Modułowość w inżynierii produkcji: Jak bardzo może być granularna?

Zasadę modułowości najlepiej wyjaśnić na przykładzie klocków Lego: kilka podstawowych klocków i zdefiniowanych elementów łączących można wykorzystać do stworzenia niezliczonych obiektów o różnych funkcjach. Podejście to przyjęło się również w przemyśle w przypadku produktów o wyższym stopniu złożoności i zmienności. W technologii sterowania i napędów, systemy takie jak sterowniki PLC, IPC, interfejsy HMI i komponenty napędów mogą być montowane z pojedynczych "plasterków" lub kilku zdalnych bloków I/O w celu dopasowania do danej maszyny. Zaleta: można je rozszerzyć lub zmodyfikować bez większego wysiłku podczas dalszego użytkowania.

Obecnie nie ma alternatywy dla modularyzacji w inżynierii mechanicznej, ponieważ odpowiednie koncepcje mają na celu stworzenie portfolio o mniejszej różnorodności i złożoności, a także ogólnie niższym poziomie kosztów bez ograniczania szerokości i indywidualności oferty (1). Stwierdzenie to jest łatwiejsze do zrozumienia, gdy weźmie się pod uwagę typowe wymagania dotyczące systemów produkcyjnych:

1. Koncepcje takie jak "indywidualne produkty" i "Przemysł 4.0" wymagają wysoce zmiennych systemów produkcyjnych, które umożliwiają wytwarzanie szerszej gamy produktów, nawet w mniejszych ilościach. W tym celu systemy muszą być skalowalne i oferować opcje późniejszej rozbudowy (2).

2. Aby firmy zajmujące się inżynierią mechaniczną mogły dotrzeć do swoich klientów, nie wystarczy opracowywać i sprzedawać dobre produkty - i czekać na zlecenia serwisowe/konserwacyjne. Wynika to z faktu, że koszty cyklu życia (LCC) odgrywają coraz ważniejszą rolę w analizie ekonomicznej inwestycji. LCC można wykorzystać do prezentacji i sprzedaży nowych koncepcji biznesowych, w tym usług konserwacyjnych, serwisowych i modernizacyjnych, w bardzo przejrzysty sposób. Ułatwia to producentom maszyn przekonanie użytkowników o zaletach rozszerzonego zakresu usług obejmujących cały cykl życia instalacji (3). Rosnący popyt na modele subskrypcyjne, takie jak "płać za użytkowanie", "płać za miesiąc" i "płać za jednostkę", potwierdza ten trend. W końcu modele zorientowane na użytkowanie i usługi są również atrakcyjne ekonomicznie: w 2018 r. średnia marża na sprzedaży nowych maszyn wyniosła 5,4%, podczas gdy w przypadku usług było to 40%.(4)

3. Zwłaszcza w przypadku drogich dóbr kapitałowych, często bardziej opłaca się rozbudowywać istniejące maszyny i odnawiać zespoły niż kupować je zupełnie nowe.

4. Przynajmniej niektórzy klienci oczekują, że moduły maszynowe lub podsystemy od różnych dostawców będą mogły być zintegrowane z istniejącymi systemami bez specjalnego wysiłku.

Zanim jednak producenci OEM zdecydują się na modularyzację swoich produktów i produkcji, powinni być w stanie odpowiedzieć twierdząco na poniższe pytania:

• Czy szacowany całkowity koszt nowej, konsekwentnie modułowej grupy produktów może zostać realnie odzyskany w zwykłych ramach czasowych dla branży i w oparciu o najgorsze założenia dotyczące dalszego rozwoju rynku?

• Czy wszystkie zaangażowane działy uważają wyzwania związane z planowanym przeprojektowaniem maszyny lub systemu za wykonalne?

• Czy wszystkie zainteresowane części firmy są przygotowane do dostosowania swoich metod pracy do nowej koncepcji modułowej?

