Wszystko, co musisz wiedzieć o planowaniu fabryki

Planowanie fabryki (zwane także planowaniem zakładu produkcyjnego) to bardzo wieloaspektowe i fascynujące spektrum zadań. Zaczyna się – jak sugeruje samo zestawienie słów „fabryka” i „planowanie” – od projektowania zupełnie nowych zakładów produkcyjnych. A kończy się…?

Dla profesjonalnego usługodawcy planistycznego wszystko kończy się wraz z uruchomieniem. Za tym postrzeganiem podąża też wielu autorów literatury fachowej, na przykład:

Jednak dla operatora fabryki wszystko zaczyna się dopiero potem: ledwie ruszy produkcja, zarysowują się pierwsze potrzeby zmian…

Już te dwie perspektywy pokazują, jak trudno nadać temu pojęciu powszechnie akceptowane znaczenie. O ile zawodowi planiści fabryk widzą w nim powołanie o charakterze wielkiego projektu, o tyle dla operatorów planowanie fabryki oznacza zwykle istotną zmianę w systemie, którego sami są na co dzień częścią. Ta zmiana powinna być oczywiście trwała i pozytywna! Często idzie z tym w parze ciche życzenie, aby tak radykalne zmiany nie zdarzały się zbyt często. Zamiast tego mają powstawać trwałe struktury, które można łatwo dostosowywać bez wielkich projektów.

Dlatego zmienia się także oblicze wielu fabryk. Na niektóre fabryki po prostu przyjemnie się patrzy; czujemy intuicyjną ciekawość, by zobaczyć je od środka. Nie tylko dlatego, że łączą funkcjonalność z estetyką – fabryki od zawsze symbolizują innowacje i postęp. Nawet dymiące kominy minionych epok fascynowały ludzi, choć sprawiły, że bezpośrednie otoczenie fabryk do dziś powszechnie uchodzi za nieatrakcyjne. Przy stale rosnącej gęstości zaludnienia fabryki muszą jednak coraz częściej funkcjonować w środowisku miejskim, a nawet je wzbogacać. Być może fabryki przyszłości będą wyglądać tak, jak zarysowana na ilustracji wizja fabryki wertykalnej?

Istota planowania fabryki to zatem znacznie więcej, niż podpowiada nam samo pojęcie. Planowanie fabryki to zadanie, które w każdym zakładzie produkcyjnym jest obecne permanentnie. Chodzi o nie mniej niż ciągłe przewidywanie i wdrażanie zmian w bazie tworzenia wartości przedsiębiorstw produkcyjnych.

Z pojęciem „planowania fabryki” wiąże się na ogół następujące zmiany systemów produkcyjnych:

To także najczęściej wymieniane powody, dla których w ogóle zajmujemy się planowaniem fabryki – dla których temat trafia na agendę. W takich fazach odczuwalnie radykalnej zmiany dyskutowane są z reguły także wyjątkowo wysokie kwoty inwestycji. Planowanie fabryki trafia wtedy w centrum uwagi zarządu. Często samo staje się projektem – i to potężnym. I z reguły nie da się go udźwignąć bez zewnętrznego wsparcia.

Wszystko to prowadzi do rozpowszechnionego przekonania, że planowanie fabryki zawsze należy postrzegać jako projekt, a taki wysiłek trzeba podejmować tylko z rzadka.

Ale dlaczego tak jest? Czy zmiana technologiczna nie postępuje coraz szybciej? Czy sensowne jest odpowiadanie na permanentną presję zmian radykalnymi projektami? Czy nie lepiej planować fabrykę w sposób ciągły i stale z wyprzedzeniem przemyśliwać scenariusze zmian, aby móc reagować szybko i elastycznie?

