Poka yoke - obco brzmiące rozwiązanie doskonale znanych problemów

Jak większość stosowanych współcześnie metod usprawniania produkcji, idea Poka yoke narodziła się w Japonii. Problem, z którym borykała się w latach 60. ubiegłego wieku firma Yamada Electric, polegał na tym, że przy montażu prostego wyłącznika składającego się z dwóch guzików operatorzy mieli tendencję do zapominania o założeniu jednej bądź obu sprężyn pod tymi guzikami. Taki produkt, obarczony bądź co bądź defektem montażowym uniemożliwiającym poprawne funkcjonowanie urządzenia, trafiał później do odbiorcy, który każdorazowo wymagał zlikwidowania usterek.

Mylić się jest rzeczą ludzką

Rys. 1. Przykład terminalu Poka yoke

Errae humanum est - słowa te, pochodzące od Seneki Młodszego po 2000 lat rozwoju cywilizacji nadal są aktualne. O ile problem na zautomatyzowanej linii produkcyjnej można rozwiązać na różne sposoby, o tyle bardzo trudno jest wpłynąć na taką przeszkodę, jaką jest zwykłe roztargnienie operatora. W Yamada Electric apelowano do pracowników na różne sposoby, by byli oni bardziej uważni i dokładni.

Niestety w monotonnej pracy montażowej trudno utrzymać długotrwałą koncentrację i mimo dobrych chęci defekty wciąż się zdarzały. Problem ten rozwiązano więc dosyć niekonwencjonalnie, szczególnie jak na tamte czasy - Shigeo Shingo, jeden z twórców słynnego już systemu produkcyjnego Toyoty o nazwie TPS, zaproponował, aby operator montujący sprężyny otrzymywał je na specjalnym podajniku (dwie sprężyny na każdy podajnik).

W takiej sytuacji, jeśli po zmontowaniu wyłącznika sprężyna pozostawała na podajniku, operator od razu wiedział, gdzie popełnił błąd. W ten właśnie sposób narodziła się idea Poka yoke polegająca na eliminowaniu pomyłek przez wprowadzanie szeregu usprawnień procesu produkcji.

Rozwiązania Poka yoke w życiu codziennym...

Rozwiązanie zaproponowane firmie Yamada Electric było bardzo proste, łatwe we drożeniu i okazało się w 100% skuteczne. I na tym właśnie polega idea Poka yoke, z którą mimo egzotycznej nazwy spotykamy się na co dzień. Bo jak inaczej niż "uniemożliwianiem pomyłki" nazwać fakt, że bagnet w dystrybutorze oleju napędowego jest nieco większy niż ten w dystrybutorze benzyny?

Większy bagnet nie mieści się we wlocie baku samochodu z silnikiem benzynowym, co ogranicza możliwość zalania "benzyniaka" olejem napędowym i zepsucia sobie reszty dnia. Podobne metody dotyczą portu USB w komputerze czy karty SIM, której ścięty róg umożliwia tylko jeden, poprawny sposób montażu. Takie przykłady z życia codziennego można by mnożyć.

...a także w przemyśle

Produkcja przemysłowa, gdzie manualny montaż wciąż jest często kluczowy i niezbędny, to temat odrębny. O ile zalanie baku olejem napędowym zamiast benzyną może doprowadzić do popsucia sobie dnia i ewentualnie skrócenia żywotności silnika, o tyle defekty w produkcji przemysłowej mogą mieć o wiele poważniejsze skutki.

Seryjny błąd, wynikający z dekoncentracji operatora czy nawet pomyłki w samej instrukcji technicznej, może doprowadzić do konieczności wycofania całego nakładu produkcji. Błędnie zmontowane maszyny mogą narazić na niebezpieczeństwo ich użytkowników, co może mieć nawet konsekwencje prawne.

Produkt obarczony defektem wpływa też na wizerunek firmy. W procesach produkcyjnych problemy nieprawidłowego montażu są więc o wiele poważniejsze niż w życiu codziennym. Dlatego też produkcja przemysłowa wymaga również przemysłowego podejścia do Poka yoke.

Metody poka yoke

W uproszczeniu, Poka yoke dzieli się na:

1. metody regulacyjne (obejmujące sterowanie czy alarmowanie, głównie z wykorzystaniem komponentów automatyki);
2. metody ustawiające, z wyszczególnieniem:
   • metod kontaktu, czyli sprawdzania różnych cech produktu (takich jak kolor, waga, kształt itd.) pod kątem błędów,
   • metod ustalonej wartości, czyli wykrywania błędów przez zliczanie operacji operatora,
   • metod koniecznego kroku, czyli zmuszania operatora do wykonania danego kroku w danej chwili czy na danym etapie.

Metody regulacyjne opierają się w większości na wiedzy i doświadczeniu programisty, który przygotowuje stanowisko dla operatora. Z kolei metody ustawiające są bardzo skuteczne pod względem uniemożliwiania popełnienia błędu, ale są też nieco trudniejsze w realizacji za pomocą komponentów automatyki przemysłowej.

Od teorii do praktyki

Rys. 2. Stanowisko montażowe oparte na terminalu z przesłonami

Tak się składa, że największa fabryka firmy Mitsubishi Electric ma siedzibę w tym samym mieście, gdzie kiedyś Shigeo Shingo wprowadzał Poka yoke w firmie Yamada Electric. Idea ta jest nam więc bardzo bliska, dlatego dziś, ponad 50 lat później, wprowadzamy bazujące na niej kompleksowe i nowoczesne rozwiązanie dla przemysłu XXI wieku.

