Miten keskeneräinen tuotanto vaikuttaa?

Tuotannolle voidaan melko yksinkertaisesti laskea optimaalinen määrä keskeneräiselle tuotannolle. Samalla todellinen WIP-taso kertoo yrityksen suorituskyvystä kun sitä verrataan optimaaliseen, worst-case skenaarioon ja käytännölliseen tasoon.

Termit

Ennen isompaa syventymistä teoriaan ja kaavoihin käydään läpi laskuissa tarvittavat termit.

TH
Ulostulo, eli throughput (TH) tarkoittaa tuotantolinjan tuottamaa kappalemäärää. Yleensä yksikössä kpl/tunti.

WIP
Keskeneräinen tuotanto, eli WIP kuvaa tuotannossa olevien osien määrää. Voidaan ilmaista myös rahallisena arvona, mutta näissä laskutehtävissä yleensä kappalemääränä.

r_b
Pullonkaulanopeus (r_b) on kpl/aika -yksikössä se luku, mikä on tuotannon huonoiten suoriutuva työpiste pitkällä tähtäimellä. Tällä tarkoitetaan pitkän aikavälin keskiarvoa kaikkien konerikkojen yms. jälkeen.

CT
Tuotantoaika, eli cycle time tai throughput time kuvaa kuinka kauan tuotteen valmistukseen menee. Kuvaa sitä aikaa kun tuote on WIP, eli tuotteen työn alle ottamisesta tuotteen valmistumiseen kuluva aika.

Käyttöaste
Käyttöaste, eli utilization kuvaa työpisteen kuormitusta. Se lasketaan kaavasta saapuvat tuotteet aikayksikössä / tuotantovalmius aikayksikössä.

Raakaprosessiaika, T₀
Raakaprosessiaika (raw process time) on kaikkien työpisteiden pitkäaikaisen keskiarvon summa. Tämä on pelkästään tuotteelle tehtävien työvaiheiden summa, eikä sisällä odotusaikoja.

Kriittinen WIP, W₀
Kriittinen WIP (W₀) kuvaa sitä keskeneräisen tuotannon määrää, jolla saavutetaan maksimaalinen tuotanto TH minimaalisella tuotantoajalla stabiilissa, muuttumattomassa tuotannossa. Saadaan kaavasta W₀ = r_b*T₀.

Riippuen laskentakaudesta meidän pitää huomioida erilaisia tekijöitä. Esimerkiksi T₀ ja r_b -arvoja laskettaessa tulee pitkän aikavälin suunnitelmassa huomioida enemmän käyttökatkoja. Lyhyen aikavälin suunnitelmissa, kuten päiväkohtaisessa suunnittelussa ei huomioida isoja huoltotoimenpiteitä ja laajoja konerikkoja. Lyhyen aikavälin suunnittelussa huomioidaan ainoastaan yleisimmät viat.

Tuotannon pullonkaula

Tuotannon pullonkaulana toimii työpiste, jonka käyttöaste on kovin. Yksinkertaisessa linjastossa tämä on myös työpiste, joka on hitain. Monimutkaisemmassa linjastossa, jossa voi olla vierekkäin monia työpisteitä tai tapahtuu hukkaa, ei pullonkaulana välttämättä ole hitain työpiste. Nopeampi työpiste, jolle on on isompi saapuvan tavaran aste, voi toimia suuremmalla käyttöasteella. Tämän vuoksi pullonkaula tulee todeta käyttöasteen kautta.

Ajatellaan yksinkertaista kahden työpisteen tuotantoa, jossa 1. piste tarvitsee tuotantoon 1 minuutin ja 2. työpiste 2 minuuttia. Ensimmäisen työpisteen r_b on siis 1 ja toisen työpisteen 0,5 (0,5 tuotetta / minuutti).

Työpiste 2 on siis selvä pullonkaula? Ajatellaan että 1. työpisteen jälkeen vain x prosenttia jatkaa toiselle työpisteelle ja 100 – x prosenttia tuotannosta hylätään syystä tai toisesta. Ensimmäisen työpisteen käyttöaste on siis r/1 = r. Toiselle työpisteelle saapuu vain x prosenttia tuotteista, jolloin toisen työpisteen käyttöaste on xr / 0,5 = 2xr.

Mikäli tämä hyväksymisaste x on alle 50 %, on ensimmäisen työpisteen käyttöaste korkeampi, jolloin se toimii pullonkaulana. Nyt mikäli lisäämme tuotteiden syöttöastetta r, hyväksymisasteen x pysyessä alle 50 %:ssa, ylikuormittuu 1 työpiste ennen toista.