Choć nauka o organizacji produkcji od dziesięcioleci regularnie prezentuje nowe koncepcje fabryk wraz z potrzebnymi modelami i metodami, większość przedsiębiorstw dosłownie nie może wyskoczyć z własnej skóry. Spełnienie marzenia o zaprojektowanym według najnowszej wiedzy zakładzie na zielonej łące przez lata czy dziesięciolecia pozostaje ekonomicznie nierealne. Także radykalna przebudowa czy rozbudowa należą do rzadkości.

Pozostaje więc reorganizacja istniejących struktur fabrycznych – czyli relokacja. Wydaje się to jednak jedynym polem działania bez odczuwalnego charakteru planowania fabryki. Przenosi się przecież tylko kilka instalacji albo wycofuje stare, by zrobić miejsce nowym. Po co do tego planowanie fabryki?

A jednak! Właśnie do tego potrzebne są:

Każda ingerencja w strukturę fabryki zmienia ją – niezależnie od tego, czy zmiana jest radykalna, czy ciągła. Jeśli się to zaniedba, ważne potrzeby zmian mogą pozostać niezauważone. Powstają te budzące obawy, narosłe historycznie struktury, których nikt nie chce i których nikt nie potrafi zmienić.

Działania planistyczne w fabryce są różnorodne. W praktyce często trudno o rozgraniczenie między planowaniem fabryki a zadaniami planistycznymi w bieżącej eksploatacji. Jest ono jednak konieczne, bo metodycznie to dwa wyraźnie odrębne obszary.

Rozgraniczenie wynika przede wszystkim z horyzontu planowania, który w eksploatacji fabryki (a więc w planowaniu i sterowaniu produkcją) jest bieżący, a poza tym krótko- lub średnioterminowy, podczas gdy planowanie fabryki ma orientację raczej średnio- i długoterminową – z definicji nie dotyczy dnia bieżącego. Wynikają z tego bardzo różne wymagania: z jednej strony wobec metod i algorytmów, z drugiej wobec danych (cyfrowych) i wskaźników wynikowych.

O ile w eksploatacji fabryki pracuje się z reguły na danych o ruchach pojedynczych części i ich zleceń produkcyjnych, dzięki którym można sterować optymalnym wykorzystaniem zasobów, o tyle planiści fabryki patrzą na ruchy materiałów w większej skali. Interesuje ich bowiem przepływ materiałów w jego całościowej strukturze i w kontekście różnych scenariuszy przyszłości, które bywają dość rozmyte.

Jeśli metody i modele sterowania koncentrują się na obciążeniu zasobów i czasie realizacji zleceń, to wyniki planowania fabryki znajdują odzwierciedlenie w layoutach produkcji. Tam istotne są np. przewidywana praca transportowa czy wykorzystanie powierzchni jako wskaźniki.

Jeżeli w planowaniu produkcji chodzi o ustawianie wielkości partii, kolejności zleceń czy obsad zmian (personelu), to parametry kształtowania w planowaniu layoutu fabryki mają naturę funkcjonalną i geometryczną – chodzi o rodzaj, wymiar i położenie obiektów rozmieszczanych.

Z drugiej strony planowanie i eksploatacja fabryk muszą ze sobą harmonizować, dlatego potrzebne są modele łączące jedno i drugie. Cenną bazą może tu być strumień wartości. W modelu strumienia wartości rejestruje się bowiem z jednej strony przebiegi (procesy), z drugiej zasoby. Gdy procesy zmieniają się znacząco, trzeba ponownie przemyśleć zasoby, tzn. ich wydajność (wymiar) i rozmieszczenie (położenie w layoucie). Ciągła pielęgnacja danych strumienia wartości dostarcza więc impulsu planistycznego – sygnału, by przejść z horyzontu planowania produkcji w horyzont planowania fabryki.