Rozwiązanie Mitsubishi Electric opiera się na dwóch elementach. Pierwszy to bardzo szeroki wachlarz terminali przeznaczonych do Poka yoke. Drugi element to oszczędne i odchudzone okablowanie tych terminali, które łączy w sobie wysoką odporność na zakłócenia z łatwością instalacji.

Niemal każdy terminal wyposażony jest w dwie podstawowe grupy funkcjonalności - możliwość komunikowania operatorowi, jaką czynność ma do wykonania (np. za pomocą zielonej diody LED) oraz możliwość sprawdzenia, czy operator tę czynność wykonał (np. za pomocą bolczyka, który należy trącić ręką). Terminale wyposażone w takie typy funkcjonalności umożliwiają stworzenie stanowiska montażowego, które "myśli" za operatora, podpowiada mu kolejne czynności i kontroluje, czy wykonywane są poprawnie i w odpowiednim czasie.

Mitsubishi Electric oferuje ponad 60 różnych modeli terminali, które mogą być wyposażone w LED o różnych kolorach, wyświetlacze 7-segmentowe, przyciski, czujniki fotoelektryczne itp. Daje to możliwość stworzenia stanowiska montażowego w pełni dostosowanego do aplikacji, a nawet do osobistych preferencji operatora. Jednym z najciekawszych terminali jest z pewnością model wyposażony w przesłonę (rys. 2). Otwiera się ona tylko w momencie, gdy element za nią przechowywany ma zostać wykorzystany. Eliminuje to zupełnie możliwość niepoprawnego montażu.

Bez owijania w... kable

Rys. 3. Innowacyjny system kablowania Sho-Haisen

Bardzo ważnym elementem opisywanego systemu Poka yoke jest jego okablowanie o nazwie Sho-Haisen. Bazuje ono na bardzo nowatorskiej technologii sterowania Mitsubishi Electric, które sprawia, że nawet na stanowiskach z dużą ilością terminali całość oparta jest jedynie na czterech przewodach. Płaski, cztero-przewodowy kabel może być więc schludnie zamontowany na stanowisku, a wszelkie odgałęziania do terminali realizowane są za pomocą odpowiedniego narzędzia, bez konieczności cięcia przewodów czy ściągania izolacji (rys. 3).

"Mózgiem systemu" Poka yoke jest dowolny sterownik firmy Mitsubishi Electric, a więc któryś z modeli serii Q, L bądź FX. Dodatkowo istnieje możliwość stworzenia systemu rozproszonego i podłączenie stanowiska wyposażonego w terminale Poka yoke do sieci przemysłowej CC-Link.

Programowanie takiej aplikacji jest bardzo proste, jako że sprowadza się do stworzenia sekwencji montażu, wykorzystując bity reprezentujące wejścia (czujniki wykrywające akcje operatora) i wyjścia (komunikowanie następnego ruchu). Ponadto, każdy z terminali jest identyfikowany przez indywidualny numer stacji, który może zostać przypisany do urządzenia za pomocą odpowiedniego, bezprzewodowego narzędzia.

Istnieje również możliwość stworzenia kompleksowego systemu zapewniania jakości produkcji, włączając do niego na przykład kamery wizyjne, służące do inspekcji wizualnej wyprodukowanego elementu, czy moduły wagowe do sprawdzania jego wagi.

Mniej znaczy lepiej

Rys. 4. Wykorzystanie Poka yoke: ścięcie rogu (1), wmontowany chip (2) oraz odpowiednia konstrukcja wtyczki (3) gwarantują poprawne ich umieszczenie; bagnet z dystrybutora oleju napędowego (4) nie może być włożony do wlewu baku benzyny; odpływ w umywalce (5) chroni przed przelaniem się wody

Oprócz oczywistej zalety, w postaci unikania defektów montażowych wynikających z roztargnienia czy pomyłek operatora, "podejście poka yoke" ma również wiele innych dodatkowych plusów: ponieważ kolejne czynności są podpowiadane przez system, operator nie musi zerkać na instrukcję stanowiskową, co przyspiesza jego pracę.

Wszystkie elementy do montażu znajdują się w przygotowanym do tego miejscu, a każdy montaż realizowany jest przy minimum ruchów i wysiłku. Bardzo ważny jest również fakt, że na takim stanowisku montażowym operator musi mieć jedynie minimum wiedzy, przez co o wiele łatwiej jest znaleźć nowych pracowników czy zwiększyć ich rotację.

Nowoczesny przemysł w systemach automatyki

Ponieważ Mitsubishi Electric jest dostawcą kompleksowych systemów automatyki, nic nie stoi na przeszkodzie, by stanowiska Poka yoke połączyć z systemami nadrzędnymi. Można wtedy tworzyć sekwencje pracy na stanowiskach z poziomu systemu MES czy dogłębnie analizować pracę poszczególnych operatorów za pomocą narzędzi raportowania w pakiecie MAPS.

Połączenie tych rozwiązań sprawia, że współczesny przemysł może być jeszcze bardziej wydajny, a produkty trafiające do sklepów obarczone dużo mniejszym prawdopodobieństwem wystąpienia defektu.

Piotr Siwek
Mitsubishi Electric Europe B.V.
pl.mitsubishielectric.com