Esimerkkilinja

Käytetään esimerkkinä tuotantolinjastoa, jossa on neljä työpistettä ja jokaisen työpisteen työaika on 2 tuntia.

Esimerkkilinja 1. Neljä tuotantopistettä, joiden jokaisen työaika on 2 tuntia.

Linjasto on täydellinen linjasto, jossa ei ole hävikkiä ja se käy 24 tuntia vuorokaudessa.

Jokaisen työpisteen r = 0,5 tuotetta tunnissa eli yksi tuote kahdessa tunnissa. Koska hävikkiä ei ole ja kaikki työpisteet toimivat samalla käyttöasteella, on tuotannon pullonkaulasuhde r_b = 0,5.

Linjan voidaan sanoa olevan balanssissa, koska jokaisella työpisteellä on sama kapasiteetti. Prosessiaika T₀ on yksinkertaisesti työpisteiden tuotantoaikojen summa.

T₀ = 8 h.

Ja kriittinen WIP W₀ = r_b* T₀ =  0,5 * 8 = 4 yksikköä.

Tämä tarkoittaa sitä, että meillä on kokoajan jokaisessa työpisteessä 1 tuote tekeillä. Voimme kasvattaa keskeneräistä tuotantoa lisäämällä enemmän tuotteita valmistuslinjaan, mutta se ei kasvata meidän kokonaistuotantoa, koska jokainen työpiste pystyy ainoastaan 0,5 tuotteen tuntivauhtiin. Lisääntynyt keskeneräinen tuotanto vain kasaantuu ensimmäisen työpisteen eteen ja lisää tuotannon läpimenoaikaa.

Esimerkkilinja 2

Otetaan toiseksi esimerkiksi balansoimaton tuotantolinja, jossa käyntiajat ovat erilaiset ja työpisteitä eri vaiheille on eri määrä.

Esimerkkilinja 2. Balansoimaton linja.

Tämänlaisen tuotantolinjan kapasiteettilaskenta on hieman monimutkaisempaa monien vierekkäisten työpisteiden johdosta. Esimerkiksi kolmannessa tuotantovaiheessa yhden koneen tuotantokapasiteetti on 1/10 tuotetta tunnissa, jolloin koko kolmannen tuotantovaiheen kapasiteetti on 6 * 1/10 = 0,6 tuotetta tunnissa. Helpommin tämä saadaan laskemalla suoraan koneiden määrä jaettuna prosessiajalla.

Esimerkkilinja 2 taulukkomuodossa.

Koko tuotantolinjan kapasiteetti on edelleen johdettavissa pullonkaulasuhteesta tai hitaimmasta koneesta, joka tässä tapauksessa on vaihe 2 ja pullonkaulanopeus r_b = 0,4 tuotetta tunnissa.

On huomattava että pullonkaula ei ole se vaihe, missä on hitaimmat koneet (vaihe 3) tai vaihe, jossa on vähiten koneita (vaihe 1). Raakaprosessiaika T₀ on edelleen tuotantovaiheiden summa.

T₀ = 2 + 5 + 10 + 3 = 20 tuntia.

Kriittinen WIP lasketaan edelleen samalla tavalla

W₀ = r_b* T₀ = 0,4 * 20 = 8 tuotetta.

Balansoimattomassa linjassa W₀ on tyypillisestä vähemmän kuin varsinaisten työpisteiden/koneiden määrä. Se kuvaa sitä tasoa, jolla saavutetaan maksimaalinen tuotanto ja saadaan täysin samasta kaavasta. Kriittinen WIP pätee kuitenkin vain muuttumattomassa linjassa, eikä se kuvaa optimaalista tilannetta missään muussa tapauksessa. Näin ollen se ei juuri koskaan ole käytännössä optimaalisin tilanne.

Littlen laki

WIP = TH * CT

Tämä Littlen laki kuvaa keskeneräisen tuotannon määrää ja se pätee kaikissa tapauksissa. Ei ainoastaan muuttumattomassa ihannetapauksessa.

Kaavaa voidaan soveltaa myös yksittäiseen työpisteeseen, jolloin voimme toisesta esimerkistä laskea näin:

WIP = TH * CT = 0,4 tuotetta/tunti * 2 tuntia = 0,8 tuotetta

Koska ensimmäisessä vaiheessa on vain yksi kone, on sen käyttöaste 80 %. Vastaavasti kolmosvaiheeseen saamme 4 tuotetta, jolloin keskimääräinen käyttöaste on 66,7 % (4 tuotetta / 6 konetta). Tämä voidaan laskea myös suoraan pullonkaulanopeuden suhteesta  tuotantovaiheen kapasiteettiin. Esimerkiksi kolmosvaiheessa 0,4 / 0,6 = 0,667.