Dominujące postrzeganie planowania fabryki jako projektowania od nowa, a przynajmniej radykalnej zmiany zakładów produkcyjnych, odciska się m.in. na rozpowszechnionych modelach postępowania w planowaniu fabryki. W Niemczech szczególne znaczenie ma wytyczna Stowarzyszenia Inżynierów Niemieckich – VDI 5200. Wymienia ona np. przypadki planistyczne „budowa nowego zakładu”, „rozbudowa”, „restrukturyzacja” i „likwidacja”. Jej rdzeniem jest siedmiofazowy proces planowania fabryki obejmujący „definicję celów”, „ustalenie podstaw”, „planowanie koncepcyjne”, „planowanie szczegółowe”, „przygotowanie realizacji”, „nadzór nad realizacją” i „opiekę nad rozruchem”, integrujący usługi architekta zgodnie z obowiązującym w Niemczech cennikiem usług architektów i inżynierów (HOAI) z fazami planowania fabryki. Już samo to ścisłe powiązanie usług architektonicznych i planistycznych pokazuje koncentrację na dużych projektach.

W większości przypadków fabryki zmieniają się jednak nie radykalnie, lecz w sposób ciągły, raczej małymi krokami. Warto również takie zmiany osadzić w ramach rozwoju fabryki i lokalizacji. Te ramy powinny być jednak mniej linearne – powinny obejmować iteracje i poziomy analizy dla zmian o najróżniejszej skali.

Złożoność planowania fabryki daje się dość prosto opisać w dwuwymiarowym modelu faz planowania i etapów planowania:

„Nić przewodnia” przez framework przybiera postać mniej lub bardziej rozbudowanych pętli iteracyjnych. W każdej fazie planowania należy przy tym przejść przez metodycznie uzasadnione, budujące na sobie etapy planowania. Taki model jest uniwersalniejszy, daje jednak w konkretnym przypadku mniej precyzyjne wskazówki niż np. niemiecka VDI 5200.

Przedmiotem planowania fabryki jest cała fabryka – a więc złożony system socjotechniczny. Logiczne, że do jej planowania trzeba używać modeli. W najprostszym przypadku są to rysowane dwuwymiarowe layouty z rozmaitą dokumentacją uzupełniającą. Standardem są cyfrowe modele fabryki. Występują one w najróżniejszej szczegółowości i bardzo często są rozproszone po różnych jednostkach organizacyjnych przedsiębiorstwa. Jeden jedyny cyfrowy model, który skupiałby w sobie wszystkie informacje potrzebne do planowania fabryki i udostępniał je do użytku, pozostaje w większości przypadków iluzją.

W planowaniu fabryki trzeba więc umieć radzić sobie z niekompletnością, nieostrością, a także względną niejasnością celów planowania i ich warunków brzegowych. Nie tylko z tego powodu korzysta się z modeli hierarchicznych. Taką hierarchiczną budowę najłatwiej zobrazować przez analogię do atlasu świata:

• Duży atlas świata pokazuje na pierwszej stronie całą rozłożoną Ziemię; na kolejnych stronach widoki pozwalają na analizę np. topografii, podziału politycznego czy stref klimatycznych.
• Na kolejnych stronach zmienia się rozdzielczość. W mapach geograficznych dzieje się to poprzez skalę. Widocznych staje się więcej szczegółów. Informacje nadrzędne (np. strefa klimatyczna) sterują tym, jak mocno dany obszar jest rozwijany. Nie znajdziesz np. map Arktyki czy Antarktydy w rozdzielczości planu miasta.
• Każda rozdzielczość służy jakiemuś celowi: z politycznej mapy świata można odczytać liczbę państw i ich wzajemne położenie, podczas gdy w planie miasta ta informacja jest nieprzydatna i jej tam nie ma. Za to można tam znaleźć nazwy ulic – informację, której mapa świata po prostu nie jest w stanie pokazać.
• Aby połączyć te poziomy analizy, potrzebny jest system porządkujący; w atlasie są to spis treści oraz odsyłacze do map sąsiednich i map o wyższej rozdzielczości.

Użyteczne modele fabryki podążają za podobną hierarchią. Istnieją w nich poziomy o mniejszej i większej szczegółowości, z których każdy spełnia własny (planistyczny) cel. Wszystkie poziomy istnieją równocześnie, jednak w procesie planowania nie o każdym z nich wiadomo w każdej chwili wszystko – wiedza narasta.