Ważne jest również wyjaśnienie zakresu , w jakim maszyna lub system powinny być podzielone na moduły. Geniusz LEGO nie tkwi w samych klockach, ale w połączeniach między nimi. Określają one możliwą ziarnistość podziału, ale są również czynnikiem ograniczającym łączenie komponentów. Podobnie jest z interfejsami w maszynie: zapewniają one spójną "ogólną strukturę", gwarantując prawidłowe funkcjonowanie części maszyny i linii produkcyjnych. Prawidłowe oddzielenie od siebie elementów składowych "całego systemu" ma zatem zasadnicze znaczenie dla udanej modularyzacji.

• Po pierwsze, należy ustrukturyzować początkowy system zgodnie z funkcjami: na kluczowe funkcje, które odzwierciedlają Państwa kluczowe kompetencje, podstawowe funkcje (np. systemy nośne lub transportowe), które obejmują cały system, oraz funkcje dodatkowe lub pomocnicze.

• Teraz proszę połączyć te funkcje w moduły - ale tylko tak szczegółowo, jak to konieczne! Proszę wziąć pod uwagę wszystkie aspekty możliwej optymalizacji i niezbędne różnice w wyposażeniu. Proszę uwzględnić jak najwięcej etapów świadczenia usług w całym cyklu życia maszyny.

• Proszę ocenić znaczenie dla nowo zdefiniowanego modułu maszyny wszystkich elementów maszyny, których nie można dalej "podzielić" (czujniki, siłowniki, HMI, napędy itp.) i które wymagają zasilania elektrycznego/elektronicznego, sygnałów lub połączeń danych.

• Proszę przypisać te elementy do odpowiedniej warstwy maszyny.

• Proszę przypisać wszystkie niezbędne interfejsy do podłączenia poszczególnych elementów do odpowiednich modułów maszyny.

Wynikiem jest matryca zawierająca listę wszystkich modułów przyszłego systemu: Hierarchiczny układ części, w tym interfejsy i ich znaczenie modułów, powinien być widoczny. Na podstawie matrycy można ocenić wykonalność, ryzyko techniczne i konsekwencje dla konstrukcji maszyny. Przejrzystość wzrasta, gdy waży się znaczenie modułów dla całego systemu. Matryca nie tylko pokazuje zaangażowane frakcje, ale także dalsze kroki w rozwoju modułów i procesów.

Obecnie łatwiej jest odpowiedzieć na pytanie, jaki system sterowania będzie odpowiedni dla danej maszyny lub instalacji. Obserwacje HARTING na ten temat wskazują, że...

• Systemy o wysokim stopniu zmienności kluczowych funkcji i dużym zasięgu przestrzennym są zwykle wyposażone w zdecentralizowane systemy wejść/wyjść (I/O) na całej długości.

• Struktury łączone są wybierane dla mniejszych, wysoce zmiennych systemów. Sterowanie kluczowymi i podstawowymi funkcjami odbywa się centralnie, podczas gdy dodatkowe funkcje są sterowane centralnie (proste) lub decentralnie (złożone interfejsy), w zależności od ich złożoności;

• w przypadku mniejszych i/lub prostych systemów o niskiej zmienności, czysta centralna kontrola jest prostsza i bardziej ekonomiczna.

Na niemal absolutną swobodę związaną z modułowymi systemami produkcyjnymi decydujący wpływ mają interfejsy. Możliwości transmisji i opcje działania oferowane przez te komponenty pomagają określić modułowość systemu. Dlatego interfejsy powinny ...

• zawsze być projektowane w sposób zoptymalizowany pod względem kosztów dla odpowiednich wymagań (właściwości elektryczne, EMC) ścieżki transmisyjnej;

• być skalowalne stopniowo pod względem parametrów technicznych, a także wielkości i liczby w każdym module maszyny;

• być w stanie spełniać różne wymagania w zakresie materiałów, styków, montażu i rodzajów ochrony oraz zintegrować alternatywne media transmisyjne, takie jak przewody światłowodowe i sprężone powietrze.

_Referencje

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Perspektywy na przyszłość dla niemieckiej inżynierii mechanicznej"

2. Roland Berger, 2011, "Systemy produkcyjne 2020"

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019 r, "Inżynieria mechaniczna w Niemczech"

5. ID-Consult, "Strategia modularyzacji 2018/2019: Wpływ modułowych architektur produktów na sukces firmy"