживание и обновление запасных частей и программного обеспечения, возможность утраты значимости системы при изменениях и возможная неспособность поддерживать целостность данных, когда вся система становится автоматизированной и сетевой. Все эти недостатки можно компенсировать за счет точного планирования и постоянного обучения сотрудников.

Ссылки

• McKinsey & Company — Будущее производства и автоматизации. Исследование производительности и рентабельности инвестиций в автоматизацию на разных масштабах, а также факторов, предсказывающих успешные инвестиции в автоматизацию в малых, средних и крупных предприятиях.
• Deloitte — Цифровое производство и разрыв в навыках. Анализ проблем рабочей силы и навыков, которые сопровождают инвестиции в автоматизацию, и стратегии, которые используют производители для создания внутренних возможностей по поддержанию и улучшению автоматизированных систем.
• Международная федерация робототехники (IFR) — Отчет по мировой робототехнике. Ежегодные данные о установках роботов и плотности автоматизации по странам и по размеру компаний, включая темпы внедрения совместной и гибкой автоматизации среди малых и средних предприятий.
• Automation World — Гибкая против фиксированной автоматизации: выбор правильной стратегии. Отраслевое издание, охватывающее компромиссы между специализированными высокоскоростными линиями и гибкой, перенастраиваемой автоматизацией, с примерами из нескольких производственных секторов.

Он преимущества и недостатки маломасштабных и крупномасштабных автоматизированных фабрик не являются табло, на котором одна сторона побеждает. Это набор компромиссов, с которыми каждый производитель должен справляться в зависимости от своих конкретных продуктов, объемов и рыночных условий. Автоматизированная линия большого масштаба обеспечивает наименьшую себестоимость единицы продукции и наибольшую производительность — при условии, что продукт стабилен, объем высок, и организация обладает техническими возможностями для его поддержания. Автоматизированная ячейка малого масштаба обеспечивает гибкость и меньший капитальный риск, который необходим производителю с высоким разнообразием и низкими объемами — при более высокой стоимости за единицу, но с возможностью адаптироваться к изменяющемуся рынку. Производитель, который понимает эти компромиссы и строит стратегию автоматизации, которая целенаправленно размещает каждый этап процесса в правильной точке на шкале, является производителем, который получает преимущества автоматизации, не платя цену за несоответствие. Benlong Automation производит как полуавтоматизированное, так и полностью автоматизированное оборудование для сектора электрического производства, потому что правильный масштаб автоматизации не является единственным ответом — это ответ, который соответствует фабрике, которую он обслуживает.