Projektując fabrykę, nie zaczyna się od pracy w największej rozdzielczości, lecz postępuje top-down, a więc od ogółu do szczegółu. Przy restrukturyzacji można natomiast wyjść od szczegółowo znanego stanu obecnego. Trzeba jednak wyprowadzić z niego poziomy ogólniejsze, aby móc kwestionować i na nowo kształtować zależności całościowe. Nie ma np. sensu usuwać wąskich gardeł logistycznych zmianą systemu transportowego, jeśli strategia produktowo-produkcyjna sugeruje integrację technologiczną, a więc przestrzenną koncentrację zaangażowanych etapów procesu. Wynikające z niej wymagania trzeba ocenić na poziomie struktury fabryki, z czego z reguły wynikają nowe, inne wymagania wobec logistyki.

Po hierarchii porusza się zarówno top-down, jak i bottom-up: idąc z góry, projektuje się fabrykę; idąc z dołu, przeprowadza restrukturyzację. Do obu tych przypadków planistycznych można zastosować opisany wyżej framework faz i etapów planowania na hierarchicznym modelu fabryki. Kluczowe pojęcia to:

Analizowane przestrzenie rozmieszczania stają się w toku faz planowania coraz mniejsze, a ich obiekty rozmieszczane coraz bardziej konkretne. Rośnie przez to łączna liczba przestrzeni i obiektów do opracowania w toku planowania.

Całość przechodzi się od nowa w każdej fazie planowania, przy czym wraz z postępem prac dwa ostatnie etapy – strukturyzacja i kształtowanie – zyskują na znaczeniu i, patrząc na ogół zadań planowania layoutu, zajmują łącznie najwięcej czasu.

W toku planowania zakres zadań rośnie, ponieważ:

Idzie z tym w parze wzrost wymaganych kompetencji fachowych w odniesieniu do opracowywanych obiektów. Jednocześnie maleje zakres metodyki stricte planistycznej. Innymi słowy: im dalej w procesie planowania, tym bardziej potrzebne są wiedza i doświadczenie ludzi eksploatujących fabrykę. Z tego powodu na początku obecnego tysiąclecia ugruntowało się przekonanie, że partycypacyjne podejście do planowania fabryki przynosi korzyści. Zakres zadań można nie tylko rozłożyć na więcej barków – rosną przede wszystkim jakość planowania i akceptacja rozwiązania. Jednocześnie spada zapotrzebowanie na czas.

Największy efekt przynoszą standardy modelowania. To w modelu fabryki odzwierciedlają się wyniki planowania, zanim dojdzie do realizacji. Jeśli model fabryki jest powszechnie zrozumiały, deficyty planistyczne łatwo dostrzec. Rośnie też akceptacja – także dla momentami niewygodnych konieczności.

Trójwymiarowe wirtualne layouty fabryki w fotorealistycznym wydaniu są przez wielu praktyków wskazywane jako pożądany poziom zrozumiałości. Metodycznie ten poziom jest jednak osiągalny dopiero pod koniec planowania, a więc w fazie planowania szczegółowego, na etapie kształtowania.

W świecie realnym ta maksymalna szczegółowość istnieje jednak dla istniejących struktur fabrycznych. Nasuwa się więc pomysł, by layouty stanu obecnego modelować w 3D niezależnie od bieżących potrzeb planistycznych, np. jako platformę komunikacji.

I dokładnie tu zaczyna się potrzeba standaryzacji: chodzi przede wszystkim o rozpoznanie niezbędnych poziomów hierarchii i ustalenie dla każdego z nich pomocnej rozdzielczości (Level of Information).