Paras vaihtoehto

Littlen laista on johdettavissa laskukaava parhaalle mahdolliselle tuotantoajalle. Tässä tapauksessa w merkkaa käytössä olevaa WIP-tasoa.

Mikäli w ≤ W₀ silloin CT_best = T₀, muutoin CT_best = w/r_b

Vastaavasti maksimi tuotanto TH_best =  w/T₀, mikäli w ≤ W₀, muutoin TH_best = r_b.

Huonoin vaihtoehto

Huonoimmat mahdolliset vaihtoehdot saamme seuraavasti

CT_worst = w * T₀

TH_worst = 1/T₀

Huonoin vaihtoehto voi olla todellisuutta jos esimerkiksi tuotantoa siirretään työpisteeltä toiselle erissä. Esimerkiksi tuotetta tehdää johonkin koriin useampi kappale kerralla ja siirretään vasta sitten seuraavaan tuotantovaiheeseen useamman tuotteen erissä. Parhaassa mahdollisessa tapauksessa tuotteet siirtyvät tuotantovaiheesta toiseen salamannopeasti, eikä välivarastoja ole.

Käytännössä huonoin vaihtoehto

Todellisuudessa kaikista huonoin vaihtoehto on harvemmin todellisuutta. Toisaalta myös optimaalisin vaihtoehto on lähes mahdotonta saavuttaa käytännössä. Siksi laskemmekin nyt käytännössä huonon vaihtoehdon (practical worst case performance), jota vasten yrityksen tuotantoa voidaan peilata.

CT_PWC = T₀ + [ (w-1) / r_b ]

TH_PWC = [ w / ( W₀ + w -1)] * r_b

PWC-kaavat muodostavat kohtuullisen keskiarvon, joka kuvaa monia käytännön toteutuksia.

Pullonkaulat

Pullonkaulanopeus r_b on tärkeä, koska se määrittelee koko tuotantolinjan tuotantonopeuden.

Mikäli yritys suoriutuu PWC kaavaa paremmin, voidaan tilanteen todeta olevan hyvä. Muutoin jotain parannettavaa löytyy varmasti. Kaavoja tutkimalla voidaan löytää sopivia kehityskohteita. Esimerkiksi linjan pullonkaulanopeutta nostamalla saadaan vähennettyä tuotantoaikaa. Tämä ei kuitenkaan aina ole taloudellisesti järkevää tai mahdollista, mikäli joutuisimme esimerkiksi hankkimaan toisen koneen parantaaksemme pullonkaulanopeutta.

Paras paikka saavuttaa tuloksia on aina parantaa pullonkaulana toimivan työpisteen tuotantonopeutta. Mikäli tämä ei ole järkevää, saadaan kuitenkin tuloksia aikaiseksi muitakin työpisteitä nopeuttamalla.

Työntekijät pullonkaulana?

Edellä kuvatut kaavat pätevät kun työntekijöitä on riittävästi ja tuotantokoneet toimivat pullonkaulana. Esimerkiksi jokaisella koneella on yksi työntekijä. Joillakin aloilla meillä voi olla tilanne, jossa koneita on yllinkyllin johtuen esimerkiksi niiden halvasta hinnasta suhteessa koneiden aiheuttamaan pullonkaulaan. Työntekijöitä on vain rajattu määrä ja he vaihtavat koneita tarvittavan työtehtävän mukaan. Mikäli koneita on riittävästi, tulee työntekijät tuotantoa rajoittavaksi tekijäksi.

Tässä tapauksessa voimme laskea tuotannon kaavasta TH_max = n/T₀, jossa n on työntekijämäärä ja T₀ on edelleen kappaleen raakaprosessiaika.

Kaava ei päde, mikä työntekijä pystyy suorittamaan kerralla useaa työtehtävää, esimerkiksi valvomaan useamman automaattisorvin tuotantoa. Kaava pätee vain kun työntekijä tekee vain yhtä työtehtävää kerrallaan.

Kaavan antama ulostulo kuvaa parasta mahdollista tulosta. Se harvoin on todellisuutta johtuen erilaisista tuotannon kohtaamista odotusajoista. Esimerkiksi jotakin työtehtävää ei saa/osaa tehdä kuin osa työntekijöistä.