Sprawdziły się następujące poziomy, poczynając od największej wymaganej rozdzielczości:

Stanowisko robocze lub produkcyjne jest dla planistów fabryk najmniejszym obiektem rozmieszczanym. Stanowiska rozmieszcza się w obszarach, przy czym obszary są dającymi się wyodrębnić systemami przepływów ze zdefiniowanymi interfejsami (np. śluzami, miejscami odstawczymi) do logistyki zaopatrzenia i odbioru. Obszary z kolei są obiektami rozmieszczanymi wewnątrz poziomów produkcyjnych. Z nich powstaje całościowy model zakładu, np. jako layout blokowy.

Na potrzeby wizualizacji trójwymiarowych poziomy produkcyjne dodatkowo grupuje się w budynki.

Najbardziej pouczające pytanie o korzyści z planowania fabryki brzmi chyba: co przychodzi potem?

Oczywiście po radykalnej zmianie w fabryce każdy się cieszy, że wszystko wreszcie za nim – zwłaszcza trudności rozruchu. W podsumowaniach nierzadko wybrzmiewa żal nad ogromnym nakładem pracy. Gdyby np. wiedziano wcześniej, jakich danych potrzebuje taki projekt, wszystko przebiegłoby z dużo mniejszym stresem i nakładem analiz. Samo ustalenie faktycznego stanu obecnego okazało się gigantycznym zadaniem. Naturalnie postanawia się więc robić odtąd wszystko lepiej…

I właśnie to jest wyzwanie! Korzyść z planowania fabryki nie bierze się z faktu, że nowo zaplanowany system produkcyjny wreszcie działa, lecz z tego, że w porę rozpoznaje się, kiedy należy planistycznie zadziałać.

Wiele projektów planowania fabryki rodzi się bowiem z presji problemów, a nie z gotowości do zmian. Tylko kilka przykładów:

Pytanie często nie brzmi wtedy, jak dobrze uda się planowanie, lecz czy w ogóle się uda. Dobrze, jeśli na końcu wszystko działa, a budżet nie został bezgranicznie przekroczony. Skoro wszystko jest nowe, wszystko będzie też lepsze. Zadowolić się tym to jednak zmarnować potencjał. Nowość i wynikające z niej przewagi efektywności szybko się ulatniają. W czasie eksploatacji fabryki nieustannie narastają opcje działania. Trzeba je rozpoznawać i oceniać.

Pomagają w tym wskaźniki strukturalne. Przykładowo na podstawie monitoringu przepływu materiałów można ocenić potencjał zmian w layoucie fabryki. W tym celu aktualne lub zaplanowane na kolejny okres intensywności przepływu materiałów przekazuje się do cyfrowego modelu fabryki, który analizuje typ struktury i zależności w layoucie na różnych poziomach analizy i potrafi zobrazować punkty zaczepienia dla zmian.

Animacja pokazuje ten efekt na przykładzie planowania layoutu blokowego. Jako wskaźnik strukturalny wykorzystywana jest praca transportowa:

1. Działy frezowania i obróbki kompleksowej leżą w analizowanym layoucie daleko od siebie.
2. Zaimplementowana w oprogramowaniu zmodyfikowana metoda trójkątów pokazuje na liście priorytetów po prawej stronie, że oba działy (pozycje 8 i 9) muszą znaleźć się bliżej siebie.
3. Jeśli takie rozmieszczenie się powiedzie (np. poprzez relokację działu obróbki kompleksowej), pracę transportową można zmniejszyć.

Bez modeli i metod planowania fabryki takie potrzeby zmian pozostają w dużej mierze niezauważone, bo narastają z reguły stopniowo, przez wiele okresów. Dopiero gdy wąskie gardło daje o sobie znać operacyjnie, nagle pojawia się presja działania. Przykładowymi sygnałami mogą być brak miejsca albo nadmierny ruch transportowy z podwyższonym ryzykiem wypadków. Planowanie fabryki staje się wtedy jedynie narzędziem reaktywnym, które ogromnym nakładem sił nie osiąga nic więcej niż powrót do struktur możliwych do opanowania.

Inaczej niż w przypadku innych ciągłych zadań koncepcyjnych, jak rozwój produktu czy planowanie i sterowanie produkcją, w wielu małych i średnich przedsiębiorstwach nie ma osobnej jednostki organizacyjnej odpowiedzialnej za planowanie fabryki. Ten brak instytucjonalizacji sprawia, że odpowiedzialność za planowanie fabryki spoczywa z reguły bezpośrednio na zarządzie. Stąd też bierze się typowy projektowy charakter takich działań; normą jest także wsparcie zewnętrzne. Przy większych przedsięwzięciach jest ono zresztą konieczne merytorycznie. Zaangażowane są wtedy zwykle następujące dyscypliny:

Najczęstsze zmiany zachodzą jednak poniżej progu postrzegania ich jako projektów planowania fabryki – tam, gdzie chodzi o przekształcanie pojedynczych obszarów. Pojawiają się tu jedynie zadania strukturyzujące i kształtujące z planowania dokładnego lub szczegółowego. Ilość informacji sprawia, że niezbędnych jest kilka osób o różnych profilach fachowych z samych obszarów, które wspólnie zajmą się strukturą i kształtem systemu produkcyjnego.

Ponadto rosnąca dynamika wielu programów produkcji wymaga ciągłości planowania. Nasuwa się wykorzystanie koncepcji KAIZEN i organizowanie takich regularnych zadań planowania fabryki w interdyscyplinarnych małych grupach. Doświadczenia i badania z zakresu organizacji produkcji pokazują, że włączenie osób z doświadczeniem z obszarów objętych zmianą poprawia przede wszystkim jakość i akceptację rozwiązania. To oszczędza cenny czas.

Planowanie fabryki nie jest jednorazowym zadaniem projektowym, lecz czymś, co stale zajmuje przedsiębiorstwa produkcyjne – a przynajmniej powinno. Nie oznacza to jednak automatycznie, że w planowaniu fabryki nie ma projektów. Przeciwnie: wewnątrz planowania fabryki toczą się niezliczone projekty o różnej częstotliwości. Inicjuje je najczęściej uruchamianie nowych produktów lub dostępność nowych technologii, ale także wygaszanie lub nieopłacalność produktów i technologii.

Planowanie fabryki jest więc tym częściej potrzebne, im bardziej zmienne są program produkcji i technologia produkcji oraz im mocniej technologia odciska się przestrzennie. W zakładzie czysto montażowym dla mniejszych produktów seryjnych spektrum wyrobów, a z nim program produkcji, będzie się zmieniać bardzo często, sama technologia już rzadziej. Wymagania przestrzenne technologii montażu pozostają natomiast stałe przez stosunkowo długi czas. Odwrotnie zachowuje się np. przemysł chemiczny. Tu nowy produkt oznacza z reguły nową instalację o znacznych rozmiarach. To mocno ingeruje w strukturę fabryki, zdarza się jednak znacznie rzadziej niż np. w przypadku urządzeń elektronicznych, które podlegają bardzo krótkim cyklom innowacji.

Kolejnym czynnikiem jest oczywiście wzrost. Nie chodzi przy tym tylko o kierunek dodatni – wyzwaniem dla planowania fabryki jest zwłaszcza wzrost ujemny. Przewymiarowane struktury fabryczne są bowiem nieproporcjonalnie drogie, gdy można je obłożyć tylko w niewielkim stopniu. Wiele zakładów produkcyjnych padło ofiarą ujemnego wzrostu. Na ile przyczynił się do tego brak aktywności planistycznej, pozostawmy ocenie ekspertów; w powszechnym postrzeganiu planowania fabryki dominują jednak raczej nowe budowy.

Wniosek: (w odniesieniu do jednego i tego samego przedsiębiorstwa) fabryka planowana jest od nowa stosunkowo rzadko. Większość zadań planistycznych wynika z konieczności ciągłego rozwoju lokalizacji. Ten temat na stałe gości na agendzie wielu odpowiedzialnych za Industrial Engineering.